Žemės pabėgimo planas: trumpas vadovas, skirtas išeiti iš orbitos

2024 Autorius: Seth Attwood | [email protected]. Paskutinį kartą keistas: 2023-12-16 16:11

Neseniai Habré pasklido naujienos apie planuojamą kosminio lifto statybą. Daugeliui tai atrodė kažkas fantastiško ir neįtikėtino, kaip didžiulis žiedas iš Halo ar Dysono sferos. Tačiau ateitis yra arčiau nei atrodo, laiptai į dangų yra visiškai įmanomi, o gal net pamatysime tai savo gyvenime.

Dabar pabandysiu parodyti, kodėl negalime nueiti ir nusipirkti Žemės-Mėnulio bilieto už Maskvos-Petro bilieto kainą, kaip mums padės liftas ir ką laikys, kad nenugriūtų ant žemės.

Nuo pat raketų kūrimo pradžios kuras buvo galvos skausmas inžinieriams. Net pažangiausiose raketose kuras užima apie 98% laivo masės.

Jei norime TKS astronautams duoti 1 kilogramą sveriantį meduolių maišelį, tai reikės, grubiai tariant, 100 kilogramų raketinio kuro. Nešančiąja raketa yra vienkartinė ir grįš į Žemę tik sudegusių šiukšlių pavidalu. Brangūs meduoliai gaunami. Laivo masė yra ribota, o tai reiškia, kad vieno paleidimo naudingoji apkrova yra griežtai ribojama. Ir kiekvienas paleidimas kainuoja.

Ką daryti, jei norime skristi kur nors už artimos žemės orbitos?

Inžinieriai iš viso pasaulio susėdo ir ėmė mąstyti: koks turėtų būti erdvėlaivis, kad jis daugiau imtų ir skristų toliau?

Kur skris raketa?

Kol inžinieriai svarstė, jų vaikai kažkur rado salietrą, kartoną ir pradėjo gaminti žaislines raketas. Tokios raketos daugiaaukščių namų stogų nepasiekė, bet vaikai džiaugėsi. Tada į galvą šovė pati protingiausia mintis: „įmeskime dar salietros į raketą, ir ji skris aukščiau“.

Tačiau raketa aukščiau neskrido, nes tapo per sunki. Ji net negalėjo pakilti į orą. Šiek tiek paeksperimentavę vaikai rado optimalų salietros kiekį, kuriam esant raketa skrieja aukščiausiai. Jei pridedate daugiau degalų, raketos masė traukia ją žemyn. Jei mažiau – degalai baigiasi anksčiau.

Inžinieriai taip pat greitai suprato, kad jei norime įpilti daugiau degalų, tai ir traukos jėga turi būti didesnė. Yra keletas variantų, kaip padidinti skrydžio diapazoną:

• padidinti variklio efektyvumą, kad degalų nuostoliai būtų minimalūs (Laval antgalis)
• padidinti specifinį kuro impulsą, kad traukos jėga būtų didesnė esant tai pačiai degalų masei

Nors inžinieriai nuolat juda į priekį, beveik visą laivo masę užima kuras. Kadangi be kuro į kosmosą norisi nusiųsti ką nors naudingo, kruopščiai apskaičiuojamas visas raketos kelias, o į raketą įdedamas pats minimumas. Tuo pačiu metu jie aktyviai naudojasi gravitacine dangaus kūnų pagalba ir išcentrinėmis jėgomis. Atlikę misiją astronautai nesako: „Vaikinai, bake dar yra šiek tiek degalų, skriskime į Venerą“.

Tačiau kaip nustatyti, kiek reikia degalų, kad raketa su tuščiu baku nenukristų į vandenyną, o skristų į Marsą?

Antrasis erdvės greitis

Vaikai taip pat bandė, kad raketa pakiltų aukščiau. Netgi jie į rankas paėmė aerodinamikos vadovėlį, skaitė apie Navier-Stokes lygtis, bet nieko nesuprato ir tiesiog prikišo aštrią nosį prie raketos.

Jų pažįstamas senukas Hottabychas praėjo pro šalį ir paklausė, dėl ko vaikinai liūdi.

– Ech, seneli, jei turėtume raketą su begaliniu degalų kiekiu ir maža mase, ji tikriausiai būtų skridusi į dangoraižį ar net į pačią kalno viršūnę.

- Nesvarbu, Kostja-ibn-Eduardai, - atsakė Hottabychas, ištraukdamas paskutinį plauką, - tegul šiai raketai niekada nepritrūksta degalų.

Džiaugsmingi vaikai paleido raketą ir laukė, kol ji grįš į žemę. Raketa skrido ir į dangoraižį, ir į kalno viršūnę, tačiau nesustojo ir skrido toliau, kol dingo iš akių. Jei pažvelgsite į ateitį, tada ši raketa paliko žemę, išskrido iš Saulės sistemos, mūsų galaktikos ir praskriejo sublightos greičiu, kad užkariuotų visatos platybes.

Vaikai stebėjosi, kaip jų mažoji raketė gali taip toli nuskristi. Juk mokykloje sakydavo, kad norint nenukristi atgal į Žemę, greitis turi būti ne mažesnis už antrąjį kosminį greitį (11,2 km/s). Ar jų maža raketa galėtų pasiekti tokį greitį?

Tačiau jų inžinieriai paaiškino, kad jei raketa turi begalinį kuro atsargą, ji gali skristi bet kur, jei trauka yra didesnė už gravitacines ir trinties jėgas. Kadangi raketa yra pajėgi kilti, traukos jėgos pakanka, o atviroje erdvėje tai dar lengviau.

