Σχέδιο διαφυγής της Γης: Ένας σύντομος οδηγός για εκτός τροχιάς

2024 Συγγραφέας: Seth Attwood | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2023-12-16 16:02

Πρόσφατα στο Habré υπήρχαν νέα σχετικά με την προγραμματισμένη κατασκευή ενός διαστημικού ανελκυστήρα. Για πολλούς, φαινόταν σαν κάτι φανταστικό και απίστευτο, σαν ένα τεράστιο δαχτυλίδι από το Halo ή μια σφαίρα Dyson. Αλλά το μέλλον είναι πιο κοντά από ό,τι φαίνεται, μια σκάλα προς τον παράδεισο είναι πολύ πιθανό, και ίσως το δούμε ακόμη και στη διάρκεια της ζωής μας.

Τώρα θα προσπαθήσω να δείξω γιατί δεν μπορούμε να πάμε να αγοράσουμε ένα εισιτήριο Γης-Σελήνης στην τιμή του εισιτηρίου Μόσχας-Πέτρου, πώς θα μας βοηθήσει το ασανσέρ και τι θα κρατήσει για να μην καταρρεύσει στο έδαφος.

Από την αρχή της ανάπτυξης της πυραύλων, τα καύσιμα ήταν πονοκέφαλος για τους μηχανικούς. Ακόμη και στους πιο εξελιγμένους πυραύλους, τα καύσιμα καταλαμβάνουν περίπου το 98% της μάζας του πλοίου.

Αν θέλουμε να δώσουμε στους αστροναύτες του ISS μια σακούλα με μελόψωμο βάρους 1 κιλού, τότε αυτό θα απαιτήσει, χονδρικά, 100 κιλά καυσίμου πυραύλων. Το όχημα εκτόξευσης είναι μιας χρήσης και θα επιστρέψει στη Γη μόνο με τη μορφή καμένων συντριμμιών. Λαμβάνονται ακριβά gingerbreads. Η μάζα του πλοίου είναι περιορισμένη, πράγμα που σημαίνει ότι το ωφέλιμο φορτίο για μία εκτόξευση είναι αυστηρά περιορισμένο. Και κάθε εκτόξευση έχει κόστος.

Τι γίνεται αν θέλουμε να πετάξουμε κάπου πέρα από την τροχιά κοντά στη γη;

Μηχανικοί από όλο τον κόσμο κάθισαν και άρχισαν να σκέφτονται: πώς πρέπει να είναι ένα διαστημόπλοιο για να πάρει περισσότερα πάνω του και να πετάξει περισσότερο;

Πού θα πετάξει ο πύραυλος;

Ενώ οι μηχανικοί σκεφτόντουσαν, τα παιδιά τους βρήκαν κάπου αλάτι και χαρτόνι και άρχισαν να φτιάχνουν ρουκέτες-παιχνίδια. Τέτοιοι πύραυλοι δεν έφτασαν στις στέγες των πολυώροφων κτιρίων, αλλά τα παιδιά ήταν χαρούμενα. Τότε ήρθε στο μυαλό η πιο έξυπνη σκέψη: «ας σπρώξουμε περισσότερο αλάτι στον πύραυλο και θα πετάξει ψηλότερα».

Όμως ο πύραυλος δεν πέταξε ψηλότερα, καθώς έγινε πολύ βαρύς. Δεν μπορούσε καν να σηκωθεί στον αέρα. Μετά από κάποιους πειραματισμούς, τα παιδιά βρήκαν τη βέλτιστη ποσότητα άλατος στην οποία ο πύραυλος πετάει περισσότερο. Εάν προσθέσετε περισσότερο καύσιμο, η μάζα του πυραύλου τον τραβάει προς τα κάτω. Εάν είναι λιγότερο - το καύσιμο τελειώνει νωρίτερα.

