Pelan Pelarian Bumi: Panduan Ringkas untuk Keluar dari Orbit

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2023-12-16 16:12

Baru-baru ini di Habré terdapat berita mengenai rancangan pembinaan lif angkasa. Bagi kebanyakan orang, ia kelihatan seperti sesuatu yang hebat dan luar biasa, seperti cincin besar dari Halo atau sfera Dyson. Tetapi masa depan lebih dekat daripada yang kelihatan, tangga ke syurga agak mungkin, dan mungkin kita akan melihatnya dalam hidup kita.

Sekarang saya akan cuba menunjukkan mengapa kita tidak boleh pergi dan membeli tiket Earth-Moon pada harga tiket Moscow-Peter, bagaimana lif akan membantu kita dan apa yang ia akan tahan supaya tidak runtuh ke tanah.

Sejak awal pembangunan roket, bahan api adalah sakit kepala bagi jurutera. Walaupun dalam roket paling maju, bahan api menduduki kira-kira 98% daripada jisim kapal.

Jika kita ingin memberi para angkasawan di ISS satu beg roti halia seberat 1 kilogram, maka ini memerlukan, secara kasarnya, 100 kilogram bahan api roket. Kenderaan pelancar boleh guna dan akan kembali ke Bumi hanya dalam bentuk serpihan terbakar. Roti halia yang mahal diperolehi. Jisim kapal adalah terhad, yang bermaksud bahawa muatan untuk satu pelancaran adalah terhad. Dan setiap pelancaran memerlukan kos.

Bagaimana jika kita mahu terbang ke suatu tempat di luar orbit dekat bumi?

Jurutera dari seluruh dunia duduk dan mula berfikir: apakah yang sepatutnya menjadi kapal angkasa untuk mengambil lebih banyak dan terbang di atasnya lebih jauh?

Di manakah roket itu akan terbang?

Semasa jurutera berfikir, anak-anak mereka menjumpai garam dan kadbod di suatu tempat dan mula membuat roket mainan. Peluru berpandu sedemikian tidak sampai ke bumbung bangunan tinggi, tetapi kanak-kanak gembira. Kemudian pemikiran paling bijak muncul di fikiran: "mari kita tolak lebih banyak pemukul ke dalam roket, dan ia akan terbang lebih tinggi."

Tetapi roket itu tidak terbang lebih tinggi, kerana ia menjadi terlalu berat. Dia tidak boleh naik ke udara. Selepas beberapa percubaan, kanak-kanak mendapati jumlah optimum pemukul garam di mana roket itu terbang paling tinggi. Jika anda menambah lebih banyak bahan api, jisim roket akan menariknya ke bawah. Jika kurang - bahan api tamat lebih awal.

Jurutera juga dengan cepat menyedari bahawa jika kita ingin menambah lebih banyak bahan api, maka daya tarikan juga mesti lebih besar. Terdapat beberapa pilihan untuk meningkatkan julat penerbangan:

• meningkatkan kecekapan enjin supaya kehilangan bahan api adalah minimum (muncung Laval)
• meningkatkan impuls spesifik bahan api supaya daya tujahan lebih besar untuk jisim bahan api yang sama

Walaupun jurutera sentiasa bergerak ke hadapan, hampir keseluruhan jisim kapal diambil oleh bahan api. Oleh kerana selain bahan api, anda ingin menghantar sesuatu yang berguna ke angkasa, keseluruhan laluan roket dikira dengan teliti, dan yang paling minimum dimasukkan ke dalam roket. Pada masa yang sama, mereka secara aktif menggunakan bantuan graviti badan angkasa dan daya empar. Selepas menyelesaikan misi, angkasawan tidak berkata: "Kawan-kawan, masih ada sedikit bahan api dalam tangki, mari terbang ke Venus."

Tetapi bagaimana untuk menentukan berapa banyak bahan api yang diperlukan supaya roket tidak jatuh ke lautan dengan tangki kosong, tetapi terbang ke Marikh?

