Earth Escape Plan: A Brief Guide for Out of Orbit

2024 Författare: Seth Attwood | [email protected]. Senast ändrad: 2023-12-16 16:17

Nyligen på Habré kom nyheter om det planerade bygget av en rymdhiss. För många verkade det som något fantastiskt och otroligt, som en enorm ring från Halo eller en Dyson-sfär. Men framtiden är närmare än den verkar, en trappa till himlen är fullt möjlig, och kanske kommer vi till och med att se den under vår livstid.

Nu ska jag försöka visa varför vi inte kan gå och köpa en Earth-Moon-biljett till priset av en Moskva-Peter-biljett, hur hissen kommer att hjälpa oss och vad den kommer att hålla fast vid för att inte kollapsa till marken.

Redan från början av utvecklingen av raketer var bränsle en huvudvärk för ingenjörer. Även i de mest avancerade raketerna upptar bränslet cirka 98 % av fartygets massa.

Om vi vill ge astronauterna på ISS en påse pepparkakor som väger 1 kilogram så kommer detta att kräva, grovt sett, 100 kilo raketbränsle. Uppskjutningsfarkosten är av engångstyp och kommer endast att återvända till jorden i form av bränt skräp. Dyra pepparkakor erhålls. Fartygets massa är begränsad, vilket innebär att nyttolasten för en sjösättning är strikt begränsad. Och varje lansering kostar.

Tänk om vi vill flyga någonstans bortom den nära jordens omloppsbana?

Ingenjörer från hela världen satte sig ner och började fundera: hur ska ett rymdskepp vara för att kunna ta på sig mer och flyga vidare på det?

Vart ska raketen flyga?

Medan ingenjörerna tänkte hittade deras barn salpeter och kartong någonstans och började tillverka leksaksraketer. Sådana missiler nådde inte taket på höghus, men barnen var glada. Då kom den smartaste tanken att tänka på: "låt oss trycka in mer salpeter i raketen, så flyger den högre."

Men raketen flög inte högre, eftersom den blev för tung. Hon kunde inte ens komma upp i luften. Efter lite experimenterande hittade barnen den optimala mängden salpeter som raketen flyger högst mot. Om du fyller på mer bränsle drar raketens massa ner det. Om mindre - bränsle slutar tidigare.

Ingenjörerna insåg också snabbt att om vi vill fylla på mer bränsle så måste dragkraften också vara större. Det finns några alternativ för att öka flygräckvidden:

• öka motorns effektivitet så att bränsleförlusterna blir minimala (Laval-munstycke)
• öka bränslets specifika impuls så att dragkraften blir större för samma bränslemassa

Även om ingenjörer ständigt rör sig framåt, tas nästan hela fartygets massa upp av bränsle. Eftersom du förutom bränsle vill skicka något användbart ut i rymden, beräknas raketens hela väg noggrant, och det allra minsta sätts in i raketen. Samtidigt använder de aktivt gravitationshjälpen från himlakroppar och centrifugalkrafter. Efter att ha slutfört uppdraget säger inte astronauterna: "Gubbar, det finns fortfarande lite bränsle i tanken, låt oss flyga till Venus."

Men hur bestämmer man hur mycket bränsle som behövs så att raketen inte faller i havet med en tom tank, utan flyger till Mars?

Andra rymdhastighet

Barnen försökte också få raketen att flyga högre. De fick till och med tag i en lärobok i aerodynamik, läste om Navier-Stokes ekvationer, men förstod ingenting och fäste helt enkelt en vass nos på raketen.

Deras bekanta gubbe Hottabych gick förbi och frågade vad killarna var ledsna över.

– Eh, farfar, hade vi haft en raket med oändligt bränsle och låg massa hade den förmodligen flugit till en skyskrapa, eller till och med till toppen av ett berg.

- Det spelar ingen roll, Kostya-ibn-Eduard, - svarade Hottabych och drog ut det sista håret, - låt den här raketen aldrig få slut på bränsle.

De glada barnen sköt upp en raket och väntade på att den skulle återvända till jorden. Raketen flög både till skyskrapan och till toppen av berget, men stannade inte och flög vidare tills den försvann från synen. Om du tittar in i framtiden, så lämnade den här raketen jorden, flög ut ur solsystemet, vår galax och flög i underljushastighet för att erövra universums viddhet.

Barnen undrade hur deras lilla raket kunde flyga så långt. När allt kommer omkring, i skolan sa de att för att inte falla tillbaka till jorden borde hastigheten inte vara mindre än den andra kosmiska hastigheten (11, 2 km / s). Kunde deras lilla raket nå den hastigheten?

Men deras ingenjörsföräldrar förklarade att om en raket har en oändlig tillgång på bränsle, så kan den flyga vart som helst om dragkraften är större än gravitationskrafter och friktionskrafter. Eftersom raketen kan lyfta är dragkraften tillräcklig, och i öppet utrymme är det ännu lättare.