Οι μηχανικοί επίσης συνειδητοποίησαν γρήγορα ότι αν θέλουμε να προσθέσουμε περισσότερο καύσιμο, τότε η δύναμη έλξης πρέπει επίσης να είναι μεγαλύτερη. Υπάρχουν λίγες επιλογές για να αυξήσετε το εύρος πτήσης:

• αυξήστε την απόδοση του κινητήρα έτσι ώστε οι απώλειες καυσίμου να είναι ελάχιστες (μπεκ Laval)
• αυξήστε την ειδική ώθηση του καυσίμου έτσι ώστε η δύναμη ώθησης να είναι μεγαλύτερη για την ίδια μάζα καυσίμου

Αν και οι μηχανικοί προχωρούν συνεχώς, σχεδόν ολόκληρη η μάζα του πλοίου καταλαμβάνεται από καύσιμα. Δεδομένου ότι εκτός από τα καύσιμα, θέλετε να στείλετε κάτι χρήσιμο στο διάστημα, ολόκληρη η διαδρομή του πυραύλου υπολογίζεται προσεκτικά και το ελάχιστο μπαίνει στον πύραυλο. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιούν ενεργά τη βαρυτική βοήθεια των ουράνιων σωμάτων και των φυγόκεντρων δυνάμεων. Μετά την ολοκλήρωση της αποστολής, οι αστροναύτες δεν λένε: «Παιδιά, υπάρχει ακόμα λίγο καύσιμο στη δεξαμενή, ας πετάξουμε στην Αφροδίτη».

Αλλά πώς να προσδιορίσετε πόσα καύσιμα χρειάζεται ώστε ο πύραυλος να μην πέσει στον ωκεανό με άδεια δεξαμενή, αλλά να πετάξει στον Άρη;

Δεύτερη διαστημική ταχύτητα

Τα παιδιά προσπάθησαν επίσης να κάνουν τον πύραυλο να πετάξει ψηλότερα. Έπιασαν ακόμη και ένα εγχειρίδιο αεροδυναμικής, διάβασαν για τις εξισώσεις Navier-Stokes, αλλά δεν κατάλαβαν τίποτα και απλώς προσάρτησαν μια αιχμηρή μύτη στον πύραυλο.

Ο γνωστός τους γέρος Χόταμπιτς πέρασε και ρώτησε για τι ήταν λυπημένοι οι τύποι.

- Ε, παππού, αν είχαμε έναν πύραυλο με άπειρα καύσιμα και χαμηλή μάζα, μάλλον θα είχε πετάξει σε έναν ουρανοξύστη, ή ακόμα και στην κορυφή ενός βουνού.

- Δεν πειράζει, Kostya-ibn-Eduard, - απάντησε ο Hottabych, τραβώντας τα τελευταία μαλλιά, - ας μην τελειώσει ποτέ αυτός ο πύραυλος από καύσιμα.

Τα χαρούμενα παιδιά εκτόξευσαν έναν πύραυλο και περίμεναν να επιστρέψει στη γη. Ο πύραυλος πέταξε τόσο προς τον ουρανοξύστη όσο και προς την κορυφή του βουνού, αλλά δεν σταμάτησε και πέταξε παραπέρα μέχρι που χάθηκε από τα μάτια. Αν κοιτάξετε στο μέλλον, τότε αυτός ο πύραυλος άφησε τη γη, πέταξε έξω από το ηλιακό σύστημα, τον γαλαξία μας και πέταξε με ταχύτητα υποφωτισμού για να κατακτήσει την απεραντοσύνη του σύμπαντος.

Τα παιδιά αναρωτήθηκαν πώς ο μικρός τους πύραυλος μπορούσε να πετάξει τόσο μακριά. Εξάλλου, στο σχολείο είπαν ότι για να μην πέσουν πίσω στη Γη, η ταχύτητα δεν πρέπει να είναι μικρότερη από τη δεύτερη κοσμική ταχύτητα (11, 2 km / s). Θα μπορούσε ο μικρός τους πύραυλος να φτάσει αυτή την ταχύτητα;

Αλλά οι γονείς τους μηχανικοί εξήγησαν ότι εάν ένας πύραυλος έχει άπειρη παροχή καυσίμου, τότε μπορεί να πετάξει οπουδήποτε εάν η ώθηση είναι μεγαλύτερη από τις δυνάμεις βαρύτητας και τις δυνάμεις τριβής. Δεδομένου ότι ο πύραυλος είναι ικανός να απογειωθεί, η δύναμη ώθησης είναι επαρκής και στον ανοιχτό χώρο είναι ακόμα πιο εύκολο.

