Maa põgenemise plaan: lühike juhend orbiidilt väljastamiseks

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-12-16 16:03

Hiljuti oli Habres uudiseid plaanitavast kosmoselifti ehitamisest. Paljude jaoks tundus see midagi fantastilist ja uskumatut, nagu tohutu sõrmus Halost või Dysoni kera. Kuid tulevik on lähemal, kui tundub, taevatrepp on täiesti võimalik ja võib-olla näeme seda isegi oma elu jooksul.

Nüüd püüan näidata, miks me ei saa minna ostma Maa-Kuu piletit Moskva-Peetri pileti hinnaga, kuidas lift meid aitab ja millest see kinni hoiab, et mitte maapinnale kokku kukkuda.

Raketitehnika arendamise algusest peale valmistas kütus inseneridele peavalu. Isegi kõige arenenumates rakettides võtab kütus umbes 98% laeva massist.

Kui tahame ISS-i astronautidele kinkida 1 kilogrammi kaaluva piparkookikoti, on selleks vaja jämedalt öeldes 100 kilogrammi raketikütust. Kanderakett on ühekordselt kasutatav ja naaseb Maale ainult põlenud prahi kujul. Saadakse kallid piparkoogid. Laeva mass on piiratud, mis tähendab, et ühe stardi kandevõime on rangelt piiratud. Ja igal käivitamisel on oma hind.

Mis siis, kui tahame lennata kuhugi maalähedasest orbiidist kaugemale?

Insenerid üle maailma istusid maha ja hakkasid mõtlema: milline peaks olema kosmoselaev, et sellega rohkem peale võtta ja edasi lennata?

Kuhu rakett lendab?

Sel ajal, kui insenerid mõtlesid, leidsid nende lapsed kuskilt salpetri ja pappi ning hakkasid mängurakette meisterdama. Kõrghoonete katustele sellised raketid ei jõudnud, kuid lapsed olid rõõmsad. Siis tuli pähe kõige targem mõte: "lükkame veel salpeetrit raketti sisse, küll ta kõrgemale lendab."

Kuid rakett ei lennanud kõrgemale, kuna see muutus liiga raskeks. Ta ei suutnud isegi õhku tõusta. Pärast mõningast katsetamist leidsid lapsed optimaalse soolakoguse, mille juures rakett kõige kõrgemalt lendab. Kui lisate kütust juurde, tõmbab raketi mass selle alla. Kui vähem - kütus lõpeb varem.

Ka insenerid said kiiresti aru, et kui tahame kütust juurde panna, siis peab ka veojõud suurem olema. Lennuulatuse suurendamiseks on vähe võimalusi:

• suurendada mootori efektiivsust, et kütusekaod oleksid minimaalsed (Lavali otsik)
• tõsta kütuse eriimpulssi nii, et tõukejõud oleks sama kütusemassi puhul suurem

Kuigi insenerid liiguvad pidevalt edasi, võtab peaaegu kogu laeva massi kütus. Kuna peale kütuse tahetakse kosmosesse saata ka midagi kasulikku, arvutatakse hoolikalt kogu raketi teekond ja raketti pannakse kõige vähem. Samal ajal kasutavad nad aktiivselt taevakehade gravitatsioonilist abi ja tsentrifugaaljõude. Pärast missiooni täitmist astronaudid ei ütle: "Poisid, paagis on veel natuke kütust, lendame Veenusele."

Kuidas aga määrata, kui palju kütust on vaja, et rakett tühja paagiga ookeani ei kukuks, vaid lendaks Marsile?

Teine kosmosekiirus

Lapsed proovisid ka raketti kõrgemalt lendama panna. Nad said isegi aerodünaamika õpiku kätte, lugesid Navier-Stokesi võrrandeid, kuid ei saanud midagi aru ja kinnitasid raketile lihtsalt terava nina.

Nende tuttav vanamees Hottabych läks mööda ja küsis, mille üle poisid kurvad on.

- Eh, vanaisa, kui meil oleks olnud lõpmatu kütuse ja väikese massiga rakett, oleks see tõenäoliselt lennanud pilvelõhkujasse või isegi mäe tippu.

- Vahet pole, Kostya-ibn-Eduard, - vastas Hottabych, tõmmates välja viimased karvad, - laske sellel raketil kunagi kütus otsa saada.

Rõõmsad lapsed lasid välja raketi ja ootasid, millal see maa peale naaseb. Rakett lendas nii pilvelõhkujasse kui ka mäe tippu, kuid ei peatunud ja lendas edasi, kuni kadus vaateväljast. Kui vaadata tulevikku, siis see rakett lahkus Maast, lendas välja Päikesesüsteemist, meie galaktikast ja lendas alavalguse kiirusel, et vallutada universumi avarustest.

Lapsed imestasid, kuidas nende väike rakett nii kaugele lendab. Lõppude lõpuks öeldi koolis, et selleks, et mitte Maale tagasi kukkuda, ei tohiks kiirus olla väiksem kui teine kosmiline kiirus (11, 2 km / s). Kas nende väike rakett võiks selle kiiruse saavutada?

Kuid nende inseneridest vanemad selgitasid, et kui raketil on lõpmatu kütusevaru, siis võib see lennata kõikjal, kui tõukejõud on suurem kui gravitatsioonijõud ja hõõrdejõud. Kuna rakett on õhkutõusmisvõimeline, siis tõukejõust piisab ja avatud ruumis on see veelgi lihtsam.

