Earth Escape Plan: A Brief Guide for Out of Orbit

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sist endret: 2023-12-16 16:13

Nylig på Habré var det nyheter om den planlagte byggingen av en romheis. For mange virket det som noe fantastisk og utrolig, som en diger ring fra Halo eller en Dyson-sfære. Men fremtiden er nærmere enn det ser ut til, en trapp til himmelen er fullt mulig, og kanskje vil vi til og med se den i løpet av livet.

Nå skal jeg prøve å vise hvorfor vi ikke kan gå og kjøpe en Earth-Moon-billett til prisen av en Moskva-Peter-billett, hvordan heisen vil hjelpe oss og hva den vil holde på for ikke å kollapse til bakken.

Helt fra begynnelsen av utviklingen av raketter var drivstoff en hodepine for ingeniører. Selv i de mest avanserte rakettene opptar drivstoff omtrent 98 % av skipets masse.

Hvis vi ønsker å gi astronautene på ISS en pose pepperkaker på 1 kilo, så vil dette grovt sett kreve 100 kilo rakettdrivstoff. Bæreraketten er engangsbil og vil bare returnere til jorden i form av brent rusk. Dyre pepperkaker får man. Skipets masse er begrenset, noe som betyr at nyttelasten for én sjøsetting er strengt begrenset. Og hver lansering har en kostnad.

Hva om vi ønsker å fly et sted utenfor banen nær jorden?

Ingeniører fra hele verden satte seg ned og begynte å tenke: hvordan skulle et romskip være for å ta mer på det og fly videre på det?

Hvor skal raketten fly?

Mens ingeniørene tenkte, fant barna deres salpeter og papp et sted og begynte å lage lekeraketter. Slike missiler nådde ikke taket på høyhus, men barna var glade. Da kom den smarteste tanken: «la oss skyve mer salpeter inn i raketten, så flyr den høyere».

Men raketten fløy ikke høyere, da den ble for tung. Hun klarte ikke engang å komme opp i luften. Etter litt eksperimentering fant barna den optimale mengden salpeter som raketten flyr høyest på. Hvis du tilsetter mer drivstoff, trekker massen til raketten den ned. Hvis mindre - drivstoff slutter tidligere.

Ingeniørene skjønte også raskt at hvis vi vil tilføre mer drivstoff, så må også trekkraften være større. Det er få alternativer for å øke flyrekkevidden:

• øke motoreffektiviteten slik at drivstofftapet er minimalt (Laval-dyse)
• øke den spesifikke impulsen til drivstoffet slik at skyvekraften blir større for samme drivstoffmasse

Selv om ingeniører stadig beveger seg fremover, tas nesten hele skipets masse opp av drivstoff. Siden du i tillegg til drivstoff ønsker å sende noe nyttig ut i verdensrommet, er hele banen til raketten nøye beregnet, og det aller minste settes inn i raketten. Samtidig bruker de aktivt gravitasjonshjelpen fra himmellegemer og sentrifugalkrefter. Etter å ha fullført oppdraget sier ikke astronautene: «Gutter, det er fortsatt litt drivstoff på tanken, la oss fly til Venus».

Men hvordan bestemme hvor mye drivstoff som trengs slik at raketten ikke faller i havet med en tom tank, men flyr til Mars?

Andre romfart

Barna prøvde også å få raketten til å fly høyere. De fikk til og med tak i en lærebok om aerodynamikk, leste om Navier-Stokes-ligningene, men skjønte ingenting og festet rett og slett en skarp nese til raketten.

Deres kjente gamle Hottabych gikk forbi og spurte hva gutta var lei seg for.

– Eh, bestefar, hadde vi hatt en rakett med uendelig drivstoff og lav masse, ville den sannsynligvis ha fløyet til en skyskraper, eller til og med helt til toppen av et fjell.

- Det spiller ingen rolle, Kostya-ibn-Eduard, - svarte Hottabych og trakk ut det siste håret, - la denne raketten aldri gå tom for drivstoff.

De glade barna skjøt opp en rakett og ventet på at den skulle komme tilbake til jorden. Raketten fløy både til skyskraperen og til toppen av fjellet, men stoppet ikke og fløy videre før den forsvant ut av syne. Hvis du ser inn i fremtiden, så forlot denne raketten jorden, fløy ut av solsystemet, galaksen vår og fløy i underlyshastighet for å erobre universets vidder.

Barna lurte på hvordan den lille raketten deres kunne fly så langt. Tross alt, på skolen sa de at for ikke å falle tilbake til jorden, bør hastigheten ikke være mindre enn den andre kosmiske hastigheten (11, 2 km / s). Kunne den lille raketten deres nå den hastigheten?

Men deres ingeniørforeldre forklarte at hvis en rakett har en uendelig tilførsel av drivstoff, kan den fly hvor som helst hvis skyvekraften er større enn gravitasjonskrefter og friksjonskrefter. Siden raketten er i stand til å ta av, er skyvekraften tilstrekkelig, og i åpen plass er det enda lettere.

