طرح فرار از زمین: راهنمای مختصری برای خارج از مدار

2024 نویسنده: Seth Attwood | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2023-12-16 16:03

اخیراً در هابره خبری در مورد برنامه ریزی برای ساخت یک آسانسور فضایی منتشر شد. برای بسیاری، چیزی خارق العاده و باورنکردنی به نظر می رسید، مانند حلقه ای بزرگ از هالو یا کره دایسون. اما آینده نزدیکتر از چیزی است که به نظر می رسد، پلکانی به بهشت کاملاً ممکن است، و شاید حتی در طول زندگی خود آن را ببینیم.

اکنون سعی خواهم کرد نشان دهم که چرا نمی توانیم به قیمت بلیط مسکو-پیتر بلیط زمین-ماه بخریم، آسانسور چگونه به ما کمک می کند و چه چیزی را نگه می دارد تا به زمین نریزد.

از همان ابتدای توسعه موشک، سوخت برای مهندسان دردسرساز بود. حتی در پیشرفته ترین موشک ها، سوخت حدود 98 درصد از جرم کشتی را اشغال می کند.

اگر بخواهیم به فضانوردان ایستگاه فضایی بین‌المللی کیسه‌ای نان زنجبیلی به وزن 1 کیلوگرم بدهیم، به طور کلی به 100 کیلوگرم سوخت موشک نیاز دارد. پرتابگر یکبار مصرف است و تنها به صورت زباله های سوخته به زمین باز می گردد. نان های زنجبیلی گران قیمت به دست می آید. جرم کشتی محدود است، به این معنی که محموله برای یک بار پرتاب به شدت محدود است. و هر راه اندازی هزینه ای دارد.

اگر بخواهیم به جایی فراتر از مدار نزدیک زمین پرواز کنیم چه؟

مهندسان از سراسر جهان نشستند و شروع به فکر کردن کردند: یک سفینه فضایی چگونه باید باشد تا بتواند بیشتر از آن استفاده کند و بیشتر روی آن پرواز کند؟

موشک به کجا پرواز خواهد کرد؟

در حالی که مهندسان در فکر بودند، فرزندانشان در جایی نمک و مقوا پیدا کردند و شروع به ساخت موشک های اسباب بازی کردند. چنین موشک هایی به پشت بام ساختمان های بلندمرتبه نمی رسید، اما بچه ها خوشحال بودند. سپس هوشمندانه ترین فکر به ذهنم خطور کرد: "بیایید نمک بیشتری را به موشک فشار دهیم، و او بالاتر خواهد رفت."

اما موشک بالاتر از آن پرواز نکرد، زیرا بیش از حد سنگین شد. او حتی نمی توانست به هوا بلند شود. پس از چند آزمایش، بچه‌ها مقدار بهینه نمک نمک را پیدا کردند که موشک در آن بیشترین پرواز را دارد. اگر سوخت بیشتری اضافه کنید، جرم موشک آن را به سمت پایین می کشد. اگر کمتر باشد - سوخت زودتر تمام می شود.

مهندسان همچنین به سرعت متوجه شدند که اگر می خواهیم سوخت بیشتری اضافه کنیم، نیروی کشش نیز باید بیشتر باشد. چند گزینه برای افزایش برد پرواز وجود دارد:

• راندمان موتور را افزایش دهید تا تلفات سوخت به حداقل برسد (نازل لاوال)
• ضربان خاص سوخت را افزایش دهید تا نیروی رانش برای همان جرم سوخت بیشتر باشد

اگرچه مهندسان دائماً در حال حرکت به جلو هستند، تقریباً کل جرم کشتی توسط سوخت گرفته می شود. از آنجایی که علاوه بر سوخت، می خواهید چیز مفیدی را به فضا بفرستید، کل مسیر موشک به دقت محاسبه می شود و حداقل آن در موشک قرار می گیرد. در عین حال، آنها به طور فعال از کمک گرانشی اجرام آسمانی و نیروهای گریز از مرکز استفاده می کنند. پس از اتمام ماموریت، فضانوردان نمی گویند: "بچه ها، هنوز کمی سوخت در مخزن است، بیایید به سمت زهره پرواز کنیم."