Den andra kosmiska hastigheten är inte den hastighet som en raket borde ha. Detta är den hastighet med vilken bollen måste kastas från markytan så att den inte återvänder till den. En raket, till skillnad från en boll, har motorer. För henne är det inte snabbheten som är viktig, utan den totala impulsen.

Det svåraste för en raket är att övervinna den första delen av banan. För det första är ytgravitationen starkare. För det andra har jorden en tät atmosfär där det är väldigt varmt att flyga med sådana hastigheter. Och jetraketmotorer fungerar sämre i den än i ett vakuum. Därför flyger de nu på flerstegsraketer: det första steget förbrukar snabbt sitt bränsle och separeras, och det lätta fartyget flyger på andra motorer.

Konstantin Tsiolkovsky tänkte länge på detta problem och uppfann rymdhissen (tillbaka 1895). Sedan skrattade de förstås åt honom. Men de skrattade åt honom på grund av raketen, och satelliten och orbitalstationerna, och ansåg i allmänhet att han inte var den här världen: "Vi har ännu inte helt uppfunnit bilar här, men han ska ut i rymden."

Sedan tänkte forskarna på det och kom in i det, en raket flög, lanserade en satellit, byggde orbitalstationer där människor var befolkade. Ingen skrattar åt Tsiolkovsky längre, tvärtom, han är mycket respekterad. Och när de upptäckte superstarka nanorör av grafen tänkte de på allvar på "trappan till himlen".

Varför faller inte satelliterna ner?

Alla känner till centrifugalkraften. Om du snabbt vrider bollen på snöret, faller den inte till marken. Låt oss försöka snurra bollen snabbt och sedan gradvis sakta ner rotationshastigheten. Vid något tillfälle kommer den att sluta snurra och falla. Detta kommer att vara den lägsta hastighet med vilken centrifugalkraften kommer att motverka jordens gravitation. Om du snurrar bollen snabbare kommer repet att sträckas mer (och vid något tillfälle kommer det att gå sönder).

Det finns också ett "rep" mellan jorden och satelliterna - gravitationen. Men till skillnad från ett vanligt rep går det inte att dra. Om du "snurrar" satelliten snabbare än nödvändigt kommer den att "släppa" (och gå in i en elliptisk bana, eller till och med flyga iväg). Ju närmare satelliten är jordens yta, desto snabbare måste den "vändas". Bollen på ett kort rep snurrar också snabbare än på ett långt.

Det är viktigt att komma ihåg att en satellits omloppshastighet (linjär) inte är hastighet i förhållande till jordens yta. Om det skrivs att omloppshastigheten för en satellit är 3,07 km/s, betyder det inte att den svävar över ytan som en galning. Omloppshastigheten för punkter på jordens ekvator är förresten 465 m / s (jorden roterar, som den envisa Galileo hävdade).

Faktum är att för en boll på en sträng och för en satellit beräknas inte linjära hastigheter, utan vinkelhastigheter (hur många varv per sekund kroppen gör).

Det visar sig att om du hittar en bana så att satellitens vinkelhastigheter och jordytan sammanfaller, kommer satelliten att hänga över en punkt på ytan. En sådan omloppsbana hittades, och den kallas geostationär omloppsbana (GSO). Satelliterna hänger orörliga över ekvatorn, och människor behöver inte vända plåten och "fånga signalen".

Bönstjälk

Men vad händer om du sänker ett rep från en sådan satellit till själva marken, eftersom det hänger över en punkt? Fäst en last i den andra änden av satelliten, centrifugalkraften kommer att öka och kommer att hålla både satelliten och repet. Bollen faller trots allt inte om du snurrar den bra. Då kommer det att vara möjligt att lyfta laster längs detta rep direkt i omloppsbana och glömma, som en mardröm, flerstegsraketer, som slukar bränsle i kiloton med låg bärkraft.

Rörelsehastigheten i lastens atmosfär kommer att vara liten, vilket innebär att den inte kommer att värmas upp, till skillnad från en raket. Och mindre energi krävs för att klättra, eftersom det finns ett stödpunkt.

Huvudproblemet är linans vikt. Jordens geostationära omloppsbana är 35 tusen kilometer bort. Om du sträcker en stållina med en diameter på 1 mm till den geostationära omloppsbanan blir dess massa 212 ton (och den måste dras mycket längre för att balansera lyftet med centrifugalkraft). Samtidigt måste den tåla sin egen vikt och lastens vikt.

Som tur är, i det här fallet, hjälper något lite, vilket fysiklärare ofta skäller ut eleverna för: vikt och vikt är två olika saker. Ju längre kabeln sträcker sig från jordens yta, desto mer tappar den i vikt. Även om förhållandet mellan styrka och vikt för repet fortfarande borde vara enormt.

Med kolnanorör har ingenjörer hopp. Nu är detta en ny teknik, och vi kan ännu inte sno dessa rör till ett långt rep. Och det är inte möjligt att uppnå deras maximala designstyrka. Men vem vet vad som kommer att hända härnäst?