Жерден қашу жоспары: орбитадан шығуға арналған қысқаша нұсқаулық

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

Жақында Хабреде ғарыш лифтінің құрылысы жоспарланғаны туралы жаңалықтар болды. Көптеген адамдар үшін бұл Halo-дан алынған үлкен сақина немесе Дайсон сферасы сияқты фантастикалық және керемет нәрсе сияқты көрінді. Бірақ болашақ көрінгеннен де жақын, аспанға баспалдақ әбден мүмкін, мүмкін біз оны өмірімізде көретін шығармыз.

Енді мен неге Мәскеу-Питер билетінің бағасына Жер-Ай билетін сатып ала алмайтынымызды, лифт бізге қалай көмектесетінін және жерге құлап қалмас үшін нені ұстайтынын көрсетуге тырысамын.

Зымыран техникасы дамыған кезден бастап жанармай инженерлердің бас ауруы болды. Тіпті ең дамыған зымырандардың өзінде отын кеме массасының шамамен 98% алады.

Егер біз ХҒС-тағы ғарышкерлерге салмағы 1 килограмм пряник салынған дорбаны бергіміз келсе, бұл үшін, шамамен айтқанда, 100 келі зымыран отыны қажет болады. Зымыран тасығыш бір реттік болып табылады және Жерге тек күйген қалдықтар түрінде оралады. Қымбат пряниктер алынады. Кеменің массасы шектеулі, бұл бір ұшыруға арналған пайдалы жүктің қатаң шектелгенін білдіреді. Және әрбір ұшыру құны болады.

Егер біз жерге жақын орбитадан тыс жерде ұшқымыз келсе ше?

Әлемнің түкпір-түкпірінен келген инженерлер отырып, былай деп ойлады: ғарыш кемесі оны көбірек алып, әрі қарай ұшу үшін қандай болуы керек?

Зымыран қайда ұшады?

Инженерлер ойланып отырғанда, олардың балалары бір жерден селитра мен картон тауып алып, ойыншық зымырандарды жасай бастады. Мұндай зымырандар көпқабатты үйлердің төбесіне жетпесе де, балалар қуанып қалды. Сонда ең ақылды ой келді: «Зымыранға көбірек селитра итерейік, ол жоғары ұшады».

Бірақ зымыран тым ауыр болғандықтан жоғары ұшпады. Ол тіпті ауаға көтеріле алмады. Кейбір эксперименттерден кейін балалар зымыран ең жоғары ұшатын селитраның оңтайлы мөлшерін тапты. Егер сіз көбірек отын қоссаңыз, зымыранның массасы оны төмен тартады. Егер аз болса - отын ертерек аяқталады.

Инженерлер сондай-ақ, егер біз көбірек отын қосқымыз келсе, тарту күші де үлкен болуы керек екенін тез түсінді. Ұшу ауқымын арттырудың бірнеше нұсқасы бар:

• отын шығыны аз болатындай қозғалтқыштың тиімділігін арттыру (Laval саптама)
• жанармайдың меншікті импульсін арттырыңыз, осылайша итеру күші бірдей отын массасы үшін үлкен болады

Инженерлер үнемі алға жылжып жатса да, кеменің бүкіл массасын дерлік отын алады. Жанармайдан басқа ғарышқа пайдалы нәрсе жібергіңіз келетіндіктен, зымыранның бүкіл жолы мұқият есептеліп, зымыранға ең азы салынады. Сонымен бірге олар аспан денелері мен орталықтан тепкіш күштердің гравитациялық көмегін белсенді пайдаланады. Тапсырманы орындап болған соң ғарышкерлер: «Балалар, резервуарда әлі азғантай жанармай бар, Венераға ұшайық» деп айтпайды.

Бірақ зымыран бос цистернамен мұхитқа түсіп кетпей, Марсқа ұшуы үшін қанша жанармай қажет екенін қалай анықтауға болады?

