Линия Кармана (или линия Кармана / v ɒ n ˈ k ɑːr m ɑː n / ) [2] является общепринятым определением границы пространства . Оно не является общепринятым. Международный орган по учету полетов FAI (Fédération aéronautique Internationale) определяет линию Кармана на высоте 100 километров (54 морских мили; 62 мили; 330 000 футов) над средним уровнем моря .
Хотя названная в честь Теодора фон Кармана , который вычислил теоретический предел высоты полета самолета на высоте 83,8 км (52,1 мили) над Землей, позже установленная линия Кармана является более общей и не имеет четкого физического значения, поскольку существует довольно постепенное различие между характеристиками атмосферы на линии, и эксперты не согласны с определением четкой границы, где заканчивается атмосфера и начинается космос. Она лежит значительно выше высоты, достижимой для обычных самолетов или высотных аэростатов , и примерно там, где спутники, даже на очень эксцентричных траекториях, будут распадаться , не завершив одну орбиту.
Линия Кармана в основном используется в юридических и нормативных целях для разграничения воздушных судов и космических аппаратов , которые затем подчиняются различным юрисдикциям и законодательствам. Хотя международное право не определяет границу космоса или границу национального воздушного пространства, [3] [4] большинство международных организаций и регулирующих органов (включая Организацию Объединенных Наций) принимают определение линии Кармана FAI или что-то близкое к нему. [5] Согласно определению FAI, линия Кармана была установлена в 1960-х годах. [6] Различные страны и образования определяют границу космоса по-разному для различных целей. [7] [3] [8]
FAI использует термин «линия Кармана» для определения границы между аэронавтикой и астронавтикой: [6]
- 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.
Выражения « край космоса » или «ближний космос» часто используются (например, FAI в некоторых своих публикациях) [10] для обозначения области ниже границы космического пространства, которая часто подразумевает включение существенно более низких областей. Таким образом, некоторые полеты на воздушном шаре или самолете можно описать как «достижение края космоса». В таких утверждениях «достижение края космоса» просто означает движение выше, чем обычно делают обычные аэронавтические аппараты. [11] [12]
До сих пор не существует международного правового определения демаркации между воздушным пространством страны и космическим пространством. [13] В 1963 году Эндрю Г. Хейли обсуждал линию Кармана в своей книге «Космическое право и правительство» . [14] В главе о пределах национального суверенитета он сделал обзор мнений основных авторов. [14] : 82–96 Он указал на присущую этой линии неточность:
Линия представляет собой среднее или срединное измерение. Она сопоставима с такими мерами, используемыми в законе, как средний уровень моря , линия меандра , линия прилива ; но она сложнее, чем они. При достижении юрисдикционной линии фон Кармана необходимо учитывать множество факторов — помимо фактора аэродинамической подъемной силы. Эти факторы обсуждались в очень большом объеме литературы и десятком или более комментаторов. Они включают в себя физическое строение воздуха ; биологическую и физиологическую жизнеспособность; и еще другие факторы, которые логически объединяются, чтобы установить точку, в которой воздух больше не существует и в которой заканчивается воздушное пространство . [14] : 78, 9
В заключительной главе своей автобиографии Карман рассматривает проблему границы космоса :
Где начинается космос... на самом деле можно определить по скорости космического корабля и его высоте над Землей. Рассмотрим, например, рекордный полет капитана Айвена Карла Кинчелоу-младшего на ракетном самолете X-2 . Кинчелоу пролетел со скоростью 2000 миль в час (3200 км/ч) на высоте 126 000 футов (38 500 м) или на высоте 24 мили. На этой высоте и скорости аэродинамическая подъемная сила все еще несет 98 процентов веса самолета, и только два процента переносится инерцией, или силой Кеплера , как ее называют ученые-космонавты. Но на высоте 300 000 футов (91 440 м) или 57 миль это соотношение меняется на противоположное, потому что больше нет воздуха, который мог бы способствовать подъему: преобладает только инерция. Это, безусловно, физическая граница, где заканчивается аэродинамика и начинается астронавтика , и поэтому я подумал, почему бы ей не быть также границей юрисдикции? Эндрю Г. Хейли назвал это линией юрисдикции Кармана. Ниже этой линии пространство принадлежит каждой стране. Выше этого уровня будет свободное пространство. [15]
Атмосфера не заканчивается резко на любой заданной высоте, а постепенно становится менее плотной с высотой. Кроме того, в зависимости от того, как определяются различные слои, составляющие пространство вокруг Земли (и в зависимости от того, считаются ли эти слои частью фактической атмосферы), определение границы космоса может значительно различаться: если бы кто-то считал термосферу и экзосферу частью атмосферы, а не космоса, ему, возможно, пришлось бы расширить границу космоса по крайней мере до 10 000 км (6200 миль) над уровнем моря. Таким образом, линия Кармана является в значительной степени произвольным определением, основанным на некоторых технических соображениях.