Kelajuan angkasa kedua

Kanak-kanak juga cuba membuat roket terbang lebih tinggi. Mereka juga mendapat buku teks mengenai aerodinamik, membaca tentang persamaan Navier-Stokes, tetapi tidak memahami apa-apa dan hanya memasang hidung tajam pada roket.

Lelaki tua mereka yang dikenali Hottabych berlalu dan bertanya apa yang mereka sedihkan.

- Eh, datuk, jika kita mempunyai roket dengan bahan api yang tidak terhingga dan jisim yang rendah, ia mungkin akan terbang ke bangunan pencakar langit, atau bahkan ke puncak gunung.

- Tidak mengapa, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych menjawab, menarik rambut terakhir, - biarkan roket ini tidak pernah kehabisan bahan bakar.

Kanak-kanak yang gembira melancarkan roket dan menunggu ia kembali ke bumi. Roket itu terbang ke kedua-dua bangunan pencakar langit dan ke puncak gunung, tetapi tidak berhenti dan terbang lebih jauh sehingga ia hilang dari pandangan. Jika anda melihat ke masa depan, maka roket ini meninggalkan bumi, terbang keluar dari sistem suria, galaksi kita dan terbang pada kelajuan cahaya matahari untuk menakluki keluasan alam semesta.

Kanak-kanak tertanya-tanya bagaimana roket kecil mereka boleh terbang sejauh ini. Lagipun, di sekolah mereka mengatakan bahawa untuk tidak jatuh kembali ke Bumi, kelajuannya harus tidak kurang daripada kelajuan kosmik kedua (11, 2 km / s). Bolehkah roket kecil mereka mencapai kelajuan itu?

Tetapi ibu bapa kejuruteraan mereka menjelaskan bahawa jika roket mempunyai bekalan bahan api yang tidak terhingga, maka ia boleh terbang ke mana-mana jika tujahan lebih besar daripada daya graviti dan daya geseran. Memandangkan roket itu mampu berlepas, daya tujahan adalah mencukupi, dan di ruang terbuka ia lebih mudah.

Kelajuan kosmik kedua bukanlah kelajuan yang sepatutnya dimiliki oleh roket. Ini adalah kelajuan di mana bola mesti dibaling dari permukaan tanah supaya ia tidak kembali kepadanya. Roket, tidak seperti bola, mempunyai enjin. Baginya, bukan kelajuan yang penting, tetapi jumlah dorongan.

Perkara yang paling sukar untuk roket adalah untuk mengatasi bahagian awal laluan. Pertama, graviti permukaan lebih kuat. Kedua, Bumi mempunyai atmosfera yang padat di mana ia sangat panas untuk terbang pada kelajuan sedemikian. Dan enjin roket jet berfungsi lebih teruk di dalamnya daripada dalam vakum. Oleh itu, mereka terbang sekarang dengan roket berbilang peringkat: peringkat pertama menggunakan bahan apinya dengan cepat dan dipisahkan, dan kapal ringan terbang menggunakan enjin lain.

Konstantin Tsiolkovsky memikirkan masalah ini untuk masa yang lama, dan mencipta lif angkasa (kembali pada tahun 1895). Kemudian, sudah tentu, mereka mentertawakannya. Walau bagaimanapun, mereka mentertawakannya kerana roket, dan satelit, dan stesen orbit, dan secara amnya menganggapnya keluar dari dunia ini: "Kami belum mencipta kereta sepenuhnya di sini, tetapi dia akan pergi ke angkasa."

Kemudian para saintis memikirkannya dan masuk ke dalamnya, roket terbang, melancarkan satelit, membina stesen orbit, di mana orang ramai dihuni. Tiada siapa yang mentertawakan Tsiolkovsky lagi; sebaliknya, dia sangat dihormati. Dan apabila mereka menemui nanotube graphene yang sangat kuat, mereka serius memikirkan "tangga ke syurga."

Mengapa satelit tidak jatuh ke bawah?

