Earth Escape Plan: Lyhyt opas Out of Orbit

2024 Kirjoittaja: Seth Attwood | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2023-12-16 16:04

Äskettäin Habrella uutisoitiin suunnitellusta avaruushissin rakentamisesta. Monille se tuntui joltakin fantastiselta ja uskomattomalta, kuin valtava halosormus tai Dyson-pallo. Mutta tulevaisuus on lähempänä kuin miltä näyttää, portaat taivaaseen ovat täysin mahdollisia, ja ehkä näemme sen jopa elämämme aikana.

Nyt yritän näyttää, miksi emme voi mennä ostamaan Maan ja Kuun lippua Moskovan ja Pietarin lipun hinnalla, kuinka hissi auttaa meitä ja mihin se pitää kiinni, jotta se ei putoa maahan.

Rakettien kehityksen alusta lähtien polttoaine oli päänsärky insinööreille. Jopa edistyneimmissä raketteissa polttoaine vie noin 98 % aluksen massasta.

Jos haluamme antaa ISS:n astronauteille yhden kilon painoisen piparkakkupussin, se vaatii karkeasti sanottuna 100 kiloa rakettipolttoainetta. Kantoraketti on kertakäyttöinen ja palaa Maahan vain palaneena roskana. Saadaan kalliita piparkakkuja. Aluksen massa on rajoitettu, mikä tarkoittaa, että yhden laukaisun hyötykuorma on tiukasti rajoitettu. Ja jokainen laukaisu maksaa.

Entä jos haluamme lentää jonnekin maapallon kiertoradan ulkopuolelle?

Insinöörit eri puolilta maailmaa istuivat alas ja alkoivat miettiä: millainen avaruusaluksen pitäisi olla, jotta se voisi ottaa enemmän ja lentää sillä pidemmälle?

Minne raketti lentää?

Kun insinöörit ajattelivat, heidän lapsensa löysivät jostain salpetin ja pahvin ja alkoivat tehdä leluraketteja. Tällaiset ohjukset eivät päässeet korkeiden rakennusten katoille, mutta lapset olivat onnellisia. Sitten tuli mieleen fiksuin ajatus: "työnnetään lisää salaattia rakettiin, niin se lentää korkeammalle."

Mutta raketti ei lentänyt korkeammalle, koska siitä tuli liian raskas. Hän ei voinut edes nousta ilmaan. Pienen kokeilun jälkeen lapset löysivät optimaalisen suolapitoisen määrän, jolla raketti lentää eniten. Jos lisäät polttoainetta, raketin massa vetää sitä alas. Jos vähemmän - polttoaine loppuu aikaisemmin.

Insinöörit ymmärsivät myös nopeasti, että jos haluamme lisätä polttoainetta, myös vetovoiman on oltava suurempi. Lentoalueen laajentamiseen on muutamia vaihtoehtoja:

• lisää moottorin hyötysuhdetta niin, että polttoainehäviöt ovat minimaaliset (Laval-suutin)
• lisää polttoaineen ominaisimpulssia niin, että työntövoima on suurempi samalla polttoainemassalla

Vaikka insinöörit liikkuvat jatkuvasti eteenpäin, lähes koko laivan massa kuluu polttoaineeseen. Koska polttoaineen lisäksi halutaan lähettää jotain hyödyllistä avaruuteen, raketin koko polku lasketaan huolellisesti ja rakettiin laitetaan minimi. Samaan aikaan he käyttävät aktiivisesti taivaankappaleiden ja keskipakovoimien gravitaatioapua. Tehtävän suorittamisen jälkeen astronautit eivät sano: "Kaverit, säiliössä on vielä vähän polttoainetta, lentäkäämme Venukseen."

Mutta kuinka määrittää, kuinka paljon polttoainetta tarvitaan, jotta raketti ei putoa valtamereen tyhjällä säiliöllä, vaan lentää Marsiin?

