Earth Escape Plan: מדריך קצר ליציאה ממסלול

2024 מְחַבֵּר: Seth Attwood | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 16:05

לאחרונה על Habré היו חדשות על בנייה מתוכננת של מעלית חלל. עבור רבים, זה נראה כמו משהו פנטסטי ובלתי ייאמן, כמו טבעת ענקית מהילה או כדור דייסון. אבל העתיד קרוב יותר ממה שהוא נראה, גרם מדרגות לגן עדן הוא בהחלט אפשרי, ואולי אפילו נראה אותו בימי חיינו.

עכשיו אנסה להראות למה אנחנו לא יכולים ללכת לקנות כרטיס כדור הארץ-ירח במחיר של כרטיס מוסקבה-פיטר, איך המעלית תעזור לנו ובמה היא תחזיק כדי לא לקרוס ארצה.

כבר מתחילת התפתחות הרקטות, הדלק היה כאב ראש למהנדסים. גם ברקטות המתקדמות ביותר, הדלק תופס כ-98% ממסת הספינה.

אם אנחנו רוצים לתת לאסטרונאוטים על ה-ISS שקית ג'ינג'ר במשקל 1 קילוגרם, אז זה ידרוש, באופן גס, 100 קילוגרם של דלק רקטי. רכב השיגור הוא חד פעמי ויחזור לכדור הארץ רק בצורה של פסולת שרופה. מתקבלים ג'ינג'ר יקרים. מסת הספינה מוגבלת, מה שאומר שהמטען עבור שיגור אחד מוגבל בהחלט. ולכל השקה יש מחיר.

מה אם נרצה לטוס לאנשהו מעבר למסלול הקרוב לכדור הארץ?

מהנדסים מכל העולם ישבו והתחילו לחשוב: איך צריכה להיות חללית כדי לקחת עליה יותר ולטוס עליה הלאה?

לאן תעוף הרקטה?

בזמן שהמהנדסים חשבו, ילדיהם מצאו איפשהו מלח וקרטון והחלו לייצר רקטות צעצוע. טילים כאלה לא הגיעו לגגות של בניינים רבי קומות, אבל הילדים היו מרוצים. ואז עלתה בראש המחשבה החכמה ביותר: "בוא נדחוף עוד מלח לטיל, והוא יעוף גבוה יותר".

אבל הרקטה לא עפה גבוה יותר, מכיוון שהיא הפכה כבדה מדי. היא אפילו לא הצליחה לעלות לאוויר. לאחר כמה ניסויים, הילדים מצאו את כמות המלח האופטימלית שבה הרקטה עפה הכי הרבה. אם מוסיפים עוד דלק, מסת הרקטה מושכת אותו למטה. אם פחות - הדלק מסתיים מוקדם יותר.

המהנדסים גם הבינו מהר שאם אנחנו רוצים להוסיף עוד דלק, אז גם כוח המתיחה חייב להיות גדול יותר. ישנן מספר אפשרויות להגדלת טווח הטיסה:

• להגביר את יעילות המנוע כך שהפסדי הדלק יהיו מינימליים (זרבובית Laval)
• להגדיל את הדחף הספציפי של הדלק כך שכוח הדחף יהיה גדול יותר עבור אותה מסת דלק

למרות שהמהנדסים נעים כל הזמן קדימה, כמעט כל מסת הספינה נלקחת בדלק. מכיוון שמלבד דלק, אתה רוצה לשלוח משהו שימושי לחלל, כל הנתיב של הרקטה מחושב בקפידה, והמינימום מאוד מוכנס לתוך הרקטה. במקביל, הם משתמשים באופן פעיל בעזרת הכבידה של גרמי שמים וכוחות צנטריפוגליים. לאחר השלמת המשימה, האסטרונאוטים לא אומרים: "חבר'ה, עדיין יש מעט דלק במיכל, בוא נטוס לנוגה".

אבל איך לקבוע כמה דלק צריך כדי שהטיל לא ייפול לים עם מיכל ריק, אלא תטוס למאדים?

