问题

从太空跳入太平洋,怎么想办法让自己不摔死?

回答
从太空跳入太平洋,活下来的概率微乎其微,简直是天方夜谭。但如果非要脑洞大开,试图在理论上寻找一丝可能性,那需要的可不仅仅是勇气,更是一整套近乎疯狂的精密设计和超乎想象的运气。

首先,我们要明确,从太空跳下,我们面对的是一系列严峻的挑战,任何一个环节出错,结果都是致命的。

第一道关卡:穿越大气层

从太空(假设是近地轨道,比如国际空间站的高度,大约400公里)开始,速度是最大的敌人。国际空间站的轨道速度高达每秒7.66公里,也就是将近27000公里每小时。当你“跳”下去,你并不是自由落体,而是以极高的速度朝着地球倾斜滑行。

高速再入: 穿过大气层时,你会经历剧烈的摩擦。空气在你高速运动时会被压缩,形成高温等离子体,瞬间就能把任何未经特殊保护的物体烧成灰烬。就像陨石坠落一样,如果没有隔热层,你会被烧得渣都不剩。
冲击力: 即使你有隔热层,如此高的速度突然减速,产生的冲击力也是毁灭性的。想想汽车高速碰撞的场景,这种冲击力比那要强无数倍。

要解决这些问题,你需要:

1. 一个极其坚固、能够承受高温和冲击的“飞行器”: 这可不是随便一件宇航服能办到的。你需要一个微型、高度隔热且能承受巨大过载的逃生舱或者一个专门设计的再入飞行器。这个飞行器需要:
隔热材料: 表面需要覆盖航天飞机或载人飞船使用的那种特殊的隔热瓦(比如二氧化硅纤维材料),能够承受数千摄氏度的高温。
流线型设计: 形状必须是高度流线型的,能够有效地利用空气动力学来减缓速度,并引导热量散发。而且,要确保在再入过程中保持稳定的姿态,避免翻滚,因为不稳定的翻滚会导致局部过热和更大的冲击。
抗冲击结构: 整个结构需要具备极强的抗压和抗拉能力,以承受减速过程中产生的巨大G力。这种G力可以轻易压垮骨骼、撕裂内脏。
内部减震系统: 即使有外部保护,内部也需要一套复杂的减震系统,类似战斗机飞行员座椅的弹射装置,但要复杂得多,能够缓冲G力对人体的影响。可能需要一个可以包裹全身、能够吸收冲击的凝胶或充气结构。

2. 精确的轨道控制和姿态调整:
减速: 在你“跳”下去的瞬间,就不是直接垂直下坠了。你需要先进行一次精确的轨道变轨操作,利用推进器(如果有的话)调整你的轨道,使其进入一个能够安全穿过大气层的再入轨道。这个操作必须极其精确,否则要么撞击大气层时速度过快,要么速度不足无法进入大气层。
姿态控制: 在整个再入过程中,你需要一套主动的姿态控制系统,可能包括小型反作用力发动机(RCS)或可控的空气动力学面(小翼、扰流板),来不断调整飞行器的姿态,以优化减速和热量管理。

第二道关卡:进入低层大气和减速

即使你成功穿越了最初的高温区域,速度仍然是致命的。

空气动力学制动: 飞行器本身的设计会利用大气来提供阻力。随着速度降低,阻力会越来越大,就像跳伞一样。
降落伞系统: 在速度降到一定程度(通常是亚音速),你需要一个非常强大的、分级的降落伞系统来进一步减速。
减速伞: 首先放出较小的减速伞,进一步稳定姿态并开始减速。
主降落伞: 然后放出更大的主降落伞,将下降速度降低到相对安全的范围。

要解决这些问题,你需要:

1. 先进的降落伞系统:
高强度材料: 降落伞的材料需要非常坚固,能够承受高速展开时产生的巨大拉力,并且抗高温。
多级展开: 必须设计成多级或可调节的降落伞,以适应不同速度和高度的减速需求。
可靠的机械装置: 自动展开的机制必须万无一失,并且能够承受再入时的冲击。