Екінші ғарыш жылдамдығы

Балалар да зымыранды биікте ұшыруға тырысты. Олар тіпті аэродинамика бойынша оқулықты алды, Навье-Стокс теңдеулері туралы оқыды, бірақ ештеңе түсінбеді және зымыранға өткір мұрынды бекітті.

Олардың таныс қарт Хоттабыч өтіп бара жатып, жігіттердің нені мұңайғанын сұрады.

– Әй, ата, отыны шексіз, массасы аз зымыран болса, бәлкім, зәулім ғимаратқа, тіпті, таудың ең басына ұшып кетер еді.

– Ештеңе етпейді, Костя-ибн-Эдуард, – деп жауап берді Хоттабыч соңғы шашын жұлып, – бұл зымыранның отыны таусылмасын.

Қуанған балалар зымыран ұшырып, оның жерге оралуын күтті. Зымыран зәулім ғимаратқа да, таудың басына да ұшты, бірақ тоқтамай, көзден ғайып болғанша әрі қарай ұшты. Егер сіз болашаққа көз жүгіртсеңіз, онда бұл зымыран жерді тастап, Күн жүйесінен, біздің галактикадан ұшып, ғаламның кеңдігін жаулап алу үшін жарықтан төмен жылдамдықпен ұшты.

Балалар өздерінің кішкентай зымырандары қалайша алысқа ұшатынына таң қалды. Мектепте олар Жерге қайта құлап кетпес үшін жылдамдық екінші ғарыштық жылдамдықтан (11, 2 км/с) кем болмауы керек деді. Олардың шағын зымырандары осындай жылдамдыққа жете ала ма?

Бірақ олардың инженерлік ата-аналары егер зымыранда шексіз отын болса, онда тарту күші гравитациялық күштер мен үйкеліс күштерінен жоғары болса, ол кез келген жерде ұша алады деп түсіндірді. Зымыран ұшуға қабілетті болғандықтан, тарту күші жеткілікті, ал ашық кеңістікте бұл одан да оңай.

Екінші ғарыштық жылдамдық зымыран болуы керек жылдамдық емес. Бұл допты жер бетінен оған қайтып келмеуі үшін лақтыру жылдамдығы. Зымыранның допқа қарағанда қозғалтқыштары бар. Ол үшін маңыздысы жылдамдық емес, жалпы импульс.

Зымыран үшін ең қиын нәрсе - жолдың бастапқы бөлігін еңсеру. Біріншіден, жер бетіндегі гравитация күштірек. Екіншіден, Жердің тығыз атмосферасы бар, онда мұндай жылдамдықпен ұшу өте ыстық. Ал реактивті зымыран қозғалтқыштары вакуумға қарағанда ондағы нашар жұмыс істейді. Сондықтан олар қазір көп сатылы зымырандармен ұшады: бірінші кезең отынды тез жұмсайды және бөлінеді, ал жеңіл кеме басқа қозғалтқыштармен ұшады.

Константин Циолковский бұл мәселе туралы ұзақ уақыт ойланып, ғарыштық лифт ойлап тапты (1895 ж.). Содан кейін, әрине, олар оған күлді. Алайда, олар оны зымыран мен спутник, орбиталық станциялар үшін күлді және жалпы оны бұл дүниеден тыс деп санады: «Біз бұл жерде әлі машиналарды толығымен ойлап тапқан жоқпыз, бірақ ол ғарышқа ұшып жатыр».

Содан кейін ғалымдар ойланып, оған кірді, зымыран ұшып, жер серігі ұшырылды, адамдар қоныстанған орбиталық станциялар салынды. Циолковскийге енді ешкім күлмейді, керісінше, ол үлкен құрметке ие. Олар өте күшті графен нанотүтіктерін тапқанда, олар «аспанға апаратын баспалдақ» туралы байыпты ойлады.

Неліктен спутниктер құлап кетпейді?