Самолет может оставаться в воздухе, только постоянно двигаясь вперед относительно воздуха (а не земли), так что крылья могут создавать аэродинамическую подъемную силу. Чем разреженнее воздух, тем быстрее должен лететь самолет, чтобы создать достаточную подъемную силу, чтобы оставаться в воздухе. [16] На очень высоких скоростях центробежная сила (сила Кеплера) способствует поддержанию высоты. Это виртуальная сила, которая удерживает спутники на круговой орбите без какой-либо аэродинамической подъемной силы.
По мере увеличения высоты и уменьшения плотности воздуха скорость, необходимая для создания достаточной аэродинамической подъемной силы для поддержки веса самолета, увеличивается до тех пор, пока скорость не станет настолько высокой, что вклад центробежной силы станет значительным. На достаточно большой высоте центробежная сила будет доминировать над подъемной силой, и самолет фактически станет орбитальным космическим кораблем, а не самолетом, поддерживаемым аэродинамической подъемной силой.
В 1956 году фон Карман представил статью, в которой он обсуждал аэротермические ограничения полета. Чем быстрее летят самолеты, тем больше тепла они будут генерировать из-за аэродинамического нагрева от трения об атмосферу и адиабатических процессов . Основываясь на текущем состоянии техники , он рассчитал скорости и высоты, на которых возможен непрерывный полет — достаточно быстрые, чтобы создавалась достаточная подъемная сила, и достаточно медленные, чтобы транспортное средство не перегревалось. [17] На диаграмме была указана точка перегиба на высоте около 275 000 футов (52,08 мили; 83,82 км), выше которой минимальная скорость выведет транспортное средство на орбиту . [18] [19]
Термин «линия Кармана» был придуман Эндрю Г. Хейли в статье 1959 года [20] на основе диаграммы в статье фон Кармана 1956 года, но Хейли признал, что предел в 275 000 футов (52,08 мили; 83,82 км) был теоретическим и будет меняться по мере совершенствования технологий, поскольку минимальная скорость в расчетах фон Кармана основывалась на соотношении скорости и веса современных самолетов, а именно Bell X-2 , а максимальная скорость основывалась на современных технологиях охлаждения и термостойких материалах. [18] Хейли также привел другие технические соображения для этой высоты, поскольку это был приблизительно предел высоты для воздушно-реактивного двигателя, основанного на современных технологиях. В той же статье 1959 года Хейли также назвал высоту 295 000 футов (55,9 миль; 90 км) «линией фон Кармана», что является самой низкой высотой, на которой происходит образование свободных радикалов атомарного кислорода . [18]
Согласно определению Вооружённых сил США, астронавт — это человек, который пролетел на высоте более 50 миль (80 км) над средним уровнем моря , что приблизительно соответствует линии между мезосферой и термосферой . Ранее НАСА использовало цифру FAI в 100 километров (62 мили), хотя в 2005 году она была изменена, чтобы устранить любые несоответствия между военными и гражданскими лицами, летающими в одном и том же транспортном средстве. [21] Три ветерана -пилота NASA X-15 ( Джон Б. Маккей , Уильям Х. Дана и Джозеф Альберт Уокер ) были задним числом (двое посмертно ) награждены крыльями астронавта , поскольку они пролетели на высоте от 90 км (56 миль) до 108 км (67 миль) в 1960-х годах, но в то время не были признаны астронавтами. [11] Последняя высота, достигнутая дважды Уокером, превышает современное международное определение границы космоса.
