План за бягство от Земята: Кратко ръководство за извън орбита

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Наскоро на Хабре имаше новини за планираното изграждане на космически асансьор. За мнозина това изглеждаше като нещо фантастично и невероятно, като огромен пръстен от Halo или сфера на Дайсън. Но бъдещето е по-близо, отколкото изглежда, стълба към небето е напълно възможна и може би дори ще го видим през живота си.

Сега ще се опитам да покажа защо не можем да отидем да си купим билет Земя-Луна на цената на билет Москва-Питър, как ще ни помогне асансьорът и за какво ще се задържи, за да не се срути на земята.

От самото начало на развитието на ракетната техника горивото беше главоболие за инженерите. Дори и в най-модерните ракети горивото заема около 98% от масата на кораба.

Ако искаме да дадем на астронавтите на МКС торба с меденки с тегло 1 килограм, тогава това ще изисква, грубо казано, 100 килограма ракетно гориво. Ракетата-носител е за еднократна употреба и ще се върне на Земята само под формата на изгорели отломки. Получават се скъпи меденки. Масата на кораба е ограничена, което означава, че полезният товар за едно изстрелване е строго ограничен. И всяко стартиране има цена.

Ами ако искаме да полетим някъде отвъд околоземната орбита?

Инженери от цял свят седнаха и започнаха да мислят: какъв трябва да бъде един космически кораб, за да поеме повече на него и да лети по-нататък?

Къде ще лети ракетата?

Докато инженерите мислеха, децата им намериха някъде селитра и картон и започнаха да правят ракети-играчки. Такива ракети не достигнаха до покривите на многоетажни сгради, но децата бяха щастливи. Тогава изникна най-умната мисъл: „да бутнем още селитра в ракетата и тя ще лети по-високо“.

Но ракетата не полетя по-високо, тъй като стана твърде тежка. Тя дори не можеше да се издигне във въздуха. След известно експериментиране децата откриха оптималното количество селитра, при което ракетата лети най-високо. Ако добавите още гориво, масата на ракетата я дърпа надолу. Ако по-малко - горивото свършва по-рано.

Инженерите също бързо разбраха, че ако искаме да добавим повече гориво, тогава теглителната сила също трябва да бъде по-голяма. Има няколко опции за увеличаване на обхвата на полета:

• увеличаване на ефективността на двигателя, така че загубите на гориво да са минимални (дюза на Laval)
• увеличават специфичния импулс на горивото, така че силата на тягата да е по-голяма за същата маса на горивото

Въпреки че инженерите непрекъснато се движат напред, почти цялата маса на кораба се поема от гориво. Тъй като освен гориво, искате да изпратите нещо полезно в космоса, целият път на ракетата се изчислява внимателно и самият минимум се поставя в ракетата. В същото време те активно използват гравитационната помощ на небесните тела и центробежните сили. След завършване на мисията астронавтите не казват: „Момчета, все още има малко гориво в резервоара, нека летим към Венера“.

Но как да определим колко гориво е необходимо, така че ракетата да не падне в океана с празен резервоар, а да лети до Марс?

Втора космическа скорост

Децата също се опитаха да накарат ракетата да лети по-високо. Те дори се сдобиха с учебник по аеродинамика, прочетоха за уравненията на Навие-Стокс, но не разбраха нищо и просто прикрепиха остър нос към ракетата.

Техният познат старец Хоттабич мина и попита за какво са тъжни момчетата.

- Ех, дядо, ако имахме ракета с безкрайно гориво и малка маса, сигурно щеше да отлети до небостъргач, или дори до самия връх на планина.

- Няма значение, Костя-ибн-Едуард, - отвърна Хоттабич, издърпвайки и последния косъм, - нека тази ракета никога не остава без гориво.

Радостните деца изстреляха ракета и зачакаха да се върне на земята. Ракетата полетя както към небостъргача, така и към върха на планината, но не спря и отлетя по-нататък, докато не изчезна от полезрението. Ако погледнете в бъдещето, тогава тази ракета напусна земята, излетя от Слънчевата система, нашата галактика и полетя със скорост на подсветка, за да завладее необятността на Вселената.

Децата се чудеха как малката им ракета може да лети толкова далеч. В крайна сметка в училище казаха, че за да не паднат обратно на Земята, скоростта трябва да бъде не по-малка от втората космическа скорост (11, 2 km / s). Може ли тяхната малка ракета да достигне тази скорост?

Но техните инженерни родители обясниха, че ако ракетата има безкраен запас от гориво, тогава тя може да лети навсякъде, ако тягата е по-голяма от гравитационните сили и силите на триене. Тъй като ракетата е в състояние да излети, силата на тягата е достатъчна, а в открито пространство е още по-лесно.

