Linia Kármán
(nu în scară).
Linia Kármán este o linie imaginară plasată la o înălțime de 100 km ( 330 000 ft ) deasupra nivelului mării, care marchează în mod convențional granița dintre atmosfera Pământului și spațiul cosmic . Definiția acestei limite este acceptată de Fédération Aéronautique Internationale (FAI), un organism internațional de standardizare și un organism de certificare pentru înregistrările aeronautice și astronautice. [2]
Linia poartă numele lui Theodore von Kármán , un inginer și fizician maghiar-american care a lucrat în principal în domeniile aeronauticii și astronauticii . El a fost prima persoană care a calculat că atmosfera la aceste altitudini devine prea subțire pentru a permite zborul aerian , deoarece un avion ar trebui să călătorească mai repede decât viteza orbitală pentru a obține o propulsie aerodinamică suficientă, adică ridicarea . Linia se află aproximativ la turbopauză , deasupra căreia gazele atmosferice nu mai sunt bine amestecate între ele și tind să se stratifice în funcție de densitatea lor.
Comentariul lui Kármán
În ultimul capitol al autobiografiei sale, Kármán scrie un comentariu despre problema graniței dintre atmosferă și spațiu, din original:
| ( EN ) „Unde începe spațiul poate fi de fapt determinat de viteza vehiculului spațial și de altitudinea acestuia deasupra pământului. Luați în considerare, de exemplu, zborul record al căpitanului Iven Carl Kincheloe Jr. într-un avion rachetă X-2. Kincheloe a zburat 2000 de mile pe oră (3.200 km / h) la 126.000 de picioare (38.500 m), sau 24 de mile în sus. La această altitudine și viteză, ridicarea aerodinamică încă transportă 98% din greutatea avionului și doar două procente sunt purtate de forța centrifugă sau Forța Kepler, așa cum o numesc oamenii de știință din spațiu. Dar la 300.000 de picioare (91.440 m) sau 57 mile în sus, această relație este inversată deoarece nu mai există aer care să contribuie la ridicare: doar forța centrifugă predomină. Aceasta este cu siguranță o graniță fizică, unde aerodinamica se oprește și începe astronautica, așa că m-am gândit de ce nu ar trebui să fie și o graniță jurisdicțională? Haley a numit-o cu bunăvoință Linia Jurisdicțională Kármán. Sub această linie, spațiul aparține fiecărei țări. Peste acest nivel ar exista spațiu liber ". | ( IT ) „Unde începe spațiul poate fi determinat de viteza unei nave spațiale și de altitudinea sa deasupra Pământului. Luați în considerare, de exemplu, zborul record al căpitanului Iven Carl Kincheloe Jr. la bordul unui avion experimental X-2 . Kincheloe a zburat cu 3 200 km / h la 2 000 mile pe oră la o altitudine de 126 000 ft ( 38 500 m ) sau 24 mile. La această altitudine și viteză, ridicarea aerodinamică suportă încă 98% din greutatea avionului și doar două procente sunt susținute de forța centrifugă , numită și forța Kepler , așa cum o numesc oamenii de știință din spațiu. Dar, la 300.000 ft (91.440m) sau 57 mile de altitudine, această relație este inversată, deoarece nu mai există aer de ridicare - doar forța centrifugă predomină. Aceasta este cu siguranță o graniță fizică, în care aerodinamica se oprește și începe astronautica, așa că m-am gândit de ce nu ar putea deveni o graniță legală? Haley a numit-o cu amabilitate Linia Jurisdicțională Kármán. Sub această linie spațiul aparține fiecărei națiuni. Peste acest nivel va exista doar spațiu liber. " |
| ( [3] ) | |
Definiție
Atmosfera unei planete nu se termină brusc la o anumită înălțime, ci devine din ce în ce mai rarefiată și dispersată, îndepărtându-se de suprafața corpului ceresc. Mai mult, pe baza modului în care sunt definite diferitele straturi care formează spațiul din jurul Pământului și dacă aceste straturi sunt sau nu considerate parte a atmosferei în sine, definiția limitei dintre atmosferă și spațiu poate varia considerabil. Luați în considerare, de exemplu, termosfera și exosfera ca parte a atmosferei și nu a spațiului, atunci granița trebuie mutată la o înălțime de cel puțin 10 000 km deasupra nivelului mării. Linia lui Kármán este deci o definiție arbitrară bazată pe o serie de considerații fizice și practice (acestea din urmă din punctul de vedere al tehnologiei utilizate).
