Earth Escape Plan: Kratek vodnik za izven orbite

2024 Avtor: Seth Attwood | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2023-12-16 16:16

Pred kratkim je bila na Habréju novica o načrtovani gradnji vesoljskega dvigala. Mnogim se je zdelo nekaj fantastičnega in neverjetnega, kot ogromen prstan iz Halo ali Dysonova krogla. Toda prihodnost je bližje, kot se zdi, stopnice v nebesa so povsem možne in morda jo bomo celo videli v življenju.

Zdaj bom poskušal pokazati, zakaj ne moremo kupiti karte Zemlja-Luna po ceni vozovnice Moskva-Peter, kako nam bo dvigalo pomagalo in za kaj bo držalo, da se ne bi zrušilo na tla.

Že od samega začetka razvoja raketiranja je bilo gorivo za inženirje glavobol. Tudi v najnaprednejših raketah gorivo zavzema približno 98 % ladijske mase.

Če želimo astronavtom na ISS dati vrečo medenjakov, ki tehtajo 1 kilogram, potem bo za to potrebno, grobo rečeno, 100 kilogramov raketnega goriva. Nosilec je za enkratno uporabo in se bo na Zemljo vrnil le v obliki zgorelih ostankov. Dobijo se dragi medenjaki. Masa ladje je omejena, kar pomeni, da je nosilnost za eno izstrelitev strogo omejena. In vsak zagon ima svojo ceno.

Kaj pa, če želimo leteti nekam izven zemeljske orbite?

Inženirji z vsega sveta so se usedli in začeli razmišljati: kakšna bi morala biti vesoljska ladja, da bi na njej več vzela in letela naprej?

Kam bo letela raketa?

Medtem ko so inženirji razmišljali, so njihovi otroci nekje našli salitro in karton ter začeli izdelovati igrače rakete. Takšni projektili niso dosegli streh stolpnic, vendar so bili otroci veseli. Takrat se mi je porodila najpametnejša misel: "potisnimo v raketo več salitre, pa bo letela višje."

A raketa ni letela višje, saj je postala pretežka. Niti v zrak se ni mogla dvigniti. Po nekaj poskusih so otroci našli optimalno količino salitre, pri kateri raketa leti najvišje. Če dodate več goriva, ga masa rakete potegne navzdol. Če manj - gorivo konča prej.

Inženirji so tudi hitro ugotovili, da če želimo dodati več goriva, mora biti tudi vlečna sila večja. Obstaja nekaj možnosti za povečanje dosega letenja:

• povečati učinkovitost motorja, tako da so izgube goriva minimalne (Lavalova šoba)
• povečati specifični impulz goriva, tako da je potisna sila večja za isto maso goriva

Čeprav se inženirji nenehno premikajo naprej, skoraj celotno maso ladje prevzame gorivo. Ker želite poleg goriva v vesolje poslati še nekaj uporabnega, je celotna pot rakete natančno izračunana in v raketo vložena najmanjša pot. Hkrati aktivno uporabljajo gravitacijsko pomoč nebesnih teles in centrifugalnih sil. Po končani misiji astronavti ne rečejo: "Fantje, v rezervoarju je še malo goriva, letimo na Venero."

Toda kako ugotoviti, koliko goriva je potrebno, da raketa ne pade v ocean s praznim rezervoarjem, ampak odleti na Mars?

Druga vesoljska hitrost

Otroci so se trudili tudi, da bi raketa letela višje. Dobili so celo učbenik o aerodinamiki, brali o Navier-Stokesovih enačbah, a niso ničesar razumeli in so raketi preprosto pritrdili oster nos.

Njihov znani starec Hottabych je šel mimo in vprašal, kaj so fantje žalostni.

- Eh, dedek, če bi imeli raketo z neskončnim gorivom in nizko maso, bi verjetno letela v nebotičnik ali celo na sam vrh gore.

- Ni pomembno, Kostya-ibn-Eduard, - je odgovoril Hottabych in izpulil zadnje lase, - naj tej raketi nikoli ne zmanjka goriva.

Veseli otroci so izstrelili raketo in čakali, da se vrne na zemljo. Raketa je letela tako do nebotičnika kot do vrha gore, a se ni ustavila in je letela naprej, dokler ni izginila iz vidnega polja. Če pogledate v prihodnost, potem je ta raketa zapustila Zemljo, odletela iz sončnega sistema, naše galaksije in poletela s podsvetlobno hitrostjo, da bi osvojila prostranstvo vesolja.

Otroci so se spraševali, kako lahko njihova mala raketa leti tako daleč. Konec koncev so v šoli rekli, da ne bi padli nazaj na Zemljo, mora biti hitrost nič manjša od druge kozmične hitrosti (11, 2 km / s). Ali bi njihova majhna raketa lahko dosegla to hitrost?

Toda njihovi inženirski starši so pojasnili, da če ima raketa neskončno zalogo goriva, potem lahko leti kamor koli, če je potisk večji od gravitacijskih sil in sil trenja. Ker je raketa sposobna vzleta, je potisna sila zadostna, v odprtem prostoru pa še lažje.

