stringtranslate.com

линия Кармана

Атмосфера Земли, сфотографированная с Международной космической станции . Оранжевая линия свечения атмосферы находится на несколько большей высоте (140–170 км), чем линия Кармана.

Линия Кармана (или линия Кармана / v ɒ n ˈ k ɑːr m ɑː n / ) [1] представляет собой предполагаемую условную границу между атмосферой Земли и космическим пространством , установленную международным регистрирующим органом FAI (Международная авиационная федерация) на высота 100 километров (54 морских мили; 62 мили; 330 000 футов) над средним уровнем моря . Однако такое определение края пространства не является общепринятым.

Линия Кармана не имеет особого физического значения, поскольку на ней нет заметных изменений в характеристиках атмосферы, но она важна для юридических и нормативных целей, поскольку самолеты и космические корабли подпадают под действие разных юрисдикций и законов. Международное право не определяет границу космоса или границу национального воздушного пространства. [2] [3]

Линия проходит значительно выше высоты, достижимой обычным самолетом или высотным аэростатом , и примерно там, где спутники, даже на очень эксцентричных траекториях, будут распадаться , не успев завершить одиночный оборот.

Хотя эксперты расходятся во мнениях относительно того, где именно заканчивается атмосфера и начинается космос, большинство регулирующих органов (включая Организацию Объединенных Наций) принимают определение линии Кармана ФАИ или что-то близкое к нему. [4] По определению ФАИ, линия Кармана была создана в 1960-х годах. [5] Различные страны и образования по-разному определяют границы космоса для разных целей. [6] [2] [7]

Линия Кармана названа в честь Теодора фон Кармана (1881–1963), венгерско-американского инженера и физика, который активно занимался аэронавтикой и астронавтикой. В 1957 году он был первым, кто попытался рассчитать теоретический предел высоты полета самолета.

Определение

Темно-синяя заштрихованная диаграмма, разделенная горизонтальными линиями, с названиями пяти атмосферных регионов, расположенных слева. Снизу вверх в разделе тропосферы показаны гора Эверест и значок самолета, в стратосфере — метеозонд, в мезосфере — метеоры, а в термосфере — полярное сияние и космическая станция. Наверху экзосферы видны только звезды.
Слои земной атмосферы с указанием линии Кармана (не в масштабе) [8]

ФАИ использует термин «линия Кармана» для определения границы между аэронавтикой и космонавтикой: [5]

Интерпретации определения

Выражения « край космоса » или «ближний космос» часто используются (например, ФАИ в некоторых из их публикаций) [9] для обозначения региона ниже границы космического пространства, под которым часто подразумевают включение также существенно более низкие регионы. Таким образом, некоторые полеты на воздушном шаре или самолете можно охарактеризовать как «достижение края космоса». В таких заявлениях «достижение края космоса» просто означает подъем выше, чем обычно делают средние летательные аппараты. [10] [11]

До сих пор не существует международно-правового определения разграничения воздушного и космического пространства страны. [12] В 1963 году Эндрю Г. Хейли обсуждал линию Кармана в своей книге « Космическое право и правительство» . [13] В главе о границах национального суверенитета он сделал обзор мнений основных писателей. [13] : 82–96  Он указал на присущую Линии неточность:

Линия представляет собой среднее или медианное измерение. Это сопоставимо с такими мерами, используемыми в законе, как средний уровень моря , линия меандра , линия прилива ; но это сложнее, чем эти. При достижении границы юрисдикции фон Кармана необходимо учитывать множество факторов, помимо фактора аэродинамической подъемной силы. Эти факторы обсуждались в очень большом объеме литературы и множеством комментаторов. К ним относятся физическое строение воздуха ; биологическая и физиологическая жизнеспособность; и еще другие факторы, которые логически объединяются, чтобы установить точку, в которой воздуха больше не существует и в которой заканчивается воздушное пространство . [13] : 78, 9 

Комментарии Кармана

В последней главе своей автобиографии Карман обращается к проблеме края космического пространства :

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 Х-2 . Кинчело летел 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 на высоте 57 миль, это соотношение меняется на противоположное, потому что больше нет воздуха, способного создавать подъемную силу: преобладает только инерция. Это, безусловно, физическая граница, где заканчивается аэродинамика и начинается космонавтика , и поэтому я подумал, почему бы ей не быть также границей юрисдикции? Эндрю Г. Хейли назвал это юрисдикционной линией Кармана. Ниже этой линии пространство принадлежит каждой стране. Выше этого уровня будет свободное пространство. [14]

