Zemes glābšanas plāns: īss ceļvedis ārpus orbītas

2024 Autors: Seth Attwood | [email protected]. Pēdējoreiz modificēts: 2023-12-16 16:11

Nesen Habré bija ziņas par plānoto kosmosa lifta būvniecību. Daudziem tas šķita kaut kas fantastisks un neticams, piemēram, milzīgs gredzens no Halo vai Dyson sfēras. Bet nākotne ir tuvāk, nekā šķiet, kāpnes uz debesīm ir pilnīgi iespējamas, un varbūt mēs to pat redzēsim savas dzīves laikā.

Tagad mēģināšu parādīt, kāpēc mēs nevaram iet un nopirkt biļeti Zeme-Mēness par biļetes Maskava-Pēteris cenu, kā mums palīdzēs lifts un ko tas turēs, lai nesabruktu zemē.

Jau no paša raķešu attīstības sākuma degviela inženieriem bija galvassāpes. Pat vismodernākajās raķetēs degviela aizņem aptuveni 98% no kuģa masas.

Ja vēlamies SKS astronautiem uzdāvināt 1 kilogramu smagu piparkūku maisiņu, tad tam būs nepieciešami, rupji sakot, 100 kilogrami raķešu degvielas. Nesējraķete ir vienreiz lietojama un uz Zemi atgriezīsies tikai sadegušu gružu veidā. Tiek iegūtas dārgas piparkūkas. Kuģa masa ir ierobežota, kas nozīmē, ka krava vienai palaišanai ir stingri ierobežota. Un par katru palaišanu ir jāmaksā.

Ko darīt, ja mēs vēlamies lidot kaut kur ārpus Zemes orbītas?

Inženieri no visas pasaules apsēdās un sāka domāt: kādam jābūt kosmosa kuģim, lai tas uzņemtu vairāk un lidotu tālāk?

Kur lidos raķete?

Kamēr inženieri domāja, viņu bērni kaut kur atrada salpetru un kartonu un sāka taisīt rotaļu raķetes. Šādas raķetes nesasniedza augstceltņu jumtus, bet bērni bija priecīgi. Tad iešāvās prātā visgudrākā doma: "iegrūsim raķetē vairāk salpetes, un tā lidos augstāk."

Taču augstāk raķete nelidoja, jo kļuva pārāk smaga. Viņa pat nevarēja pacelties gaisā. Pēc dažiem eksperimentiem bērni atrada optimālo salpetra daudzumu, pie kura raķete lido visaugstāk. Ja pievienojat vairāk degvielas, raķetes masa to velk uz leju. Ja mazāk - degviela beidzas agrāk.

Inženieri arī ātri saprata, ka, ja vēlamies pieliet vairāk degvielas, tad arī vilces spēkam jābūt lielākam. Lidojuma diapazona palielināšanai ir dažas iespējas:

• palielināt dzinēja efektivitāti, lai degvielas zudumi būtu minimāli (Laval sprausla)
• palielināt degvielas īpatnējo impulsu, lai tai pašai degvielas masai vilces spēks būtu lielāks

Lai gan inženieri nepārtraukti virzās uz priekšu, gandrīz visu kuģa masu aizņem degviela. Tā kā papildus degvielai kosmosā gribas nosūtīt arī kaut ko noderīgu, rūpīgi tiek aprēķināts viss raķetes ceļš un raķetē tiek ielikts pats minimums. Tajā pašā laikā viņi aktīvi izmanto debess ķermeņu gravitācijas palīdzību un centrbēdzes spēkus. Pēc misijas pabeigšanas astronauti nesaka: "Puiši, tvertnē vēl ir nedaudz degvielas, lidosim uz Venēru."

Bet kā noteikt, cik daudz degvielas nepieciešams, lai raķete ar tukšu tvertni neiekristu okeānā, bet aizlidotu uz Marsu?

