Як нам полетіти з землі короткий посібник для виїжджаючих за орбіту, наука для всіх простими словами
Нещодавно з'явилася новина про плановану будівництво космічного ліфта. Для багатьох це здалося чимось фантастичним і неймовірним, на кшталт величезного кільця з Halo або сфери Дайсона. Але майбутнє ближче, ніж здається, сходи в небо цілком можлива, і може бути ми навіть побачимо її на своєму віку.
Зараз я постараюся показати, чому ми не можемо піти і купити квиток "Земля - Місяць" за ціною квитка "Москва - пітер", як нам допоможе ліфт і за що він буде триматися, щоб не впасти на землю.
З самого початку розвитку ракетобудування головним болем інженерів було паливо. Навіть в найсучасніших ракетах паливо займає десь 98% маси корабля.
Увага! Тільки в тому випадку, якщо нам захочеться передати космонавтам на мкс пакетик пряників масою в 1 кілограм, то на це буде потрібно, грубо кажучи, 100 кілограм ракетного палива. Ракета - носій одноразова, і на землю повернеться тільки у вигляді обгорілих уламків. Дорогі виходять прянички. Маса корабля обмежена, а значить і корисний вантаж на один запуск строго лімітований. І кожен запуск витрат вимагає.
А якщо ми хочемо полетіти кудись далі навколоземної орбіти?
Інженери з усього світу сіли і стали думати: яким повинен бути космічний корабель, щоб відвезти на ньому більше, і долетіти на ньому далі?
Куди долетить ракета?
Поки інженери думали, їхні діти знайшли десь селітру і картон і почали майструвати іграшкові ракети. Такі ракети не долітали до дахів висотних будинків, але діти раділи. Потім самому тямущому спало на думку: "а Давайте натолкать в Ракету Більше Селітри, і вона полетить Вище".
Але вище ракета не полетіла, так як стала занадто важкою. Вона навіть не змогла піднятися в повітря. Після деякої кількості експериментів діти знайшли оптимальний обсяг селітри, при якому ракета летить над усе. Тільки в тому випадку, якщо додати більше палива, маса ракети тягне її вниз. Лише в тому випадку, якщо менше - паливо закінчується раніше.
Інженери теж швидко зметикували, що якщо ми хочемо залити більше палива, значить і сила тяги повинна бути більше. Варіантів збільшити дальність польоту трохи:
Збільшити ккд двигуна, щоб втрати палива були мінімальними (сопло Лаваля).
Збільшити питому імпульс палива, щоб при рівній масі палива сила тяги була більше.
Хоча інженери постійно просуваються вперед, практично всю масу корабля займає паливо. Так як крім палива хочеться відправити в космос що-небудь корисне, весь шлях ракети ретельно прораховується, і палива в ракету закладають самий мінімум. При цьому активно користуються гравітаційної допомогою небесних тіл і відцентровими силами. Космонавти після завершення місії не говорять: "Хлопці, в Баку ще Залишилося Трохи Палива, Давайте злітаються на Венеру".
Але як визначити, скільки палива потрібно, щоб ракета не впала в океан з порожнім баком, а долетіла до Марса?
Друга космічна швидкість.
Діти теж намагалися змусити ракету летіти вище. Навіть роздобули підручник з аеродинаміки, прочитали про рівняння навье - Стокса, але нічого не зрозуміли і просто приробили ракеті гострий ніс.
Повз проходив їхній знайомий старий Хоттабич і поцікавився, про що сумують хлопці.
- ех, дідусь, якби у нас була ракета з нескінченним паливом і малою масою, вона б, напевно, долетіла до хмарочоса, або навіть до самої вершини гори.
- не біда, Костя - ібн - Едуард, - відповів Хоттабич, висмикуючи останній волосок, - нехай у цій ракети паливо ніколи не закінчується.
Радісні діти запустили ракету і стали чекати, коли вона повернеться на землю. Ракета долетіла і до хмарочоса, і до вершини гори, але не зупинилася і полетіла далі, поки не пропала з поля зору. Таким чином, якщо заглянути в майбутнє, то ця ракета покинула землю, вилетіла з сонячної системи, нашої галактики і полетіла на субсветовой швидкості підкорювати простори всесвіту.
Діти здивувалися, як це їхня маленька ракета змогла так далеко відлетіти. Адже в школі говорили, що для того щоб не впасти назад на землю, швидкість повинна бути не менше другої космічної (11, 2 км / с. Хіба їхня маленька ракета могла розвинути таку швидкість?
Але їхні батьки - інженери пояснили, що якщо у ракети нескінченний запас палива, то вона зможе полетіти куди завгодно, якщо сила тяги більше гравітаційних сил і сил тертя. Так як ракета здатна злетіти, сили тяги вистачає, а в відкритому космосі ще легше.
