Planul de evacuare de la Pământ: un scurt ghid pentru în afara orbitei

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Modificat ultima dată: 2023-12-16 16:15

Recent, la Habré au apărut știri despre construcția planificată a unui lift spațial. Pentru mulți, părea ceva fantastic și incredibil, precum un inel uriaș de la Halo sau o sferă Dyson. Dar viitorul este mai aproape decât pare, o scară către rai este destul de posibilă și poate chiar o vom vedea în timpul vieții noastre.

Acum voi încerca să arăt de ce nu putem merge să cumpărăm un bilet Pământ-Lună la prețul unui bilet Moscova-Petru, cum ne va ajuta liftul și de ce se va ține pentru a nu se prăbuși la pământ.

De la începutul dezvoltării rachetelor, combustibilul a fost o durere de cap pentru ingineri. Chiar și în cele mai avansate rachete, combustibilul ocupă aproximativ 98% din masa navei.

Dacă vrem să le dăm astronauților de pe ISS o pungă de turtă dulce care cântărește 1 kilogram, atunci aceasta va necesita, aproximativ, 100 de kilograme de combustibil pentru rachete. Vehiculul de lansare este de unică folosință și se va întoarce pe Pământ doar sub formă de resturi arse. Se obtin turte dulce scumpe. Masa navei este limitată, ceea ce înseamnă că sarcina utilă pentru o lansare este strict limitată. Și fiecare lansare are un cost.

Ce se întâmplă dacă vrem să zburăm undeva dincolo de orbita apropiată a Pământului?

Inginerii din întreaga lume s-au așezat și au început să se gândească: cum ar trebui să fie o navă spațială pentru a lua mai mult pe ea și a zbura mai departe pe ea?

Unde va zbura racheta?

În timp ce inginerii se gândeau, copiii lor au găsit pe undeva salpetru și carton și au început să facă rachete de jucărie. Astfel de rachete nu au ajuns pe acoperișurile clădirilor înalte, dar copiii erau fericiți. Apoi mi-a venit în minte cel mai deștept gând: „să împingem mai mult salitre în rachetă și va zbura mai sus”.

Dar racheta nu a zburat mai sus, deoarece a devenit prea grea. Nici măcar nu se putea ridica în aer. După câteva experimente, copiii au găsit cantitatea optimă de salpetru la care racheta zboară cel mai sus. Dacă adăugați mai mult combustibil, masa rachetei o trage în jos. Dacă mai puțin - combustibilul se termină mai devreme.

De asemenea, inginerii au realizat rapid că, dacă vrem să adăugăm mai mult combustibil, atunci și forța de tracțiune trebuie să fie mai mare. Există câteva opțiuni pentru a mări raza de zbor:

• crește eficiența motorului, astfel încât pierderile de combustibil să fie minime (duză Laval)
• crește impulsul specific al combustibilului astfel încât forța de împingere să fie mai mare pentru aceeași masă de combustibil

Deși inginerii avansează constant, aproape întreaga masă a navei este absorbită de combustibil. Deoarece, pe lângă combustibil, doriți să trimiteți ceva util în spațiu, întregul traseu al rachetei este calculat cu atenție, iar minimul este pus în rachetă. În același timp, ei folosesc în mod activ ajutorul gravitațional al corpurilor cerești și al forțelor centrifuge. După finalizarea misiunii, astronauții nu spun: „Băieți, mai este puțin combustibil în rezervor, să zburăm spre Venus”.

Dar cum să determinați cât de mult combustibil este necesar pentru ca racheta să nu cadă în ocean cu rezervorul gol, ci să zboare pe Marte?

A doua viteză spațială

De asemenea, copiii au încercat să facă racheta să zboare mai sus. Ei chiar au pus mâna pe un manual de aerodinamică, au citit despre ecuațiile Navier-Stokes, dar nu au înțeles nimic și au atașat pur și simplu un nas ascuțit de rachetă.

Bătrânul lor familiar Hottabych a trecut și a întrebat de ce sunt triști băieții.

- Eh, bunicule, dacă am fi avut o rachetă cu combustibil infinit și cu masă mică, probabil că ar fi zburat către un zgârie-nori, sau chiar până în vârful unui munte.

- Nu contează, Kostya-ibn-Eduard, - răspunse Hottabych, smulgându-și ultimul păr, - să nu rămână niciodată fără combustibil această rachetă.

Copiii veseli au lansat o rachetă și au așteptat să se întoarcă pe pământ. Racheta a zburat atât spre zgârie-nori, cât și spre vârful muntelui, dar nu s-a oprit și a zburat mai departe până a dispărut din vedere. Dacă privești în viitor, atunci această rachetă a părăsit pământul, a zburat din sistemul solar, galaxia noastră și a zburat cu viteza subluminii pentru a cuceri vastitatea universului.

Copiii s-au întrebat cum mica lor rachetă ar putea zbura atât de departe. La urma urmei, la școală au spus că, pentru a nu cădea înapoi pe Pământ, viteza ar trebui să fie nu mai mică decât viteza a doua cosmică (11, 2 km / s). Ar putea racheta lor mică să atingă această viteză?

Dar părinții lor ingineri au explicat că, dacă o rachetă are o rezervă infinită de combustibil, atunci poate zbura oriunde dacă forța este mai mare decât forțele gravitaționale și forțele de frecare. Deoarece racheta este capabilă să decoleze, forța de tracțiune este suficientă, iar în spațiu deschis este și mai ușor.