Teine kosmiline kiirus ei ole see kiirus, mis raketil peaks olema. See on kiirus, millega pall tuleb maapinnalt visata, et see sinna tagasi ei tuleks. Erinevalt kuulist on raketil mootorid. Tema jaoks pole oluline kiirus, vaid totaalne impulss.

Raketi jaoks on kõige raskem ületada tee esialgne osa. Esiteks on pinna gravitatsioon tugevam. Teiseks on Maal tihe atmosfäär, milles sellistel kiirustel lennata on väga palav. Ja reaktiivmootorid töötavad selles halvemini kui vaakumis. Seetõttu lendavad nad nüüd mitmeastmeliste rakettidega: esimene aste kulutab kiiresti oma kütuse ja eraldatakse ning kerglaev lendab teiste mootoritega.

Konstantin Tsiolkovski mõtles sellele probleemile pikka aega ja leiutas kosmoselifti (aastal 1895). Siis nad muidugi naersid ta üle. Küll aga naersid nad tema üle raketi, satelliidi ja orbitaaljaamade pärast ning üldiselt peeti teda sellest maailmast väljas: "Me pole siin veel autosid täielikult leiutanud, aga ta läheb kosmosesse."

Siis mõtlesid teadlased selle peale ja sattusid sellesse, lendas rakett, saatis orbiidile satelliidi, ehitas orbitaaljaamu, kus asustati inimesi. Tsiolkovski üle ei naera enam keegi, vastupidi, teda austatakse väga. Ja kui nad avastasid ülitugevad grafeeni nanotorud, mõtlesid nad tõsiselt "taevatrepile".

Miks satelliidid alla ei kuku?

Kõik teavad tsentrifugaaljõudu. Kui palli kiiresti nöörile keerata, ei kuku see maapinnale. Proovime palli kiiresti keerutada ja seejärel aeglustada järk-järgult pöörlemiskiirust. Ühel hetkel lõpetab see pöörlemise ja kukub. See on minimaalne kiirus, mille juures tsentrifugaaljõud tasakaalustab Maa gravitatsiooni. Kui palli kiiremini keerutada, venib köis rohkem välja (ja mingil hetkel läheb katki).

Maa ja satelliitide vahel on ka "köis" – gravitatsioon. Kuid erinevalt tavalisest köiest ei saa seda tõmmata. Kui satelliiti "keerata" kiiremini kui vaja, siis see "lahtub" (ja läheb elliptilisele orbiidile või lausa lendab minema). Mida lähemal on satelliit maapinnale, seda kiiremini on vaja seda "keerata". Lühikese köiega pall pöörleb ka kiiremini kui pikal.

Oluline on meeles pidada, et satelliidi orbitaalne (lineaarne) kiirus ei ole kiirus maapinna suhtes. Kui on kirjas, et satelliidi orbiidi kiirus on 3,07 km/s, ei tähenda see, et see hõljub meeletult üle pinna. Muide, Maa ekvaatori punktide orbitaalkiirus on 465 m / s (maa pöörleb, nagu väitis kangekaelne Galileo).

Tegelikult ei arvutata nööril oleva palli ja satelliidi jaoks mitte lineaarkiirusi, vaid nurkkiirusi (mitu pööret sekundis keha teeb).

Selgub, et kui leiate sellise orbiidi, kus satelliidi ja maapinna nurkkiirused langevad kokku, ripub satelliit pinnal ühe punkti kohal. Selline orbiit leiti ja seda nimetatakse geostatsionaarseks orbiidiks (GSO). Satelliidid ripuvad liikumatult ekvaatori kohal ja inimesed ei pea plaate keerama ja signaali püüdma.

Oa vars

Aga mis siis, kui langetada köis selliselt satelliidilt maapinnale, kuna see ripub üle ühe punkti? Kinnitage koorem satelliidi teise otsa, tsentrifugaaljõud suureneb ja hoiab nii satelliiti kui ka köit. Pall ju ei kuku, kui seda hästi keerutada. Siis on võimalik tõsta koormaid mööda seda köit otse orbiidile ja unustada nagu õudusunenägu mitmeastmelised raketid, mis neelavad väikese kandevõime juures kilotonnides kütust.

Liikumiskiirus lasti atmosfääris on väike, mis tähendab, et erinevalt raketist see ei kuumene. Ja ronimiseks kulub vähem energiat, kuna on olemas tugipunkt.

Peamine probleem on köie kaal. Maa geostatsionaarne orbiit asub 35 tuhande kilomeetri kaugusel. Kui venitada geostatsionaarsele orbiidile 1 mm läbimõõduga terasnöör, on selle mass 212 tonni (ja seda tuleb tsentrifugaaljõuga tõstejõu tasakaalustamiseks palju kaugemale tõmmata). Samal ajal peab see taluma oma raskust ja koorma raskust.

Õnneks aitab sel juhul natukene midagi, mille pärast füüsikaõpetajad sageli õpilastele ette karjuvad: kaal ja kaal on kaks erinevat asja. Mida kaugemale kaabel maapinnast ulatub, seda rohkem see kaalust alla võtab. Kuigi nööri tugevuse ja kaalu suhe peaks ikka üüratu olema.

Süsiniknanotorudega on inseneridel lootust. Nüüd on see uus tehnoloogia ja me ei saa veel neid torusid pikaks köieks keerata. Ja nende maksimaalset disainitugevust pole võimalik saavutada. Aga kes teab, mis edasi saab?