מהירות חלל שניה

הילדים גם ניסו לגרום לרקטה לעוף גבוה יותר. הם אפילו תפסו ספר לימוד באווירודינמיקה, קראו על משוואות Navier-Stokes, אבל לא הבינו כלום ופשוט חיברו אף חד לטיל.

הזקן המוכר שלהם הוטביץ' עבר במקום ושאל על מה החבר'ה עצובים.

- אה, סבא, אם הייתה לנו רקטה עם דלק אינסופי ומסה נמוכה, היא כנראה הייתה טסה לגורד שחקים, או אפילו לראשו של הר.

– אין זה משנה, קוסטיה-אבן-אדוארד, – ענה הוטביץ’, מוציא את השער האחרון, – תנו לטיל הזה לעולם לא יגמר הדלק.

הילדים הצוהלים שיגרו רקטה וחיכו שתחזור לכדור הארץ. הרקטה טסה גם לגורד השחקים וגם לראש ההר, אך לא עצרה ועפה עוד עד שנעלמה מהעין.אם אתה מסתכל אל העתיד, אז הרקטה הזו עזבה את כדור הארץ, עפה ממערכת השמש, הגלקסיה שלנו וטסה במהירות תת אור כדי לכבוש את מרחבי היקום.

הילדים תהו איך הרקטה הקטנה שלהם יכולה לעוף כל כך רחוק. אחרי הכל, בבית הספר אמרו שכדי לא ליפול בחזרה לכדור הארץ, המהירות צריכה להיות לא פחות מהמהירות הקוסמית השנייה (11, 2 קמ ש). האם הרקטה הקטנה שלהם יכולה להגיע למהירות הזו?

אבל ההורים ההנדסיים שלהם הסבירו שאם לטיל יש אספקה אינסופית של דלק, אז הוא יכול לעוף לכל מקום אם הדחף גדול מכוחות הכבידה וכוחות החיכוך. מכיוון שהטיל מסוגל להמריא, כוח הדחף מספיק, ובשטח פתוח זה אפילו יותר קל.

המהירות הקוסמית השנייה היא לא המהירות שצריכה להיות לטיל. זוהי המהירות שבה יש לזרוק את הכדור מעל פני הקרקע כדי שלא יחזור אליו. לטיל, בניגוד לכדור, יש מנועים. מבחינתה, לא המהירות חשובה, אלא הדחף הכולל.

הדבר הקשה ביותר עבור רקטה הוא להתגבר על הקטע הראשוני של השביל. ראשית, כוח הכבידה על פני השטח חזק יותר. שנית, לכדור הארץ יש אטמוספירה צפופה שבה חם מאוד לטוס במהירויות כאלה. ומנועי רקטות סילון עובדים בו גרוע יותר מאשר בוואקום. לכן, הם טסים כעת על רקטות רב-שלביות: השלב הראשון צורך במהירות את הדלק שלו ומופרד, והספינה הקלה טסה על מנועים אחרים.

קונסטנטין ציולקובסקי חשב על בעיה זו במשך זמן רב, והמציא את מעלית החלל (עוד ב-1895). ואז, כמובן, צחקו עליו. עם זאת, הם צחקו עליו בגלל הרקטה, והלוויין, ותחנות המסלול, ובאופן כללי חשבו שהוא לא מהעולם הזה: "עדיין לא המצאנו כאן מכוניות במלואן, אבל הוא יוצא לחלל".

ואז המדענים חשבו על זה ונכנסו לתוכו, רקטה עפה, שיגרה לוויין, בנו תחנות מסלוליות, שבהן אנשים היו מאוכלסים. אף אחד כבר לא צוחק על ציולקובסקי, להיפך, הוא זוכה לכבוד רב. וכאשר גילו ננו-צינורות גרפן חזקים במיוחד, הם חשבו ברצינות על "המדרגות לגן עדן".

למה הלוויינים לא נופלים?

