Plani i arratisjes nga Toka: Një udhëzues i shkurtër për jashtë orbitës

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2023-12-16 16:16

Kohët e fundit në Habré kishte lajme për ndërtimin e planifikuar të një ashensori hapësinor. Për shumë njerëz, dukej si diçka fantastike dhe e pabesueshme, si një unazë e madhe nga Halo ose një sferë Dyson. Por e ardhmja është më afër se sa duket, një shkallë për në parajsë është mjaft e mundshme, dhe ndoshta do ta shohim edhe gjatë jetës sonë.

Tani do të përpiqem të tregoj pse nuk mund të shkojmë të blejmë një biletë Tokë-Hënë me çmimin e një bilete Moskë-Pjetër, si do të na ndihmojë ashensori dhe çfarë do të mbajë për të mos u rrëzuar në tokë.

Që nga fillimi i zhvillimit të raketave, karburanti ishte një dhimbje koke për inxhinierët. Edhe në raketat më të avancuara, karburanti zë rreth 98% të masës së anijes.

Nëse duam t'u japim astronautëve në ISS një qese me bukë xhenxhefili me peshë 1 kilogram, atëherë kjo do të kërkojë, përafërsisht, 100 kilogramë karburant raketash. Mjeti lëshues është i disponueshëm dhe do të kthehet në Tokë vetëm në formën e mbeturinave të djegura. Përftohen bukë me xhenxhefil të shtrenjtë. Masa e anijes është e kufizuar, që do të thotë se ngarkesa për një nisje është rreptësisht e kufizuar. Dhe çdo lëshim ka një kosto.

Po sikur të duam të fluturojmë diku përtej orbitës afër tokës?

Inxhinierë nga e gjithë bota u ulën dhe filluan të mendonin: si duhet të jetë një anije kozmike për të marrë më shumë mbi të dhe për të fluturuar më tej?

Ku do të fluturojë raketa?

Ndërsa inxhinierët po mendonin, fëmijët e tyre gjetën diku kripë dhe karton dhe filluan të bëjnë raketa lodrash. Raketa të tilla nuk arrinin në çatitë e ndërtesave të larta, por fëmijët ishin të lumtur. Atëherë më erdhi në mendje mendimi më i zgjuar: "le të hedhim më shumë kripë në raketë dhe ajo do të fluturojë më lart".

Por raketa nuk fluturoi më lart, pasi u bë shumë e rëndë. Ajo as nuk mund të ngrihej në ajër. Pas disa eksperimenteve, fëmijët gjetën sasinë optimale të kripës në të cilën raketa fluturon më së shumti. Nëse shtoni më shumë karburant, masa e raketës e tërheq atë poshtë. Nëse më pak - karburanti përfundon më herët.

Inxhinierët gjithashtu kuptuan shpejt se nëse duam të shtojmë më shumë karburant, atëherë edhe forca tërheqëse duhet të jetë më e madhe. Ka disa opsione për të rritur diapazonin e fluturimit:

• Rritja e efikasitetit të motorit në mënyrë që humbjet e karburantit të jenë minimale (grykë Laval)
• rritni impulsin specifik të karburantit në mënyrë që forca e shtytjes të jetë më e madhe për të njëjtën masë karburanti

Edhe pse inxhinierët po ecin vazhdimisht përpara, pothuajse e gjithë masa e anijes merret nga karburanti. Meqenëse përveç karburantit, ju dëshironi të dërgoni diçka të dobishme në hapësirë, e gjithë rruga e raketës llogaritet me kujdes dhe minimumi futet në raketë. Në të njëjtën kohë, ata përdorin në mënyrë aktive ndihmën gravitacionale të trupave qiellorë dhe forcave centrifugale. Pas përfundimit të misionit, astronautët nuk thonë: "Djema, ka ende pak karburant në rezervuar, le të fluturojmë për në Venus".

Por si të përcaktohet se sa karburant nevojitet në mënyrë që raketa të mos bjerë në oqean me një rezervuar bosh, por të fluturojë në Mars?