Semua orang tahu tentang daya sentrifugal. Jika anda cepat memutar bola pada tali, ia tidak jatuh ke tanah. Mari cuba putar bola dengan cepat, dan kemudian perlahankan kelajuan putaran secara beransur-ansur. Pada satu ketika, ia akan berhenti berputar dan jatuh. Ini akan menjadi kelajuan minimum di mana daya emparan akan mengimbangi graviti bumi. Jika anda memutar bola dengan lebih cepat, tali akan lebih meregang (dan pada satu ketika ia akan putus).

Terdapat juga "tali" antara Bumi dan satelit - graviti. Tetapi tidak seperti tali biasa, ia tidak boleh ditarik. Jika anda "memusingkan" satelit lebih pantas daripada yang diperlukan, ia akan "terlepas" (dan pergi ke orbit elips, atau terbang jauh). Semakin dekat satelit dengan permukaan bumi, semakin cepat ia perlu "dipusingkan". Bola pada tali pendek juga berputar lebih cepat daripada pada tali panjang.

Adalah penting untuk diingat bahawa kelajuan orbit (linear) satelit bukanlah kelajuan berbanding dengan permukaan bumi. Jika ditulis kelajuan orbit satelit ialah 3.07 km/s, ini tidak bermakna ia berlegar di atas permukaan seperti gila. Kelajuan orbit titik di khatulistiwa bumi, dengan cara itu, adalah 465 m / s (bumi berputar, seperti yang didakwa Galileo yang degil).

Sebenarnya, untuk bola pada tali dan untuk satelit, bukan halaju linear dikira, tetapi halaju sudut (berapa banyak pusingan sesaat yang dibuat oleh badan).

Ternyata jika anda menjumpai orbit sedemikian sehingga halaju sudut satelit dan permukaan bumi bertepatan, satelit akan tergantung pada satu titik di permukaan. Orbit sedemikian ditemui, dan ia dipanggil orbit geostasioner (GSO). Satelit tergantung tidak bergerak di atas khatulistiwa, dan orang ramai tidak perlu memusingkan plat mereka dan "menangkap isyarat".

Batang kacang

Tetapi bagaimana jika anda menurunkan tali dari satelit sedemikian ke tanah, kerana ia tergantung pada satu titik? Pasangkan beban pada hujung satelit yang lain, daya emparan akan meningkat dan akan menahan kedua-dua satelit dan tali. Lagipun, bola tidak jatuh jika anda memutarnya dengan baik. Kemudian adalah mungkin untuk mengangkat beban di sepanjang tali ini terus ke orbit, dan melupakan, seperti mimpi ngeri, roket berbilang peringkat, memakan bahan api dalam kiloton pada kapasiti tampung yang rendah.

Kelajuan pergerakan dalam atmosfera kargo akan menjadi kecil, yang bermaksud bahawa ia tidak akan panas, tidak seperti roket. Dan kurang tenaga diperlukan untuk mendaki, kerana terdapat titik tumpu.

Masalah utama ialah berat tali. Orbit geostasioner Bumi adalah 35 ribu kilometer jauhnya. Jika anda meregangkan garis keluli dengan diameter 1 mm ke orbit geopegun, jisimnya ialah 212 tan (dan ia perlu ditarik lebih jauh untuk mengimbangi lif dengan daya emparan). Pada masa yang sama, ia mesti menahan beratnya sendiri dan berat beban.

Nasib baik, dalam kes ini, ada yang membantu sedikit, yang mana guru fizik sering memarahi pelajar: berat dan berat adalah dua perkara yang berbeza. Semakin jauh kabel terbentang dari permukaan bumi, semakin banyak ia kehilangan beratnya. Walaupun nisbah kekuatan-ke-berat tali masih harus besar.

Dengan tiub nano karbon, jurutera mempunyai harapan. Sekarang ini adalah teknologi baharu, dan kita belum boleh memutarkan tiub ini menjadi tali yang panjang. Dan tidak mungkin untuk mencapai kekuatan reka bentuk maksimum mereka. Tetapi siapa tahu apa yang akan berlaku seterusnya?