Toinen avaruusnopeus

Lapset yrittivät myös saada raketin lentämään korkeammalle. He jopa saivat käsiinsä aerodynamiikan oppikirjan, lukivat Navier-Stokes-yhtälöistä, mutta eivät ymmärtäneet mitään ja kiinnittivät vain terävän nenän rakettiin.

Heidän tuttu vanha mies Hottabych meni ohi ja kysyi, mistä kaverit olivat surullisia.

- Eh, isoisä, jos meillä olisi ollut raketti, jolla on ääretön polttoaine ja pieni massa, se olisi todennäköisesti lentänyt pilvenpiirtäjälle tai jopa vuoren huipulle.

- Ei sillä ole väliä, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych vastasi vetäen viimeiset hiukset pois, - älköön raketin polttoaine koskaan lopu kesken.

Iloiset lapset laukaisivat raketin ja odottivat sen palaavan maan päälle. Raketti lensi sekä pilvenpiirtäjälle että vuoren huipulle, mutta ei pysähtynyt vaan lensi pidemmälle, kunnes katosi näkyvistä. Jos katsot tulevaisuuteen, tämä raketti lähti maasta, lensi ulos aurinkokunnastamme, galaksistamme ja lensi alivalon nopeudella valloittamaan maailmankaikkeuden laajuuden.

Lapset ihmettelivät, kuinka heidän pieni rakettinsa pystyi lentää niin pitkälle. Loppujen lopuksi koulussa sanottiin, että jotta ei putoaisi takaisin Maahan, nopeuden tulisi olla vähintään toinen kosminen nopeus (11, 2 km / s). Voisiko heidän pieni rakettinsa saavuttaa tämän nopeuden?

Mutta heidän insinöörivanhempansa selittivät, että jos raketilla on ääretön määrä polttoainetta, se voi lentää minne tahansa, jos työntövoima on suurempi kuin gravitaatio- ja kitkavoimat. Koska raketti pystyy nousemaan, työntövoima on riittävä, ja avoimessa tilassa se on vielä helpompaa.

Toinen kosminen nopeus ei ole se nopeus, joka raketilla pitäisi olla. Tällä nopeudella pallo täytyy heittää maan pinnalta, jotta se ei palaa siihen. Raketissa, toisin kuin pallossa, on moottorit. Hänelle ei ole tärkeää nopeus, vaan kokonaisimpulssi.

Vaikein asia raketille on voittaa polun alkuosa. Ensinnäkin pintapainovoima on vahvempi. Toiseksi maapallolla on tiheä ilmakehä, jossa on erittäin kuuma lentää sellaisilla nopeuksilla. Ja suihkurakettimoottorit toimivat siinä huonommin kuin tyhjiössä. Siksi he lentävät nyt monivaiheisilla raketteilla: ensimmäinen vaihe kuluttaa nopeasti polttoaineensa ja erotetaan, ja kevyt alus lentää muilla moottoreilla.

Konstantin Tsiolkovski pohti tätä ongelmaa pitkään ja keksi avaruushissin (vuonna 1895). Sitten tietysti he nauroivat hänelle. He kuitenkin nauroivat hänelle raketin, satelliitin ja kiertorata-asemien takia ja pitivät häntä yleensä poissa tästä maailmasta: "Emme ole vielä täysin keksineet autoja täällä, mutta hän on menossa avaruuteen."

Sitten tiedemiehet ajattelivat sitä ja joutuivat siihen, raketti lensi, laukaisi satelliitin, rakensi kiertorata-asemia, joissa asutettiin ihmisiä. Kukaan ei enää naura Tsiolkovskille, päinvastoin häntä arvostetaan suuresti. Ja kun he löysivät erittäin vahvoja grafeeninanoputkia, he ajattelivat vakavasti "portaita taivaaseen".

Miksi satelliitit eivät putoa?