Орталықтан тепкіш күш туралы бәрі біледі. Егер сіз допты жіпке жылдам айналдырсаңыз, ол жерге түспейді. Допты тез айналдыруға тырысайық, содан кейін айналу жылдамдығын біртіндеп баяулатайық. Бір кезде ол айналуды тоқтатады және құлап кетеді. Бұл центрифугалық күш жердің тартылыс күшін теңестіретін ең аз жылдамдық болады. Егер сіз допты тезірек айналдырсаңыз, арқан көбірек созылады (және бір сәтте ол үзіледі).

Сондай-ақ Жер мен серіктердің арасында «арқан» бар – тартылыс күші. Бірақ кәдімгі арқанға қарағанда, оны тартуға болмайды. Егер сіз спутникті қажетінен жылдамырақ «айналдырсаңыз», ол «ұшады» (және эллипстік орбитаға шығады немесе тіпті ұшып кетеді). Жер серігі жер бетіне неғұрлым жақын болса, соғұрлым тезірек «бұрылу» қажет. Қысқа арқандағы доп ұзаққа қарағанда тезірек айналады.

Спутниктің орбиталық (сызықтық) жылдамдығы жер бетіне қатысты жылдамдық емес екенін есте ұстаған жөн. Егер спутниктің орбиталық жылдамдығы 3,07 км/с деп жазылса, бұл оның жер бетінде ессіз қалықтап жүргенін білдірмейді. Жердің экваторындағы нүктелердің орбиталық жылдамдығы, айтпақшы, 465 м/с (қажырлы Галилео айтқандай, жер айналады).

Шындығында, жіптегі доп пен спутник үшін сызықтық жылдамдықтар емес, бұрыштық жылдамдықтар (дене секундына қанша айналым жасайды) есептеледі.

Спутник пен жер бетінің бұрыштық жылдамдықтары сәйкес келетін орбитаны тапсаңыз, спутник жер бетіндегі бір нүктеден асып кетеді екен. Мұндай орбита табылды және ол геостационарлық орбита (ГСО) деп аталады. Жерсеріктер экватордың үстінде қозғалмай ілулі тұр, ал адамдарға тақталарын бұрып, «сигнал алудың» қажеті жоқ.

Бұршақ сабағы

Бірақ егер сіз осындай спутниктен арқанды жерге түсірсеңіз ше, өйткені ол бір нүктеден асып кетеді? Спутниктің екінші ұшына жүк салыңыз, орталықтан тепкіш күш күшейеді және спутникті де, арқанды да ұстайды. Өйткені, допты жақсы айналдырсаң құламайды. Сонда бұл арқан бойымен жүктерді тікелей орбитаға көтеруге болады, ал қорқынышты түс сияқты, көп сатылы зымырандарды, килотоннадағы отынды төмен көтеру қабілетімен жалмап тастауды ұмытуға болады.

Жүктің атмосферасындағы қозғалыс жылдамдығы аз болады, яғни ол зымыранға қарағанда қызып кетпейді. Ал көтерілу үшін аз энергия қажет, өйткені тірек нүктесі бар.

Басты мәселе - арқанның салмағы. Жердің геостационарлық орбитасы 35 мың шақырым қашықтықта. Егер сіз диаметрі 1 мм болат сызықты геостационарлық орбитаға созсаңыз, оның массасы 212 тонна болады (және көтергішті орталықтан тепкіш күшпен теңестіру үшін оны одан әрі тарту керек). Сонымен қатар, ол өз салмағына және жүктің салмағына төтеп беруі керек.

Бақытымызға орай, бұл жағдайда бір нәрсе аздап көмектеседі, ол үшін физика мұғалімдері студенттерге жиі ұрысады: салмақ пен салмақ екі түрлі нәрсе. Кабель жер бетінен неғұрлым ұзағырақ болса, соғұрлым ол салмағын жоғалтады. Арқанның беріктігі мен салмағының арақатынасы әлі де үлкен болуы керек.

Көміртекті нанотүтіктермен инженерлердің үміті бар. Енді бұл жаңа технология және біз бұл түтіктерді әлі ұзын арқанға айналдыра алмаймыз. Және олардың максималды дизайн беріктігіне жету мүмкін емес. Бірақ ары қарай не боларын кім біледі?