Earth Escape Plan: A Brief Guide for Out of Orbit

2024 Forfatter: Seth Attwood | [email protected]. Sidst ændret: 2023-12-16 16:01

For nylig var der på Habré nyheder om det planlagte byggeri af en rumelevator. For mange virkede det som noget fantastisk og utroligt, som en kæmpe ring fra Halo eller en Dyson-sfære. Men fremtiden er tættere på, end den ser ud til, en trappe til himlen er ganske mulig, og måske vil vi endda se den i vores levetid.

Nu vil jeg forsøge at vise, hvorfor vi ikke kan købe en Earth-Moon-billet til prisen for en Moskva-Peter-billet, hvordan elevatoren vil hjælpe os, og hvad den vil holde på for ikke at falde sammen til jorden.

Helt fra begyndelsen af udviklingen af raketer var brændstof en hovedpine for ingeniører. Selv i de mest avancerede raketter optager brændstof omkring 98 % af skibets masse.

Hvis vi vil give astronauterne på ISS en pose honningkager på 1 kilogram, så vil det groft sagt kræve 100 kilo raketbrændstof. Løftefartøjet er til engangsbrug og vil kun vende tilbage til Jorden i form af brændt affald. Der fås dyre honningkager. Skibets masse er begrænset, hvilket betyder, at nyttelasten for én søsætning er strengt begrænset. Og hver lancering har en pris.

Hvad hvis vi vil flyve et sted ud over kredsløbet omkring jorden?

Ingeniører fra hele verden satte sig ned og begyndte at tænke: hvordan skulle et rumskib være for at tage mere på det og flyve videre på det?

Hvor vil raketten flyve?

Mens ingeniørerne tænkte, fandt deres børn salpeter og pap et sted og begyndte at lave legetøjsraketter. Sådanne missiler nåede ikke tagene på højhuse, men børnene var glade. Så dukkede den smarteste tanke op: "lad os skubbe mere salpeter ind i raketten, og den vil flyve højere."

Men raketten fløj ikke højere, da den blev for tung. Hun kunne ikke engang komme op i luften. Efter nogle eksperimenter fandt børnene den optimale mængde salpeter, som raketten flyver højest ved. Hvis du tilføjer mere brændstof, trækker rakettens masse den ned. Hvis mindre - brændstof slutter tidligere.

Ingeniørerne indså også hurtigt, at hvis vi vil tilføje mere brændstof, så skal trækkraften også være større. Der er få muligheder for at øge flyverækkevidden:

• øge motorens effektivitet, så brændstoftabet er minimalt (Laval dyse)
• øge brændstoffets specifikke impuls, så trykkraften er større for samme brændstofmasse

Selvom ingeniører konstant bevæger sig fremad, optages næsten hele skibets masse af brændstof. Da man udover brændstof ønsker at sende noget nyttigt ud i rummet, bliver hele rakettens bane nøje beregnet, og det allermindste lægges i raketten. Samtidig bruger de aktivt tyngdekraften fra himmellegemer og centrifugalkræfter. Efter at have fuldført missionen siger astronauterne ikke: "Drenge, der er stadig lidt brændstof i tanken, lad os flyve til Venus."

Men hvordan bestemmer man, hvor meget brændstof der er nødvendigt, så raketten ikke falder i havet med en tom tank, men flyver til Mars?

Anden rumhastighed

Børnene forsøgte også at få raketten til at flyve højere. De fik endda fat i en lærebog om aerodynamik, læste om Navier-Stokes-ligningerne, men forstod ingenting og satte blot en skarp næse på raketten.

Deres kendte gamle mand Hottabych gik forbi og spurgte, hvad fyrene var kede af.

- Øh, bedstefar, hvis vi havde en raket med uendelig brændstof og lav masse, ville den nok være fløjet til en skyskraber, eller endda helt til toppen af et bjerg.

- Det gør ikke noget, Kostya-ibn-Eduard, - svarede Hottabych og trak det sidste hår ud, - lad denne raket aldrig løbe tør for brændstof.

De glade børn affyrede en raket og ventede på, at den skulle vende tilbage til jorden. Raketten fløj både til skyskraberen og til toppen af bjerget, men stoppede ikke og fløj videre, indtil den forsvandt af syne. Hvis du ser ind i fremtiden, så forlod denne raket jorden, fløj ud af solsystemet, vores galakse og fløj med underlyshastighed for at erobre universets vidder.

Børnene undrede sig over, hvordan deres lille raket kunne flyve så langt. Når alt kommer til alt, sagde de i skolen, at for ikke at falde tilbage til Jorden, skulle hastigheden ikke være mindre end den anden kosmiske hastighed (11, 2 km / s). Kunne deres lille raket nå den hastighed?

Men deres ingeniørforældre forklarede, at hvis en raket har en uendelig forsyning af brændstof, så kan den flyve overalt, hvis trykket er større end tyngdekraften og friktionskræfterne. Da raketten er i stand til at lette, er trykkraften tilstrækkelig, og i åbent rum er det endnu lettere.