Федеральное управление гражданской авиации США также признает эту линию границей пространства: [22]
Суборбитальный полет: Суборбитальный космический полет происходит, когда космический корабль достигает космоса, но его скорость такова, что он не может достичь орбиты. Многие считают, что для того, чтобы совершить космический полет, космический корабль должен достичь высоты более 100 километров (62 мили) над уровнем моря.
Работы Джонатана Макдауэлла (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) [23] и Томаса Гангела (Университет Небраски-Линкольна) в 2018 году [18] [24] отстаивают идею о том, что граница пространства должна быть на уровне 80 км (50 миль; 260 000 футов), ссылаясь в качестве доказательства на оригинальные заметки и расчеты фон Кармана (которые пришли к выводу, что граница должна быть на уровне 270 000 футов), подтверждение того, что орбитальные объекты могут выживать в течение нескольких перигеев на высоте около 80–90 км, а также на функциональные, культурные, физические, технологические, математические и исторические факторы. [3] [25] Точнее, в статье резюмируется:
Подводя итог, можно сказать, что самые низкие возможные устойчивые круговые орбиты находятся на высоте порядка 125 км, но эллиптические орбиты с перигеем в 100 км могут существовать в течение длительных периодов. Напротив, спутники Земли с перигеем ниже 80 км вряд ли завершат свою следующую орбиту. Примечательно, что метеоры (движущиеся гораздо быстрее) обычно распадаются в диапазоне высот 70–100 км, что подтверждает тот факт, что именно в этом регионе атмосфера становится важной.
Эти результаты побудили FAI предложить провести совместную конференцию с Международной астронавтической федерацией (IAF) в 2019 году для «полного изучения» этого вопроса. [10]
Другое определение, предложенное в ходе обсуждений международного права , определяет нижнюю границу космоса как самый низкий перигей, достижимый для орбитального космического аппарата, но не указывает высоту. [26] Это определение принято военными США. [27] : 13 Из-за сопротивления атмосферы самая низкая высота, на которой объект на круговой орбите может совершить по крайней мере один полный оборот без использования двигателя, составляет приблизительно 150 км (93 мили), [28] тогда как объект может поддерживать эллиптическую орбиту с перигеем всего около 90 км (56 миль) без использования двигателя. [ необходима цитата ] Правительство США сопротивляется попыткам указать точную нормативную границу. [29] [30]
Хотя линия Кармана определена только для Земли, несколько ученых оценили соответствующие цифры для Марса и Венеры . Исидоро Мартинес достиг высоты 80 км (50 миль) и 250 км (160 миль) соответственно, [31] в то время как Николас Беренд достиг высоты 113 км (70 миль) и 303 км (188 миль). [32]
В 2014 году Оскар Шарп снял «Линию Кармана» , британский короткометражный фильм в жанре драматического кино с Оливией Колман в главной роли Сары, жены и матери, которая внезапно начинает левитировать, пока она медленно и в конечном итоге не пересекает одноименную линию Кармана и не попадает в открытый космос. [33]
Где начинается космос
: Не существует формального определения того, где начинается космос. Международное право, основанное на обзоре текущих договоров, конвенций, соглашений и традиций, определяет нижнюю границу космоса как самый низкий перигей, достижимый орбитальным космическим аппаратом. Конкретная высота не упоминается. По стандартам международного права самолеты, ракеты и ракеты, пролетающие над страной, считаются находящимися в ее национальном воздушном пространстве, независимо от высоты. Орбитальные космические аппараты считаются находящимися в космосе, независимо от высоты.
Определение США
: Правительство США определяет космос в тех же терминах, что и международное право.
касается вопроса определения 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 определение или делимитация космического пространства не являются необходимыми. Никаких юридических или практических проблем не возникло при отсутствии такого определения. Напротив, различные правовые режимы, применимые в отношении воздушного пространства и космического пространства, хорошо функционировали в своих соответствующих сферах. Отсутствие определения или делимитации космического пространства не препятствовало развитию деятельности ни в одной из сфер.