Yerdan qochish rejasi: Orbitadan chiqish uchun qisqacha qo'llanma

2024 Muallif: Seth Attwood | [email protected]. Oxirgi o'zgartirilgan: 2023-12-16 16:19

Yaqinda Habré-da kosmik liftni qurish rejalashtirilgani haqida xabar paydo bo'ldi. Ko'pchilik uchun bu Halo dan ulkan uzuk yoki Dyson shari kabi fantastik va aql bovar qilmaydigan narsadek tuyuldi. Ammo kelajak ko'rinadiganidan ham yaqinroq, osmonga zinapoya bo'lishi mumkin va biz buni hayotimizda ham ko'rishimiz mumkin.

Endi men nima uchun biz Moskva-Piter chiptasi narxida Yer-Oy chiptasini sotib olmasligimizni, lift bizga qanday yordam berishini va erga yiqilib tushmaslik uchun nimani ushlab turishini ko'rsatishga harakat qilaman.

Raketasozlik rivojlanishining boshidanoq yoqilg'i muhandislar uchun bosh og'rig'i edi. Hatto eng ilg'or raketalarda ham yoqilg'i kema massasining taxminan 98% ni egallaydi.

Agar biz XKSdagi kosmonavtlarga og'irligi 1 kilogramm bo'lgan bir qop gingerbread bermoqchi bo'lsak, buning uchun, taxminan, 100 kilogramm raketa yoqilg'isi kerak bo'ladi. Raketa-tashuvchi bir martalik bo‘lib, Yerga faqat kuygan qoldiqlar shaklida qaytadi. Qimmatbaho gingerbreads olinadi. Kemaning massasi cheklangan, ya'ni bitta uchirish uchun foydali yuk qat'iy cheklangan. Va har bir ishga tushirish qimmatga tushadi.

Agar biz Yerga yaqin orbitadan boshqa joyga uchishni istasak nima bo'ladi?

Butun dunyodan kelgan muhandislar o'tirib, o'ylay boshladilar: kosmosga ko'proq tushish va undan uzoqroq parvoz qilish uchun kosmik kema qanday bo'lishi kerak?

Raketa qayerga uchadi?

Muhandislar o‘ylanayotganda ularning farzandlari qayerdandir selitra va karton topib, o‘yinchoq raketa yasashni boshlashdi. Bunday raketalar ko'p qavatli uylarning tomlariga etib bormadi, lekin bolalar xursand edi. Shunda xayolimga eng aqlli fikr keldi: “Keling, raketaga ko‘proq selitrani suraylik, shunda u balandroq uchadi”.

Ammo raketa yuqoriga uchmadi, chunki u juda og'irlashdi. U hatto havoga ham ko‘tarila olmadi. Ba'zi tajribalardan so'ng, bolalar raketa eng yuqori uchadigan selitraning optimal miqdorini topdilar. Agar siz ko'proq yoqilg'i qo'shsangiz, raketaning massasi uni pastga tortadi. Agar kamroq bo'lsa - yoqilg'i oldinroq tugaydi.

Muhandislar, shuningdek, agar biz ko'proq yoqilg'i qo'shmoqchi bo'lsak, tortishish kuchi ham katta bo'lishi kerakligini tezda angladilar. Parvoz oralig'ini oshirish uchun bir nechta variant mavjud:

• yonilg'i yo'qotilishi minimal bo'lishi uchun dvigatel samaradorligini oshirish (Laval nozul)
• yonilg'ining o'ziga xos impulsini oshiring, shunda tortish kuchi bir xil yoqilg'i massasi uchun kattaroq bo'ladi

Muhandislar doimo oldinga siljishlariga qaramasdan, kemaning deyarli butun massasi yoqilg'i bilan olinadi. Yoqilg'idan tashqari, siz kosmosga foydali narsalarni jo'natmoqchi bo'lganingiz uchun, raketaning butun yo'li ehtiyotkorlik bilan hisoblab chiqilgan va raketaga minimal miqdor qo'yilgan. Shu bilan birga, ular samoviy jismlar va markazdan qochma kuchlarning tortishish yordamidan faol foydalanadilar. Missiyani tugatgandan so'ng, kosmonavtlar: "Bolalar, tankda hali ozgina yoqilg'i bor, Veneraga uchamiz" demaydilar.

Ammo raketa bo'sh tank bilan okeanga tushmasligi, balki Marsga uchishi uchun qancha yoqilg'i kerakligini qanday aniqlash mumkin?