Antrasis kosminis greitis nėra toks, kokį turėtų turėti raketa. Tai yra greitis, kuriuo kamuolys turi būti išmestas nuo žemės paviršiaus, kad jis į jį negrįžtų. Raketa, skirtingai nei rutulys, turi variklius. Jai svarbu ne greitis, o bendras impulsas.

Sunkiausia raketai įveikti pradinę kelio atkarpą. Pirma, paviršiaus gravitacija yra stipresnė. Antra, Žemėje yra tanki atmosfera, kurioje labai karšta skristi tokiu greičiu. O reaktyviniai raketiniai varikliai jame veikia prasčiau nei vakuume. Todėl dabar jie skraido daugiapakopėmis raketomis: pirmoji pakopa greitai sunaudoja kurą ir yra atskiriama, o lengvasis laivas skraido kitais varikliais.

Konstantinas Ciolkovskis ilgai galvojo apie šią problemą ir išrado kosminį liftą (dar 1895 m.). Tada, žinoma, jie iš jo juokėsi. Tačiau jie juokėsi iš jo dėl raketos, palydovo, orbitinių stočių ir apskritai laikė jį iš šio pasaulio: „Mes čia dar ne iki galo išradome automobilių, bet jis iškeliauja į kosmosą“.

Tada mokslininkai pagalvojo ir pateko į ją, skrido raketa, paleido palydovą, pastatė orbitines stotis, kuriose buvo apgyvendinti žmonės. Iš Ciolkovskio niekas nebejuokia, priešingai, jis yra labai gerbiamas. Ir atradę itin stiprius grafeno nanovamzdelius, jie rimtai pagalvojo apie „laiptus į dangų“.

Kodėl palydovai nenukrenta?

Visi žino apie išcentrinę jėgą. Jei greitai sukate rutulį ant virvelės, jis nenukrenta ant žemės. Pabandykime greitai sukti rutulį, o tada palaipsniui sulėtinkime sukimosi greitį. Tam tikru momentu jis nustos suktis ir nukris. Tai bus mažiausias greitis, kuriuo išcentrinė jėga atsvers žemės gravitaciją. Jei rutulį suksite greičiau, virvė labiau išsitemps (ir tam tikru momentu nutrūks).

Taip pat tarp Žemės ir palydovų yra „virvė“– gravitacija. Tačiau skirtingai nuo įprastos virvės, jos negalima traukti. Jei palydovą „suksite“greičiau nei reikia, jis „atsis“(ir pasisuks į elipsinę orbitą, ar net išskris). Kuo palydovas arčiau žemės paviršiaus, tuo greičiau jį reikia „pasukti“. Rutulys ant trumpos virvės taip pat sukasi greičiau nei ant ilgos.

Svarbu atsiminti, kad palydovo orbitinis (tiesinis) greitis nėra greitis žemės paviršiaus atžvilgiu. Jei parašyta, kad palydovo orbitos greitis yra 3,07 km/s, tai dar nereiškia, kad jis kaip išprotėjęs sklando virš paviršiaus. Beje, Žemės pusiaujo taškų orbitinis greitis yra 465 m/s (žemė sukasi, kaip tvirtino užsispyręs Galilėjus).

Tiesą sakant, rutuliui ant stygos ir palydovui skaičiuojami ne tiesiniai greičiai, o kampiniai greičiai (kiek apsisukimų per sekundę daro kūnas).

Pasirodo, jei rasite tokią orbitą, kurioje palydovo ir žemės paviršiaus kampiniai greičiai sutampa, palydovas kabės virš vieno paviršiaus taško. Tokia orbita buvo rasta, ir ji vadinama geostacionariąja orbita (GSO). Palydovai nejudėdami kabo virš pusiaujo, o žmonėms nereikia sukti plokščių ir „gauti signalo“.

Pupelės stiebas

Bet ką daryti, jei nuleisite virvę nuo tokio palydovo iki pat žemės, nes ji kabo virš vieno taško? Pritvirtinkite krovinį prie kito palydovo galo, išcentrinė jėga padidės ir laikys ir palydovą, ir virvę. Juk rutulys nenukrenta, jei jį gerai suki. Tada bus galima pakelti krovinius šiuo lynu tiesiai į orbitą ir kaip košmarą pamiršti daugiapakopes raketas, ryjančias degalus kilotonais esant mažai keliamajai galiai.

Krovinio atmosferoje judėjimo greitis bus nedidelis, vadinasi, jis neįkais, kitaip nei raketa. Ir lipti reikia mažiau energijos, nes yra atramos taškas.

Pagrindinė problema yra virvės svoris. Geostacionari Žemės orbita yra už 35 tūkstančių kilometrų. Jei iki geostacionarios orbitos ištempsite 1 mm skersmens plieninę liniją, jos masė bus 212 tonų (o norint subalansuoti keltuvą su išcentrine jėga, ją reikia traukti daug toliau). Tuo pačiu metu jis turi atlaikyti savo svorį ir krovinio svorį.

Laimei, šiuo atveju kažkas šiek tiek padeda, dėl ko fizikos mokytojai dažnai priekaištauja studentams: svoris ir svoris – du skirtingi dalykai. Kuo toliau kabelis driekiasi nuo žemės paviršiaus, tuo labiau jis praranda svorį. Nors lyno stiprumo ir svorio santykis vis tiek turėtų būti milžiniškas.

Su anglies nanovamzdeliais inžinieriai turi vilties. Dabar tai nauja technologija, ir mes dar negalime susukti šių vamzdžių į ilgą virvę. Ir neįmanoma pasiekti maksimalaus jų konstrukcijos stiprumo. Bet kas žino, kas bus toliau?