Earth Escape Plan: 'n Kort gids vir Out of Orbit

2024 Outeur: Seth Attwood | [email protected]. Laas verander: 2023-12-16 15:56

Onlangs was daar op Habré nuus oor die beplande bou van 'n ruimtehysbak. Vir baie het dit na iets fantasties en ongelooflik gelyk, soos 'n groot ring van Halo of 'n Dyson-sfeer. Maar die toekoms is nader as wat dit lyk, 'n trap na die hemel is heel moontlik, en miskien sal ons dit selfs in ons leeftyd sien.

Nou sal ek probeer wys hoekom ons nie 'n Aarde-Maan-kaartjie teen die prys van 'n Moskou-Peter-kaartjie kan gaan koop nie, hoe die hysbak ons sal help en waaraan dit sal vashou om nie op die grond in te stort nie.

Van die heel begin van die ontwikkeling van vuurpyle was brandstof 'n kopseer vir ingenieurs. Selfs in die mees gevorderde vuurpyle beslaan brandstof ongeveer 98% van die skip se massa.

As ons vir die ruimtevaarders op die ISS 'n sak gemmerbrood wil gee wat 1 kilogram weeg, sal dit rofweg 100 kilogram vuurpylbrandstof verg. Die lanseervoertuig is weggooibaar en sal slegs in die vorm van verbrande puin na die aarde terugkeer. Duur gemmerbroodjies word verkry. Die massa van die skip is beperk, wat beteken dat die loonvrag vir een lansering streng beperk is. En elke bekendstelling het 'n prys.

Wat as ons iewers anderkant die naby-aarde-baan wil vlieg?

Ingenieurs van regoor die wêreld het gaan sit en begin dink: hoe moet 'n ruimteskip wees om meer aan hom te vat en verder daarop te vlieg?

Waarheen sal die vuurpyl vlieg?

Terwyl die ingenieurs gedink het, het hul kinders iewers salpeter en karton gekry en speelgoedvuurpyle begin maak. Sulke missiele het nie die dakke van hoë geboue bereik nie, maar die kinders was gelukkig. Toe kom die slimste gedagte by my op: "kom ons druk nog salpeter in die vuurpyl, en dit sal hoër vlieg."

Maar die vuurpyl het nie hoër gevlieg nie, want dit het te swaar geword. Sy kon nie eers in die lug opkom nie. Na 'n paar eksperimentering het die kinders die optimale hoeveelheid salpeter gevind waarteen die vuurpyl die hoogste vlieg. As jy meer brandstof byvoeg, trek die massa van die vuurpyl dit af. Indien minder - brandstof eindig vroeër.

Die ingenieurs het ook vinnig besef dat as ons meer brandstof wil byvoeg, dan moet die trekkrag ook groter wees. Daar is min opsies om die vlugreeks te vergroot:

• verhoog enjindoeltreffendheid sodat brandstofverliese minimaal is (Laval-spuitstuk)
• verhoog die spesifieke impuls van die brandstof sodat die stootkrag groter is vir dieselfde brandstofmassa

Alhoewel ingenieurs voortdurend vorentoe beweeg, word byna die hele massa van die skip deur brandstof opgeneem. Aangesien jy buiten brandstof iets nuttigs in die ruimte wil stuur, word die hele pad van die vuurpyl noukeurig bereken, en die heel minimum word in die vuurpyl geplaas. Terselfdertyd gebruik hulle aktief die gravitasiehulp van hemelliggame en sentrifugale kragte. Nadat die missie voltooi is, sê die ruimtevaarders nie: "Ouens, daar is nog 'n bietjie brandstof in die tenk, kom ons vlieg na Venus."

Maar hoe om te bepaal hoeveel brandstof benodig word sodat die vuurpyl nie met 'n leë tenk in die see val nie, maar na Mars vlieg?