A doua viteză cosmică nu este viteza pe care ar trebui să o aibă o rachetă. Aceasta este viteza cu care mingea trebuie aruncată de la suprafața pământului pentru a nu se întoarce pe ea. O rachetă, spre deosebire de minge, are motoare. Pentru ea, nu viteza contează, ci impulsul total.

Cel mai dificil lucru pentru o rachetă este să depășească porțiunea inițială a căii. În primul rând, gravitația la suprafață este mai puternică. În al doilea rând, Pământul are o atmosferă densă în care este foarte cald să zbori cu asemenea viteze. Și motoarele cu rachete cu reacție funcționează mai rău în el decât în vid. Prin urmare, ei zboară acum pe rachete cu mai multe etape: prima etapă își consumă rapid combustibilul și este separată, iar nava ușoară zboară pe alte motoare.

Konstantin Tsiolkovsky s-a gândit mult timp la această problemă și a inventat liftul spațial (în 1895). Apoi, desigur, au râs de el. Cu toate acestea, au râs de el din cauza rachetei, a satelitului și a stațiilor orbitale și, în general, l-au considerat neobișnuit: „Nu am inventat încă pe deplin mașini aici, dar el merge în spațiu”.

Apoi oamenii de știință s-au gândit la asta și au intrat în el, o rachetă a zburat, au lansat un satelit, au construit stații orbitale, în care erau populați oamenii. Nimeni nu mai râde de Ciolkovski; dimpotrivă, este foarte respectat. Și când au descoperit nanotuburi de grafen super-puternice, s-au gândit serios la „scara spre cer”.

De ce nu cad sateliții?

Toată lumea știe despre forța centrifugă. Dacă răsuciți rapid mingea pe sfoară, aceasta nu cade la pământ. Să încercăm să învârtim mingea rapid și apoi să încetinim treptat viteza de rotație. La un moment dat, se va opri din învârtire și va cădea. Aceasta va fi viteza minimă la care forța centrifugă va contrabalansa gravitația pământului. Dacă învârti mingea mai repede, frânghia se va întinde mai mult (și la un moment dat se va rupe).

Există și o „frânghie” între Pământ și sateliți – gravitația. Dar, spre deosebire de o frânghie obișnuită, nu poate fi trasă. Dacă „învârtiți” satelitul mai repede decât este necesar, acesta se va „desprinde” (și va intra pe o orbită eliptică sau chiar va zbura). Cu cât satelitul este mai aproape de suprafața pământului, cu atât mai repede trebuie să fie „întors”. De asemenea, mingea de pe o frânghie scurtă se învârte mai repede decât pe una lungă.

Este important să ne amintim că viteza orbitală (liniară) a unui satelit nu este viteza relativă la suprafața pământului. Dacă se scrie că viteza orbitală a unui satelit este de 3,07 km/s, asta nu înseamnă că plutește peste suprafață ca un nebun. Viteza orbitală a punctelor de pe ecuatorul Pământului, apropo, este de 465 m / s (pământul se rotește, așa cum pretindea încăpățânatul Galileo).

De fapt, pentru o minge pe o sfoară și pentru un satelit, nu se calculează viteze liniare, ci viteze unghiulare (câte rotații pe secundă face corpul).

Se pare că dacă găsiți o orbită astfel încât vitezele unghiulare ale satelitului și ale suprafeței pământului să coincidă, satelitul va atârna peste un punct de pe suprafață. O astfel de orbită a fost găsită și se numește orbita geostaționară (GSO). Sateliții atârnă nemișcați deasupra ecuatorului, iar oamenii nu trebuie să-și întoarcă farfuria și să „prindă semnalul”.

Tulpina de fasole

Dar dacă cobori o frânghie dintr-un astfel de satelit până la pământ, pentru că atârnă peste un punct? Atașați o sarcină la celălalt capăt al satelitului, forța centrifugă va crește și va ține atât satelitul, cât și frânghia. La urma urmei, mingea nu cade dacă o învârti bine. Apoi, va fi posibil să ridicați sarcini de-a lungul acestei frânghii direct pe orbită și să uitați, ca un coșmar, rachetele cu mai multe etape, care devorează combustibil în kilotone la o capacitate de transport redusă.

Viteza de mișcare în atmosfera încărcăturii va fi mică, ceea ce înseamnă că nu se va încălzi, spre deosebire de o rachetă. Și este nevoie de mai puțină energie pentru a urca, deoarece există un punct de sprijin.

Problema principală este greutatea frânghiei. Orbita geostaționară a Pământului este la 35 de mii de kilometri distanță. Dacă întindeți o linie de oțel cu un diametru de 1 mm până pe orbita geostaționară, masa acesteia va fi de 212 tone (și trebuie tras mult mai departe pentru a echilibra liftul cu forța centrifugă). În același timp, trebuie să reziste propriei greutăți și greutății încărcăturii.

Din fericire, în acest caz, ceva ajută puțin, pentru care profesorii de fizică îi ceartă adesea pe elevi: greutatea și greutatea sunt două lucruri diferite. Cu cât cablul se întinde mai departe de suprafața pământului, cu atât pierde mai mult în greutate. Deși raportul rezistență-greutate al frânghiei ar trebui să fie totuși enorm.

Cu nanotuburi de carbon, inginerii au speranță. Acum, aceasta este o tehnologie nouă și încă nu putem răsuci aceste tuburi într-o frânghie lungă. Și nu este posibil să se atingă puterea lor maximă de proiectare. Dar cine știe ce se va întâmpla mai departe?