Druga kozmična hitrost ni hitrost, ki bi jo morala imeti raketa. To je hitrost, s katero je treba žogo vreči s površine tal, da se ne vrne nanjo. Raketa ima za razliko od žoge motorje. Zanjo ni pomembna hitrost, temveč celoten impulz.

Najtežje za raketo je premagati začetni odsek poti. Prvič, površinska gravitacija je močnejša. Drugič, Zemlja ima gosto atmosfero, v kateri je zelo vroče leteti s tako hitrostjo. In reaktivni raketni motorji v njem delujejo slabše kot v vakuumu. Zato zdaj letijo na večstopenjskih raketah: prva stopnja hitro porabi gorivo in se loči, lahka ladja pa leti na drugih motorjih.

Konstantin Tsiolkovsky je dolgo razmišljal o tem problemu in izumil vesoljsko dvigalo (leta 1895). Potem so se mu seveda smejali. Vendar so se mu smejali zaradi rakete, satelita in orbitalnih postaj in ga na splošno smatrali za zunaj tega sveta: "Tukaj še nismo povsem izumili avtomobilov, on pa gre v vesolje."

Nato so znanstveniki razmišljali o tem in vstopili v to, poletela je raketa, izstrelila satelit, zgradila orbitalne postaje, v katerih so bili naseljeni ljudje. Tsiolkovskemu se nihče več ne smeji, nasprotno, zelo ga spoštujejo. In ko so odkrili super močne grafenske nanocevke, so resno razmišljali o »stopniščih v nebesa«.

Zakaj sateliti ne padejo?

Vsi vedo o centrifugalni sili. Če žogico hitro zasukaš na vrvici, ne pade na tla. Poskusimo hitro zavrteti žogo in nato postopoma upočasniti hitrost vrtenja. V nekem trenutku se bo prenehal vrteti in padel. To bo najmanjša hitrost, pri kateri bo centrifugalna sila uravnotežila zemeljsko gravitacijo. Če žogico zavrtite hitreje, se bo vrv bolj raztegnila (in v nekem trenutku se bo zlomila).

Med Zemljo in sateliti je tudi »vrv« – gravitacija. Toda za razliko od navadne vrvi je ni mogoče vleči. Če satelit "zasukate" hitreje, kot je potrebno, se bo "odlepil" (in šel v eliptično orbito ali celo odletel). Bližje kot je satelit površini zemlje, hitreje ga je treba "obrniti". Tudi žoga na kratki vrvi se vrti hitreje kot na dolgi.

Pomembno si je zapomniti, da orbitalna (linearna) hitrost satelita ni hitrost glede na zemeljsko površino. Če je zapisano, da je orbitalna hitrost satelita 3,07 km/s, to še ne pomeni, da lebdi nad površjem kot nor. Mimogrede, orbitalna hitrost točk na ekvatorju zemlje je 465 m / s (zemlja se vrti, kot je trdil trmasti Galileo).

Pravzaprav se za kroglo na vrvici in za satelit ne izračunajo linearne hitrosti, ampak kotne hitrosti (koliko vrtljajev na sekundo naredi telo).

Izkazalo se je, da če najdete orbito tako, da kotna hitrost satelita in zemeljske površine sovpadata, bo satelit visel nad eno točko na površini. Takšna orbita je bila najdena in se imenuje geostacionarna orbita (GSO). Sateliti nepremično visijo nad ekvatorjem in ljudem ni treba obračati krožnikov in "ujeti signal".

Steblo fižola

Kaj pa, če vrv s takega satelita spustiš na tla, ker visi čez eno točko? Na drugi konec satelita pritrdite breme, centrifugalna sila se bo povečala in bo držala tako satelit kot vrv. Konec koncev, žogica ne pade, če jo dobro zavrtite. Potem bo mogoče dvigniti breme po tej vrvi neposredno v orbito in pozabiti, kot nočna mora, na večstopenjske rakete, ki pri nizki nosilnosti požirajo gorivo v kilotonih.

Hitrost gibanja v ozračju tovora bo majhna, kar pomeni, da se ne bo segrel, za razliko od rakete. In za plezanje je potrebno manj energije, saj je vzpon.

Glavna težava je teža vrvi. Geostacionarna orbita Zemlje je oddaljena 35 tisoč kilometrov. Če na geostacionarno orbito raztegnete jekleno črto s premerom 1 mm, bo njena masa 212 ton (in jo je treba potegniti veliko dlje, da uravnotežite dvigalo s centrifugalno silo). Hkrati mora vzdržati lastno težo in težo bremena.

Na srečo v tem primeru nekaj malo pomaga, za kar učitelji fizike učence pogosto grajajo: teža in teža sta dve različni stvari. Bolj ko se kabel razteza od površine zemlje, bolj izgublja na teži. Čeprav bi moralo biti razmerje med močjo in težo vrvi še vedno ogromno.

Z ogljikovimi nanocevkami imajo inženirji upanje. Zdaj je to nova tehnologija in teh cevi še ne moremo zviti v dolgo vrv. In ni mogoče doseči njihove največje konstrukcijske trdnosti. Toda kdo ve, kaj se bo zgodilo naprej?