Lift
Un avion poate rămâne în zbor în aer doar dacă călătorește în mod constant față de aerul care îl înconjoară ( viteza în aer nu depinde de viteza față de sol ), astfel încât aripile să poată genera ridicare . Pe măsură ce aerul devine mai subțire, aeronava trebuie să compenseze acest lucru prin creșterea vitezei sale pentru a menține ridicarea necesară pentru a rămâne în zbor.
Cantitatea de ridicare necesară pentru susținerea aeronavei la un moment dat poate fi calculată utilizând următoarea ecuație: [4] [5]
unde este
- L este liftul
- ρ este densitatea aerului
- ν este viteza relativă a aerului
- S este zona aripii
- c L este coeficientul de ridicare [6]
După cum se poate observa, ridicarea L este direct proporțională cu densitatea aerului ρ și viteza relativă a aerului ν; toți ceilalți factori sunt constanți (S și c L ). Pe măsură ce altitudinea crește, densitatea scade și, prin urmare, este necesar să se mărească viteza aeronavei pentru a menține ridicarea constantă.
Viteza orbitală
O navă spațială poate rămâne pe orbită în spațiu numai dacă componenta sa centrifugă de mișcare în jurul Pământului este suficientă pentru a echilibra gravitația care o trage în jos. Dacă încetinește, atracția gravitațională își va reduce treptat altitudinea . Viteza care permite navei spațiale să rămână pe orbită se numește viteză orbitală și variază pe măsură ce înălțimea orbitei variază. Stația Spațială Internațională , pe orbită joasă în jurul Pământului, are o viteză orbitală de aprox 27 000 km / h sau 7,5 km / s .
Începutul spațiului cosmic
Pentru un avion care zboară din ce în ce mai sus, subțierea crescândă a aerului produce din ce în ce mai puțină ridicare, necesitând astfel o viteză din ce în ce mai mare pentru a genera o propulsie aerodinamică suficientă pentru a menține aeronava în aer. Continuând urcarea, avionul va ajunge la un anumit moment la o astfel de altitudine încât va trebui să zboare suficient de repede pentru a atinge viteza orbitală. Linia Kármán este exact altitudinea în care viteza necesară pentru a susține aerodinamic greutatea avionului este echivalentă cu viteza orbitală. În practică, nu mai este necesar să susțineți întreaga greutate a aeronavei prin ridicare (și, prin urmare, o împingere aerodinamică generată de aer) pentru a menține altitudinea pe măsură ce curbura Pământului în sine (care devine semnificativă la acele înălțimi) adaugă o centrifugă împingere atunci când avionul atinge viteza orbitală. [7]
Deasupra 100 km , densitatea aerului este de aproximativ 1 / 2 200 000 densitatea suprafeței. [8] La înălțimea liniei Kármán, densitatea aerului ρ este atât de mică încât, pentru a menține ridicarea:
unde este
- ν 0 este viteza orbitală la aceeași altitudine în vid
- m este masa aeronavei
- g este accelerația gravitațională la acea înălțime (conform legii gravitației universale )
Deși valoarea calculată pentru linie nu este exact 100 km, Kármán a propus să desemneze doar o înălțime de 100 km ca graniță cu spațiu, deoarece întregul număr este mai ușor de reținut; în plus, trebuie luat în considerare faptul că înălțimea variază ușor în funcție de variația anumitor parametri. Un comitet internațional a recomandat linia La 100 km de FAI și, după adoptare, a devenit pe scară largă acceptată ca graniță între atmosferă și spațiu în multe scopuri. Cu toate acestea, încă nu există o definiție juridică internațională care să definească în mod unic și incontestabil demarcația dintre spațiul aerian al unei națiuni și spațiul cosmic (reglementată de Tratatul privind spațiul cosmic al ONU ). [9] [10]
O altă problemă în identificarea precisă a începutului spațiului este natura dinamică a atmosferei Pământului. De exemplu, la o altitudine de 1 000 km, densitatea atmosferei poate varia de cinci ori în funcție de momentul zilei și de anul, de activitatea ionosferei și de vântul solar .
