Earth Escape Plan: Kratak vodič za van orbite

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zadnja izmjena: 2023-12-16 15:59

Nedavno su na Habréu bile vijesti o planiranoj izgradnji svemirskog lifta. Mnogima je to izgledalo kao nešto fantastično i nevjerovatno, poput ogromnog prstena iz Haloa ili Dysonove sfere. Ali budućnost je bliža nego što se čini, stepenice u raj su sasvim moguće, a možda ćemo ga i vidjeti za života.

Sada ću pokušati da pokažem zašto ne možemo da odemo i kupimo kartu Zemlja-Mesec po ceni karte Moskva-Petar, kako će nam lift pomoći i za šta će da se drži da se ne sruši na zemlju.

Od samog početka razvoja raketne tehnike, gorivo je bilo glavobolja za inženjere. Čak iu najnaprednijim raketama gorivo zauzima oko 98% mase broda.

Ako želimo da astronautima na ISS-u damo vreću medenjaka od 1 kilograma, onda će za to biti potrebno, grubo rečeno, 100 kilograma raketnog goriva. Nosilica je za jednokratnu upotrebu i vratit će se na Zemlju samo u obliku izgorjelog krhotina. Dobijaju se skupi medenjaci. Masa broda je ograničena, što znači da je nosivost za jedno lansiranje strogo ograničena. I svako lansiranje ima svoju cijenu.

Šta ako želimo da odletimo negdje izvan orbite oko Zemlje?

Inženjeri iz cijelog svijeta su sjeli i počeli razmišljati: kakav bi trebao biti svemirski brod da bi mogao više da ga nosi i leti dalje?

Gde će leteti raketa?

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

Ali raketa nije poletjela više, jer je postala preteška. Nije mogla čak ni u zrak. Nakon eksperimentiranja, djeca su pronašla optimalnu količinu šalitre pri kojoj raketa leti najviše. Ako dodate još goriva, masa rakete ga povlači nadole. Ako je 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 efikasnost motora tako da su gubici goriva minimalni (Laval mlaznica)
• povećati specifični impuls goriva tako da je sila potiska veća za istu masu goriva

Iako se inženjeri neprestano kreću naprijed, gotovo cijelu masu broda zauzima gorivo. S obzirom da pored goriva želite da pošaljete i nešto korisno u svemir, čitava putanja rakete se pažljivo proračunava, a u raketu se stavlja i minimum. Istovremeno, oni aktivno koriste gravitacionu pomoć nebeskih tijela i centrifugalnih sila. Po završetku misije, astronauti ne govore: "Momci, ima još malo goriva u rezervoaru, letimo na Veneru."

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

Druga svemirska brzina

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

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

- Eh, dede, da imamo raketu sa beskonačnim gorivom i malom masom, verovatno bi odletela do nebodera, ili čak do samog vrha planine.

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

Radosna djeca su lansirala raketu i čekala da se vrati na zemlju. Raketa je poletela i do nebodera i do vrha planine, ali se nije zaustavila i odletela je dalje sve dok nije nestala iz vidokruga. Ako pogledate u budućnost, onda je ova raketa napustila Zemlju, izletjela iz Sunčevog sistema, 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 govorili da brzina ne bi trebala biti manja od druge kosmičke brzine (11,2 km/s), kako ne bi pali nazad na Zemlju. Može li njihova mala raketa dostići tu brzinu?

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

Druga kosmička brzina nije brzina koju bi raketa trebala imati. Ovo je brzina kojom lopta mora biti izbačena sa površine tla kako se ne bi vratila na nju. Raketa, za razliku od lopte, ima motore. Za nju nije važna brzina, već ukupni impuls.

Najteže za raketu je savladati 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 gore nego u vakuumu. Stoga sada lete na višestepenim raketama: prvi stepen brzo troši gorivo i odvaja se, a laki brod leti na drugim motorima.

Konstantin Ciolkovski je dugo razmišljao o ovom problemu i izumeo svemirski lift (daleke 1895. godine). 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."

Onda su naučnici razmišljali o tome i ušli u to, poletela je raketa, lansirala satelit, izgradila orbitalne stanice, u kojima su ljudi bili naseljeni. Ciolkovskom se više niko ne smeje, naprotiv, veoma je poštovan. A kada su otkrili super-jake grafenske nanocijevi, ozbiljno su razmišljali o "stepenicama u raj".

Zašto sateliti ne padnu?

Svi znaju za centrifugalnu silu. Ako brzo zavrtite loptu na tetivi, ona neće pasti na tlo. Pokušajmo brzo okretati loptu, a zatim postepeno usporiti brzinu rotacije. U nekom trenutku će prestati da se okreće i pasti. Ovo će biti minimalna brzina pri kojoj će centrifugalna sila uravnotežiti Zemljinu gravitaciju. Ako lopticu okrećete brže, konopac će se više rastegnuti (i u nekom trenutku će puknuti).

Između Zemlje i satelita postoji i "konopac" - gravitacija. Ali za razliku od običnog užeta, ne može se povući. Ako "okrenete" satelit 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 se također okreće 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 iznad površine. Orbitalna brzina tačaka na ekvatoru zemlje, inače, iznosi 465 m/s (Zemlja se rotira, kako je tvrdio tvrdoglavi Galileo).

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

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

Stabljika pasulja

Ali šta ako spustite uže sa takvog satelita na samo tlo, jer visi preko jedne tačke? 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 direktno u orbitu, a zaboraviti, kao noćna mora, višestepene rakete, koje pri maloj nosivosti proždiru gorivo u kilotonima.

Brzina kretanja u atmosferi tereta bit će mala, što znači da se neće zagrijati, za razliku od rakete. A za penjanje je potrebno manje energije, jer postoji tačka oslonca.

Glavni problem je težina užeta. Geostacionarna orbita Zemlje udaljena je 35 hiljada kilometara. Ako čeličnu liniju promjera 1 mm razvučete do geostacionarne orbite, njena masa će biti 212 tona (i treba je povući mnogo dalje da bi se izbalansirala centrifugalna sila). Istovremeno, mora izdržati vlastitu težinu i težinu tereta.

Srećom, u ovom slučaju nešto malo pomaže, zbog čega nastavnici 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 konopa i dalje trebao biti ogroman.

Sa 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 projektnu snagu. Ali ko zna šta će se dalje dogoditi?