Tweede ruimte spoed

Die kinders het ook probeer om die vuurpyl hoër te laat vlieg. Hulle het selfs’n handboek oor aerodinamika in die hande gekry, oor die Navier-Stokes-vergelykings gelees, maar niks verstaan nie en bloot’n skerp neus aan die vuurpyl vasgemaak.

Hul bekende ou Hottabych het verbygekom en gevra waaroor die ouens hartseer is.

- Eh, oupa, as ons 'n vuurpyl gehad het met oneindige brandstof en lae massa, sou dit waarskynlik na 'n wolkekrabber gevlieg het, of selfs tot heel bo op 'n berg.

- Dit maak nie saak nie, Kostya-ibn-Eduard, - antwoord Hottabych en trek die laaste hare uit, - laat hierdie vuurpyl nooit sonder brandstof opraak nie.

Die vreugdevolle kinders het 'n vuurpyl gelanseer en gewag dat dit terugkeer aarde toe. Die vuurpyl het sowel na die wolkekrabber as na die top van die berg gevlieg, maar het nie gestop nie en verder gevlieg totdat dit uit die oog verdwyn het. As jy in die toekoms kyk, dan het hierdie vuurpyl die aarde verlaat, uit die sonnestelsel, ons sterrestelsel, gevlieg en teen subligspoed gevlieg om die uitgestrektheid van die heelal te verower.

Die kinders het gewonder hoe hul klein vuurpyl so ver kon vlieg. Op skool het hulle immers gesê dat om nie terug te val aarde toe nie, die spoed nie minder as die tweede kosmiese spoed (11, 2 km/s) moet wees nie. Kan hul klein vuurpyl daardie spoed bereik?

Maar hul ingenieursouers het verduidelik dat as 'n vuurpyl 'n oneindige voorraad brandstof het, dit enige plek kan vlieg as die stukrag groter is as gravitasiekragte en wrywingskragte. Aangesien die vuurpyl in staat is om op te styg, is die stootkrag voldoende, en in oop ruimte is dit selfs makliker.

Die tweede kosmiese spoed is nie die spoed wat 'n vuurpyl moet hê nie. Dit is die spoed waarteen die bal van die oppervlak van die grond af gegooi moet word sodat dit nie daarheen terugkeer nie.’n Vuurpyl, anders as’n bal, het enjins. Vir haar is dit nie spoed wat belangrik is nie, maar die totale impuls.

Die moeilikste ding vir 'n vuurpyl is om die aanvanklike gedeelte van die pad te oorkom. Eerstens is oppervlakswaartekrag sterker. Tweedens het die Aarde 'n digte atmosfeer waarin dit baie warm is om teen sulke spoed te vlieg. En straalvuurpylmotors werk slegter daarin as in 'n vakuum. Daarom vlieg hulle nou op multi-stadium vuurpyle: die eerste fase verbruik vinnig sy brandstof en word geskei, en die liggewig skip vlieg op ander enjins.

Konstantin Tsiolkovsky het lank oor hierdie probleem gedink en die ruimtehysbak uitgevind (terug in 1895). Dan het hulle natuurlik vir hom gelag. Hulle het egter vir hom gelag weens die vuurpyl, en die satelliet, en die wentelbaanstasies, en het hom oor die algemeen as uit hierdie wêreld beskou: "Ons het nog nie volledig motors hier uitgevind nie, maar hy gaan die ruimte in."

Toe dink die wetenskaplikes daaroor en klim daarin, 'n vuurpyl het gevlieg, 'n satelliet gelanseer, wentelstasies gebou waarin mense bevolk is. Niemand lag meer vir Tsiolkovsky nie, inteendeel, hy word baie gerespekteer. En toe hulle supersterk grafeen-nanobuise ontdek het, het hulle ernstig aan die "trap na die hemel" gedink.

Hoekom val die satelliete nie neer nie?