FAi folosește linia Kármán pentru a defini separarea dintre aeronautică și astronautică: [11]
- Aeronautică - în scopuri FAI, adică activități aeriene, inclusiv toate sporturile aeriene, pe o rază de 100 de kilometri de suprafața Pământului.
- Astronautică - în sensul FAI, toate acele activități desfășurate la peste 100 de kilometri deasupra suprafeței pământului.
Alternative la definiție
Forțele aeriene americane definesc un astronaut ca o persoană care a zburat la mai mult de 80 de mile deasupra nivelului mării , aproximativ la înălțimea liniei de separare dintre mezosferă și termosferă . NASA folosește limita de 100 km definită de FAI. Statele Unite nu definesc oficial o graniță a spațiului.
În 2005, trei piloți veterani NASA X-15 ( John B. McKay , William H. Dana și Joseph Albert Walker ) au fost recunoscuți retroactiv (doi mahmureli) ca astronauți și au primit aripi de astronaut , deoarece au zburat între 90 și 108 kilometri în anii 1960; în acel moment nu erau recunoscuți ca atare. [12]
O altă definiție propusă în discuțiile de drept internațional definește granița dintre atmosferă și spațiu ca fiind cel mai mic perige obținut de o navă spațială care orbitează Pământul, fără a specifica însă vreo altitudine. Datorită frecării atmosferice , cea mai mică altitudine la care un obiect pe orbită circulară poate realiza cel puțin o rotație completă fără propulsie este de aproximativ 150 km, în timp ce același obiect poate menține o orbită eliptică cu un perigeu scăzut de până la aproximativ 130. km fără propulsie. [13] Vă rugăm să rețineți că la altitudini peste aproximativ 160 km cerul este complet negru.
Notă
- ^ (EN) NWS JetStream - Straturi ale atmosferei pe srh.noaa.gov.
- ^ Dr. S. Sanz Fernández de Córdoba, 100km frontieră de altitudine pentru astronautică , pe fai.org , Fédération Aéronautique Internationale , 21 iunie 2004. Accesat la 10 iulie 2018 .
- ^ Theodore Theodore von Kármán și Lee Edison, The Wind and Beyond , 1967, p. 343.
- ^ Coeficientul de ridicare , pe Wolfram Alpha Computational Knowledge Engine , Wolfram Alpha LLC. Adus pe 10 iulie 2018 .
- ^ Benson (ed.), The Lift Equation , Glenn Research Center , National Aeronautics and Space Administration , 12 iunie 2014. Accesat la 10 iulie 2018 .
- ^ Glenn Research Center , The Lift Coefficient , la grc.nasa.gov . Adus pe 10 iulie 2018 .
- ^ Ann Darrin, Beth L. O'Leary, Manual de inginerie spațială, arheologie și patrimoniu , CRC Press, 2009, p. 84, ISBN 1-4200-8431-3 . Adus pe 10 iulie 2018 .
- ^ Expert sisteme de protecție termică și baza de date a proprietăților materialelor , la tpsx.arc.nasa.gov . Adus pe 10 iulie 2018 .
- ^ Tommaso Sgobba - Director executiv IAASS, International Space Governance ( PDF ), Asociația internațională pentru siguranța spațială avansată , 16 februarie 2016, p. 3. Adus pe 10 iulie 2018 .
- ^ Boleslaw Adam Boczek, International Law: A Dictionary , Scarecrow Press, 2005, p. 239 .
„Problema dacă este posibil sau util să se stabilească o graniță legală între spațiul aerian și spațiul cosmic a fost dezbătută în doctrină de destul de mult timp. . . . nu există un acord privind un spațiu aerian fix - limita spațiului exterior. . . " . - ^ Codul sportiv FAI - Secțiunea generală ( PDF ), 1 ianuarie 2018, p. 15. Adus la 10 iulie 2018 .
- ^ Dennis Jenkins, Un cuvânt despre definiția spațiului , la nasa.gov , 21 octombrie 2005. Accesat la 7 noiembrie 2018 .
- ^ Boleslaw Adam Boczek, International Law: A Dictionary , Scarecrow Press, 2005, p. 239 .
"Propunerea privind limita superioară a spațiului aerian național se bazează pe diverse criterii științifice și tehnologice. . .altitudinea sigură cea mai mică pentru orbita sateliților artificiali (aproximativ 100 km). " .