Технические соображения

Атмосфера не заканчивается внезапно на любой заданной высоте, а с высотой становится все менее плотной. Кроме того, в зависимости от того, как определяются различные слои, составляющие пространство вокруг Земли ( и в зависимости от того, считаются ли эти слои частью реальной атмосферы), определение края космоса может значительно различаться: если рассматривать термосфера и экзосфера являются частью атмосферы, а не космоса, возможно, придется расширить границу космоса как минимум до 10 000 км (6 200 миль) над уровнем моря . Таким образом, линия Кармана представляет собой в значительной степени произвольное определение, основанное 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 разрежен воздух, тем быстрее должен лететь самолет, чтобы создать достаточную подъемную силу, чтобы оставаться в воздухе. [15] 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 поддержания 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 обсуждал аэротермические ограничения полета. Чем быстрее летят самолеты, тем больше тепла они будут выделять за счет аэродинамического нагрева от трения с атмосферой и адиабатических процессов . Основываясь на текущем состоянии техники , он рассчитал скорости и высоты, на которых возможен непрерывный полет: достаточно быстрые, чтобы создать достаточную подъемную силу, и достаточно медленные, чтобы аппарат не перегрелся. [16] На графике указана точка перегиба на высоте около 275 000 футов (52,08 миль; 83,82 км), выше которой минимальная скорость выведет аппарат на орбиту . [17] [18]

Термин «линия Кармана» был изобретен Эндрю Г. Хейли в статье 1959 года [19] на основе диаграммы из статьи фон Кармана 1956 года, но Хейли признал, что предел в 275 000 футов (52,08 миль; 83,82 км) был теоретическим и будет изменения по мере совершенствования технологий, поскольку минимальная скорость в расчетах фон Кармана была основана на соотношении скорости и веса современных самолетов, а именно Bell X-2 , а максимальная скорость основана на современных технологиях охлаждения и термостойких материалах. [17] Хейли также привел другие технические соображения в отношении этой высоты, поскольку это был примерно предел высоты для воздушно-реактивного двигателя, основанного на современной технологии. В той же статье 1959 года Хейли также назвал 295 000 футов (55,9 миль; 90 км) «линией фон Кармана», которая была самой низкой высотой, на которой возникал атомарный кислород свободных радикалов . [17]

Альтернативы определению FAI

Атмосферные газы рассеивают синие волны, создавая таким образом на Земле синюю дугу. По мере увеличения высоты атмосфера уменьшается настолько, что по нескольким критериям она перестает существовать. Оптически атмосферный ореол здесь постепенно растворяется в черноте космоса.

По определению Вооруженных сил США, астронавт — это человек, который пролетел на высоте более 50 миль (80 км) над средним уровнем моря , примерно на линии между мезосферой и термосферой . Ранее НАСА использовало показатель ФАИ в 100 километров (62 мили), хотя в 2005 году он был изменен, чтобы устранить любые несоответствия между военными и гражданскими лицами, летающими на одном и том же транспортном средстве. [20] Трое ветеранов НАСА X-15 ( Джон Б. Маккей , Уильям Х. Дана и Джозеф Альберт Уокер ) были задним числом (два посмертно ) награждены крыльями астронавтов , поскольку они пролетели от 90 км (56 миль) до 108 км. (67 миль) в 1960-х годах, но в то время не был признан космонавтом. [10] Последняя высота, дважды достигнутая Уокером, превышает современное международное определение границы космоса.

Федеральное управление гражданской авиации США также признает эту линию границей пространства: [21]

Суборбитальный полет: Суборбитальный космический полет происходит, когда космический корабль достигает космоса, но его скорость такова, что он не может достичь орбиты. Многие люди считают, что для совершения космического полета космический корабль должен достичь высоты более 100 километров (62 миль) над уровнем моря.