اما چگونه تعیین کنیم که چه مقدار سوخت لازم است تا موشک با مخزن خالی به اقیانوس نیفتد، بلکه به مریخ پرواز کند؟

سرعت دوم فضایی

بچه ها هم سعی کردند موشک را بالاتر بپرند. آنها حتی یک کتاب درسی در مورد آیرودینامیک به دست آوردند، در مورد معادلات ناویر-استوکس مطالعه کردند، اما چیزی متوجه نشدند و به سادگی یک دماغه تیز را به موشک وصل کردند.

پیرمرد آشنای آنها هوتابیچ از آنجا گذشت و پرسید که بچه ها از چه چیزی ناراحت هستند.

- ای پدربزرگ، اگر موشکی با سوخت بی نهایت و جرم کم داشتیم، احتمالاً به آسمان خراش یا حتی بالای یک کوه می رسید.

- مهم نیست، کوستیا بن ادوارد، - هوتابیچ با کندن آخرین موها پاسخ داد، - بگذار سوخت این موشک هرگز تمام نشود.

بچه های شاد موشکی پرتاب کردند و منتظر ماندند تا به زمین بازگردد. موشک هم به سمت آسمان خراش و هم به بالای کوه پرواز کرد، اما متوقف نشد و بیشتر پرواز کرد تا اینکه از دید ناپدید شد.اگر به آینده نگاه کنید، پس این موشک زمین را ترک کرد، از منظومه شمسی، کهکشان ما خارج شد و با سرعت زیر نور به پرواز درآمد تا وسعت جهان را تسخیر کند.

بچه ها تعجب کردند که موشک کوچکشان چگونه می تواند تا این اندازه پرواز کند. از این گذشته ، در مدرسه گفتند که برای اینکه دوباره به زمین نیفتید ، سرعت نباید کمتر از سرعت دوم کیهانی (11، 2 کیلومتر در ثانیه) باشد. آیا موشک کوچک آنها می تواند به این سرعت برسد؟

اما والدین مهندس آنها توضیح دادند که اگر یک موشک دارای ذخایر بی‌نهایت سوخت باشد، اگر نیروی رانش بیشتر از نیروهای گرانشی و نیروهای اصطکاک باشد، می‌تواند به هر جایی پرواز کند. از آنجایی که موشک قادر به بلند شدن است، نیروی رانش کافی است و در فضای باز حتی راحت تر است.

سرعت دوم کیهانی آن سرعتی نیست که یک موشک باید داشته باشد. این سرعتی است که باید توپ را از سطح زمین پرتاب کرد تا به آن برنگردد. موشک برخلاف توپ دارای موتور است. برای او سرعت مهم نیست، بلکه انگیزه کل است.

سخت ترین کار برای یک موشک غلبه بر بخش اولیه مسیر است. اول، گرانش سطح قوی تر است. ثانیاً زمین دارای جوی متراکم است که در آن پرواز با چنین سرعتی بسیار گرم است. و موتورهای موشک جت در آن بدتر از خلاء کار می کنند. بنابراین، آنها اکنون روی موشک های چند مرحله ای پرواز می کنند: مرحله اول به سرعت سوخت خود را مصرف می کند و جدا می شود و کشتی سبک وزن روی موتورهای دیگر پرواز می کند.

کنستانتین تسیولکوفسکی برای مدت طولانی به این مشکل فکر کرد و آسانسور فضایی را اختراع کرد (در سال 1895). بعد البته به او خندیدند. با این حال آنها به خاطر موشک و ماهواره و ایستگاه های مداری به او خندیدند و عموماً او را خارج از این دنیا می دانستند: "ما هنوز ماشین را به طور کامل در اینجا اختراع نکرده ایم، اما او به فضا می رود."

سپس دانشمندان در مورد آن فکر کردند و وارد آن شدند، یک موشک پرواز کرد، یک ماهواره پرتاب کرد، ایستگاه های مداری ساخت، که در آن مردم جمعیت داشتند. دیگر هیچ کس به تسیولکوفسکی نمی خندد، برعکس، او بسیار مورد احترام است. و زمانی که آنها نانولوله های گرافن فوق قوی را کشف کردند، به طور جدی به "پلکانی به سوی بهشت" فکر کردند.