Den anden kosmiske hastighed er ikke den hastighed, som en raket skal have. Dette er den hastighed, hvormed bolden skal kastes fra jordens overflade, så den ikke vender tilbage til den. En raket har i modsætning til en bold motorer. For hende er det ikke farten, der er vigtig, men den samlede impuls.

Det sværeste for en raket er at overvinde den indledende del af stien. For det første er overfladetyngdekraften stærkere. For det andet har Jorden en tæt atmosfære, hvor det er meget varmt at flyve med sådanne hastigheder. Og jetraketmotorer fungerer dårligere i den end i et vakuum. Derfor flyver de nu på flertrinsraketter: Første etape forbruger hurtigt sit brændstof og adskilles, og letvægtsskibet flyver på andre motorer.

Konstantin Tsiolkovsky tænkte over dette problem i lang tid og opfandt rumelevatoren (tilbage i 1895). Så grinede de selvfølgelig af ham. Men de lo af ham på grund af raketten og satellitten og orbitalstationerne og betragtede ham generelt som ude af denne verden: "Vi har endnu ikke helt opfundet biler her, men han skal ud i rummet."

Så tænkte forskerne over det og kom ind i det, en raket fløj, lancerede en satellit, byggede orbitalstationer, hvor folk var befolket. Ingen griner længere ad Tsiolkovsky, tværtimod er han meget respekteret. Og da de opdagede superstærke grafen nanorør, tænkte de seriøst på "trappen til himlen".

Hvorfor falder satellitterne ikke ned?

Alle kender til centrifugalkraft. Vrider du hurtigt bolden på snoren, falder den ikke til jorden. Lad os prøve at dreje bolden hurtigt, og derefter gradvist sænke rotationshastigheden. På et tidspunkt vil den stoppe med at snurre og falde. Dette vil være den mindste hastighed, hvormed centrifugalkraften vil opveje jordens tyngdekraft. Hvis du snurrer bolden hurtigere, vil rebet strække sig mere (og på et tidspunkt knækker det).

Der er også et "reb" mellem Jorden og satellitterne - tyngdekraften. Men i modsætning til et almindeligt reb kan det ikke trækkes. Hvis du "snurrer" satellitten hurtigere end nødvendigt, vil den "komme af" (og gå i en elliptisk bane, eller endda flyve væk). Jo tættere satellitten er på jordens overflade, jo hurtigere skal den "vendes". Bolden på et kort reb spinder også hurtigere end på et langt.

Det er vigtigt at huske, at en satellits (lineære) banehastighed ikke er hastighed i forhold til jordens overflade. Hvis det skrives, at en satellits kredsløbshastighed er 3,07 km/s, betyder det ikke, at den svæver over overfladen som en gal. Banehastigheden for punkter på jordens ækvator er i øvrigt 465 m / s (jorden roterer, som den stædige Galileo hævdede).

Faktisk beregnes for en bold på en snor og for en satellit ikke lineære hastigheder, men vinkelhastigheder (hvor mange omdrejninger i sekundet kroppen laver).

Det viser sig, at hvis man finder et kredsløb, således at satellittens vinkelhastigheder og jordoverfladen falder sammen, vil satellitten hænge over et punkt på overfladen. En sådan bane blev fundet, og den kaldes den geostationære bane (GSO). Satellitterne hænger ubevægelige over ækvator, og folk behøver ikke at dreje pladerne og "fange signalet".

Bønnestængel

Men hvad nu hvis man sænker et reb fra sådan en satellit til selve jorden, fordi det hænger over et punkt? Fastgør en last til den anden ende af satellitten, centrifugalkraften vil stige og vil holde både satellitten og rebet. Kuglen falder jo ikke, hvis du spinder den godt. Så vil det være muligt at løfte byrder langs dette reb direkte i kredsløb og glemme, som et mareridt, flertrinsraketter, der fortærer brændstof i kiloton med lav bæreevne.

Bevægelseshastigheden i lastens atmosfære vil være lille, hvilket betyder, at den ikke vil varme op i modsætning til en raket. Og der kræves mindre energi for at klatre, da der er et omdrejningspunkt.

Hovedproblemet er vægten af rebet. Jordens geostationære kredsløb er 35 tusinde kilometer væk. Hvis du strækker en stålline med en diameter på 1 mm til den geostationære bane, vil dens masse være 212 tons (og den skal trækkes meget længere for at balancere løftet med centrifugalkraft). Samtidig skal den modstå sin egen vægt og vægten af byrden.

Heldigvis er der i dette tilfælde noget, der hjælper lidt, som fysiklærere ofte skælder eleverne ud for: vægt og vægt er to forskellige ting. Jo længere kablet strækker sig fra jordens overflade, jo mere taber det sig i vægt. Selvom rebets styrke-til-vægt-forhold stadig burde være enormt.

Med kulstof nanorør har ingeniører håb. Nu er dette en ny teknologi, og vi kan endnu ikke sno disse rør til et langt reb. Og det er ikke muligt at opnå deres maksimale designstyrke. Men hvem ved, hvad der vil ske næste gang?