Earth Escape Plan: Isang Maikling Gabay para sa Out of Orbit

2024 May -akda: Seth Attwood | [email protected]. Huling binago: 2023-12-16 16:18

Kamakailan ay may balita sa Habré tungkol sa nakaplanong pagtatayo ng isang space elevator. Para sa marami, ito ay tila isang bagay na hindi kapani-paniwala at hindi kapani-paniwala, tulad ng isang malaking singsing mula sa Halo o isang Dyson sphere. Ngunit ang hinaharap ay mas malapit kaysa sa tila, ang isang hagdanan patungo sa langit ay posible, at marahil ay makikita pa natin ito sa ating buhay.

Ngayon ay susubukan kong ipakita kung bakit hindi tayo makakabili ng Earth-Moon ticket sa presyo ng Moscow-Peter ticket, kung paano tayo matutulungan ng elevator at kung ano ang hahawakan nito upang hindi bumagsak sa lupa.

Mula sa simula ng pag-unlad ng rocketry, ang gasolina ay isang sakit ng ulo para sa mga inhinyero. Kahit na sa pinaka-advanced na mga rocket, ang gasolina ay sumasakop sa halos 98% ng masa ng barko.

Kung gusto nating bigyan ang mga astronaut sa ISS ng isang bag ng gingerbread na tumitimbang ng 1 kilo, mangangailangan ito, sa halos pagsasalita, ng 100 kilo ng rocket fuel. Ang ilulunsad na sasakyan ay disposable at babalik lamang sa Earth sa anyo ng mga nasunog na labi. Nakukuha ang mga mamahaling gingerbread. Ang masa ng barko ay limitado, na nangangahulugan na ang kargamento para sa isang paglulunsad ay mahigpit na limitado. At bawat paglulunsad ay may halaga.

Paano kung gusto nating lumipad sa isang lugar na lampas sa malapit-earth orbit?

Ang mga inhinyero mula sa buong mundo ay umupo at nagsimulang mag-isip: ano ang dapat na maging isang sasakyang pangkalawakan upang makakuha ng higit pa dito at lumipad dito?

Saan lilipad ang rocket?

Habang nag-iisip ang mga inhinyero, nakakita ang kanilang mga anak ng saltpeter at karton sa isang lugar at nagsimulang gumawa ng mga laruang rocket. Ang mga naturang missile ay hindi umabot sa mga bubong ng matataas na gusali, ngunit ang mga bata ay masaya. Pagkatapos ay naisip ang pinakamatalinong pag-iisip: " itulak natin ang mas maraming saltpeter sa rocket, at ito ay lilipad nang mas mataas."

Ngunit ang rocket ay hindi lumipad nang mas mataas, dahil ito ay naging masyadong mabigat. Ni hindi niya magawang bumangon sa hangin. Pagkatapos ng ilang eksperimento, natagpuan ng mga bata ang pinakamainam na dami ng saltpeter kung saan ang rocket ay lumilipad nang pinakamataas. Kung magdadagdag ka ng mas maraming gasolina, ang masa ng rocket ay humihila pababa. Kung mas kaunti - ang gasolina ay nagtatapos nang mas maaga.

Mabilis ding napagtanto ng mga inhinyero na kung gusto nating magdagdag ng mas maraming gasolina, kung gayon ang puwersa ng traksyon ay dapat ding mas malaki. Mayroong ilang mga opsyon upang mapataas ang hanay ng flight:

• dagdagan ang kahusayan ng makina upang ang pagkawala ng gasolina ay minimal (Laval nozzle)
• dagdagan ang tiyak na impulse ng gasolina upang ang thrust force ay mas malaki para sa parehong masa ng gasolina

Bagaman ang mga inhinyero ay patuloy na sumusulong, halos ang buong masa ng barko ay kinukuha ng gasolina. Dahil bukod sa gasolina, nais mong magpadala ng isang bagay na kapaki-pakinabang sa kalawakan, ang buong landas ng rocket ay maingat na kinakalkula, at ang pinakamababa ay inilalagay sa rocket. Kasabay nito, aktibong ginagamit nila ang gravitational na tulong ng mga celestial body at centrifugal forces. Matapos makumpleto ang misyon, ang mga astronaut ay hindi nagsasabi: "Guys, mayroon pa ring kaunting gasolina sa tangke, lumipad tayo sa Venus."

Ngunit paano matukoy kung gaano karaming gasolina ang kailangan upang ang rocket ay hindi mahulog sa karagatan na may walang laman na tangke, ngunit lumipad sa Mars?