Shpejtësia e dytë hapësinore

Fëmijët gjithashtu u përpoqën ta bënin raketën të fluturonte më lart. Ata madje morën një libër shkollor mbi aerodinamikën, lexuan për ekuacionet Navier-Stokes, por nuk kuptuan asgjë dhe thjesht i lidhën një hundë të mprehtë raketës.

Plaku i tyre i njohur Hottabych kaloi pranë dhe pyeti se për çfarë ishin të trishtuar djemtë.

- Eh, gjysh, po të kishim një raketë me karburant të pafund dhe masë të vogël, ndoshta do të kishte fluturuar në një rrokaqiell, apo edhe në majë të një mali.

- Nuk ka rëndësi, Kostya-ibn-Eduard, - u përgjigj Hottabych, duke shkulur flokët e fundit, - le të mos mbarojë kurrë karburanti kësaj rakete.

Fëmijët e gëzuar lëshuan një raketë dhe prisnin që ajo të kthehej në tokë. Raketa fluturoi si në rrokaqiell ashtu edhe në majë të malit, por nuk u ndal dhe fluturoi më tej derisa u zhduk nga pamja. Nëse shikoni në të ardhmen, atëherë kjo raketë u largua nga toka, fluturoi jashtë sistemit diellor, galaktikës sonë dhe fluturoi me shpejtësi nëndrite për të pushtuar pafundësinë e universit.

Fëmijët pyesnin veten se si raketa e tyre e vogël mund të fluturonte deri tani. Në fund të fundit, në shkollë ata thanë që për të mos rënë përsëri në Tokë, shpejtësia duhet të jetë jo më pak se shpejtësia e dytë kozmike (11, 2 km / s). A mundet raketa e tyre e vogël të arrijë atë shpejtësi?

Por prindërit e tyre inxhinierë shpjeguan se nëse një raketë ka një furnizim të pafund të karburantit, atëherë ajo mund të fluturojë kudo nëse shtytja është më e madhe se forcat gravitacionale dhe forcat e fërkimit. Meqenëse raketa është e aftë të ngrihet, forca e shtytjes është e mjaftueshme, dhe në hapësirë të hapur është edhe më e lehtë.

Shpejtësia e dytë kozmike nuk është shpejtësia që duhet të ketë një raketë. Kjo është shpejtësia me të cilën duhet të hidhet topi nga sipërfaqja e tokës në mënyrë që të mos kthehet në të. Një raketë, ndryshe nga një top, ka motorë. Për të nuk është e rëndësishme shpejtësia, por impulsi total.

Gjëja më e vështirë për një raketë është të kapërcejë pjesën fillestare të shtegut. Së pari, graviteti i sipërfaqes është më i fortë. Së dyti, Toka ka një atmosferë të dendur në të cilën është shumë e nxehtë për të fluturuar me shpejtësi të tilla. Dhe motorët e raketave reaktiv punojnë më keq në të sesa në vakum. Prandaj, ata fluturojnë tani me raketa me shumë shkallë: faza e parë konsumon shpejt karburantin e saj dhe ndahet, dhe anija e lehtë fluturon me motorë të tjerë.

Konstantin Tsiolkovsky mendoi për këtë problem për një kohë të gjatë dhe shpiku ashensorin hapësinor (në vitin 1895). Pastaj, natyrisht, ata qeshën me të. Megjithatë, ata qeshën me të për shkak të raketës, satelitit dhe stacioneve orbitale dhe në përgjithësi e konsideruan atë jashtë kësaj bote: "Ne nuk kemi shpikur ende plotësisht makinat këtu, por ai po shkon në hapësirë".

Pastaj shkencëtarët menduan për të dhe u futën në të, një raketë fluturoi, lëshoi një satelit, ndërtuan stacione orbitale, në të cilat njerëzit ishin të populluar. Askush nuk qesh më me Tsiolkovsky, përkundrazi, ai është shumë i respektuar. Dhe kur zbuluan nanotuba grafeni super të fortë, ata menduan seriozisht për "shkallët drejt parajsës".

Pse nuk bien satelitët?