В работах Джонатана Макдауэлла (Гарвард-Смитсоновский центр астрофизики) [22] и Томаса Гангале (Университет Небраски-Линкольна) в 2018 году [17] [23] утверждается, что демаркация космоса должна проводиться на высоте 80 км (50 миль; 260 000 футов). ), цитируя в качестве доказательства оригинальные заметки и расчеты фон Кармана (которые пришли к выводу, что 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. [2] [24] Точнее, в статье резюмируется:

Подводя итог, можно сказать, что самые низкие из возможных устойчивых круговых орбит находятся на высоте порядка 125 км, но эллиптические орбиты с перигеем на высоте 100 км могут существовать в течение длительного периода времени. Напротив, спутники Земли с перигеями ниже 80 км вряд ли завершат свой следующий виток. Примечательно, что метеоры (движущиеся гораздо быстрее) обычно распадаются в диапазоне высот 70–100 км, что еще раз подтверждает, что именно в этой области атмосфера становится важной.

Эти выводы побудили ФАИ предложить провести в 2019 году совместную конференцию с Международной астронавтической федерацией (IAF) для «полного изучения» этой проблемы. [9]

Другое определение, предложенное в ходе дискуссий по международному праву , определяет нижнюю границу космоса как наименьший перигей, достижимый для орбитального космического корабля, но не указывает высоту. [25] Это определение принято в вооруженных силах США. [26] : 13  Из-за сопротивления атмосферы минимальная высота, на которой объект на круговой орбите может совершить хотя бы один полный оборот без движения, составляет примерно 150 км (93 мили), [27] тогда как объект может поддерживать эллиптическую орбиту . с перигеем всего около 90 км (56 миль) без двигательной установки. [ нужна цитата ] Правительство США сопротивляется попыткам определить точные границы регулирования. [28] [29]

Для других планет

Хотя линия Кармана определена только для Земли, если ее рассчитать для Марса и Венеры , она будет иметь высоту около 80 км (50 миль) и 250 км (160 миль) соответственно. [30]

