Plan ucieczki przed Ziemią: krótki przewodnik po wyjściu z orbity

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-16 16:14

Niedawno na Habré pojawiła się wiadomość o planowanej budowie windy kosmicznej. Dla wielu wydawało się to czymś fantastycznym i niesamowitym, jak ogromny pierścień z Halo lub kula Dyson. Ale przyszłość jest bliższa niż się wydaje, schody do nieba są całkiem możliwe, a może nawet zobaczymy je za naszego życia.

Teraz spróbuję pokazać, dlaczego nie możemy kupić biletu Ziemia-Księżyc w cenie biletu Moskwa-Piotr, jak winda nam pomoże i na czym się utrzyma, żeby nie runąć na ziemię.

Od samego początku rozwoju rakiety paliwo przyprawiało inżynierów o ból głowy. Nawet w najbardziej zaawansowanych rakietach paliwo zajmuje około 98% masy statku.

Jeśli chcemy dać astronautom na MSK worek piernika o wadze 1 kilograma, to będzie to wymagało mniej więcej 100 kilogramów paliwa rakietowego. Pojazd nośny jest jednorazowy i powróci na Ziemię tylko w postaci spalonego gruzu. Uzyskuje się drogie pierniki. Masa okrętu jest ograniczona, co oznacza, że ładowność na jeden start jest ściśle ograniczona. A każde uruchomienie ma swoją cenę.

A jeśli chcemy polecieć gdzieś poza orbitą okołoziemską?

Inżynierowie z całego świata usiedli i zaczęli się zastanawiać: jaki powinien być statek kosmiczny, aby wziąć na niego więcej i polecieć nim dalej?

Gdzie poleci rakieta?

Podczas gdy inżynierowie myśleli, ich dzieci znalazły gdzieś saletrę i tekturę i zaczęły robić rakiety-zabawki. Takie pociski nie docierały na dachy wieżowców, ale dzieci były szczęśliwe. Wtedy przyszła mi do głowy najmądrzejsza myśl: „wrzućmy więcej saletry do rakiety, a poleci wyżej”.

Ale rakieta nie leciała wyżej, ponieważ stała się zbyt ciężka. Nie mogła nawet wzbić się w powietrze. Po kilku eksperymentach dzieci znalazły optymalną ilość saletry, przy której rakieta leci najwyżej. Jeśli dodasz więcej paliwa, masa rakiety ściąga je w dół. Jeśli mniej - paliwo kończy się wcześniej.

Inżynierowie też szybko zdali sobie sprawę, że jeśli chcemy dodać więcej paliwa, to siła pociągowa też musi być większa. Istnieje kilka możliwości zwiększenia zasięgu lotu:

• zwiększyć sprawność silnika tak, aby straty paliwa były minimalne (dysza Lavala)
• zwiększyć impuls właściwy paliwa, aby siła ciągu była większa dla tej samej masy paliwa

Chociaż inżynierowie nieustannie posuwają się do przodu, prawie całą masę statku pochłania paliwo. Ponieważ oprócz paliwa chcesz wysłać w kosmos coś pożytecznego, cała droga rakiety jest dokładnie obliczona, a do rakiety wkłada się samo minimum. Jednocześnie aktywnie korzystają z pomocy grawitacyjnej ciał niebieskich i sił odśrodkowych. Po zakończeniu misji astronauci nie mówią: „Chłopaki, w zbiorniku jest jeszcze trochę paliwa, lećmy na Wenus”.

Ale jak ustalić, ile paliwa jest potrzebne, aby rakieta nie wpadła do oceanu z pustym zbiornikiem, ale poleciała na Marsa?

Druga prędkość kosmiczna

Dzieci próbowały też podnieść rakietę wyżej. Zdobyli nawet podręcznik aerodynamiki, przeczytali o równaniach Naviera-Stokesa, ale nic nie zrozumieli i po prostu przyczepili ostry nos do rakiety.

Ich znajomy staruszek Hottabych przeszedł obok i zapytał, z czego chłopaki są smutni.

- Ech, dziadku, gdybyśmy mieli rakietę z nieskończonym paliwem i małą masą, prawdopodobnie poleciałaby na wieżowiec, a nawet na sam szczyt góry.

- To nie ma znaczenia, Kostia-ibn-Eduardzie - odpowiedział Hottabych wyrywając ostatni włos - niech tej rakiecie nigdy nie zabraknie paliwa.

Radosne dzieci wystrzeliły rakietę i czekały, aż powróci na ziemię. Rakieta poleciała zarówno na wieżowiec, jak i na szczyt góry, ale nie zatrzymała się i poleciała dalej, aż zniknęła z pola widzenia. Jeśli spojrzysz w przyszłość, to ta rakieta opuściła Ziemię, wyleciała z Układu Słonecznego, naszej galaktyki i poleciała z prędkością podświetlną, aby podbić bezkres wszechświata.

Dzieci zastanawiały się, jak ich mała rakieta mogła latać tak daleko. W końcu w szkole mówiono, że aby nie spaść z powrotem na Ziemię, prędkość powinna być nie mniejsza niż druga kosmiczna prędkość (11, 2 km / s). Czy ich mała rakieta może osiągnąć taką prędkość?

Ale ich inżynierscy rodzice wyjaśnili, że jeśli rakieta ma nieskończone zapasy paliwa, to może polecieć w dowolne miejsce, jeśli siła ciągu jest większa niż siły grawitacyjne i siły tarcia. Ponieważ rakieta jest zdolna do startu, siła ciągu jest wystarczająca, a na otwartej przestrzeni jest jeszcze łatwiej.

