Plan bijega od Zemlje: Kratak vodič za izvan orbite

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja promjena: 2023-12-16 16:06

Nedavno se na Habréu pojavila vijest o planiranoj izgradnji svemirskog dizala. Mnogima se to činilo kao nešto fantastično i nevjerojatno, poput ogromnog prstena iz Haloa ili Dysonove sfere. Ali budućnost je bliža nego što se čini, stepenice u nebo su sasvim moguće, a možda ćemo ga i vidjeti za života.

Sada ću pokušati pokazati zašto ne možemo otići i kupiti kartu Zemlja-Mjesec po cijeni karte Moskva-Petar, kako će nam lift pomoći i za što će se držati da se ne sruši na tlo.

Od samog početka razvoja raketne tehnike, gorivo je bilo glavobolja inženjera. Čak i u najnaprednijim raketama gorivo zauzima oko 98% mase broda.

Ako želimo astronautima na ISS-u dati vrećicu medenjaka od 1 kilograma, onda će za to biti potrebno, grubo rečeno, 100 kilograma raketnog goriva. Nosilica je jednokratna i vratit će se na Zemlju samo u obliku spaljenih krhotina. Dobivaju se skupi medenjaci. Masa broda je ograničena, što znači da je nosivost za jedno lansiranje strogo ograničena. A svako lansiranje ima svoju cijenu.

Što ako želimo letjeti negdje izvan orbite blizu Zemlje?

Inženjeri iz cijelog svijeta su sjeli i počeli razmišljati: kakav bi trebao biti svemirski brod da bi mogao više na njemu i dalje letjeti?

Gdje će letjeti raketa?

Dok su inženjeri razmišljali, njihova su djeca negdje pronašla salitru i karton i počela izrađivati rakete igračke. Takvi projektili nisu stigli do krovova visokih zgrada, ali djeca su bila sretna. Tada mi je pala na pamet najpametnija misao: "gurnimo još salitre u raketu, pa će letjeti više".

Ali raketa nije poletjela više, jer je postala preteška. Nije se mogla ni podići u zrak. Nakon pokusa, djeca su pronašla optimalnu količinu salitre pri kojoj raketa leti najviše. Ako dodate još goriva, masa rakete ga povlači prema dolje. Ako manje - gorivo završava ranije.

Inženjeri su također brzo shvatili da ako želimo dodati više goriva, onda i vučna sila mora biti veća. Postoji nekoliko opcija za povećanje dometa leta:

• povećati učinkovitost motora tako da su gubici goriva minimalni (Laval mlaznica)
• povećati specifični impuls goriva tako da je sila potiska veća za istu masu goriva

Iako inženjeri neprestano idu naprijed, gotovo cijelu masu broda zauzima gorivo. Budući da osim goriva želite poslati i nešto korisno u svemir, cijeli se put rakete pomno izračunava, a u raketu se stavlja samo minimum. Istodobno, aktivno koriste gravitacijsku pomoć nebeskih tijela i centrifugalnih sila. Nakon završene misije, astronauti ne govore: "Dečki, ima još malo goriva u spremniku, letimo na Veneru."

Ali kako odrediti koliko je goriva potrebno da raketa ne padne u ocean s praznim spremnikom, već odleti na Mars?

Druga svemirska brzina

Djeca su također pokušala natjerati raketu da poleti više. Čak su se dočepali udžbenika aerodinamike, čitali o Navier-Stokesovim jednadžbama, ali nisu ništa razumjeli i jednostavno su pričvrstili oštar nos na raketu.

Prošao je njihov poznati starac Hottabych i upitao zbog čega su dečki tužni.

- Eh, dide, da imamo raketu s beskonačnim gorivom i malom masom, vjerojatno bi odletjela do nebodera, ili čak do samog vrha planine.

- Nema veze, Kostya-ibn-Eduarde, - odgovori Hottabych, čupajući zadnju kosu, - neka ova raketa nikada ne ostane bez goriva.

Radosna djeca lansirala su raketu i čekala da se vrati na zemlju. Raketa je doletjela i do nebodera i do vrha planine, ali se nije zaustavila i letjela je dalje sve dok nije nestala iz vidokruga. Ako pogledate u budućnost, onda je ova raketa napustila Zemlju, izletjela iz Sunčevog sustava, naše galaksije i poletjela podsvjetlosnom brzinom kako bi osvojila prostranstvo svemira.

Djeca su se pitala kako njihova mala raketa može doletjeti tako daleko. Uostalom, u školi su rekli da brzina ne bi trebala biti manja od druge kozmičke brzine (11,2 km/s), kako ne bi pali natrag na Zemlju. Može li njihova mala raketa dostići tu brzinu?

Ali njihovi roditelji inženjeri objasnili su da ako raketa ima beskonačnu zalihu goriva, onda može letjeti bilo gdje ako je potisak veći od gravitacijskih sila i sila trenja. Budući da je raketa sposobna uzlijetati, sila potiska je dovoljna, a na otvorenom prostoru još lakše.