כולם יודעים על כוח צנטריפוגלי. אם אתה מסובב במהירות את הכדור על החוט, הוא לא נופל על הקרקע. בואו ננסה לסובב את הכדור במהירות, ולאחר מכן להאט בהדרגה את מהירות הסיבוב. בשלב מסוים, הוא יפסיק להסתובב ויפול. זו תהיה המהירות המינימלית שבה הכוח הצנטריפוגלי יאזן את כוח המשיכה של כדור הארץ. אם תסובב את הכדור מהר יותר, החבל יימתח יותר (ובשלב מסוים הוא ישבר).

יש גם "חבל" בין כדור הארץ ללוויינים - כוח הכבידה. אבל בניגוד לחבל רגיל, אי אפשר למשוך אותו. אם "תסובב" את הלוויין מהר מהנדרש, הוא "יירד" (וייכנס למסלול אליפטי, או אפילו יטוס משם). ככל שהלוויין קרוב יותר לפני השטח של כדור הארץ, כך צריך "להפוך אותו" מהר יותר. הכדור על חבל קצר מסתובב גם מהר יותר מאשר על חבל ארוך.

חשוב לזכור שמהירות המסלול (הליניארית) של לוויין אינה מהירות ביחס לפני כדור הארץ. אם כתוב שמהירות המסלול של לוויין היא 3.07 קמ ש, זה לא אומר שהוא מרחף על פני השטח כמו משוגע. מהירות ההקפה של נקודות על קו המשווה של כדור הארץ, אגב, היא 465 מ' לשנייה (כדור הארץ מסתובב, כפי שטען גלילאו העקשן).

למעשה, עבור כדור על מיתר ועבור לוויין, לא מחושבות מהירויות ליניאריות, אלא מהירויות זוויתיות (כמה סיבובים בשנייה הגוף עושה).

מסתבר שאם תמצא מסלול כזה שמהירויות הזוויתיות של הלוויין ומשטח כדור הארץ יתאימו, הלוויין יתלה מעל נקודה אחת על פני השטח. מסלול כזה נמצא, והוא נקרא המסלול הגיאוסטציונרי (GSO). הלוויינים תלויים ללא תנועה מעל קו המשווה, ואנשים לא צריכים לסובב את הצלחות שלהם ו"לתפוס את האות".

גזע שעועית

אבל מה אם תורידו חבל מלווין כזה לקרקע, כי הוא תלוי מעל נקודה אחת? חבר עומס לקצה השני של הלוויין, הכוח הצנטריפוגלי יגדל ויחזיק גם את הלוויין וגם את החבל. אחרי הכל, הכדור לא נופל אם מסובבים אותו היטב.אז אפשר יהיה להרים משאות לאורך החבל הזה ישירות למסלול, ולשכוח, כמו סיוט, רקטות רב-שלביות, זוללות דלק בקילוטון בכושר נשיאה נמוך.

מהירות התנועה באטמוספירה של המטען תהיה קטנה, מה שאומר שהוא לא יתחמם, בניגוד לרקטה. ופחות אנרגיה נדרשת כדי לטפס, שכן יש נקודת משען.

הבעיה העיקרית היא משקל החבל. המסלול הגיאוסטציונרי של כדור הארץ נמצא במרחק של 35 אלף קילומטרים. אם מותחים קו פלדה בקוטר של 1 מ מ למסלול הגיאוסטציונרי, המסה שלו תהיה 212 טון (וצריך למשוך אותו הרבה יותר כדי לאזן את העילוי בכוח צנטריפוגלי). יחד עם זאת, עליו לעמוד במשקל שלו ובמשקל העומס.

למרבה המזל, במקרה הזה, משהו עוזר מעט, שבגללו מורים לפיזיקה נוזפים בתלמידים לעתים קרובות: משקל ומשקל הם שני דברים שונים. ככל שהכבל נמתח יותר משטח כדור הארץ, כך הוא יורד במשקלו. למרות שיחס החוזק למשקל של החבל עדיין צריך להיות עצום.

עם ננו-צינורות פחמן, למהנדסים יש תקווה. עכשיו זו טכנולוגיה חדשה, ואנחנו עדיין לא יכולים לסובב את הצינורות האלה לחבל ארוך. ולא ניתן להשיג את החוזק העיצובי המקסימלי שלהם. אבל מי יודע מה יקרה אחר כך?