Druga kosmiczna prędkość nie jest prędkością, jaką powinna mieć rakieta. Jest to prędkość, z jaką piłka musi zostać wyrzucona z powierzchni ziemi, aby na nią nie wróciła. Rakieta, w przeciwieństwie do piłki, ma silniki. Dla niej ważna jest nie szybkość, ale totalny impuls.

Najtrudniejszą rzeczą dla rakiety jest pokonanie początkowego odcinka ścieżki. Po pierwsze, grawitacja powierzchniowa jest silniejsza. Po drugie, Ziemia ma gęstą atmosferę, w której podczas lotu z taką prędkością jest bardzo gorąco. A silniki rakietowe pracują w nim gorzej niż w próżni. Dlatego latają teraz na rakietach wielostopniowych: pierwszy stopień szybko zużywa paliwo i jest odseparowany, a lekki statek lata na innych silnikach.

Konstantin Tsiołkowski długo zastanawiał się nad tym problemem i wynalazł windę kosmiczną (w 1895 r.). Potem oczywiście się z niego śmiali. Jednak śmiali się z niego z powodu rakiety, satelity i stacji orbitalnych i ogólnie uważali go za nie z tego świata: „Nie wynaleźliśmy jeszcze w pełni samochodów, ale leci w kosmos”.

Potem naukowcy pomyśleli o tym i weszli w to, poleciała rakieta, wystrzeliła satelitę, zbudowała stacje orbitalne, w których zaludniono ludzi. Nikt już nie śmieje się z Ciołkowskiego, wręcz przeciwnie, cieszy się ogromnym szacunkiem. A kiedy odkryli super mocne nanorurki grafenowe, poważnie pomyśleli o „schodach do nieba”.

Dlaczego satelity nie spadają?

Wszyscy wiedzą o sile odśrodkowej. Jeśli szybko przekręcisz kulkę na sznurku, nie spadnie ona na ziemię. Spróbujmy szybko zakręcić piłką, a następnie stopniowo zwalniać jej prędkość. W pewnym momencie przestanie się kręcić i spadnie. Będzie to minimalna prędkość, przy której siła odśrodkowa zrównoważy grawitację Ziemi. Jeśli kręcisz piłką szybciej, lina bardziej się rozciągnie (a w pewnym momencie pęknie).

Pomiędzy Ziemią a satelitami jest też „lina” - grawitacja. Ale w przeciwieństwie do zwykłej liny nie można jej ciągnąć. Jeśli „obrócisz” satelitę szybciej niż to konieczne, „odpadnie” (i wejdzie na orbitę eliptyczną, a nawet odleci). Im bliżej satelity znajduje się powierzchnia ziemi, tym szybciej trzeba go „obrócić”. Piłka na krótkiej linie również kręci się szybciej niż na długiej.

Należy pamiętać, że prędkość orbitalna (liniowa) satelity nie jest prędkością względem powierzchni Ziemi. Jeśli jest napisane, że prędkość orbitalna satelity wynosi 3,07 km/s, nie oznacza to, że unosi się on nad powierzchnią jak szalony. Nawiasem mówiąc, prędkość orbitalna punktów na równiku Ziemi wynosi 465 m / s (Ziemia obraca się, jak twierdził uparty Galileusz).

W rzeczywistości dla kuli na sznurku i dla satelity obliczane są nie prędkości liniowe, ale prędkości kątowe (ile obrotów na sekundę wykonuje ciało).

Okazuje się, że jeśli znajdziesz orbitę, w której prędkości kątowe satelity i powierzchni Ziemi pokrywają się, satelita zawiśnie nad jednym punktem na powierzchni. Taka orbita została znaleziona i nazywa się ją orbitą geostacjonarną (GSO). Satelity wiszą nieruchomo nad równikiem, a ludzie nie muszą odwracać talerzy i „łapać sygnału”.

Łodyga fasoli

A co, jeśli z takiego satelity opuścisz linę na samą ziemię, bo wisi nad jednym punktem? Podłącz ładunek do drugiego końca satelity, siła odśrodkowa wzrośnie i utrzyma zarówno satelitę, jak i linę. W końcu piłka nie spadnie, jeśli dobrze ją podkręcisz. Wtedy będzie można podnosić ładunki wzdłuż tej liny bezpośrednio na orbitę i zapomnieć jak koszmar o wielostopniowych rakietach, pożerających paliwo w kilotonach przy niskiej nośności.

Prędkość ruchu w atmosferze ładunku będzie niewielka, co oznacza, że nie będzie się on nagrzewał, jak rakieta. A do wspinania potrzeba mniej energii, ponieważ istnieje punkt podparcia.

Głównym problemem jest waga liny. Geostacjonarna orbita Ziemi jest oddalona o 35 tysięcy kilometrów. Jeśli rozciągniemy na orbicie geostacjonarnej linę stalową o średnicy 1 mm, jej masa wyniesie 212 ton (i trzeba ją pociągnąć znacznie dalej, aby zrównoważyć windę siłą odśrodkową). Jednocześnie musi wytrzymać swój ciężar własny i ciężar ładunku.

Na szczęście w tym przypadku trochę pomaga, za co nauczyciele fizyki często karcą uczniów: waga i waga to dwie różne rzeczy. Im dalej kabel rozciąga się od powierzchni ziemi, tym bardziej traci na wadze. Chociaż stosunek wytrzymałości do wagi liny nadal powinien być ogromny.

Inżynierowie mają nadzieję, jeśli chodzi o nanorurki węglowe. Teraz jest to nowa technologia i nie możemy jeszcze skręcić tych rurek w długą linę. A osiągnięcie ich maksymalnej wytrzymałości projektowej nie jest możliwe. Ale kto wie, co będzie dalej?