Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с линии Карман )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Темно-синяя заштрихованная диаграмма, разделенная горизонтальными линиями, с названиями пяти атмосферных регионов, расположенными слева. Снизу вверх в разделе тропосферы показана гора Эверест и значок самолета, в стратосфере - метеозонд, в мезосфере - метеоры, а в термосфере - полярное сияние и космическая станция. Вверху экзосфера показывает только звезды.
Линия Кармана лежит в нижней термосфере (не в масштабе) [1]

Линия Кармана - это попытка определить границу между атмосферой Земли и космическим пространством . [2] Это важно для правовых и регулирующих мер; самолеты и космические корабли подпадают под разные юрисдикции и подпадают под действие разных договоров.

Международной авиационной федерации (FAI), международный орган по установлению стандартов и учета для аэронавтики и астронавтики , определяет линию Кармана как высоту 100 километров (62 миль; 330000 футов) над Землей «s среднего уровня моря . Другие организации не все используют это определение. Например, ВВС США и НАСА определяют ограничение на высоте 50 миль (80 км) над уровнем моря. [3] Не существует международного права, определяющего границу космоса и, следовательно, границы национального воздушного пространства. [3]

Линия названа в честь Теодора фон Кармана (1881–1963), венгерского американского инженера и физика , который занимался прежде всего воздухоплаванием и космонавтикой . Он был первым, кто рассчитал высоту, на которой атмосфера становится слишком разреженной для обеспечения полета по воздуху, и сам достиг 83,6 км (51,9 мили). [4] Причина в том, что транспортное средство на этой высоте должно было бы двигаться быстрее, чем орбитальная скорость, чтобы получить достаточную аэродинамическую подъемную силу, чтобы поддерживать себя. [5] : 84 Линия находится примерно на турбопаузе, выше которого атмосферные газы плохо перемешаны. Мезопауза температура воздуха минимальный было измерено , чтобы варьировать от 85 до 100 км, что ставит линию на или вблизи нижней части термосферу .

Комментарии Кармана [ править ]

В последней главе своей автобиографии Карман обращается к проблеме границы космоса :

Место, где начинается космос… на самом деле можно определить по скорости космического корабля и его высоте над Землей. Возьмем, к примеру, рекордный полет капитана Ивена Карла Кинчело-младшего на ракетоплане X-2 . Кинчело летел на скорости 2000 миль в час (3200 км / ч) на высоте 126000 футов (38500 м) или на высоте 24 миль. На этой высоте и скорости аэродинамическая подъемная сила по- прежнему несет 98 процентов веса самолета, и только два процента несет центробежная сила , или сила Кеплера, как ее называют космические ученые. Но на высоте 300 000 футов (91 440 м) или 57 миль это соотношение меняется на противоположное, потому что больше нет воздуха для подъемной силы: преобладает только центробежная сила. Это, безусловно, физическая граница, где аэродинамикаостанавливается, и начинается космонавтика , и поэтому я подумал, почему это не должно быть еще и юрисдикционной границей? Хейли любезно назвал это Линией юрисдикции Кармана. Под этой линией место принадлежит каждой стране. Выше этого уровня будет свободное место. [6]

Определение [ править ]

Атмосфера не заканчивается внезапно на любой заданной высоте, но становится все более разреженной с высотой. Кроме того, в зависимости от того, как определены различные слои, составляющие пространство вокруг Земли (и в зависимости от того, считаются ли эти слои частью реальной атмосферы), определение границы космоса может значительно различаться: термосфера и экзосферы часть атмосферы , а не пространства, один , возможно , придется расширить границы в пространстве , по меньшей мере , 10000 км (6200 миль) над уровнем моря. Таким образом, линия Кармана является произвольным определением, основанным на следующих соображениях:

Самолет может оставаться в воздухе, только постоянно двигаясь вперед относительно воздуха (а не земли), так что крылья могут создавать подъемную силу. Чем тоньше воздух, тем быстрее должен лететь самолет, чтобы создать достаточную подъемную силу, чтобы оставаться в воздухе. Обеспечиваемая подъемная сила (которая должна равняться массе транспортного средства для поддержания горизонтального полета) рассчитывается по уравнению подъемной силы: [7] [8]

где

L - подъемная сила
ρ - плотность воздуха
v - скорость самолета относительно воздуха
S - площадь крыла самолета ,
C L - коэффициент подъемной силы . [9]

Подъемная сила ( L ) прямо пропорциональна плотности воздуха ( ρ ). Все остальные факторы остаются неизменными, истинная воздушная скорость ( v ) должна увеличиваться, чтобы компенсировать меньшую плотность воздуха ( ρ ) на больших высотах.