Друга космічна швидкість - це не швидкість, яка повинна бути у ракети. Це швидкість, з якою потрібно кинути м'яч з поверхні землі, щоб він на неї не повернувся. У ракети, на відміну від м'яча, є двигуни. Для неї важлива не швидкість, а сумарний імпульс.
Найскладніше для ракети - подолати початковий ділянку шляху. По-перше, гравітація у поверхні сильніше. По-друге, у землі щільна атмосфера, в якій дуже жарко літати на таких швидкостях. Та й реактивні ракетні двигуни працюють в ній гірше, ніж у вакуумі. Тому літають зараз на багатоступеневих ракетах: перший ступінь швидко витрачає своє паливо і відділяється, а полегшений корабель летить на інших двигунах.
Костянтин Ціолковський довго думав над цією проблемою, і придумав космічний ліфт (ще в 1895 році. Над ним тоді, звичайно, посміялися. Втім, посміялися над ним і через ракети, і супутника, і орбітальних станцій, і взагалі порахували його немає від світу цього: "у нас тут ще Автомобілі не до Кінця Винайдено, а він в Космос Зібрався".
Потім вчені задумалися і перейнялися, полетіла ракета, запустили супутник, набудували орбітальних станцій, в які заселили людей. Над Ціолковським вже ніхто не сміється, навпаки, його дуже поважають. А коли відкрили надміцні графенові нанотрубки, всерйоз задумалися і про "Сходами в Небо".
Чому супутники не падають вниз?
Всі знають про відцентрову силу. Таким чином, якщо швидко крутити м'ячик на мотузочці, він не падає на землю. Спробуємо швидко розкрутити м'яч, а потім поступово мовчимо швидкість обертання. У якийсь момент він перестане крутитися і впаде. Це буде мінімальна швидкість, при якій відцентрова сила буде врівноважувати силу тяжіння землі. Лише в тому випадку, якщо крутити м'яч швидше, мотузка сильніше натягнеться (а в якийсь момент лопне.
Між землею і супутниками теж є "Мотузка" - гравітація. Але на відміну від звичайної мотузки вона не може натягатися. У тому випадку, якщо "Картата" супутник швидше ніж потрібно, він "відірветься" (і перейде на еліптичну орбіту, або взагалі полетить. Чим ближче супутник до поверхні землі, тим швидше його потрібно "Картата". М'яч на короткій мотузці теж крутиться швидше , ніж на довгій.
Важливо пам'ятати, що орбітальна (лінійна) швидкість супутника - це не швидкість відносно поверхні землі. Таким чином, якщо написано, що орбітальна швидкість супутника 3. 07 км / с, це не означає, що він носиться над поверхнею як скажений. Орбітальна швидкість точок на екваторі землі, між іншим, 465 м / с (земля крутиться, як стверджував впертий Галілей.
Насправді для м'яча на мотузочці і для супутника розраховуються не лінійні швидкості, а кутові (скільки оборотів в секунду робить тіло.
Виходить, якщо знайти таку орбіту, що кутові швидкості супутника і поверхні землі будуть збігатися, то супутник буде висіти над однією точкою на поверхні. Таку орбіту знайшли, і вона називається геостаціонарна орбіта (ДСО. Супутники висять над екватором нерухомо, і людям не доводиться повертати тарілки і "Ловити Сигнал".
Бобове стебло.
А що, якщо спустити з такого супутника мотузочку до самої землі, адже він висить над однією точкою? До іншого кінця супутника прив'язати вантаж, відцентрова сила збільшиться і буде тримати і супутник, і мотузочку. Адже не падає м'яч, якщо його добре розкрутити. Тоді можна буде піднімати по цій мотузці вантажі прямо на орбіту, і забути як страшний сон багатоступінчасті ракети, жеруть паливо кілотоннами при невеликій вантажопідйомності.
Швидкість руху в атмосфері у вантажу буде невелика, значить, нагріватися він не буде, на відміну від ракети. І енергії на підйом буде потрібно менше, так як є точка опори.
Головна проблема - маса мотузочки. До геостаціонарної орбіти землі 35 тисяч кілометрів. Лише в тому випадку, якщо дотягти до геостаціонарної орбіти сталеву волосінь діаметром 1 мм, її маса буде 212 тонн (а її потрібно тягнути набагато далі, щоб врівноважити ліфт відцентровою силою. При цьому вона повинна витримувати свою вагу, і вага вантажу.
На щастя, в цьому випадку трохи допомагає те, за що вчителі з фізики часто лають учнів: вага і маса - різні речі. Чим далі тягнеться трос від поверхні землі, тим більше він втрачає у вазі. Хоча питома міцність троса все ще повинна бути величезною.
З вуглецевими нанотрубками у інженерів з'явилася надія. Зараз це нова технологія, і ми поки не можемо звити ці трубочки в довгий трос. І не виходить домогтися їх максимальної розрахункової міцності. Але хто знає, що буде далі?