Plán úteku zo Zeme: Stručný sprievodca mimo obežnej dráhy

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy zmenené: 2023-12-16 16:15

Nedávno sa na Habré objavila správa o plánovanej výstavbe vesmírneho výťahu. Pre mnohých to vyzeralo ako niečo fantastické a neuveriteľné, ako obrovský prsteň z Halo alebo gule Dyson. Budúcnosť je však bližšie, ako sa zdá, schodisko do neba je celkom možné a možno sa ho ešte v živote dočkáme.

Teraz sa pokúsim ukázať, prečo si nemôžeme ísť kúpiť lístok Zem-Mesiac za cenu lístka Moskva-Peter, ako nám pomôže výťah a čoho sa bude držať, aby sa nezrútil na zem.

Od samého začiatku vývoja raketovej techniky bolo palivo pre inžinierov bolesťou hlavy. Aj v najpokročilejších raketách zaberá palivo asi 98 % hmotnosti lode.

Ak chceme dať astronautom na ISS vrece perníka s hmotnosťou 1 kilogram, bude si to vyžadovať zhruba 100 kilogramov raketového paliva. Nosná raketa je na jedno použitie a na Zem sa vráti len vo forme spálených trosiek. Získajú sa drahé perníky. Hmotnosť lode je obmedzená, čo znamená, že užitočné zaťaženie na jeden štart je prísne obmedzené. A každé spustenie niečo stojí.

Čo ak chceme letieť niekam za obežnú dráhu blízko Zeme?

Inžinieri z celého sveta sa posadili a začali premýšľať: aká by mala byť vesmírna loď, aby na nej viac brala a lietala na nej ďalej?

Kam poletí raketa?

Kým inžinieri premýšľali, ich deti niekde našli soľanku a kartón a začali vyrábať hračkárske rakety. Takéto strely sa na strechy výškových budov nedostali, ale deti boli šťastné. Vtedy mi prišla na um tá najmúdrejšia myšlienka: "natlačme do rakety viac ledku a poletí vyššie."

Raketa však neletela vyššie, pretože bola príliš ťažká. Nemohla sa ani zdvihnúť do vzduchu. Po nejakom experimentovaní deti našli optimálne množstvo ledku, pri ktorom raketa letí najvyššie. Ak pridáte viac paliva, hmotnosť rakety ju stiahne. Ak je menej - palivo končí skôr.

Inžinieri tiež rýchlo pochopili, že ak chceme pridať viac paliva, potom musí byť väčšia aj ťažná sila. Existuje niekoľko možností na zvýšenie dosahu letu:

• zvýšiť účinnosť motora tak, aby straty paliva boli minimálne (Lavalova dýza)
• zvýšiť špecifický impulz paliva tak, aby bola ťažná sila väčšia pri rovnakej hmotnosti paliva

Hoci inžinieri neustále napredujú, takmer celú hmotu lode zaberá palivo. Keďže okrem paliva chcete do vesmíru poslať aj niečo užitočné, celá dráha rakety je starostlivo vypočítaná a do rakety sa vloží úplne minimum. Zároveň aktívne využívajú gravitačnú pomoc nebeských telies a odstredivé sily. Po dokončení misie astronauti nehovoria: "Chlapci, v nádrži je ešte trochu paliva, poďme na Venušu."

Ako však určiť, koľko paliva treba na to, aby raketa nespadla s prázdnou nádržou do oceánu, ale odletela na Mars?

Druhá vesmírna rýchlosť

Deti si vyskúšali aj to, aby raketa vyletela vyššie. Dokonca sa im dostala do rúk učebnica aerodynamiky, čítali si o rovniciach Navier-Stokes, ale ničomu nerozumeli a jednoducho pripevnili na raketu ostrý nos.

Ich známy starec Hottabych prešiel okolo a spýtal sa, z čoho sú chlapi smutní.

- Ech, dedko, keby sme mali raketu s nekonečným palivom a nízkou hmotnosťou, pravdepodobne by letela k mrakodrapu alebo dokonca na samý vrchol hory.

- To je jedno, Kosťa-ibn-Eduard, - odpovedal Hottabych a vytiahol posledný vlas, - nech tejto rakete nikdy nedôjde palivo.

Radostné deti odpálili raketu a čakali, kým sa vráti na zem. Raketa letela k mrakodrapu aj na vrchol hory, no nezastavila sa a letela ďalej, až kým nezmizla z dohľadu. Ak sa pozriete do budúcnosti, potom táto raketa opustila Zem, vyletela zo slnečnej sústavy, našej galaxie a letela podsvetelnou rýchlosťou, aby dobyla rozľahlosť vesmíru.

Deti sa čudovali, ako mohla ich malá raketa lietať tak ďaleko. Koniec koncov, v škole povedali, že aby nespadli späť na Zem, rýchlosť by nemala byť menšia ako druhá kozmická rýchlosť (11, 2 km / s). Mohla by ich malá raketa dosiahnuť takú rýchlosť?

Ale ich inžinieri rodičia vysvetlili, že ak má raketa nekonečnú zásobu paliva, potom môže letieť kdekoľvek, ak je ťah väčší ako gravitačné a trecie sily. Keďže je raketa schopná vzlietnuť, náporová sila je dostatočná a v otvorenom priestore je to ešte jednoduchšie.