Pangalawang bilis ng espasyo

Sinubukan din ng mga bata na gawing mas mataas ang rocket. Nakuha pa nila ang isang aklat-aralin sa aerodynamics, nagbasa tungkol sa mga equation ng Navier-Stokes, ngunit wala silang naintindihan at nag-attach lamang ng isang matangos na ilong sa rocket.

Dumaan ang pamilyar nilang matandang si Hottabych at tinanong kung ano ang ikinalungkot ng mga lalaki.

- Eh, lolo, kung mayroon tayong rocket na walang katapusang gasolina at mababang masa, malamang na lumipad ito sa isang skyscraper, o kahit sa pinakatuktok ng bundok.

- Hindi mahalaga, Kostya-ibn-Eduard, - sagot ni Hottabych, hinila ang huling buhok, - hayaan ang rocket na ito na hindi maubusan ng gasolina.

Ang mga masayang bata ay naglunsad ng isang rocket at hinintay itong bumalik sa lupa. Ang rocket ay lumipad pareho sa skyscraper at sa tuktok ng bundok, ngunit hindi huminto at lumipad pa hanggang sa mawala ito sa paningin. Kung titingnan mo ang hinaharap, pagkatapos ang rocket na ito ay umalis sa lupa, lumipad palabas ng solar system, ang ating kalawakan at lumipad sa bilis ng sublight upang sakupin ang kalawakan ng uniberso.

Nagtataka ang mga bata kung paano lumipad ang kanilang maliit na rocket hanggang sa malayo. Pagkatapos ng lahat, sinabi nila sa paaralan na upang hindi bumalik sa Earth, ang bilis ay dapat na hindi bababa sa pangalawang bilis ng kosmiko (11, 2 km / s). Maaabot kaya ng kanilang maliit na rocket ang bilis na iyon?

Ngunit ipinaliwanag ng kanilang mga magulang sa engineering na kung ang isang rocket ay may walang katapusang supply ng gasolina, kung gayon maaari itong lumipad kahit saan kung ang thrust ay mas malaki kaysa sa gravitational forces at friction forces. Dahil ang rocket ay may kakayahang mag-take off, ang thrust force ay sapat, at sa bukas na espasyo ito ay mas madali.

Ang pangalawang bilis ng kosmiko ay hindi ang bilis na dapat magkaroon ng isang rocket. Ito ang bilis kung saan ang bola ay dapat ihagis mula sa ibabaw ng lupa upang hindi ito bumalik dito. Ang isang rocket, hindi tulad ng isang bola, ay may mga makina. Para sa kanya, hindi bilis ang mahalaga, kundi ang kabuuang salpok.

Ang pinakamahirap na bagay para sa isang rocket ay ang pagtagumpayan ang unang seksyon ng landas. Una, ang gravity sa ibabaw ay mas malakas. Pangalawa, ang Earth ay may siksik na kapaligiran kung saan napakainit na lumipad sa ganoong bilis. At ang mga makina ng jet rocket ay gumagana nang mas malala dito kaysa sa isang vacuum. Samakatuwid, lumilipad sila ngayon sa mga multistage na rocket: ang unang yugto ay mabilis na nauubos ang gasolina nito at nahihiwalay, at ang magaan na barko ay lumilipad sa iba pang mga makina.

Naisip ni Konstantin Tsiolkovsky ang problemang ito sa loob ng mahabang panahon, at naimbento ang space elevator (noong 1895). Tapos, siyempre, pinagtawanan siya. Gayunpaman, pinagtawanan nila siya dahil sa rocket, at satellite, at mga istasyon ng orbital, at sa pangkalahatan ay itinuturing siyang wala sa mundong ito: "Hindi pa tayo ganap na nag-imbento ng mga kotse dito, ngunit pupunta siya sa kalawakan."

Pagkatapos ay naisip ito ng mga siyentipiko at pumasok dito, lumipad ang isang rocket, naglunsad ng satellite, nagtayo ng mga istasyon ng orbital, kung saan naninirahan ang mga tao. Wala nang tumatawa kay Tsiolkovsky; sa kabaligtaran, siya ay lubos na iginagalang. At nang matuklasan nila ang napakalakas na graphene nanotubes, seryoso nilang naisip ang tungkol sa "stairway to heaven."

Bakit hindi nahuhulog ang mga satellite?