Den andre kosmiske hastigheten er ikke hastigheten som en rakett skal ha. Dette er hastigheten ballen må kastes med fra bakken slik at den ikke kommer tilbake til den. En rakett, i motsetning til en ball, har motorer. For henne er det ikke farten som er viktig, men den totale impulsen.

Det vanskeligste for en rakett er å overvinne den første delen av banen. For det første er overflatetyngdekraften sterkere. For det andre har jorden en tett atmosfære der det er veldig varmt å fly med slike hastigheter. Og jetrakettmotorer fungerer dårligere i den enn i et vakuum. Derfor flyr de nå på flertrinnsraketter: det første trinnet bruker raskt drivstoffet og skilles, og det lette skipet flyr på andre motorer.

Konstantin Tsiolkovsky tenkte på dette problemet i lang tid, og oppfant romheisen (tilbake i 1895). Da lo de selvfølgelig av ham. Imidlertid lo de av ham på grunn av raketten, og satellitten og orbitalstasjonene, og betraktet han generelt som ute av denne verden: "Vi har ennå ikke helt oppfunnet biler her, men han skal ut i verdensrommet."

Så tenkte forskerne på det og gikk inn i det, en rakett fløy, lanserte en satellitt, bygde orbitalstasjoner der folk var befolket. Ingen ler av Tsiolkovsky lenger, tvert imot er han høyt respektert. Og da de oppdaget supersterke grafen-nanorør, tenkte de seriøst på «trappen til himmelen».

Hvorfor faller ikke satellittene ned?

Alle vet om sentrifugalkraft. Hvis du raskt vrir ballen på strengen, faller den ikke til bakken. La oss prøve å snurre ballen raskt, og deretter gradvis redusere rotasjonshastigheten. På et tidspunkt vil den slutte å snurre og falle. Dette vil være minimumshastigheten der sentrifugalkraften vil motvirke jordens tyngdekraft. Hvis du snurrer ballen raskere, vil tauet strekke seg mer (og på et tidspunkt vil det knekke).

Det er også et "tau" mellom Jorden og satellittene - tyngdekraften. Men i motsetning til et vanlig tau kan det ikke trekkes. Hvis du "snurrer" satellitten raskere enn nødvendig, vil den "gå av" (og gå inn i en elliptisk bane, eller til og med fly bort). Jo nærmere satellitten er jordoverflaten, jo raskere må den "snues". Ballen på et kort tau spinner også raskere enn på et langt.

Det er viktig å huske at banehastigheten (lineær) til en satellitt ikke er hastighet i forhold til jordoverflaten. Hvis det skrives at banehastigheten til en satellitt er 3,07 km/s, betyr ikke dette at den svever over overflaten som en gal. Banehastigheten til punktene på jordens ekvator er forresten 465 m / s (jorden roterer, som den sta Galileo hevdet).

Faktisk, for en ball på en streng og for en satellitt, beregnes ikke lineære hastigheter, men vinkelhastigheter (hvor mange omdreininger per sekund kroppen gjør).

Det viser seg at dersom du finner en bane slik at vinkelhastighetene til satellitten og jordoverflaten faller sammen, vil satellitten henge over ett punkt på overflaten. En slik bane ble funnet, og den kalles geostasjonær bane (GSO). Satellittene henger urørlig over ekvator, og folk trenger ikke å snu platene og "fange signalet".

Bønnestamme

Men hva om du senker et tau fra en slik satellitt til selve bakken, fordi det henger over ett punkt? Fest en last til den andre enden av satellitten, sentrifugalkraften vil øke og vil holde både satellitten og tauet. Ballen faller tross alt ikke hvis du snurrer den godt. Da vil det være mulig å løfte laster langs dette tauet direkte inn i bane, og glemme, som et mareritt, flertrinnsraketter, som sluker drivstoff i kilotonn med lav bæreevne.

Bevegelseshastigheten i atmosfæren til lasten vil være liten, noe som betyr at den ikke vil varmes opp, i motsetning til en rakett. Og det kreves mindre energi for å klatre, siden det er et støttepunkt.

Hovedproblemet er vekten av tauet. Jordens geostasjonære bane er 35 tusen kilometer unna. Hvis du strekker en stållinje med en diameter på 1 mm til den geostasjonære banen, vil massen være 212 tonn (og den må trekkes mye lenger for å balansere løftet med sentrifugalkraft). Samtidig skal den tåle sin egen vekt og vekten av lasten.

Heldigvis er det i dette tilfellet noe som hjelper litt, som fysiklærere ofte skjærer ut elever for: vekt og vekt er to forskjellige ting. Jo lenger kabelen strekker seg fra jordoverflaten, jo mer går den ned i vekt. Selv om styrke-til-vekt-forholdet til tauet fortsatt skal være enormt.

Med karbon nanorør har ingeniører håp. Nå er dette en ny teknologi, og vi kan ennå ikke vri disse rørene til et langt tau. Og det er ikke mulig å oppnå deres maksimale designstyrke. Men hvem vet hva som skjer videre?