Kaikki tietävät keskipakovoimasta. Jos kierrät palloa nopeasti narulle, se ei putoa maahan. Yritetään pyörittää palloa nopeasti ja hidastaa sitten vähitellen pyörimisnopeutta. Jossain vaiheessa se lakkaa pyörimästä ja putoaa. Tämä on pienin nopeus, jolla keskipakovoima tasapainottaa maan painovoimaa. Jos pyörität palloa nopeammin, köysi venyy enemmän (ja jossain vaiheessa se katkeaa).

Maan ja satelliittien välillä on myös "köysi" - painovoima. Mutta toisin kuin tavallinen köysi, sitä ei voi vetää. Jos "pyörität" satelliittia nopeammin kuin on tarpeen, se "irtoo" (ja menee elliptiselle kiertoradalle tai jopa lentää pois). Mitä lähempänä satelliitti on maan pintaa, sitä nopeammin se on "käännettävä". Lyhyellä köydellä oleva pallo pyörii myös nopeammin kuin pitkässä.

On tärkeää muistaa, että satelliitin ratanopeus (lineaarinen) ei ole nopeus suhteessa maan pintaan. Jos kirjoitetaan, että satelliitin kiertonopeus on 3,07 km/s, se ei tarkoita, että se leijuu pinnan päällä hullun lailla. Maan päiväntasaajalla olevien pisteiden kiertonopeus on muuten 465 m/s (maa pyörii, kuten itsepäinen Galileo väitti).

Itse asiassa pallolle ja satelliitille ei lasketa lineaarisia nopeuksia, vaan kulmanopeuksia (kuinka monta kierrosta sekunnissa keho tekee).

Osoittautuu, että jos löydät kiertoradan, jolla satelliitin ja maan pinnan kulmanopeudet ovat samat, satelliitti roikkuu yhden pisteen päällä pinnalla. Tällainen kiertorata löydettiin, ja sitä kutsutaan geostationaariseksi kiertoradalle (GSO). Satelliitit roikkuvat liikkumattomina päiväntasaajan yläpuolella, eikä ihmisten tarvitse kääntää levyjään "saada signaalia".

Pavun varsi

Mutta entä jos lasket köyden tällaisesta satelliitista aivan maahan, koska se roikkuu yhden pisteen päällä? Kiinnitä kuorma satelliitin toiseen päähän, keskipakovoima kasvaa ja pitää sekä satelliitin että köyden. Loppujen lopuksi pallo ei putoa, jos pyörität sitä hyvin. Sitten on mahdollista nostaa kuormia tätä köyttä pitkin suoraan kiertoradalle ja unohtaa painajaisen tavoin monivaiheiset raketit, jotka syövät polttoainetta kilotonneina alhaisella kantokyvyllä.

Liikenopeus lastin ilmakehässä on pieni, mikä tarkoittaa, että se ei kuumene, toisin kuin raketti. Ja kiipeämiseen tarvitaan vähemmän energiaa, koska siellä on tukipiste.

Suurin ongelma on köyden paino. Maan geostationaarinen kiertorata on 35 tuhannen kilometrin päässä. Jos venytät halkaisijaltaan 1 mm:n teräsköysiä geostationaariselle kiertoradalle, sen massa on 212 tonnia (ja sitä on vedettävä paljon pidemmälle noston tasapainottamiseksi keskipakovoimalla). Samalla sen on kestettävä oma painonsa ja kuorman paino.

Onneksi tässä tapauksessa jokin auttaa vähän, mistä fysiikan opettajat usein moittivat opiskelijoita: paino ja paino ovat kaksi eri asiaa. Mitä kauemmaksi kaapeli ulottuu maan pinnasta, sitä enemmän se laihtuu. Vaikka köyden lujuus-painosuhteen pitäisi silti olla valtava.

Hiilinanoputkien suhteen insinööreillä on toivoa. Nyt tämä on uutta tekniikkaa, emmekä voi vielä kiertää näitä putkia pitkäksi köydeksi. Ja niiden suurinta suunnittelulujuutta ei ole mahdollista saavuttaa. Mutta kuka tietää mitä tapahtuu seuraavaksi?