第三道关卡:安全着水

即使速度已经降得很低,直接砸进太平洋依然是毁灭性的。水在高速冲击下,其坚硬程度堪比水泥。

冲击: 即使是以跳伞的末段速度(比如每秒510米)入水,如果没有缓冲,也会造成严重的伤害。
入水方式: 如果飞行器不是以特定的角度和姿态入水,可能会翻滚、破碎,或者导致乘客受伤。
水下逃生: 即使幸运地活了下来,舱体也可能被水压挤压变形,或者被海水浸湿。你需要能够迅速打开舱门,然后安全地浮出水面。

要解决这些问题,你需要:

1. 飞行器的入水缓冲设计:
气囊/充气结构: 飞行器的底部可能需要配备一个强大的充气气囊系统,或者整体设计成一个可以漂浮且有一定缓冲能力的结构,就像一个非常坚固、带有缓冲垫的胶囊。
优化入水姿态: 飞行器需要能够自主或通过外部引导,在最后阶段调整姿态,以最有利的角度(比如尾部向下)入水,最大程度地分散冲击力。

2. 快速的水上漂浮和逃生能力:
浮力装置: 飞行器本身必须能够可靠地漂浮,并且有足够的浮力。
易于打开的舱门: 舱门的设计需要考虑水密性和易于在水下打开。
独立的生命维持系统: 即使飞行器完好,也需要一套独立的生命维持系统,能让你在舱内呼吸,直到能够安全脱离。

总结一下,为了从太空跳入太平洋而不死,你需要的不是一个人的“跳”,而是一个包含以下元素的极其复杂的系统:

一个微型、具备隔热、抗冲击、流线型设计的再入载具。
一套精密的主动姿态控制和轨道调整系统。
一套可靠的多级降落伞系统。
一个能够缓冲入水冲击、具备漂浮能力的飞行器底部设计。
一套能在水下安全逃生的机制。
以及,最重要的是,一个能够完美执行所有这些操作的、堪比航天器级别的智能控制系统,以及无数次成功的模拟和测试。

听起来,与其说“跳”,不如说是在执行一次极其危险、极其简化的载人航天器返回任务。这已经远远超出了“跳”的概念,而是进入了工程学的范畴。所以,从概念上讲,你必须把自己装进一个能够完成整个载人航天返回过程的“迷你航天器”里,然后确保它能够准确地、安全地执行这个流程。

至于“人”本身,在那样的G力、温度和冲击下,除非被包裹在足以抵御一切的设备中,否则根本不可能幸存。所以,与其说“怎么让自己不摔死”,不如说“怎么制造一个能够成功完成这段旅程并把你安全送达太平洋的装置”。

这基本上就是创造一个一次性使用的、单人微型载人返回舱,然后精确地规划其从轨道到太平洋上的整个过程。这难度,比成为第一个登上月球的人还要难上无数倍,因为你需要在几乎没有准备、没有地面支持的情况下,完成一系列堪比载人航天任务的操作。

所以,这根本不是一个“跳”的问题,而是一个人如何把自己塞进一个奇迹般的、能够应对一切极端情况的“小飞船”,并确保这个小飞船能够按照预定程序,一路从太空平安“落”到太平洋,并且你能从里面活着出来。

嗯,光是想想就觉得,与其琢磨怎么“不摔死”,不如直接放弃这个念头,老老实实等着航天飞机或者太空船的救援吧。

网友意见

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物体下落,空气阻力满足公式:

  • C为空气阻力系数;ρ为空气密度;S为迎风面积;V为下坠速度。

在地表达到速度平衡时,满足:

根据国际航空联合会定义的大气层与太空的界线,100km高空跳落,极速能达到多少呢?