چرا ماهواره ها سقوط نمی کنند؟

همه در مورد نیروی گریز از مرکز می دانند. اگر توپ را به سرعت روی نخ بچرخانید، روی زمین نمی افتد. بیایید سعی کنیم توپ را سریع بچرخانیم و سپس به تدریج سرعت چرخش را کاهش دهیم. در یک نقطه، چرخش متوقف می شود و سقوط می کند. این حداقل سرعتی خواهد بود که در آن نیروی گریز از مرکز گرانش زمین را متعادل می کند. اگر توپ را سریعتر بچرخانید، طناب بیشتر کشیده می شود (و در نقطه ای می شکند).

همچنین یک "طناب" بین زمین و ماهواره ها وجود دارد - گرانش. اما بر خلاف یک طناب معمولی، نمی توان آن را کشید. اگر ماهواره را سریع‌تر از حد لازم «بچرخانید»، «بیرون می‌آید» (و به مدار بیضوی می‌رود یا حتی پرواز می‌کند). هر چه ماهواره به سطح زمین نزدیکتر باشد، سریعتر باید "چرخش" شود. توپ روی یک طناب کوتاه نیز سریعتر از طناب بلند می چرخد.

لازم به یادآوری است که سرعت مداری (خطی) یک ماهواره، سرعتی نسبت به سطح زمین نیست. اگر نوشته شده است که سرعت مداری یک ماهواره 3.07 کیلومتر بر ثانیه است، به این معنی نیست که مانند دیوانه بر روی سطح شناور است. سرعت مداری نقاط روی استوای زمین، به هر حال، 465 متر در ثانیه است (زمین همانطور که گالیله سرسخت ادعا کرد، می چرخد).

در واقع، برای توپ روی یک ریسمان و برای یک ماهواره، سرعت های خطی محاسبه نمی شود، بلکه سرعت های زاویه ای (چند دور در ثانیه بدن می شود) محاسبه می شود.

معلوم می شود که اگر مداری را پیدا کنید که سرعت زاویه ای ماهواره و سطح زمین مطابقت داشته باشد، ماهواره در یک نقطه از سطح قرار می گیرد. چنین مداری پیدا شد و به آن مدار زمین ثابت (GSO) می گویند. ماهواره ها بدون حرکت بر فراز استوا آویزان هستند و مردم مجبور نیستند صفحات خود را بچرخانند و "سیگنال را بگیرند".

ساقه لوبیا

اما اگر طناب را از چنین ماهواره ای به زمین پایین بیاورید، چرا که بیش از یک نقطه آویزان است، چه؟ باری را به انتهای دیگر ماهواره وصل کنید، نیروی گریز از مرکز افزایش می یابد و هم ماهواره و هم طناب را نگه می دارد. از این گذشته، اگر توپ را خوب بچرخانید، سقوط نمی کند.سپس می توان بارها را در امتداد این طناب مستقیماً به مدار برد و مانند یک کابوس، موشک های چند مرحله ای را فراموش کرد که سوخت را با ظرفیت حمل کم به کیلوتن می خورد.

سرعت حرکت در جو محموله کم خواهد بود، به این معنی که برخلاف موشک گرم نمی شود. و انرژی کمتری برای صعود لازم است، زیرا یک نقطه تکیه وجود دارد.

مشکل اصلی وزن طناب است. مدار زمین ثابت زمین در فاصله 35 هزار کیلومتری قرار دارد. اگر یک خط فولادی به قطر 1 میلی متر را به مدار زمین ثابت بکشید، جرم آن 212 تن خواهد بود (و باید خیلی بیشتر کشیده شود تا بالابر با نیروی گریز از مرکز متعادل شود). در عین حال باید وزن خود و وزن بار را تحمل کند.

خوشبختانه، در این مورد، چیزی کمی کمک می کند، که معلمان فیزیک اغلب به دانش آموزان سرزنش می کنند: وزن و وزن دو چیز متفاوت هستند. هر چه کابل از سطح زمین بیشتر کشیده شود، وزن آن بیشتر کاهش می یابد. اگرچه نسبت استحکام به وزن طناب همچنان باید بسیار زیاد باشد.

مهندسان با نانولوله های کربنی امیدوار هستند. اکنون این یک فناوری جدید است و ما هنوز نمی توانیم این لوله ها را به یک طناب بلند بپیچانیم. و دستیابی به حداکثر استحکام طراحی آنها ممکن نیست. اما چه کسی می داند که در ادامه چه اتفاقی خواهد افتاد؟