Otrais kosmosa ātrums

Bērni arī centās likt raķetei lidot augstāk. Viņi pat dabūja rokās aerodinamikas mācību grāmatu, lasīja par Navjē-Stoksa vienādojumiem, taču neko nesaprata un vienkārši pielika raķetei asu degunu.

Viņu pazīstamais vecais vīrs Hotabičs gāja garām un jautāja, par ko puiši skumst.

- Eh, vectēv, ja mums būtu raķete ar bezgalīgu degvielu un mazu masu, tā droši vien būtu lidojusi uz debesskrāpi vai pat uz pašu kalna virsotni.

- Nav svarīgi, Kostja-ibn-Eduard, - Hotabičs atbildēja, izraujot pēdējo matiņu, - lai šai raķetei nekad nebeidzas degviela.

Priecīgie bērni palaida raķeti un gaidīja, kad tā atgriezīsies uz zemes. Raķete lidoja gan uz debesskrāpi, gan uz kalna virsotni, taču neapstājās un lidoja tālāk, līdz pazuda no redzesloka. Ja paskatās nākotnē, tad šī raķete atstāja zemi, izlidoja no Saules sistēmas, mūsu galaktikas un lidoja zemgaismas ātrumā, lai iekarotu Visuma plašumus.

Bērni brīnījās, kā viņu mazā raķete spēj aizlidot tik tālu. Galu galā skolā viņi teica, ka, lai neatgrieztos uz Zemi, ātrumam jābūt ne mazākam par otro kosmisko ātrumu (11, 2 km / s). Vai viņu mazā raķete varētu sasniegt šādu ātrumu?

Bet viņu inženieru vecāki paskaidroja, ka, ja raķetei ir bezgalīgi daudz degvielas, tad tā var lidot jebkur, ja vilce ir lielāka par gravitācijas spēkiem un berzes spēkiem. Tā kā raķete spēj pacelties, vilces spēks ir pietiekams, un atklātā kosmosā tas ir vēl vieglāk.

Otrs kosmiskais ātrums nav tāds, kāds būtu raķetei. Tas ir ātrums, ar kādu bumbiņa ir jāizmet no zemes virsmas, lai tā tajā neatgrieztos. Raķetei, atšķirībā no bumbiņas, ir dzinēji. Viņai ne jau ātrums ir svarīgs, bet gan kopējais impulss.

Visgrūtāk raķetei ir pārvarēt sākotnējo ceļa posmu. Pirmkārt, virsmas gravitācija ir spēcīgāka. Otrkārt, uz Zemes ir blīva atmosfēra, kurā ir ļoti karsti lidot ar šādu ātrumu. Un reaktīvie raķešu dzinēji tajā strādā sliktāk nekā vakuumā. Tāpēc viņi tagad lido ar daudzpakāpju raķetēm: pirmais posms ātri patērē degvielu un tiek atdalīts, un vieglais kuģis lido ar citiem dzinējiem.

Konstantīns Ciolkovskis ilgi domāja par šo problēmu un izgudroja kosmosa liftu (tālajā 1895. gadā). Tad viņi, protams, par viņu smējās. Tomēr viņi smējās par viņu raķetes, satelīta un orbitālo staciju dēļ un parasti uzskatīja viņu par ārpus šīs pasaules: "Mēs šeit vēl neesam pilnībā izgudrojuši automašīnas, bet viņš dodas kosmosā."

Tad zinātnieki par to domāja un iekļuva tajā, lidoja raķete, palaida satelītu, uzbūvēja orbitālās stacijas, kurās tika apdzīvoti cilvēki. Par Ciolkovski neviens vairs nesmejas, gluži otrādi, viņu ļoti ciena. Un, kad viņi atklāja īpaši spēcīgas grafēna nanocaurules, viņi nopietni domāja par "kāpnēm uz debesīm".

Kāpēc satelīti nekrīt?

