Földi menekülési terv: Rövid útmutató a pályán kívülre

2024 Szerző: Seth Attwood | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-12-16 16:07

A közelmúltban a Habrén egy űrlift tervezett építéséről szóltak a hírek. Sokak számára valami fantasztikusnak és hihetetlennek tűnt, mint egy hatalmas gyűrű a Halo-tól vagy egy Dyson-gömb. De a jövő közelebb van, mint amilyennek látszik, a mennybe vezető lépcső is lehetséges, és talán még életünk során meglátjuk.

Most megpróbálom bemutatni, miért nem tudunk elmenni Föld-Hold jegyet venni Moszkva-Péter jegy árán, hogyan segít rajtunk a lift, és mit fog meg, hogy ne zuhanjon a földre.

A rakétatechnika fejlesztésének kezdetétől fogva az üzemanyag fejfájást okozott a mérnököknek. Még a legfejlettebb rakétákban is az üzemanyag a hajó tömegének körülbelül 98%-át foglalja el.

Ha egy zacskó 1 kilogramm mézeskalácsot szeretnénk adni az ISS űrhajósainak, akkor ehhez nagyjából 100 kilogramm rakéta-üzemanyagra lesz szükség. A hordozórakéta eldobható, és csak elégett törmelék formájában tér vissza a Földre. Drága mézeskalácsokat kapnak. A hajó tömege korlátozott, ami azt jelenti, hogy egy indításhoz szigorúan korlátozott a hasznos teher. És minden indításnak ára van.

Mi van, ha valahová a földközeli pályán túl akarunk repülni?

A világ minden tájáról érkezett mérnökök leültek és gondolkodni kezdtek: milyen legyen egy űrhajó, hogy többet tudjon rávenni, és tovább repüljön vele?

Hol fog repülni a rakéta?

Amíg a mérnökök gondolkodtak, gyermekeik salétromot és kartonpapírt találtak valahol, és játékrakétákat kezdtek készíteni. Az ilyen rakéták nem érték el a sokemeletes épületek tetejét, de a gyerekek örültek. Ekkor jutott eszébe a legokosabb gondolat: "nyomjunk még salétromot a rakétába, és feljebb repül."

De a rakéta nem repült feljebb, mivel túl nehéz lett. Még a levegőbe sem tudott felkelni. Némi kísérletezés után a gyerekek megtalálták azt az optimális mennyiségű salétromot, amelynél a rakéta a legmagasabban repül. Ha több üzemanyagot ad hozzá, a rakéta tömege lehúzza. Ha kevesebb - az üzemanyag korábban véget ér.

A mérnökök arra is hamar rájöttek, hogy ha több üzemanyagot akarunk hozzáadni, akkor a vonóerőnek is nagyobbnak kell lennie. Néhány lehetőség van a repülési távolság növelésére:

• növelje a motor hatásfokát, hogy az üzemanyag-veszteség minimális legyen (Laval fúvóka)
• növelje a tüzelőanyag fajlagos impulzusát, hogy a tolóerő nagyobb legyen azonos üzemanyagtömeg esetén

Bár a mérnökök folyamatosan haladnak előre, a hajó szinte teljes tömegét felveszi az üzemanyag. Mivel az üzemanyagon kívül valami hasznosat is szeretne küldeni az űrbe, a rakéta teljes útját gondosan kiszámítják, és a minimumot beleteszik a rakétába. Ugyanakkor aktívan használják az égitestek és a centrifugális erők gravitációs segítségét. A küldetés befejezése után az űrhajósok nem mondják: "Srácok, még van egy kis üzemanyag a tartályban, repüljünk a Vénuszra."

De hogyan lehet meghatározni, hogy mennyi üzemanyagra van szükség ahhoz, hogy a rakéta ne zuhanjon az óceánba üres tartállyal, hanem a Marsra repüljön?

Második űrsebesség

A gyerekek megpróbálták magasabbra repíteni a rakétát. Még egy aerodinamikai tankönyvet is kaptak, olvastak a Navier-Stokes egyenletekről, de nem értettek semmit, és egyszerűen egy éles orrot erősítettek a rakétára.

Ismerős öregemberük, Hottabych elhaladt mellette, és megkérdezte, mitől szomorúak a srácok.

- Eh, nagyapa, ha lenne egy rakétánk végtelen üzemanyaggal és alacsony tömeggel, akkor valószínűleg egy felhőkarcolóba repült volna, vagy akár egy hegy tetejére is.

- Nem számít, Kostya-ibn-Eduard - válaszolta Hottabych az utolsó hajszálat is kirántva -, ne fogyjon ki ebből a rakétából az üzemanyag.

Az örömteli gyerekek egy rakétát indítottak, és várták, hogy visszatérjen a földre. A rakéta a felhőkarcolóhoz és a hegy tetejére is repült, de nem állt meg, és tovább repült, amíg el nem tűnt a látókörből. Ha a jövőbe nézünk, akkor ez a rakéta elhagyta a Földet, kirepült a Naprendszerből, galaxisunkból, és szublight sebességgel repült, hogy meghódítsa az univerzum hatalmasságát.

A gyerekek kíváncsiak voltak, hogyan tud ilyen messzire repülni a kis rakétájuk. Végül is az iskolában azt mondták, hogy annak érdekében, hogy ne essen vissza a Földre, a sebességnek nem kell kisebbnek lennie, mint a második kozmikus sebesség (11, 2 km / s). A kis rakétájuk elérheti ezt a sebességet?

De mérnök szüleik elmagyarázták, hogy ha egy rakéta végtelen mennyiségű üzemanyaggal rendelkezik, akkor bárhová tud repülni, ha a tolóerő nagyobb, mint a gravitációs és a súrlódási erők. Mivel a rakéta felszállásra képes, a tolóerő elegendő, nyílt térben pedig még könnyebb.