В популярной культуре

В 2014 году Оскар Шарп снял британский короткометражный драматический фильм «Линия Кармана» с Оливией Колман в главной роли в роли Сары, жены и матери, которая внезапно начинает левитировать, пока медленно и в конечном итоге не пересекает одноименную линию Кармана и попадает в открытый космос. [31]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "фон-Карман". Dictionary.com Полный (онлайн). nd
  2. ^ abc Воосен, Пол (24 июля 2018 г.). «Космическое пространство, возможно, стало немного ближе». Наука . doi : 10.1126/science.aau8822. S2CID  126154837 . Проверено 1 апреля 2019 г.
  3. ^ Харвуд, Уильям; «Ричард Брэнсон и Virgin Galactic завершили успешный космический полет», CBS News , 12 июля 2021 г.
  4. ^ «Линия Кармана: где начинается космос?». 5 марта 2021 г.
  5. ^ аб Санс Фернандес де Кордова, доктор С. (24 июня 2004 г.). «Раница 100 км для космонавтики». Международная авиационная федерация . Проверено 28 декабря 2020 г.
  6. ^ Дрейк, Надя (20 декабря 2018 г.). «Где именно находится край космоса? Это зависит от того, кого вы спрашиваете». Национальная география . Архивировано из оригинала 4 марта 2021 года . Проверено 14 июля 2021 г.
  7. ^ «Руководящий меморандум ВВС для AFMAN 11-402» (PDF) . Департамент ВВС . 27 мая 2021 г. Проверено 13 июля 2021 г.
  8. ^ Слои атмосферы, Национальная метеорологическая служба JetStream - Онлайн-школа погоды
  9. ^ ab «Заявление о линии Кармана». Международная авиационная федерация (Всемирная федерация воздушного спорта) . 30 ноября 2018 г. Проверено 1 апреля 2019 г.
  10. ^ Аб Левин, Джей (21 октября 2005 г.). «Долгожданная дань уважения». НАСА . Проверено 30 октября 2006 г.
  11. ^ "Всемирная книга НАСА" . НАСА. Архивировано из оригинала 4 мая 2009 года . Проверено 18 октября 2006 г.
  12. ^ Международное право: словарь Болеслава Адама Бочека; Пугало Пресс, 2005; стр. 239: «Вопрос о том, возможно ли или полезно установить юридическую границу между воздушным и космическим пространством, обсуждается в доктрине уже довольно давно. … не существует соглашения о фиксированной границе воздушного и космического пространства…»
  13. ^ abc Хейли, Эндрю Г .; (1963) Космическое право и правительство , Эпплтон-Сентьюри-Крофтс
  14. ^ фон Карман, Теодор ; Эдсон, Ли (1967). Ветер и за его пределами , с. 343
  15. ^ Бенсон, Том, изд. (12 июня 2014 г.). «Уравнение подъемной силы». Исследовательский центр Гленна . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Архивировано из оригинала 17 марта 2015 г. Проверено 14 марта 2015 г.
  16. ^ Теодор фон Карман, Аэродинамический нагрев - температурный барьер в аэронавтике , PROC. ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ СИМПОЗИУМ, БЕРКЛИ, КАЛИФОРНИЯ (1956 г.).
  17. ^ abcd Гангале, Томас (2017). «Линия Не Кармана: городская легенда космической эры» (PDF) . Журнал космического права . 41 (2): 155. Архивировано из оригинала (PDF) 24 мая 2021 года.
  18. ^ Груш, Лорен (13 декабря 2018 г.). «Почему определение границ космоса может иметь решающее значение для будущего космических полетов». Грань . Проверено 1 апреля 2019 г.
  19. ^ Эндрю Г. Хейли, Исследование космоса: проблемы сегодня, завтра и в будущем , 2 PROC. НА Л. КОСМИЧЕСКОГО ПРОСТРАНСТВА 49 (1959).
  20. ^ Дженкинс, Деннис Р. (21 октября 2005 г.). «НАСА - Шнайдер идет по прогулке [Слово об определении космоса]». www.nasa.gov . НАСА . Проверено 19 октября 2018 г.
  21. ^ «Космос: лицензии на коммерческую космическую транспортировку: полет человека в космос (также называемый космическим полетом с экипажем)», Федеральное управление гражданской авиации США, 16 марта 2021 г.
  22. ^ Макдауэлл, Джонатан С. (2018). «Край космоса: возвращение к линии Кармана». Акта Астронавтика . 151 : 668–677. arXiv : 1807.07894 . Бибкод : 2018AcAau.151..668M. дои : 10.1016/j.actaastro.2018.07.003 .
  23. ^ Гангале, Томас (2018). Насколько высоко небо? Определение и делимитация космического пространства и территориального воздушного пространства в международном праве . Исследования в области космического права. Том. 13. Лейден, Нидерланды: Koninklijke Brill NV . дои : 10.1163/9789004366022. ISBN 978-90-04-36602-2. S2CID  135092905.
  24. ^ Спектор, Брэндон (25 июля 2018 г.). «Край космоса только что подкрался к Земле на 12 миль». Живая наука . Проверено 1 апреля 2019 г.
  25. ^ «Космическая среда и орбитальная механика». Справочный текст по армейскому космосу . Армия Соединенных Штатов . 2000. Архивировано из оригинала 18 апреля 2012 года . Проверено 24 апреля 2012 г. Где начинается космос : формального определения того, где начинается космос, не существует. Международное право, основанное на обзоре действующих 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 корабли считаются находящимися в космосе независимо от высоты. Определение США : Правительство США определяет космос в тех же терминах, что и международное право.
  26. ^ 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 . Получено 1 апреля 2019 г. - из цифровой библиотеки внутренней безопасности .
  27. ^ Лал, Бхавья; Найтингейл, Эмили (5 ноября 2014 г.). Где находится «Космос»? И почему это важно? (PDF) . Конференция по управлению космическим движением. Aerospace.csis.org. п. 6.
  28. ^ Кинг, 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 [с. 432].
  29. ^ «Делегация США, Заявление об определении и делимитации космического пространства, а также характере и использовании геостационарной орбиты, в Комитете по мирному использованию космического пространства, Юридический подкомитет его сороковой сессии (2 апреля – 13, 2001)». Архивировано из оригинала 28 марта 2020 г. Проверено 21 ноября 2019 г. Что касается вопроса определения и делимитации космического пространства, то мы внимательно изучили этот вопрос и выслушали различные заявления, сделанные на этой сессии. Наша позиция по-прежнему заключается в том, что в определении или делимитации космического пространства нет необходимости. В отсутствие такого определения не возникло никаких юридических или практических проблем. Напротив, различные правовые режимы, применимые к воздушному и космическому пространству, хорошо работают в своих соответствующих сферах. Отсутствие определения или делимитации космического пространства не препятствовало развитию деятельности в обеих сферах.
  30. ^ Мартинес, Исидоро; Космическая среда. Архивировано 9 июля 2021 г. в Wayback Machine , 2021 г.
  31. ↑ Шарп, Оскар (11 сентября 2020 г.). «Линия Кармана» — в главной роли Оливия Колман. Вимео .

Внешние ссылки