Të gjithë e dinë për forcën centrifugale. Nëse e rrotulloni shpejt topin në fije, ai nuk bie në tokë. Le të përpiqemi ta rrotullojmë topin shpejt, dhe pastaj gradualisht të ngadalësojmë shpejtësinë e rrotullimit. Në një moment, ajo do të ndalojë së rrotulluari dhe do të bjerë. Kjo do të jetë shpejtësia minimale me të cilën forca centrifugale do të kundërbalancojë gravitetin e tokës. Nëse e rrotulloni topin më shpejt, litari do të shtrihet më shumë (dhe në një moment do të prishet).

Ekziston edhe një "litar" midis Tokës dhe satelitëve - graviteti. Por ndryshe nga një litar i zakonshëm, ai nuk mund të tërhiqet. Nëse e "tjerrni" satelitin më shpejt se ç'duhet, ai do të "shkëputet" (dhe do të shkojë në një orbitë eliptike, apo edhe do të fluturojë larg). Sa më afër sipërfaqes së tokës të jetë sateliti, aq më shpejt duhet të "kthehet". Topi në një litar të shkurtër gjithashtu rrotullohet më shpejt se në një litar të gjatë.

Është e rëndësishme të mbani mend se shpejtësia orbitale (lineare) e një sateliti nuk është shpejtësi në lidhje me sipërfaqen e tokës. Nëse shkruhet se shpejtësia orbitale e një sateliti është 3,07 km / s, kjo nuk do të thotë se ai po rri pezull mbi sipërfaqe si i çmendur. Shpejtësia orbitale e pikave në ekuatorin e tokës, nga rruga, është 465 m / s (toka rrotullohet, siç pretendoi Galileo kokëfortë).

Në fakt, për një top në një varg dhe për një satelit, nuk llogariten shpejtësitë lineare, por shpejtësitë këndore (sa rrotullime në sekondë bën trupi).

Rezulton se nëse gjeni një orbitë të tillë që shpejtësitë këndore të satelitit dhe sipërfaqes së tokës të përkojnë, sateliti do të varet mbi një pikë në sipërfaqe. Një orbitë e tillë u gjet dhe quhet orbita gjeostacionare (GSO). Satelitët varen të palëvizshëm mbi ekuator dhe njerëzit nuk duhet të kthejnë pllakat e tyre dhe të "kapin sinjalin".

Kërcelli i fasules

Por, çka nëse ulni një litar nga një satelit i tillë në tokë, sepse ai varet mbi një pikë? Lidhni një ngarkesë në skajin tjetër të satelitit, forca centrifugale do të rritet dhe do të mbajë satelitin dhe litarin. Në fund të fundit, topi nuk bie nëse e rrotulloni mirë. Atëherë do të jetë e mundur të ngrihen ngarkesat përgjatë këtij litari direkt në orbitë dhe të harrohen, si një makth, raketat me shumë shkallë, që gllabërojnë karburantin në kilotone me një kapacitet të ulët mbajtës.

Shpejtësia e lëvizjes në atmosferën e ngarkesës do të jetë e vogël, që do të thotë se nuk do të nxehet, ndryshe nga një raketë. Dhe më pak energji kërkohet për t'u ngjitur, pasi ka një pikëmbështetje.

Problemi kryesor është pesha e litarit. Orbita gjeostacionare e Tokës është 35 mijë kilometra larg. Nëse shtrini një vijë çeliku me një diametër prej 1 mm në orbitën gjeostacionare, masa e saj do të jetë 212 ton (dhe duhet të tërhiqet shumë më tej për të balancuar ngritjen me forcën centrifugale). Në të njëjtën kohë, ai duhet të përballojë peshën e vet dhe peshën e ngarkesës.

Për fat të mirë, në këtë rast, diçka ndihmon pak, për të cilën mësuesit e fizikës qortojnë shpesh studentët: pesha dhe pesha janë dy gjëra të ndryshme. Sa më tej kablloja të shtrihet nga sipërfaqja e tokës, aq më shumë humbet në peshë. Edhe pse raporti i forcës ndaj peshës së litarit duhet të jetë ende i madh.

Me nanotubat e karbonit, inxhinierët kanë shpresë. Tani kjo është një teknologji e re dhe ne ende nuk mund t'i kthejmë këto tuba në një litar të gjatë. Dhe nuk është e mundur të arrihet forca e tyre maksimale e projektimit. Por kush e di se çfarë do të ndodhë më pas?