Орбитальный космический аппарат только остается в небе , если центробежная составляющая ее движения вокруг Земли достаточно , чтобы уравновесить вниз притяжение тяжести . Если он идет медленнее, сила тяжести постепенно снижает его высоту. Требуемая скорость называется орбитальной скоростью , и она зависит от высоты орбиты. Например, средняя орбитальная скорость Международной космической станции составляет 27 600 км (17 100 миль) в час на средней высоте 409 километров (254 мили).

Для самолета, летящего все выше и выше, все более разреженный воздух обеспечивает все меньше и меньше подъемной силы , требуя все более высокой скорости для создания достаточной подъемной силы, чтобы удерживать самолет. В конечном итоге он достигает высоты, на которой он должен лететь так быстро, чтобы создать подъемную силу, чтобы достичь орбитальной скорости. Линия Кармана - это высота, на которой скорость, необходимая для аэродинамической поддержки полной массы самолета, равна орбитальной скорости (при условии типичной нагрузки на крыло).и коэффициент подъемной силы самолета). На практике поддержка полного веса не является необходимой для поддержания высоты, потому что кривизна Земли добавляет центробежную подъемную силу, когда самолет достигает орбитальной скорости. Однако определение линии Кармана игнорирует этот эффект, поскольку орбитальная скорость неявно достаточна для поддержания любой высоты независимо от плотности атмосферы. Таким образом, линия Кармана - это самая большая высота, на которой орбитальная скорость обеспечивает достаточную аэродинамическую подъемную силу для полета по прямой линии, которая не повторяет кривизну поверхности Земли.

Выше 100 км плотность воздуха составляет около 1/2 200 000 плотности на поверхности. [10] На линии Кармана на высоте 300 000 футов (91 км) плотность воздуха ρ такова, что

где

v 0 - скорость круговой орбиты на той же высоте в вакууме
m - масса самолета (равна S, умноженному на нагрузку на крыло)
g - ускорение свободного падения.

Хотя расчетная высота была не совсем 100 км, Карман предложил обозначить 100 км в качестве границы космоса, потому что круглое число более запоминающееся, а расчетная высота меняется в мгновение ока при изменении определенных параметров. Международный комитет рекомендовал 100-километровую линию в FAI, и после принятия она стала широко признанной границей космоса для многих целей. [11] Однако до сих пор не существует международно-правового определения границы между воздушным и космическим пространством страны. [12]

Еще одно препятствие на пути к строгому определению границы с космосом - динамический характер атмосферы Земли. Например, на высоте 1000 км (620 миль) плотность атмосферы может изменяться в пять раз в зависимости от времени суток, времени года, магнитного индекса AP и недавнего солнечного потока . [ необходима цитата ]

FAI использует линию Кармана для определения границы между аэронавтикой и космонавтикой: [13]

  • Аэронавтика - для целей FAI воздушная деятельность, включая все виды воздушного спорта, в пределах 100 км от поверхности Земли.
  • Астронавтика - для целей FAI деятельность на высоте более 100 км над поверхностью Земли.

Интерпретации определения [ править ]

Выражение « край космоса » часто используется (например, FAI в некоторых из их публикаций) [14] для обозначения области ниже обычной 100-километровой границы с космосом, которая часто подразумевается, что включает в себя существенно более низкие регионы тоже. Таким образом, некоторые полеты на воздушном шаре или самолете можно охарактеризовать как «достижение границы космоса». В таких утверждениях «достижение границы космоса» просто означает подъем выше, чем обычно обычно делают средние летательные аппараты. [15] [16]

В 1963 году Эндрю Г. Хейли обсудил линию Кармана в своей книге « Космическое право и правительство» . [17] В главе о пределах национального суверенитета он сделал обзор взглядов основных писателей. [17] : 82–96 Он указал на внутреннюю неточность строки:

Линия представляет собой среднее значение или медианное значение . Это сопоставимо с такими мерами, используемыми в законе, как средний уровень моря , линия меандра, линия прилива ; но это сложнее, чем эти. При достижении линии юрисдикции фон Кармана необходимо учитывать множество факторов - помимо фактора аэродинамической подъемной силы. Эти факторы обсуждались в очень большом объеме литературы и многими или более комментаторами. Они включают физическое строение воздуха ; биологическая и физиологическая жизнеспособность; а также другие факторы, которые логически объединяются, чтобы установить точку, в которой воздух больше не существует и в котором воздушное пространство заканчивается. [17]: 78,9

Альтернативы определению [ править ]

Атмосферные газы рассеивают синие волны видимого света больше, чем другие длины волн, придавая видимому краю Земли синий ореол. За нимбом видна Луна . На все больших и больших высотах атмосфера становится настолько разреженной, что фактически перестает существовать. Постепенно атмосферный ореол растворяется во тьме космоса.

