Жерден качуу планы: орбитадан чыгуу үчүн кыскача колдонмо

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Акыркы өзгөртүү: 2023-12-16 16:10

Жакында Хабреде космостук лифттин курулушу пландалып жаткандыгы тууралуу кабар чыкты. Көптөр үчүн бул Halo же Дайсон сферасынын чоң шакеги сыяктуу фантастикалык жана укмуштуудай көрүндү. Бирок келечек көрүнгөндөн да жакын, асманга тепкич бар, балким, биз аны өмүрүбүздө да көрөбүз.

Эми мен эмне үчүн Москва-Питер билетинин баасында Жер-Ай билетин сатып ала албасыбызды, лифт бизге кандай жардам берерин жана жерге кулап калбаш үчүн эмнени кармап турганын көрсөтүүгө аракет кылам.

Ракета техникасы өнүгө баштагандан тарта күйүүчү май инженерлердин баш оорусу болгон. Ал тургай эң алдыңкы ракеталарда күйүүчү май кеменин массасынын 98%ке жакынын ээлейт.

Эгерде биз МКСтеги астронавттарга салмагы 1 килограмм болгон бир кап пряник берели десек, анда бул учун, болжол менен айтканда, 100 килограмм ракеталык отун талап кылынат. Зымыран ташуучу аппарат бир жолу колдонулуучу жана Жерге күйгөн калдыктар түрүндө гана кайтып келет. Кымбат баалуу пряниктер алынат. Кораблдин массасы чектелген, бул бир учуруу үчүн жүктөө катуу чектелген дегенди билдирет. Жана ар бир ишке киргизүү баасы менен келет.

Эгерде биз жерге жакын орбитанын чегинен тышкары жерде учууну кааласакчы?

Дуйне жузунун бардык бурчунан келген инженерлер олтуруп, ойлоно башташты: космостук кораблди кебуреек алып, андан ары учуу учун кандай болушу керек?

Ракета кайда учат?

Инженерлер ойлонуп отурганда алардын балдары бир жерден селитра менен картон таап алышып, оюнчук ракеталарды жасай башташты. Мындай ракеталар көп кабаттуу үйлөрдүн чатырына жеткен жок, бирок балдар сүйүнүштү. Ошондо эң акылдуу ой келди: «Келгиле, ракетанын ичине селитраны дагы итерели, ошондо ал бийик учат».

Бирок ракета өтө оор болуп кеткендиктен жогору учкан жок. Ал абага да чыга алган жок. Кээ бир эксперименттерден кийин балдар селитранын оптималдуу көлөмүн табышты, анда ракета эң бийик учат. Эгер сиз көбүрөөк күйүүчү май кошсоңуз, ракетанын массасы аны ылдый тартат. аз болсо - күйүүчү май эрте бүтөт.

Инженерлер дагы тез эле түшүнүштү, эгерде биз көбүрөөк күйүүчү май кошкубуз келсе, анда тартуу күчү дагы чоңураак болушу керек. Учуу диапазонун көбөйтүү үчүн бир нече варианттар бар:

• күйүүчү май жоготуулар минималдуу болушу үчүн кыймылдаткычтын натыйжалуулугун жогорулатуу (Laval сопло)
• күйүүчү майдын салыштырма импульсун жогорулатуу, ошол эле күйүүчү май массасы үчүн тартуу күчү чоңураак болушу үчүн

Инженерлер тынымсыз алдыга жылганына карабастан, кеменин дээрлик бардык массасын күйүүчү май алат. Күйүүчү майдан тышкары, космоско пайдалуу нерсени жөнөткүңүз келгендиктен, ракетанын бардык жолу кылдаттык менен эсептелип, эң азы ракетага салынат. Ошол эле учурда алар асман телолорунун жана борбордон четтөөчү күчтөрдүн тартылуу жардамын активдүү колдонушат. Космонавттар миссияны аяктагандан кийин: «Балдар, резервуарда али бир аз куйуучу май бар, Венерага учуп кетели» деп айтышпайт.

Бирок ракета бош танк менен океанга түшүп кетпей, Марска учушу үчүн канча күйүүчү май керек экенин кантип аныктоого болот?