Druga kozmička brzina nije brzina koju bi raketa trebala imati. Ovo je brzina kojom se lopta mora baciti s površine tla kako se ne bi vratila na nju. Raketa, za razliku od lopte, ima motore. Za nju nije bitna brzina, već ukupni impuls.

Najteže za raketu je svladati početni dio puta. Prvo, površinska gravitacija je jača. Drugo, Zemlja ima gustu atmosferu u kojoj je vrlo vruće letjeti takvim brzinama. A mlazni raketni motori u njemu rade lošije nego u vakuumu. Stoga sada lete na višestupanjskim raketama: prva faza brzo troši gorivo i odvaja se, a lagani brod leti na drugim motorima.

Konstantin Tsiolkovsky je dugo razmišljao o ovom problemu i izumio svemirsko dizalo (daleke 1895.). Onda su mu se, naravno, smijali. Međutim, smijali su mu se i zbog rakete, i satelita, i orbitalnih stanica, i općenito su ga smatrali izvan ovoga svijeta: "Ovdje još nismo u potpunosti izmislili automobile, ali on ide u svemir."

Tada su znanstvenici razmišljali o tome i ušli u to, poletjela je raketa, lansirala satelit, izgradila orbitalne stanice, u kojima su ljudi bili naseljeni. Ciolkovskom se više nitko ne smije, naprotiv, jako ga poštuju. A kada su otkrili super-jake nanocijevi od grafena, ozbiljno su razmišljali o "stepenicama u raj".

Zašto sateliti ne padnu?

Svi znaju za centrifugalnu silu. Ako brzo zavrtite loptu na tetivi, ona ne pada na tlo. Pokušajmo brzo okretati loptu, a zatim postupno usporiti brzinu rotacije. U nekom trenutku će se prestati vrtjeti i pasti. Ovo će biti minimalna brzina pri kojoj će centrifugalna sila biti protuteža Zemljinoj gravitaciji. Ako lopticu zavrtite brže, uže će se više rastegnuti (i u nekom trenutku će puknuti).

Između Zemlje i satelita postoji i “uže” – gravitacija. Ali za razliku od običnog užeta, ne može se povući. Ako satelit "zavrtite" brže nego što je potrebno, on će se "otpasti" (i otići u eliptičnu orbitu, ili čak odletjeti). Što je satelit bliži površini zemlje, brže ga treba "okrenuti". Lopta na kratkom užetu također se vrti brže nego na dugom.

Važno je zapamtiti da orbitalna (linearna) brzina satelita nije brzina u odnosu na Zemljinu površinu. Ako je napisano da je orbitalna brzina satelita 3,07 km/s, to ne znači da on kao lud lebdi nad površinom. Usput, orbitalna brzina točaka na ekvatoru zemlje je 465 m/s (Zemlja se rotira, kako je tvrdio tvrdoglavi Galileo).

Zapravo, za loptu na niti i za satelit ne računaju se linearne brzine, već kutne brzine (koliko okretaja u sekundi napravi tijelo).

Ispada da ako nađete orbitu takvu da se kutne brzine satelita i zemljine površine poklapaju, satelit će visjeti iznad jedne točke na površini. Takva orbita je pronađena, a zove se geostacionarna orbita (GSO). Sateliti nepomično vise nad ekvatorom, a ljudi ne moraju okretati ploče i "hvatati signal".

Stabljika graha

Ali što ako spustite uže s takvog satelita na samo tlo, jer visi preko jedne točke? Pričvrstite teret na drugi kraj satelita, centrifugalna sila će se povećati i zadržat će i satelit i uže. Uostalom, lopta ne pada ako je dobro zavrtite. Tada će biti moguće dizati terete duž ovog užeta izravno u orbitu, a zaboraviti, poput noćne more, višestupanjske rakete, koje pri maloj nosivosti proždiru gorivo u kilotonima.

Brzina kretanja u atmosferi tereta bit će mala, što znači da se neće zagrijavati, za razliku od rakete. A za penjanje je potrebno manje energije, budući da postoji uporište.

Glavni problem je težina užeta. Geostacionarna orbita Zemlje udaljena je 35 tisuća kilometara. Protegnete li čeličnu liniju promjera 1 mm do geostacionarne orbite, njezina će masa biti 212 tona (i treba je povući mnogo dalje kako bi uravnotežili uzgonu centrifugalnom silom). Istodobno, mora izdržati vlastitu težinu i težinu tereta.

Srećom, u ovom slučaju nešto malo pomaže, za što profesori fizike često grde učenike: težina i težina su dvije različite stvari. Što se kabel dalje proteže od površine zemlje, to više gubi na težini. Iako bi omjer snage i težine užeta ipak trebao biti ogroman.

S ugljičnim nanocijevima, inženjeri imaju nadu. Sada je ovo nova tehnologija i još ne možemo ove cijevi uvrnuti u dugačko uže. I nije moguće postići njihovu maksimalnu konstrukcijsku snagu. Ali tko zna što će se sljedeće dogoditi?