Almal weet van sentrifugale krag. As jy die bal vinnig op die tou draai, val dit nie op die grond nie. Kom ons probeer om die bal vinnig te laat draai, en dan die rotasiespoed geleidelik vertraag. Op 'n stadium sal dit ophou draai en val. Dit sal die minimum spoed wees waarteen sentrifugale krag die aarde se swaartekrag sal teenweeg. As jy die bal vinniger tol, sal die tou meer rek (en op 'n stadium sal dit breek).

Daar is ook 'n "tou" tussen die Aarde en die satelliete - swaartekrag. Maar anders as 'n gewone tou, kan dit nie getrek word nie. As jy die satelliet vinniger "spin" as wat nodig is, sal dit "afkom" (en in 'n elliptiese wentelbaan gaan, of selfs wegvlieg). Hoe nader die satelliet aan die oppervlak van die aarde is, hoe vinniger moet dit "gedraai" word. Die bal aan 'n kort tou tol ook vinniger as op 'n lang.

Dit is belangrik om te onthou dat die baan (lineêre) spoed van 'n satelliet nie spoed relatief tot die aarde se oppervlak is nie. As daar geskryf word dat die baanspoed van 'n satelliet 3,07 km/s is, beteken dit nie dat dit soos 'n besetene oor die oppervlak sweef nie. Die wentelspoed van punte op die ewenaar van die aarde is terloops 465 m/s (die aarde draai, soos die hardnekkige Galileo beweer het).

Trouens, vir 'n bal aan 'n tou en vir 'n satelliet word nie lineêre snelhede bereken nie, maar hoeksnelhede (hoeveel omwentelinge per sekonde maak die liggaam).

Dit blyk dat as jy 'n wentelbaan vind sodat die hoeksnelhede van die satelliet en die aarde se oppervlak saamval, die satelliet oor een punt op die oppervlak sal hang. So 'n wentelbaan is gevind, en dit word die geostasionêre wentelbaan (GSO) genoem. Die satelliete hang roerloos oor die ewenaar, en mense hoef nie hul plate te draai en die sein te vang nie.

Boontjie stam

Maar wat as jy 'n tou van so 'n satelliet tot op die grond laat sak, want dit hang oor een punt? Heg 'n las aan die ander kant van die satelliet, die sentrifugale krag sal toeneem en sal beide die satelliet en die tou vashou. Die bal val immers nie as jy dit goed tol nie. Dan sal dit moontlik wees om vragte langs hierdie tou direk in 'n wentelbaan te lig, en vergeet, soos 'n nagmerrie, veelfase-vuurpyle, wat brandstof in kiloton verslind teen 'n lae drakrag.

Die spoed van beweging in die atmosfeer van die vrag sal klein wees, wat beteken dat dit nie sal verhit nie, anders as 'n vuurpyl. En minder energie is nodig om te klim, aangesien daar 'n steunpunt is.

Die grootste probleem is die gewig van die tou. Die geostasionêre wentelbaan van die Aarde is 35 duisend kilometer ver. As jy 'n staallyn met 'n deursnee van 1 mm na die geostasionêre wentelbaan strek, sal sy massa 212 ton wees (en dit moet baie verder getrek word om die hysbak met sentrifugale krag te balanseer). Terselfdertyd moet dit sy eie gewig en die gewig van die vrag weerstaan.

Gelukkig help iets in hierdie geval 'n bietjie, waarvoor fisika-onderwysers dikwels studente skel: gewig en gewig is twee verskillende dinge. Hoe verder die kabel van die oppervlak van die aarde af strek, hoe meer verloor dit in gewig. Alhoewel die sterkte-tot-gewig-verhouding van die tou steeds enorm moet wees.

Met koolstofnanobuise het ingenieurs hoop. Nou is dit 'n nuwe tegnologie, en ons kan nog nie hierdie buise in 'n lang tou draai nie. En dit is nie moontlik om hul maksimum ontwerpsterkte te bereik nie. Maar wie weet wat volgende gaan gebeur?