Alam ng lahat ang tungkol sa sentripugal na puwersa. Kung mabilis mong i-twist ang bola sa string, hindi ito mahuhulog sa lupa. Subukan nating paikutin ang bola nang mabilis, at pagkatapos ay unti-unting pabagalin ang bilis ng pag-ikot. Sa ilang mga punto, ito ay titigil sa pag-ikot at babagsak. Ito ang magiging pinakamababang bilis kung saan sasalungat ng puwersa ng sentripugal ang gravity ng lupa. Kung paikutin mo ang bola nang mas mabilis, ang lubid ay mag-uunat nang higit pa (at sa isang punto ay masisira ito).

Mayroon ding "lubid" sa pagitan ng Earth at ng mga satellite - gravity. Ngunit hindi tulad ng isang regular na lubid, hindi ito maaaring hilahin. Kung "iikot" mo ang satellite nang mas mabilis kaysa sa kinakailangan, ito ay "bumababa" (at pupunta sa isang elliptical orbit, o lilipad pa nga). Kung mas malapit ang satellite sa ibabaw ng lupa, mas mabilis itong kailangang "iikot". Ang bola sa isang maikling lubid ay umiikot din nang mas mabilis kaysa sa isang mahaba.

Mahalagang tandaan na ang orbital (linear) na bilis ng isang satellite ay hindi bilis na nauugnay sa ibabaw ng mundo. Kung nakasulat na ang bilis ng orbital ng isang satellite ay 3.07 km / s, hindi ito nangangahulugan na ito ay umaaligid sa ibabaw na parang baliw. Ang bilis ng orbit ng mga punto sa ekwador ng mundo, sa pamamagitan ng paraan, ay 465 m / s (ang mundo ay umiikot, tulad ng inaangkin ng matigas ang ulo na si Galileo).

Sa katunayan, para sa isang bola sa isang string at para sa isang satellite, hindi linear velocities ang kinakalkula, ngunit angular velocities (kung gaano karaming mga rebolusyon bawat segundo ang ginagawa ng katawan).

Lumalabas na kung makakita ka ng isang orbit na ang mga angular na bilis ng satellite at ang ibabaw ng lupa ay nag-tutugma, ang satellite ay mag-hang sa isang punto sa ibabaw. Ang nasabing orbit ay natagpuan, at ito ay tinatawag na geostationary orbit (GSO). Ang mga satelayt ay nakabitin nang hindi gumagalaw sa ibabaw ng ekwador, at ang mga tao ay hindi kailangang iikot ang kanilang mga plato at "hulihin ang signal".

Bean stem

Ngunit paano kung ibababa mo ang isang lubid mula sa naturang satellite hanggang sa pinakalupa, dahil nakabitin ito sa isang punto? Maglakip ng load sa kabilang dulo ng satellite, tataas ang puwersa ng sentripugal at hahawak sa satellite at sa lubid. Kung tutuusin, hindi mahuhulog ang bola kung paikutin mo ito ng maayos. Pagkatapos ay magiging posible na iangat ang mga load sa kahabaan ng lubid na ito nang direkta sa orbit, at kalimutan, tulad ng isang bangungot, mga multistage na rocket, na lumalamon ng gasolina sa kiloton sa mababang kapasidad ng pagdadala.

Ang bilis ng paggalaw sa kapaligiran ng kargamento ay magiging maliit, na nangangahulugang hindi ito mag-iinit, hindi tulad ng isang rocket. At mas kaunting enerhiya ang kinakailangan upang umakyat, dahil mayroong isang fulcrum.

Ang pangunahing problema ay ang bigat ng lubid. Ang geostationary orbit ng Earth ay 35 libong kilometro ang layo. Kung iuunat mo ang isang linya ng bakal na may diameter na 1 mm sa geostationary orbit, ang masa nito ay magiging 212 tonelada (at kailangan itong hilahin nang higit pa upang balansehin ang pag-angat na may puwersang sentripugal). Kasabay nito, dapat itong makatiis sa sarili nitong timbang at bigat ng karga.

Sa kabutihang palad, sa kasong ito, may isang bagay na nakakatulong nang kaunti, kung saan madalas na pinapagalitan ng mga guro ng pisika ang mga mag-aaral: ang timbang at timbang ay dalawang magkaibang bagay. Ang mas malayo ang cable ay umaabot mula sa ibabaw ng lupa, mas nawawala ito sa timbang. Kahit na ang ratio ng lakas-sa-timbang ng lubid ay dapat pa ring napakalaki.

Sa carbon nanotubes, may pag-asa ang mga inhinyero. Ngayon ito ay isang bagong teknolohiya, at hindi pa natin maaaring iikot ang mga tubo na ito sa isang mahabang lubid. At hindi posible na makamit ang kanilang pinakamataas na lakas ng disenyo. Ngunit sino ang nakakaalam kung ano ang susunod na mangyayari?