¿Cómo descubrieron que no hay atmósfera fuera de la tierra antes de la primera nave espacial? ¿Cómo trataron de superar las dificultades desconocidas antes de enviar su primera nave espacial?

Como señala David Joyce, este era un problema conocido mucho antes de la primera nave espacial. Los alpinistas saben que el aire se vuelve muy delgado allí. Los primeros globosistas enviaron animales antes de que se fueran ellos mismos, solo para ver si morirían por asfixia, ya en 1783:

Los viajeros aéreos modernos deberían saber que a solo unas pocas millas sobre la tierra encontrarían el aire terriblemente delgado allí arriba. Mientras los primeros cohetes experimentaban, los primeros viajeros llevaban trajes de presión de buceo modificados, los antepasados ​​de los trajes espaciales:

Entonces la falta de atmósfera era bastante conocida. Y, de hecho, la atmósfera siempre ha sido más un problema que una ventaja, ya que genera vuelos turbulentos, especialmente cuando intentas alcanzar la velocidad orbital. No hay suficiente oxígeno en la atmósfera para quemar el combustible tan rápido como sea necesario. Los motores a reacción modernos requieren ingestas enormes. Incluso en la atmósfera, los ingenieros de cohetes tienen que proporcionar su propio oxidante.

Robert Goddard, el padre de los cohetes estadounidenses, utilizó oxígeno líquido en 1926.
Puede ver los dos tanques separados más claramente en el diagrama:

Crédito: NASA

Los ingenieros de cohetes continuaron mejorando las formas en que se podía suministrar oxígeno. Utilizan no solo [matemática] O_2 [/ matemática] sino también peróxido de hidrógeno ([matemática] H_2O_2 [/ matemática]) y ácido nítrico ([matemática] HNO_3 [/ matemática]), entre otros.

Los cohetes de combustible sólido son mucho más antiguos. En el siglo XIII, los chinos combinaron carbón vegetal y azufre como combustible con nitrato de potasasio como oxidante para producir pólvora. Los pequeños cohetes de combustible sólido para fuegos artificiales y misiles eran relativamente fáciles de fabricar, pero la ampliación de combustibles sólidos para velocidades orbitales requería tecnología que no existía hasta la década de 1960, y que no fue realmente prominente durante otras dos décadas. En la década de 1980, eran los motores de cohetes más potentes en uso, más prominentemente en los cohetes de cohetes sólidos del transbordador espacial. El Shuttle combinó el poder de los cohetes sólidos con la capacidad de control de los combustibles líquidos iniciados por Robert Goddard.

Los astronautas consumen mucho menos oxígeno que los cohetes, y a un ritmo mucho más lento. Practicaron: como se muestra arriba, lo habían estado haciendo desde que descendieron bajo el océano en lugar de subir al espacio, en trajes de buceo y en submarinos. Existen desafíos únicos en el espacio, como el requisito de eliminar la mayor cantidad de peso posible, mientras se evita que toda la cápsula se convierta en un barril de pólvora. Apolo 1 enseñó una horrible lección sobre los peligros de un ambiente de oxígeno puro.

Creo que casi todo se ha cubierto en respuestas anteriores. Joshua Engel cubrió globos y altitud, pero se perdió la parte donde se creía que el aire solo cubría el suelo en una capa delgada, siguiendo los contornos de colinas y montañas.

Nadie mencionó la quintaesencia , todavía.

Según la ciencia antigua y medieval, el éter (griego: αἰθήρ aithēr ), también deletreado æther o ether , también llamado quintaesencia , es el material que llena la región del universo sobre la esfera terrestre.

El concepto de éter se usó en varias teorías para explicar varios fenómenos naturales, como el viaje de la luz y la gravedad. A finales del siglo XIX, los físicos postularon que el éter impregnaba todo el espacio, proporcionando un medio a través del cual la luz podía viajar en el vacío, pero no se encontró evidencia de la presencia de dicho medio en el experimento de Michelson-Morley.

Ver también:

Éter (elemento clásico)

Éter (mitología)

Éter luminífero

No soy historiador de la ciencia atmosférica, pero puedo imaginar dos métodos que probablemente se usaron. Primero, mediciones reales de la presión del aire en la tierra a diferentes altitudes. Obtienes un gráfico como este.

Fuente: http://commons.wikimedia.org/wik …

Ese gráfico sube hasta 10 km de altura. Extrapolando eso dará predicciones a altitudes mucho más altas.

Segundo, análisis teórico del gas para obtener altitudes mucho más altas. La conclusión es que casi no hay aire muy lejos de la tierra.

Es interesante que cuando Goddard propuso enviar un cohete a la luna, hubo una fuerte negación de que funcionaría ya que no había atmósfera para que el escape del cohete “empuje”.

Robert Goddard, de la Universidad de Clark, había hecho tal propuesta, y el 13 de enero de 1920 el New York Times lo vilipendió por no conocer su física. Sin embargo, lo hizo, ya que era profesor de física y basó su propuesta en la física.

El 17 de julio de 1969, el New York Times se retractó de ese editorial

Encontré en el espacio exterior que (después de que Pascal se dio cuenta de que la presión del aire está cayendo con el aumento de la altitud), Guericke en 1650 pudo producir un vacío (cercano), lo que demuestra que puede existir, y concluí que “debe” haber vacío entre tierra y luna

No sé cuándo y cómo esta conclusión pasó de la especulación al conocimiento establecido.

Ya era bien sabido en el siglo XVIII que el espacio interplanetario no contiene aire, y no todos los cuerpos celestes tienen atmósferas. Aquí hay un extracto, por ejemplo, de Jules Verne’s From the Earth to the Moon , escrito en 1865:

“A finales del siglo XVIII […] se completó el examen de la luna. […] Por la ausencia de refracción en los rayos de los planetas ocultos por ella, concluimos que está absolutamente desprovista de atmósfera”.

Este sitio web ofrece una buena imagen, que muestra la variación vertical en altura
http: //hyperphysics.phy-astr.gsu …
Desplácese hacia arriba para obtener un menú interactivo para calcular la presión a cualquier altura.
Básicamente terminas con una ecuación de la forma.
dP / P = -a dh; a (constante) = mg / kT
donde g = gravedad y T es la temperatura absoluta, que varían con la altura pero se toman como constantes para facilitar el cálculo.
Por lo tanto log P = -ah + constante de integración
Tomar exp
P = P_0 exp (-ah), P_0 la presión en h = 0 absorbe la constante
Se deduce que, como h tiende al infinito, entonces P tiende a cero.
Tenga en cuenta que T cae con h, así que para obtener la idea, coloque T = b / (h + d).
Esto da una variación de presión de la forma
P = P_0 exp (-dh -eh ^ 2) que cae más rápido que el caso de temperatura constante. La variación en la gravedad también aumenta ligeramente la tasa de caída.

El descubrimiento del barómetro en el siglo XVII condujo a investigaciones que demostraron que la presión del aire disminuye con la altitud. Solo proyectar la caída de presión lleva a la conclusión de que cualquier aire en el espacio será muy delgado. Además, el hecho de que los planetas logran viajar a través del espacio alrededor del sol sin una aparente desaceleración lleva a concluir que en el espacio entre los planetas no hay aire para desacelerar las cosas.