Втората космическа скорост не е скоростта, която трябва да има една ракета. Това е скоростта, с която топката трябва да бъде хвърлена от повърхността на земята, за да не се върне обратно към нея. Ракетата, за разлика от топката, има двигатели. За нея не е важна скоростта, а тоталният импулс.

Най-трудното нещо за ракетата е да преодолее началния участък от пътя. Първо, повърхностната гравитация е по-силна. Второ, Земята има гъста атмосфера, в която е много горещо да се лети с такава скорост. А реактивните ракетни двигатели работят по-зле в него, отколкото във вакуум. Следователно те летят сега на многостепенни ракети: първата степен бързо изразходва горивото си и се отделя, а лекият кораб лети на други двигатели.

Константин Циолковски обмисля този проблем дълго време и изобретява космическия асансьор (през 1895 г.). Тогава, разбира се, те му се присмяха. Те обаче му се присмиваха и заради ракетата, и спътника, и орбиталните станции и като цяло го смятаха за извън този свят: „Тук още не сме измислили напълно колите, но той отива в космоса“.

Тогава учените се замислиха и влязоха в него, полетяше ракета, изстреляха спътник, построиха орбитални станции, в които бяха населени хора. Никой вече не се смее на Циолковски, напротив, много го уважават. И когато откриха супер силни графенови нанотръби, сериозно се замислиха за „стълбата към небето“.

Защо сателитите не падат?

Всеки знае за центробежната сила. Ако бързо завъртите топката на струната, тя не пада на земята. Нека се опитаме да завъртим топката бързо и след това постепенно да намалим скоростта на въртене. В един момент той ще спре да се върти и ще падне. Това ще бъде минималната скорост, при която центробежната сила ще уравновесява земната гравитация. Ако завъртите топката по-бързо, въжето ще се разтегне повече (и в един момент ще се скъса).

Между Земята и спътниците има и „въже“– гравитация. Но за разлика от обикновеното въже, то не може да бъде изтеглено. Ако „завъртите“спътника по-бързо от необходимото, той ще „отпадне“(и ще премине в елиптична орбита или дори ще отлети). Колкото по-близо е сателитът до повърхността на земята, толкова по-бързо трябва да се „завърти“. Топката на късо въже също се върти по-бързо, отколкото на дълго.

Важно е да запомните, че орбиталната (линейна) скорост на спътника не е скорост спрямо земната повърхност. Ако е написано, че орбиталната скорост на спътника е 3,07 km/s, това не означава, че той витае над повърхността като луд. Орбиталната скорост на точките на екватора на земята, между другото, е 465 m / s (земята се върти, както твърди упоритият Галилей).

Всъщност за топка на струна и за сателит се изчисляват не линейни скорости, а ъглови скорости (колко оборота в секунда прави тялото).

Оказва се, че ако намерите орбита, такава, че ъгловите скорости на спътника и земната повърхност да съвпадат, спътникът ще виси над една точка на повърхността. Такава орбита е открита и се нарича геостационарна орбита (GSO). Сателитите висят неподвижно над екватора и хората не трябва да обръщат плочите си и да „уловят сигнала“.

Стъбло на боб

Но какво ще стане, ако спуснете въже от такъв сателит до самата земя, защото то виси над една точка? Прикрепете товар към другия край на сателита, центробежната сила ще се увеличи и ще задържи както сателита, така и въжето. В крайна сметка топката не пада, ако я завъртите добре. Тогава ще бъде възможно да се повдигат товари по това въже директно в орбита и да се забравят като кошмар многостепенните ракети, поглъщащи гориво в килотони при ниска товароносимост.

Скоростта на движение в атмосферата на товара ще бъде малка, което означава, че той няма да се нагрее, за разлика от ракетата. И по-малко енергия е необходима за изкачване, тъй като има опорна точка.

Основният проблем е тежестта на въжето. Геостационарната орбита на Земята е на 35 хиляди километра. Ако опънете стоманена линия с диаметър 1 мм към геостационарната орбита, нейната маса ще бъде 212 тона (и трябва да бъде изтеглена много повече, за да се балансира повдигането с центробежна сила). В същото време тя трябва да издържа на собственото си тегло и тежестта на товара.

За щастие в този случай нещо помага малко, за което учителите по физика често се карат на учениците: теглото и теглото са две различни неща. Колкото повече кабелът се простира от повърхността на земята, толкова повече губи тегло. Въпреки че съотношението сила към тегло на въжето все още трябва да бъде огромно.

С въглеродните нанотръби инженерите имат надежда. Сега това е нова технология и все още не можем да усукаме тези тръби в дълго въже. И не е възможно да се постигне максималната им конструктивна якост. Но кой знае какво ще се случи след това?