Druhá kozmická rýchlosť nie je rýchlosť, ktorú by mala mať raketa. To je rýchlosť, ktorou musí byť lopta odhodená z povrchu zeme, aby sa na ňu nevrátila. Raketa má na rozdiel od lopty motory. Pre ňu nie je dôležitá rýchlosť, ale celkový impulz.

Najťažšie pre raketu je prekonať úvodný úsek cesty. Po prvé, povrchová gravitácia je silnejšia. Po druhé, Zem má hustú atmosféru, v ktorej je veľmi horúco lietať takou rýchlosťou. A prúdové raketové motory v ňom fungujú horšie ako vo vákuu. Preto teraz lietajú na viacstupňových raketách: prvý stupeň rýchlo spotrebuje palivo a je oddelený a ľahká loď lieta na iných motoroch.

Konstantin Tsiolkovsky o tomto probléme dlho premýšľal a vynašiel vesmírny výťah (v roku 1895). Potom sa mu samozrejme vysmiali. Vysmievali sa mu však kvôli rakete, satelitu a orbitálnym staniciam a celkovo ho považovali za mimo tohto sveta: „Autá sme tu ešte úplne nevynašli, ale on ide do vesmíru.“

Potom sa vedci zamysleli a pustili sa do toho, vyletela raketa, vypustila satelit, postavili orbitálne stanice, v ktorých boli ľudia. Ciolkovskému sa už nikto nesmeje, naopak, je veľmi rešpektovaný. A keď objavili super silné grafénové nanorúrky, vážne uvažovali o „schodoch do neba“.

Prečo satelity nepadajú?

Každý vie o odstredivej sile. Ak loptičku rýchlo otočíte na šnúrke, nespadne na zem. Skúsme rýchlo roztočiť loptičku a potom postupne spomaliť rýchlosť otáčania. V určitom okamihu sa prestane točiť a spadne. To bude minimálna rýchlosť, pri ktorej bude odstredivá sila vyvažovať zemskú gravitáciu. Ak loptičku roztočíte rýchlejšie, lano sa natiahne viac (a v určitom okamihu sa pretrhne).

Medzi Zemou a satelitmi existuje aj „lano“– gravitácia. Ale na rozdiel od bežného lana sa nedá ťahať. Ak družicu „roztočíte“rýchlejšie, ako je potrebné, „vypadne“(a dostane sa na eliptickú dráhu, alebo dokonca odletí). Čím bližšie je satelit k povrchu zeme, tým rýchlejšie ho treba „otočiť“. Lopta na krátkom lane sa tiež točí rýchlejšie ako na dlhom.

Je dôležité si uvedomiť, že orbitálna (lineárna) rýchlosť satelitu nie je rýchlosť vzhľadom k zemskému povrchu. Ak je napísané, že orbitálna rýchlosť satelitu je 3,07 km/s, neznamená to, že sa vznáša nad povrchom ako besný. Mimochodom, obežná rýchlosť bodov na rovníku Zeme je 465 m / s (Zem sa otáča, ako tvrdil tvrdohlavý Galileo).

V skutočnosti sa pre loptičku na šnúre a pre satelit nepočítajú lineárne rýchlosti, ale uhlové rýchlosti (koľko otáčok za sekundu telo urobí).

Ukázalo sa, že ak nájdete obežnú dráhu takú, že sa uhlové rýchlosti satelitu a zemského povrchu zhodujú, satelit bude visieť nad jedným bodom na povrchu. Takáto dráha bola nájdená a nazýva sa geostacionárna dráha (GSO). Satelity visia nehybne nad rovníkom a ľudia nemusia otáčať taniere a „chytať signál“.

Fazuľová stonka

Ale čo keď spustíte lano z takéhoto satelitu až na samotnú zem, pretože visí nad jedným bodom? Na druhý koniec satelitu pripevnite záťaž, odstredivá sila sa zvýši a bude držať satelit aj lano. Lopta predsa nespadne, ak ju dobre roztočíte. Potom bude možné zdvíhať bremená po tomto lane priamo na obežnú dráhu a zabudnúť ako na nočnú moru na viacstupňové rakety, požierajúce palivo v kilotónoch pri nízkej nosnosti.

Rýchlosť pohybu v atmosfére nákladu bude malá, čo znamená, že sa na rozdiel od rakety nezahreje. A na stúpanie je potrebné menej energie, pretože existuje oporný bod.

Hlavným problémom je hmotnosť lana. Geostacionárna dráha Zeme je vzdialená 35 tisíc kilometrov. Ak na geostacionárnu dráhu natiahnete oceľové lano s priemerom 1 mm, jeho hmotnosť bude 212 ton (a treba ho potiahnuť oveľa ďalej, aby sa zdvih vyrovnal odstredivou silou). Zároveň musí odolať vlastnej hmotnosti a hmotnosti nákladu.

Našťastie v tomto prípade trochu pomáha niečo, za čo učitelia fyziky študentov často karhajú: hmotnosť a hmotnosť sú dve rozdielne veci. Čím ďalej sa kábel tiahne od povrchu zeme, tým viac stráca na hmotnosti. Aj keď pomer pevnosti a hmotnosti lana by mal byť stále obrovský.

S uhlíkovými nanorúrkami majú inžinieri nádej. Teraz je to nová technológia a tieto rúrky ešte nemôžeme skrútiť do dlhého lana. A nie je možné dosiahnuť ich maximálnu konštrukčnú pevnosť. Ale ktovie, čo bude ďalej?