Ikviens zina par centrbēdzes spēku. Ja jūs ātri pagriežat bumbu uz auklas, tā nenokrīt zemē. Mēģināsim ātri pagriezt bumbu un pēc tam pakāpeniski palēnināt griešanās ātrumu. Kādā brīdī tas pārstās griezties un nokritīs. Tas būs minimālais ātrums, pie kura centrbēdzes spēks līdzsvaros zemes gravitāciju. Ja jūs pagriežat bumbu ātrāk, virve stiepsies vairāk (un kādā brīdī tā pārtrūks).

Starp Zemi un pavadoņiem ir arī "virve" - gravitācija. Bet atšķirībā no parastās virves to nevar vilkt. Ja satelītu "pagriezīsit" ātrāk nekā nepieciešams, tas "atdalīsies" (un nonāks eliptiskā orbītā vai pat aizlidos prom). Jo tuvāk satelīts atrodas zemes virsmai, jo ātrāk tas ir "jāpagriež". Arī bumba uz īsās virves griežas ātrāk nekā uz garas.

Ir svarīgi atcerēties, ka satelīta orbitālais (lineārais) ātrums nav ātrums attiecībā pret zemes virsmu. Ja ir rakstīts, ka satelīta orbītas ātrums ir 3,07 km/s, tas nenozīmē, ka tas kā traks lidinās virs virsmas. Punktu orbitālais ātrums uz zemes ekvatora, starp citu, ir 465 m/s (zeme griežas, kā apgalvoja spītīgais Galilejs).

Faktiski bumbiņai uz auklas un satelītam tiek aprēķināti nevis lineārie ātrumi, bet gan leņķiskie ātrumi (cik apgriezienu sekundē veic ķermenis).

Izrādās, ja atrodat tādu orbītu, kurā satelīta un zemes virsmas leņķiskie ātrumi sakrīt, satelīts karāsies virs viena punkta uz virsmas. Šāda orbīta tika atrasta, un to sauc par ģeostacionāro orbītu (GSO). Satelīti nekustīgi karājas virs ekvatora, un cilvēkiem nav jāpagriež plāksnītes un "uztver signālu".

Pupiņas kāts

Bet ko darīt, ja jūs nolaižat virvi no šāda satelīta līdz pašai zemei, jo tā karājas pāri vienam punktam? Piestipriniet slodzi pavadoņa otram galam, centrbēdzes spēks palielināsies un noturēs gan satelītu, gan virvi. Galu galā bumba nekrīt, ja to labi griež. Tad būs iespējams pacelt kravas pa šo trosi tieši orbītā un kā murgā aizmirst daudzpakāpju raķetes, kas aprij degvielu kilotonnās ar zemu kravnesību.

Kustības ātrums kravas atmosfērā būs mazs, kas nozīmē, ka tā nesakars, atšķirībā no raķetes. Un, lai uzkāptu, ir nepieciešams mazāk enerģijas, jo ir atbalsta punkts.

Galvenā problēma ir virves svars. Zemes ģeostacionārā orbīta atrodas 35 tūkstošu kilometru attālumā. Ja stiepsit tērauda līniju ar diametru 1 mm līdz ģeostacionārajai orbītai, tās masa būs 212 tonnas (un tā ir jāvelk daudz tālāk, lai līdzsvarotu pacēlumu ar centrbēdzes spēku). Tajā pašā laikā tam ir jāiztur savs svars un kravas svars.

Par laimi, šajā gadījumā kaut kas nedaudz palīdz, par ko fizikas skolotāji nereti aizrāda studentus: svars un svars ir divas dažādas lietas. Jo tālāk kabelis stiepjas no zemes virsmas, jo vairāk tas zaudē svaru. Lai gan virves stiprības un svara attiecībai joprojām vajadzētu būt milzīgai.

Ar oglekļa nanocaurulēm inženieriem ir cerība. Tagad šī ir jauna tehnoloģija, un mēs vēl nevaram šīs caurules savīt garā virvē. Un nav iespējams sasniegt to maksimālo konstrukcijas spēku. Bet kas zina, kas notiks tālāk?