A második kozmikus sebesség nem az a sebesség, amilyennek egy rakétának rendelkeznie kellene. Ezzel a sebességgel kell eldobni a labdát a talaj felszínéről, hogy ne térjen vissza hozzá. A rakétának a labdával ellentétben hajtóművei vannak. Számára nem a sebesség a fontos, hanem a teljes impulzus.

A rakéta számára a legnehezebb az út kezdeti szakaszának leküzdése. Először is, a felszíni gravitáció erősebb. Másodszor, a Földnek sűrű légköre van, amelyben nagyon meleg ilyen sebességgel repülni. A sugárhajtású rakétamotorok pedig rosszabbul működnek benne, mint vákuumban. Ezért most többfokozatú rakétákkal repülnek: az első fokozat gyorsan elfogyasztja az üzemanyagot és leválik, a könnyű hajó pedig más hajtóműveken repül.

Konsztantyin Ciolkovszkij sokáig gondolkodott ezen a problémán, és feltalálta az űrliftet (1895-ben). Aztán persze nevettek rajta. A rakéta, a műhold és az orbitális állomások miatt azonban kinevették, és általában kikerült a világból: "Itt még nem találtuk fel teljesen az autókat, de az űrbe megy."

Aztán a tudósok elgondolkodtak, és beszálltak, egy rakéta repült, fellőtt egy műholdat, orbitális állomásokat építettek, amelyekben emberek laktak. Ciolkovszkijon már senki sem nevet, éppen ellenkezőleg, nagyon tisztelik. És amikor felfedezték a szupererős grafén nanocsöveket, komolyan elgondolkodtak a "mennyországba vezető lépcsőn".

Miért nem zuhannak le a műholdak?

Mindenki ismeri a centrifugális erőt. Ha gyorsan rácsavarod a labdát a húrra, nem esik le a földre. Próbáljuk meg gyorsan pörgetni a labdát, majd fokozatosan lassítani a forgási sebességet. Egy ponton abbahagyja a forgást és leesik. Ez lesz az a minimális sebesség, amelynél a centrifugális erő ellensúlyozza a föld gravitációját. Ha gyorsabban pörgeted a labdát, a kötél jobban megnyúlik (és egy ponton elszakad).

A Föld és a műholdak között is van egy „kötél” – a gravitáció. De a szokásos kötéllel ellentétben nem húzható. Ha a szükségesnél gyorsabban "pörgeted" a műholdat, az "leszáll" (és ellipszis alakú pályára áll, vagy akár elrepül). Minél közelebb van a műhold a Föld felszínéhez, annál gyorsabban kell "forgatni". A labda egy rövid kötélen is gyorsabban forog, mint a hosszú kötélen.

Fontos megjegyezni, hogy a műhold keringési (lineáris) sebessége nem a Föld felszínéhez viszonyított sebesség. Ha azt írják, hogy egy műhold keringési sebessége 3,07 km/s, az nem jelenti azt, hogy őrülten lebeg a felszín felett. A Föld egyenlítőjén lévő pontok keringési sebessége egyébként 465 m/s (a föld forog, ahogy a makacs Galilei állította).

Valójában egy húron lévő labdához és egy műholdhoz nem lineáris sebességeket számítanak ki, hanem szögsebességet (hány fordulatot tesz meg a test másodpercenként).

Kiderült, hogy ha olyan pályát talál, amelyen a műhold és a földfelszín szögsebessége egybeesik, a műhold a felszín egy pontja fölött fog lógni. Ilyen pályát találtak, és ezt nevezik geostacionárius pályának (GSO). A műholdak mozdulatlanul lógnak az Egyenlítő felett, és az embereknek nem kell elfordítaniuk a tányérjaikat és „elkapniuk a jelet”.

Babszár

De mi van, ha egy ilyen műholdról leereszt egy kötelet a földre, mert az egy ponton lóg? Rögzítsen terhet a műhold másik végére, a centrifugális erő megnő, és megtartja a műholdat és a kötelet is. Hiszen a labda nem esik le, ha jól megpörgeted. Ekkor lehetőség lesz ezen a kötélen a terheket közvetlenül a pályára emelni, és rémálomként elfelejteni a többlépcsős rakétákat, amelyek alacsony teherbírás mellett kilotonnákban zabálják az üzemanyagot.

A rakomány légkörében a mozgás sebessége kicsi lesz, ami azt jelenti, hogy nem melegszik fel, ellentétben a rakétával. És kevesebb energia kell a mászáshoz, mivel van egy támaszpont.

A fő probléma a kötél súlya. A Föld geostacionárius pályája 35 ezer kilométerre van. Ha egy 1 mm átmérőjű acélvezetéket feszítünk ki a geostacionárius pályára, akkor a tömege 212 tonna lesz (és sokkal tovább kell húzni, hogy centrifugális erővel egyensúlyba kerüljön az emelés). Ugyanakkor el kell viselnie saját súlyát és a rakomány súlyát.

Szerencsére ebben az esetben egy kicsit segít valami, amiért a fizikatanárok sokszor szidják a diákokat: a súly és a súly két különböző dolog. Minél távolabb nyúlik a kábel a föld felszínétől, annál jobban veszít a súlyából. Bár a kötél szilárdság-tömeg arányának még mindig óriásinak kell lennie.

A szén nanocsövekkel a mérnököknek van reményük. Ez most egy új technológia, és ezeket a csöveket még nem tudjuk hosszú kötélbe csavarni. És nem lehet elérni a maximális tervezési szilárdságukat. De ki tudja, mi lesz ezután?