Ikkinchi kosmik tezlik

Bolalar ham raketani balandroq uchishga harakat qilishdi. Ular hatto aerodinamika bo'yicha darslikni qo'lga kiritishdi, Navier-Stokes tenglamalari haqida o'qishdi, lekin hech narsani tushunmadilar va shunchaki raketaga o'tkir burun bog'lashdi.

Ularning tanish chol Hottabych o'tib ketib, yigitlar nimadan xafa bo'lganini so'radi.

- E, bobo, agar bizda cheksiz yoqilg‘i va massasi kam bo‘lgan raketa bo‘lganida, u osmono‘par binoga, hatto tog‘ning eng cho‘qqisiga ham uchib ketgan bo‘lardi.

- Hechqisi yo'q, Kostya ibn-Eduard, - javob qildi Xottabych oxirgi sochini tortib, - bu raketaning yoqilg'isi hech qachon tugamasin.

Quvonchli bolalar raketani uchirdilar va uning yerga qaytishini kutishdi. Raketa osmono‘par binoga ham, tog‘cho‘qqisiga ham uchdi, lekin to‘xtamadi va ko‘zdan g‘oyib bo‘lguncha uzoqroqqa uchdi. Agar kelajakka nazar tashlasangiz, u holda bu raketa yerni tark etib, quyosh tizimidan, bizning galaktikamizdan uchib chiqdi va koinotning kengligini zabt etish uchun yorug'likdan past tezlikda uchdi.

Bolalar o'zlarining kichkina raketasi qanday qilib shu qadar uzoqqa ucha olishiga hayron bo'lishdi. Axir maktabda ular Yerga qaytib tushmaslik uchun tezlik ikkinchi kosmik tezlikdan (11, 2 km / s) kam bo'lmasligi kerakligini aytishdi. Ularning kichik raketasi bu tezlikka erisha oladimi?

Ammo ularning muhandis ota-onalari, agar raketada cheksiz yoqilg'i bo'lsa, unda tortishish kuchi va ishqalanish kuchlaridan kattaroq bo'lsa, u istalgan joyga ucha olishini tushuntirdi. Raketa uchishga qodir bo'lganligi sababli, surish kuchi etarli va ochiq kosmosda bu yanada osonroq.

Ikkinchi kosmik tezlik raketada bo'lishi kerak bo'lgan tezlik emas. Bu to'pni erga qaytib kelmasligi uchun yer yuzasidan uloqtirish kerak bo'lgan tezlik. Raketa, to'pdan farqli o'laroq, dvigatellarga ega. Uning uchun muhimi tezlik emas, balki umumiy impuls.

Raketa uchun eng qiyin narsa bu yo'lning dastlabki qismini engib o'tishdir. Birinchidan, sirt tortishish kuchi kuchliroq. Ikkinchidan, Yer zich atmosferaga ega, unda bunday tezlikda uchish juda issiq. Va reaktiv raketa dvigatellari unda vakuumga qaraganda yomonroq ishlaydi. Shuning uchun ular hozir ko'p bosqichli raketalarda uchishadi: birinchi bosqich yoqilg'ini tezda iste'mol qiladi va ajratiladi va engil kema boshqa dvigatellarda uchadi.

Konstantin Tsiolkovskiy uzoq vaqt davomida bu muammo haqida o'yladi va kosmik liftni ixtiro qildi (1895 yilda). Keyin, albatta, uning ustidan kulishdi. Biroq, ular raketa, sun'iy yo'ldosh va orbital stansiyalar tufayli uning ustidan kulishdi va uni umuman bu dunyodan tashqarida deb hisoblashdi: "Biz bu erda hali mashinalarni to'liq ixtiro qilganimiz yo'q, lekin u kosmosga ketmoqda".

Keyin olimlar bu haqda o'ylashdi va unga kirishdi, raketa uchdi, sun'iy yo'ldosh uchirildi, odamlar yashaydigan orbital stantsiyalar qurildi. Tsiolkovskiy ustidan endi hech kim kulmaydi, aksincha, uni juda hurmat qilishadi. Va ular o'ta kuchli grafen nanotubalarini kashf qilganlarida, ular "jannatga zinapoya" haqida jiddiy o'ylashdi.

Nega sun'iy yo'ldoshlar pastga tushmaydi?