Экинчи космос ылдамдыгы

Балдар да ракетаны бийикке учканга аракет кылышкан. Алар атүгүл аэродинамика боюнча окуу китебин колго алышып, Навье-Стокс теңдемелерин окуп чыгышты, бирок эч нерсе түшүнүшкөн жок жана ракетага курч мурунду жабышты.

Алардын тааныш карыя Хоттабыч өтүп баратып, балдар эмнеге кайгырып жатканын сурайт.

– Ээ, чоң ата, бизде чексиз отун, аз массалуу ракета болгондо, балким ал асман тиреген имаратка, жада калса тоонун чокусуна учуп кетмек.

- Эч нерсе эмес, Костя-ибн-Эдуард, - деп жооп берди Хоттабыч акыркы чачын жулуп, - бул ракетанын күйүүчү майы түгөнбөсүн.

Кубанган балдар ракета учуруп, анын жерге кайтып келишин күтүштү. Ракета асман тиреген имаратка да, тоонун чокусуна да учту, бирок токтобой, көздөн кайым болгуча андан ары учуп кетти. Келечекке көз чаптырсаңыз, анда бул ракета жерди таштап, Күн системасынан, биздин галактикадан учуп чыгып, ааламдын кеңдигин багындыруу үчүн жарыктан төмөн ылдамдыкта учуп кеткен.

Балдар өздөрүнүн кичинекей ракетасы кантип ушунчалык алыс уча алат деп таң калышты. Анткени, мектепте алар Жерге кайра түшүп калбоо үчүн ылдамдык экинчи космостук ылдамдыктан (11, 2 км/сек) кем болбошу керек дешкен. Алардын кичинекей ракетасы ушундай ылдамдыкка жете алабы?

Бирок алардын инженер-ата-энелери түшүндүрүштү, эгерде ракетада чексиз күйүүчү май болсо, анда ал тартылуу күчү жана сүрүлүү күчтөрүнөн чоңураак болсо, каалаган жерге уча алат. Ракета учуп чыгууга жөндөмдүү болгондуктан, түртүү күчү жетиштүү, ал эми ачык мейкиндикте андан да оңой.

Экинчи космостук ылдамдык ракета болушу керек болгон ылдамдык эмес. Бул топту жер бетинен ыргытуу керек болгон ылдамдык, ал кайра ага кайтып келбейт. Ракета шардан айырмаланып, кыймылдаткычтары бар. Ал үчүн ылдамдык эмес, жалпы импульс маанилүү.

Ракета үчүн эң кыйын нерсе - жолдун баштапкы бөлүгүн басып өтүү. Биринчиден, жердин тартылуу күчү күчтүү. Экинчиден, Жер мындай ылдамдыкта учууга абдан ысык болгон жыш атмосферага ээ. Ал эми реактивдүү ракеталардын кыймылдаткычтары анда вакуумга караганда начар иштейт. Ошондуктан, алар азыр көп баскычтуу ракеталар менен учушат: биринчи этап күйүүчү майды тез жейт жана бөлүнөт, ал эми жеңил салмактагы кеме башка кыймылдаткычтарда учат.

Константин Циолковский бул маселени көпкө ойлонуп, космос лифтини ойлоп тапкан (1895-ж.). Анан, албетте, аны шылдыңдап күлүштү. Бирок, алар ракетадан, спутниктен, орбиталык станциялардан улам аны шылдыңдап күлүштү жана жалпысынан аны бул дүйнөдөн жок деп эсептешчү: «Биз бул жерде али машиналарды толук ойлоп таба элекпиз, бирок ал космоско барат».

Андан кийин окумуштуулар ойлонуп, ага киришти, ракета учуп, спутникти учурду, адамдар отурукташкан орбиталык станцияларды курушту. Эми Циолковскийге эч ким күлбөйт, тескерисинче, аны абдан сыйлашат. Жана алар супер күчтүү графен нанотүтүкчөлөрүн тапканда, алар "асманга карай тепкич" жөнүндө олуттуу ойлонушту.

Эмне үчүн спутниктер кулап түшпөйт?