Согласно определению ВВС США , астронавт - это человек, который пролетел выше 50 миль (80 км) над средним уровнем моря , примерно на линии между мезосферой и термосферой . НАСА ранее использовало 100-километровую (62-мильную) цифру FAI, хотя она была изменена в 2005 году, чтобы устранить любые несоответствия между военным персоналом и гражданскими лицами, летящими на одном и том же транспортном средстве [18], когда три опытных пилота НАСА X-15 ( Джон Б. Маккей , Уильям Х. Дана и Джозеф Альберт Уокер ) были задним числом (двое посмертно ) присужденыкрылья астронавта , поскольку они пролетели от 90 км (56 миль) до 108 км (67 миль) в 1960-х годах, но в то время не были признаны космонавтами. [15] Последняя высота, дважды достигнутая Уокером, превышает современное международное определение границы космоса.

Недавние работы Джонатана Макдауэлла (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) [19] и Томаса Гангейла (Университет Небраски-Линкольн) [20] [21] утверждают, что демаркация пространства должна быть на расстоянии 80 км (50 миль; 260 000 футов). , цитируя в качестве доказательства оригинальные записи и расчеты фон Кармана (согласно которым граница должна составлять 270 000 футов), подтверждение того, что орбитальные объекты могут пережить несколько перигеев на высотах от 80 до 90 км, а также функциональные, культурные, физические, технологические, математические и исторические факторы. [3] [22]

Эти результаты побудили FAI предложить провести совместную конференцию с Международной астронавтической федерацией (IAF) в 2019 году, чтобы «полностью изучить» проблему. [23]

Другое определение, предложенное в дискуссиях по международному праву, определяет нижнюю границу космоса как самый низкий перигей, достижимый для орбитального космического корабля, но не указывает высоту. [24] Это определение принято военными США. [25] : 13 Из-за сопротивления атмосферы наименьшая высота, на которой объект на круговой орбите может совершить хотя бы один полный оборот без движения, составляет примерно 150 км (93 мили), тогда как объект может поддерживать эллиптическую орбиту с перигеем в качестве низкая примерно 130 км (81 миля) без двигателя. [ необходима цитата ]

США сопротивляются регулирующему движению на этом фронте. [26] [27]

Для других планет [ править ]

Хотя линия Кармана определена только для Земли, если рассчитать для Марса и Венеры, она будет иметь высоту около 80 км (50 миль) и 250 км (160 миль) соответственно. [28]

См. Также [ править ]