Markazdan qochma kuch haqida hamma biladi. Agar siz tezda to'pni ipga aylantirsangiz, u erga tushmaydi. Keling, to'pni tezda aylantirishga harakat qilaylik, keyin esa aylanish tezligini asta-sekin pasaytiramiz. Bir nuqtada u aylanishni to'xtatadi va tushadi. Bu markazdan qochma kuch erning tortishish kuchini muvozanatlashtiradigan minimal tezlik bo'ladi. Agar siz to'pni tezroq aylantirsangiz, arqon ko'proq cho'ziladi (va bir nuqtada u sinadi).

Bundan tashqari, Yer va sun'iy yo'ldoshlar o'rtasida "arqon" bor - tortishish. Ammo oddiy arqondan farqli o'laroq, uni tortib bo'lmaydi. Agar siz sun'iy yo'ldoshni kerak bo'lgandan tezroq "aylantirsangiz", u "uchib ketadi" (va elliptik orbitaga chiqadi yoki hatto uchib ketadi). Sun'iy yo'ldosh yer yuzasiga qanchalik yaqin bo'lsa, uni tezroq "aylantirish" kerak. Qisqa arqondagi to'p ham uzun ipga qaraganda tezroq aylanadi.

Shuni yodda tutish kerakki, sun'iy yo'ldoshning orbital (chiziqli) tezligi yer yuzasiga nisbatan tezlik emas. Agar sun'iy yo'ldoshning orbital tezligi 3,07 km / s deb yozilgan bo'lsa, bu uning sirt ustida aqldan ozgandek harakatlanishini anglatmaydi. Aytgancha, er ekvatoridagi nuqtalarning orbital tezligi 465 m / s ni tashkil qiladi (o'jar Galiley ta'kidlaganidek, er aylanadi).

Darhaqiqat, ipdagi to'p va sun'iy yo'ldosh uchun chiziqli tezliklar emas, balki burchak tezliklari (tana sekundiga qancha aylanishni amalga oshiradi) hisoblanadi.

Ma'lum bo'lishicha, agar siz sun'iy yo'ldosh va yer yuzasining burchak tezliklari bir-biriga to'g'ri keladigan orbita topsangiz, sun'iy yo'ldosh sirtning bir nuqtasida osilib qoladi. Bunday orbita topildi va u geostatsionar orbita (GSO) deb ataladi. Sun'iy yo'ldoshlar ekvator ustida harakatsiz osilib turadi va odamlar o'z plitalarini burishlari va "signalni ushlashlari" shart emas.

Fasol poyasi

Ammo bunday sun'iy yo'ldoshdan arqonni erga tushirsangiz nima bo'ladi, chunki u bir nuqtada osilgan? Sun'iy yo'ldoshning boshqa uchiga yuk ulang, markazdan qochma kuch kuchayadi va sun'iy yo'ldoshni ham, arqonni ham ushlab turadi. Axir, to'pni yaxshi aylantirsangiz ham tushmaydi. Shunda bu arqon bo'ylab yuklarni to'g'ridan-to'g'ri orbitaga ko'tarish mumkin bo'ladi va kobus kabi ko'p bosqichli raketalarni unutib, past yuk ko'tarish quvvatida kilotonlarda yoqilg'ini yutib yuboradi.

Yuk atmosferasidagi harakat tezligi kichik bo'ladi, ya'ni u raketadan farqli ravishda qizib ketmaydi. Va ko'tarilish uchun kamroq energiya talab qilinadi, chunki u erda tayanch nuqtasi mavjud.

Asosiy muammo - bu arqonning og'irligi. Yerning geostatsionar orbitasi 35 ming kilometr uzoqlikda joylashgan. Agar siz 1 mm diametrli po'lat chiziqni geostatsionar orbitaga cho'zsangiz, uning massasi 212 tonnani tashkil qiladi (va liftni markazdan qochma kuch bilan muvozanatlash uchun uni ancha uzoqroq tortish kerak). Shu bilan birga, u o'z vazniga va yukning og'irligiga bardosh berishi kerak.

Yaxshiyamki, bu holatda biror narsa ozgina yordam beradi, buning uchun fizika o'qituvchilari ko'pincha talabalarni tanqid qilishadi: vazn va vazn ikki xil narsa. Kabel er yuzasidan qanchalik uzoqqa cho'zilsa, u shunchalik ko'p vazn yo'qotadi. Arqonning kuch va vazn nisbati hali ham juda katta bo'lishi kerak.

Uglerod nanotubalari bilan muhandislarda umid bor. Endi bu yangi texnologiya va biz hali bu quvurlarni uzun arqonga aylantira olmaymiz. Va ularning maksimal dizayn kuchiga erishish mumkin emas. Ammo keyin nima bo'lishini kim biladi?