Sebesség és repülés

A világűr mint sebességhatár

A világűr egy másik értelmezése az űrrepüléshez köthető: ez a 100 km-es magasságon túli teret tekinti űrnek. Kármán Tódor mutatta ki aerodinamikai számításokkal, hogy kb. 100 km magasság fölött a repülő test aerodinamikai felületein termelt felhajtóerőnek már nincs jelentősége, mert a megfelelő felhajtóerő termeléséhez már olyan sebességre (első kozmikus sebesség) lenne szükség, ami egyébként is a Föld körül tartaná a repülőeszközt.
Az azonban tévhit, hogy ha egy test egyszer elérte az orbitális sebességet, akkor kering a Föld körül. A földfelszín közelében lehetetlen a mai technikával elérni az orbitális sebességet, mivel a levegő közegellenállása ehhez túl sok energiát igényelne (jelenleg 32 MJ/kg energiát kell befektetni az űreszközök orbitális pályára bocsátásához). A legkisebb olyan magasság, amelyen a keringési sebesség viszonylag tartósan (néhány keringésig) elérhető, 80 km. Itt már olyan ritka a légkör, hogy a technika mai színvonalán rendelkezésre álló tolóerővel elérhető a keringési sebesség, ám mégis van annyira sűrű, hogy a súrlódás fékező hatása az eszközt fokozatosan lelassítsa, és az végül lezuhanjon. A Kármán-féle 100 kilométeres magasság is ezért elméleti, mert ott a keringő tárgyak még nem maradnak fenn stabilan. A gyakorlatban egy pár napig stabil pályához (ahol a lassulás elég csekély ahhoz, hogy folyamatos gyorsítás és energiabefektetés nélkül akár néhány napig is fennmaradjon az űreszköz) legalább 200 kilométer magasság kell; az évekig stabil pályához 350 km-re vagy e fölé kell eljutni.
A fenti tétel visszafelé is igaz: hiába érjük el a kellő (200, vagy akár 350 km-es) magasságot, az eszközünk csak akkor áll pályára, ha a szükséges sebessége is megvan. Éppen e feltételek alapján különböztetünk meg orbitális repülést és szuborbitális repülést (más néven űrugrást).
Mivel a világűr – szélsőséges leegyszerűsítéssel – az égitestek közötti üres tér, így természetesen a sebességhatáron alapuló elhatárolása nem csak a Földre érvényes, viszont a határ minden égitestre más és más: az a magasság, amin a helyi első kozmikus sebesség már elérhető. A Holdon például a légkör és így az aerodinamikai erők hiánya miatt a szökési sebesség akár a tengerszinten is elérhető, de ha figyelembe vesszük a domborzatot is, úgy a legmagasabb hegycsúcsok fölé kell tennünk azt a körpályát, amin már elképzelhető orbitális keringés.

Repülések a világűr határán 

Az X–15 rakéta-repülőgép repülés közben

Bár a legelső, a világűr elérésére irányuló próbálkozás Jurij Gagarin és a Vosztok–1 révén máris sikeres orbitális pályára állással végződött, a más úton induló NASA két olyan szuborbitális repülést hajtott végre, amely csak a világűr határáig ért el. A Freedom 7, fedélzetén Alan Shepard, 1961. május 5-én 187,42 km, majd a Liberty Bell 7 űrhajón Gus Grissom 1961. július 21-én 190,39 km magasra jutott a Mercury-program keretében. A két űrugrás során csak az elérhető legnagyobb magasságra koncentrált a NASA, a sebességre a Redstone rakéta elégtelen tolóereje miatt még nem fordítottak figyelmet. A két repülés sikeres volt, a célt, a 100 kilométeres magasság átlépését mindkettő teljesítette. A repülés határainak kitapogatására a NASA egy másik, máig a legkiterjedtebbnek számító kísérleti programot indított a repülőgéppel elérhető legnagyobb magasság és/vagy sebesség elérésére. A kísérletek az X–15-program keretében zajlottak. Ennek keretében egy B–52-es bombázóról nagy magasságban indított rakéta-repülőgéppel törtek a magassági, illetve sebességi rekordokra. A legnagyobb magasságot 1963. augusztus 22-én érte el Joseph A. Walker pilóta 107 960 méterrel. (Amerikában egyébként a fentebb már említett 80 kilométert tekintik az űr határának és azt bármi módon túllépő pilótákat űrhajósnak tekintik. Így az X–15 pilótái közül többen megkapták az „űrhajós” megnevezést). Az X–15 által elért legnagyobb sebességet Pete Knight pilóta érte el 7274 km/h-val. Ezzel a sebességgel a légkörben, ember vezette repülőgéppel elért legnagyobb sebesség rekordját ma is ő tartja. (A légköri repülések között azóta egy ember nélküli kísérleti gép, az X–43A elhódította a legnagyobb sebesség abszolút rekordját).
A világűr határát repülőgéppel ostromló repülések között a magassági rekord a SpaceShipOne magánűrhajóé és Brian Binnie pilótáé, „ők” 2004. október 4-én 112 000 méter magasra emelkedtek az Ansari X-díjért folyó versengésben.