  • Экзосфера
  • Атмосфера Земли
    • Термосфера
    • Мезофера
    • Стратосфера
    • Тропосфера
  • MW 18014 - ракета Фау-2, которая была первым созданным человеком объектом, пересекшим линию Кармана.
  • Предел Армстронга  - высота, выше которой вода закипает при температуре человеческого тела.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Слои атмосферы , Национальная метеорологическая служба JetStream - онлайн-школа погоды
  2. ^ Д-р С. Санс Фернандес де Кордова (2004-06-24). «100-километровый рубеж космонавтики» . Международная авиационная федерация . Проверено 28 декабря 2020 .
  3. ^ Б с Voosen, Павла (24 июля 2018 года). «Космос, возможно, только что стал немного ближе» . Наука . DOI : 10.1126 / science.aau8822 . Проверено 1 апреля 2019 года .
  4. ^ Grush, Loren (13 декабря 2018). «Почему определение границ космоса может иметь решающее значение для будущего космических полетов» . Грань . Проверено 1 апреля 2019 года .
  5. ^ Донеган, Мишель М. (2009). «Основы космоса: добраться и остаться в космосе» . В Даррин, Энн Гаррисон; О'Лири, Бет Лора (ред.). Справочник по космической технике, археологии и наследию . Достижения в инженерии. CRC Press . С. 83–89. ISBN 978-1-4200-8431-3.
  6. ↑ Теодор фон Карман с Ли Эдсоном (1967) Ветер и дальше , стр. 343
  7. ^ «Коэффициент подъема» . Wolfram Alpha Computational Knowledge Engine . ООО «Вольфрам Альфа» . Проверено 14 марта 2015 .
  8. ^ Бенсон, Том, изд. (2014-06-12). «Уравнение лифта» . Исследовательский центр Гленна . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Архивировано из оригинала на 2015-03-17 . Проверено 14 марта 2015 .
  9. ^ "The Lift Coefficient" Архивировано 26 октября 2016 г. на Wayback Machine . Исследовательский центр Гленна. НАСА. Проверено 1 мая 2015 года.
  10. ^ Squire, Том (27 сентября 2000), «Стандарт США Атмосфера, 1976» , теплозащита Экспертные системы и базы данных Свойства материала , NASA , архивируются с оригинала на 15 октября 2011 года , восстановлена 2011-10-23
  11. ^ "Шнайдер идет Прогулкой [Слово об определении пространства]" . НАСА . 2005-10-21 . Проверено 29 апреля 2008 .
  12. ^ Международное право: Словарь , Болеслав Адам Бочек; Scarecrow Press, 2005; стр. 239: «Вопрос о том, возможно ли или полезно установить юридическую границу между воздушным пространством и космическим пространством, обсуждался в доктрине довольно долгое время ... не существует соглашения о фиксированной границе между воздушным пространством и космическим пространством. . "
  13. ^ Д-р С. Санс Фернандес де Кордова (2004-06-24). «100-километровый рубеж космонавтики» . Международная авиационная федерация . Проверено 28 декабря 2020 .
  14. ^ https://www.fai.org/news/statement-about-karman-line
  15. ^ a b "Долгожданная дань уважения" . НАСА. 2005-10-21 . Проверено 30 октября 2006 .
  16. ^ "Мировая книга @ НАСА" . НАСА. Архивировано из оригинала на 4 мая 2009 года . Проверено 18 октября 2006 .
  17. ^ a b c Эндрю Г. Хейли (1963) Космическое право и правительство , Appleton-Century-Crofts
  18. ^ «НАСА - Шнайдер идет прогулкой» . www.nasa.gov . Проверено 19 октября 2018 года .
  19. ^ Макдауэлл, Джонатан С. (2018). «Край космоса: Возвращаясь к Линии Кармана» . Acta Astronautica . 151 : 668–677. arXiv : 1807.07894 . Bibcode : 2018AcAau.151..668M . DOI : 10.1016 / j.actaastro.2018.07.003 .
  20. ^ Гангале, Томас (2017). «Линия не Кармана: городская легенда космической эры». Журнал космического права . 41 (2).
  21. ^ Гангале, Томас (2018). Как высоко небо? Определение и делимитация космического пространства и территориального воздушного пространства в международном праве . Исследования в области космического права. 13 . Лейден, Нидерланды: Koninklijke Brill NV . DOI : 10.1163 / 9789004366022 . ISBN 978-90-04-36602-2.
  22. ^ Specktor, Brandon (25 июля 2018). «Край космоса только что подобрался на 12 миль ближе к Земле» . Живая наука . Проверено 1 апреля 2019 года .
  23. ^ "Заявление о Линии Кармана" . Всемирная федерация воздушного спорта . 30 ноября 2018 . Проверено 1 апреля 2019 года .
  24. ^ "Космическая среда и орбитальная механика" . Справочный текст по армейскому пространству . Армия Соединенных Штатов . 2000. Архивировано из оригинального 18 апреля 2012 года . Проверено 24 апреля 2012 года . Где начинается космос: Нет формального определения того, где начинается космос. Международное право, основанное на обзоре действующих договоров, конвенций, соглашений и традиций, определяет нижнюю границу космоса как самый низкий перигей, достижимый для орбитального космического корабля. Конкретная высота не указывается. По стандартам международного права самолеты, ракеты и ракеты, пролетающие над страной, считаются находящимися в ее национальном воздушном пространстве независимо от высоты. Считается, что находящиеся на орбите космические аппараты находятся в космосе независимо от высоты.
    Определение США : правительство США определяет космос в тех же терминах, что и международное право.
  25. ↑ Космический институт национальной безопасности совместно с Колледжем командования и генерального штаба армии США (2006 г.). Справочный текст по военному космосу США . Космический институт национальной безопасности . Проверено 1 апреля 2019 - через Homeland Security Digital Library .
  26. ^ Король, Мэтью Т. (2016). «Серая зона суверенитета: разграничение воздуха и космоса в контексте аэрокосмических аппаратов и применения силы» . Журнал воздушного права и торговли . 81 (3): 377–497 [стр. 432].
  27. ^ "Делегация США, Заявление об определении и разграничении космического пространства, а также о характере и использовании геостационарной орбиты в Комитете по использованию космического пространства в мирных целях, Юридическая подкомиссия его сороковой сессии (2 апреля - 13, 2001) » . Архивировано 28 марта 2020 года . Проверено 21 ноября 2019 .Что касается вопроса об определении и делимитации космического пространства, мы внимательно изучили этот вопрос и выслушали различные заявления, сделанные на этой сессии. Наша позиция по-прежнему заключается в том, что в определении или разграничении космического пространства нет необходимости. Без такого определения не возникло никаких юридических или практических проблем. Напротив, различные правовые режимы, применимые к воздушному и космическому пространству, хорошо себя зарекомендовали в своих соответствующих сферах. Отсутствие определения или делимитации космического пространства не препятствует развитию деятельности в любой сфере.
  28. ^ http://webserver.dmt.upm.es/~isidoro/tc3/Space%20environment.pdf

Внешние ссылки [ править ]

  • Статья о линии Кармана на сайте FAI
  • Слои атмосферы - NOAA
  • Музыкальный видеоклип Kármán Line с кадрами НАСА
  • Калькулятор линии Кармана