100km高空,空气密度大约是0.00000049kg/m^3。

根据空气的密度梯度,以及重力加速度的变化。

易得,自由落体的人,大约在40km~50km处达到速度平衡。

40km处,高空密度是0.0004kg/m^3。

裸露的70kg的男性,迎风横截面大约0.5m^2,由于太空跳下的人基本全副武装。

不妨重量取80kg,迎风横截面取0.65m^2,阻力系数取0.9,重力加速度9.7m/s^2,可得极速为:

不考虑空气阻力时,在40km位置的速度为1000m/s左右。

可知,从100km跳下,在40km位置处的速度至少是800~1000m/s,也即3000 km/h左右。

由于空气过于稀薄,人体还不至于烧伤。(如果是近海平面,这个速度可以升温500℃)

紧接着,就会开始减速,在30km处,速度应该已经降低到500m/左右。

20km处,速度降低到音速以下。

随着空气密度大幅上升,在2000米以下,速度很快降低到50m/s附近。

接近海平面速度会降低到:

入水时,存在阻力:

与水撞击的刹那,还会存在冲力:

人体入水的刹那,承受的总力量和压强为:

可以看出,入水压强只和水密度,速度,以及相关系数有关(入水方式),而和接触面无关。

如果入水的部位近似看做圆柱体,冲击系数为5.15[1],阻力系数依旧取0.9.

那么:

假设题主十分的灵活,在入水的刹那,突然翻转头朝下,手指入水。

若十根手指尖的有效撞击面积为10cm^2,也即0.001m^2

总撞击力: 。

大约相当于十根手指在瞬间受到1.3吨的撞击,没有任何悬念,直接粉碎性骨折。

虽然头朝下减少了人体的总冲力,但双手不是圆锥形,约还有半个头的海水撞击在头部。

撞击力约为:201000N。

大约相当于20吨的重物撞击在头颅上……

画面就描述了。

如果横着落地,撞击力达到640吨。

想象被640吨重的大铁锤,横着来一下?

他与水面接触面的总压强达,12.8Mpa(126.4个大气压).

人类皮肤的离体强度大约是3±1.5MPa[2],承受压强大约是离体压强的4倍。

……

当然,如果一开始题主就想要挑战极限,直接高空头朝下飞行,且一直不改变方向。

那么,最终的极速,可以达到150m/s以上。

撞击在水面上的力量还会提升(150/46.2)^2倍,也即10倍左右。

6400吨!

什么都糊了。


想要不死的方法1:

提高下落时的风阻面积,例如增加自己的横截面积。

理论上如果高空下落时把横截面积提高到3平米左右,最后的落地速度就差不多和高空跳水差不多了,掌握点技术,可以不死了。

达到7平米,就和10米跳水台差不多了,只要不是太野,横着入水,也基本无碍了。

超过20平米,你可以花式入水了。

如果遇到上升气流,你还能飞起来。

至于如何提高自己的横截面积,这么简单的问题,就交给题主自己解决了哈。


想要不死的方法2:

把入水面积减少到足够低,例如,脚底踩一个足够长的圆锥,可以把阻力系数、冲力系数降低到危害范围之外。[3]

当然,这极其的考验题主的微操。

你需要在高空下坠的时候,让身体足够的平行,不能让锥尖朝下加倍提升你的下坠速度,不然入水速度可能破音障。

但到落水的刹那,你又需要瞬间翻转过来,让椎尖精准朝下。

这样你就能做到中国跳水运动员那样,来个太空版的标准入水了。

是吧,看起来很容易的:

附:

高度与重力加速度和空气密度表

参考

  1. ^ I. M. C. Campbell and P. A. Weynberg, “Measurement of Parameters Affecting Slamming,” Report No. 440, Wolfson Unit of Marine Technology, Southampton, 1980.
  2. ^ 力学进展ADVANCESIN V-oL38 No.42008 MECHAMCS July25, 皮肤的力学性能概述
  3. ^ Zhao R , Faltinsen O . Water entry of two-dimensional bodies[J]. Journal of Fluid Mechanics, 1993, 246(-1):593-612.
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二战时候有轰炸机机组成员没有降落伞生还的,因为他轰炸机机体先于他坠地,机体内剩余的航空汽油立即发生了爆炸,爆炸的气浪大大减缓了他下落的速度,然后他又落入山坡风吹集的松软积雪中,侥幸生还。

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