Η δεύτερη κοσμική ταχύτητα δεν είναι η ταχύτητα που θα έπρεπε να έχει ένας πύραυλος. Αυτή είναι η ταχύτητα με την οποία πρέπει να πεταχτεί η μπάλα από την επιφάνεια του εδάφους για να μην επιστρέψει σε αυτό. Ένας πύραυλος, σε αντίθεση με μια μπάλα, έχει κινητήρες. Για αυτήν, δεν είναι η ταχύτητα που είναι σημαντική, αλλά η συνολική ώθηση.

Το πιο δύσκολο πράγμα για έναν πύραυλο είναι να ξεπεράσει το αρχικό τμήμα της διαδρομής. Πρώτον, η επιφανειακή βαρύτητα είναι ισχυρότερη. Δεύτερον, η Γη έχει μια πυκνή ατμόσφαιρα στην οποία είναι πολύ ζεστό να πετάς με τέτοιες ταχύτητες. Και οι κινητήρες αεριωθουμένων πυραύλων λειτουργούν χειρότερα σε αυτό παρά στο κενό. Ως εκ τούτου, πετούν τώρα με πυραύλους πολλαπλών σταδίων: το πρώτο στάδιο καταναλώνει γρήγορα τα καύσιμα του και διαχωρίζεται, και το ελαφρύ πλοίο πετά με άλλους κινητήρες.

Ο Konstantin Tsiolkovsky σκέφτηκε αυτό το πρόβλημα για πολύ καιρό και εφηύρε τον διαστημικό ανελκυστήρα (πίσω το 1895). Μετά, φυσικά, του γέλασαν. Ωστόσο, τον γέλασαν λόγω του πυραύλου και του δορυφόρου και των τροχιακών σταθμών και γενικά τον θεωρούσαν εκτός αυτού του κόσμου: «Δεν έχουμε εφεύρει ακόμη πλήρως αυτοκίνητα εδώ, αλλά πηγαίνει στο διάστημα».

Τότε οι επιστήμονες το σκέφτηκαν και μπήκαν σε αυτό, πέταξε ένας πύραυλος, εκτόξευσε έναν δορυφόρο, κατασκεύασαν τροχιακούς σταθμούς, στους οποίους κατοικούσαν άνθρωποι. Κανείς δεν γελάει πια με τον Τσιολκόφσκι, αντίθετα τον σέβονται πολύ. Και όταν ανακάλυψαν υπερισχυρούς νανοσωλήνες γραφενίου, σκέφτηκαν σοβαρά τη «σκάλα προς τον παράδεισο».

Γιατί δεν πέφτουν οι δορυφόροι;

Όλοι γνωρίζουν για τη φυγόκεντρη δύναμη. Εάν στρίψετε γρήγορα τη μπάλα στο κορδόνι, δεν πέφτει στο έδαφος. Ας προσπαθήσουμε να γυρίσουμε τη μπάλα γρήγορα και, στη συνέχεια, να επιβραδύνουμε σταδιακά την ταχύτητα περιστροφής. Κάποια στιγμή, θα σταματήσει να περιστρέφεται και θα πέσει. Αυτή θα είναι η ελάχιστη ταχύτητα με την οποία η φυγόκεντρος δύναμη θα αντισταθμίσει τη βαρύτητα της γης. Εάν περιστρέψετε τη μπάλα πιο γρήγορα, το σχοινί θα τεντωθεί περισσότερο (και κάποια στιγμή θα σπάσει).

Υπάρχει επίσης ένα «σχοινί» μεταξύ της Γης και των δορυφόρων - η βαρύτητα. Αλλά σε αντίθεση με ένα κανονικό σχοινί, δεν μπορεί να τραβηχτεί. Εάν «περιστρέψετε» τον δορυφόρο πιο γρήγορα από όσο χρειάζεται, θα «ξεκολλήσει» (και θα πάει σε μια ελλειπτική τροχιά ή ακόμα και θα πετάξει μακριά). Όσο πιο κοντά βρίσκεται ο δορυφόρος στην επιφάνεια της γης, τόσο πιο γρήγορα χρειάζεται να «γυριστεί». Η μπάλα σε ένα κοντό σχοινί επίσης περιστρέφεται πιο γρήγορα από ότι σε ένα μακρύ.

Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η τροχιακή (γραμμική) ταχύτητα ενός δορυφόρου δεν είναι ταχύτητα σε σχέση με την επιφάνεια της γης. Εάν γράφεται ότι η τροχιακή ταχύτητα ενός δορυφόρου είναι 3,07 km / s, αυτό δεν σημαίνει ότι αιωρείται πάνω από την επιφάνεια σαν τρελός. Η τροχιακή ταχύτητα των σημείων στον ισημερινό της γης, παρεμπιπτόντως, είναι 465 m / s (η γη περιστρέφεται, όπως ισχυρίστηκε ο επίμονος Γαλιλαίος).

Στην πραγματικότητα, για μια μπάλα σε μια χορδή και για έναν δορυφόρο, δεν υπολογίζονται γραμμικές ταχύτητες, αλλά γωνιακές (πόσες στροφές ανά δευτερόλεπτο κάνει το σώμα).

Αποδεικνύεται ότι αν βρείτε μια τροχιά τέτοια ώστε οι γωνιακές ταχύτητες του δορυφόρου και της επιφάνειας της γης να συμπίπτουν, ο δορυφόρος θα κρέμεται πάνω από ένα σημείο στην επιφάνεια. Μια τέτοια τροχιά βρέθηκε και ονομάζεται γεωστατική τροχιά (GSO). Οι δορυφόροι κρέμονται ακίνητοι πάνω από τον ισημερινό και οι άνθρωποι δεν χρειάζεται να γυρίσουν τις πλάκες τους και να «πιάσουν το σήμα».

Μίσχος φασολιού

Αλλά τι γίνεται αν κατεβάσετε ένα σχοινί από έναν τέτοιο δορυφόρο στο ίδιο το έδαφος, επειδή κρέμεται πάνω από ένα σημείο; Συνδέστε ένα φορτίο στο άλλο άκρο του δορυφόρου, η φυγόκεντρος δύναμη θα αυξηθεί και θα συγκρατήσει τόσο τον δορυφόρο όσο και το σχοινί. Άλλωστε η μπάλα δεν πέφτει αν την γυρίσεις καλά. Τότε θα είναι δυνατό να σηκωθούν φορτία κατά μήκος αυτού του σχοινιού απευθείας σε τροχιά και να ξεχάσουμε, σαν εφιάλτης, πυραύλους πολλαπλών σταδίων, που καταβροχθίζουν καύσιμα σε κιλοτόνια με χαμηλή μεταφορική ικανότητα.

Η ταχύτητα κίνησης στην ατμόσφαιρα του φορτίου θα είναι μικρή, πράγμα που σημαίνει ότι δεν θα ζεσταθεί, σε αντίθεση με έναν πύραυλο. Και απαιτείται λιγότερη ενέργεια για να αναρριχηθεί, αφού υπάρχει ένα υπομόχλιο.

Το κύριο πρόβλημα είναι το βάρος του σχοινιού. Η γεωστατική τροχιά της Γης απέχει 35 χιλιάδες χιλιόμετρα. Εάν τεντώσετε μια χαλύβδινη γραμμή με διάμετρο 1 mm στη γεωστατική τροχιά, η μάζα της θα είναι 212 τόνοι (και πρέπει να τραβηχτεί πολύ περισσότερο για να εξισορροπηθεί η ανύψωση με φυγόκεντρη δύναμη). Ταυτόχρονα πρέπει να αντέχει το δικό του βάρος και το βάρος του φορτίου.

Ευτυχώς, σε αυτή την περίπτωση, κάτι βοηθάει λίγο, για το οποίο οι καθηγητές φυσικής συχνά επιπλήττουν τους μαθητές: το βάρος και το βάρος είναι δύο διαφορετικά πράγματα. Όσο περισσότερο εκτείνεται το καλώδιο από την επιφάνεια της γης, τόσο περισσότερο χάνει βάρος. Αν και η αναλογία αντοχής προς βάρος του σχοινιού θα πρέπει να είναι ακόμα τεράστια.

Με τους νανοσωλήνες άνθρακα, οι μηχανικοί έχουν ελπίδα. Τώρα αυτή είναι μια νέα τεχνολογία, και δεν μπορούμε ακόμη να στρίψουμε αυτούς τους σωλήνες σε ένα μακρύ σχοινί. Και δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί η μέγιστη σχεδιαστική τους αντοχή. Αλλά ποιος ξέρει τι θα συμβεί στη συνέχεια;