Центрифугалык күч жөнүндө бардыгы билет. Топту жипке тез бурсаңыз, ал жерге түшпөйт. Келгиле, топту тез айлантканга аракет кылалы, анан акырындык менен айлануу ылдамдыгын жайлаталы. Бир убакта ал айланбай калат жана кулап калат. Бул борбордон четтөөчү күч жердин тартылуу күчүн тең салмактай турган минималдуу ылдамдык болот. Топту тезирээк айлантсаңыз, аркан көбүрөөк созулат (жана кандайдыр бир учурда ал үзүлөт).

Жер менен спутниктердин ортосунда «аркан» да бар – тартылуу. Бирок кадимки жиптен айырмаланып, аны тартууга болбойт. Эгерде сиз спутникти зарыл болгондон тезирээк «айлантып» алсаңыз, ал «учуп кетет» (эллиптикалык орбитага чыгат, ал тургай учуп кетет). Спутник жердин бетине канчалык жакын болсо, ошончолук тезирээк «айлануу» керек. Кыска аркандагы топ да узунга караганда тезирээк айланат.

Спутниктин орбиталык (сызыктуу) ылдамдыгы жер бетине салыштырмалуу ылдамдык эмес экенин эстен чыгарбоо керек. Эгерде спутниктин орбиталык ылдамдыгы 3,07 км/сек деп жазылган болсо, бул анын бетинде жиндидей сүзүп жүрөт дегенди билдирбейт. Жердин экваторундагы чекиттердин орбиталык ылдамдыгы, демек, 465 м / с (кежир Галилео айткандай, жер айланат).

Чынында, жиптеги шар жана спутник үчүн сызыктуу ылдамдыктар эмес, бурчтук ылдамдыктар (дене секундасына канча айлануу жасайт) эсептелет.

Көрсө, спутник менен жер бетинин бурчтук ылдамдыктары дал келген орбитаны тапсаңыз, спутник жер бетинин бир чекитине илинип калат экен. Мындай орбита табылган жана ал геостационардык орбита (ГСО) деп аталат. Спутниктер экватордун үстүндө кыймылсыз илинип турат, ал эми адамдар пластинкаларын буруп, «сигнал кармашпайт».

буурчак сабагы

Бирок мындай спутниктен арканды жерге түшүрсөңүз эмне болот, анткени ал бир чекиттин үстүндө илинип турат? Спутниктин экинчи учуна жүк салыңыз, борбордон четтөөчү күч күчөп, спутникти да, арканды да кармап турат. Анткени, топту жакшы айлантсаң түшпөйт. Ошондо бул аркан боюнча жүктөрдү түздөн-түз орбитага көтөрүү мүмкүн болот, ал эми коркунучтуу түш сыяктуу, көп баскычтуу ракеталар, килотонналарда күйүүчү майды аз көтөрүү жөндөмдүүлүгүндө жалмап кете алат.

Жүктүн атмосферасында кыймылынын ылдамдыгы аз болот, демек ал ракетадан айырмаланып ысып кетпейт. Ал эми көтөрүлүү үчүн азыраак энергия талап кылынат, анткени таяныч пункту бар.

Негизги көйгөй - аркандын салмагы. Жердин геостационардык орбитасы 35 миң километр алыс. Эгерде сиз диаметри 1 мм болгон болот линияны геостационардык орбитага созсоңуз, анын массасы 212 тоннаны түзөт (жана көтөргүчтү борбордон четтөө күчү менен тең салмактоо үчүн аны алда канча ары тартуу керек). Ошол эле учурда ал өзүнүн салмагына жана жүктүн салмагына туруштук бериши керек.

Бактыга жараша, бул учурда бир нерсе жардам берет, ал үчүн физика мугалимдери көбүнчө окуучуларды урушат: салмак менен салмак эки башка нерсе. Кабель жер бетинен канчалык алыс созулса, ошончолук салмагын жоготот. Аркандын күч-салмактык катышы дагы эле зор болушу керек да.

Көмүртек нанотүтүкчөлөрү менен инженерлердин үмүтү бар. Азыр бул жаңы технология жана биз бул түтүктөрдү узун арканга бура албайбыз. Ал эми алардын максималдуу долбоорлоо күчүн жетүү мүмкүн эмес. Бирок андан ары эмне болорун ким билет?