Mpango wa Kuepuka Duniani: Mwongozo Mfupi wa Nje ya Obiti

2024 Mwandishi: Seth Attwood | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2023-12-16 16:17

Hivi majuzi kwenye Habre kulikuwa na habari kuhusu ujenzi uliopangwa wa lifti ya anga. Kwa wengi, ilionekana kama kitu cha kustaajabisha na cha kushangaza, kama pete kubwa kutoka kwa Halo au tufe ya Dyson. Lakini siku zijazo ni karibu zaidi kuliko inavyoonekana, ngazi ya mbinguni inawezekana kabisa, na labda hata tutaiona katika maisha yetu.

Sasa nitajaribu kuonyesha kwa nini hatuwezi kwenda na kununua tikiti ya Dunia-Mwezi kwa bei ya tikiti ya Moscow-Peter, jinsi lifti itatusaidia na itashikilia nini ili isianguke chini.

Tangu mwanzo wa maendeleo ya roketi, mafuta yalikuwa maumivu ya kichwa kwa wahandisi. Hata katika roketi za juu zaidi, mafuta huchukua karibu 98% ya wingi wa meli.

Ikiwa tunataka kuwapa wanaanga kwenye ISS mfuko wa mkate wa tangawizi wenye uzito wa kilo 1, basi hii itahitaji, kwa kusema, kilo 100 za mafuta ya roketi. Gari la uzinduzi linaweza kutupwa na litarudi Duniani tu katika mfumo wa uchafu ulioteketezwa. Mikate ya tangawizi ya gharama kubwa hupatikana. Uzito wa meli ni mdogo, ambayo inamaanisha kuwa malipo ya uzinduzi mmoja ni mdogo sana. Na kila uzinduzi unakuja kwa gharama.

Je, ikiwa tunataka kuruka mahali fulani zaidi ya mzunguko wa karibu wa dunia?

Wahandisi kutoka kote ulimwenguni waliketi na kuanza kufikiria: chombo cha anga kinapaswa kuwaje ili kuchukua zaidi juu yake na kuruka juu yake zaidi?

Roketi itaruka wapi?

Wakati wahandisi walikuwa wakifikiria, watoto wao walipata chumvi na kadibodi mahali fulani na kuanza kutengeneza roketi za kuchezea. Makombora kama haya hayakufika kwenye paa za majengo ya juu, lakini watoto walikuwa na furaha. Kisha wazo la busara zaidi likaja akilini: "hebu tusukuma chumvi zaidi kwenye roketi, na itaruka juu zaidi."

Lakini roketi haikuruka juu zaidi, kwani ilikua nzito sana. Hakuweza hata kunyanyuka angani. Baada ya majaribio kadhaa, watoto walipata kiwango bora cha chumvi ambapo roketi inaruka juu zaidi. Ikiwa unaongeza mafuta zaidi, wingi wa roketi huivuta chini. Ikiwa chini - mafuta huisha mapema.

Wahandisi pia waligundua haraka kwamba ikiwa tunataka kuongeza mafuta zaidi, basi nguvu ya traction lazima pia iwe kubwa zaidi. Kuna chaguzi chache za kuongeza safu ya ndege:

• ongeza ufanisi wa injini ili upotezaji wa mafuta uwe mdogo (nozzle ya Laval)
• ongeza msukumo maalum wa mafuta ili nguvu ya kutia iwe kubwa zaidi kwa misa sawa ya mafuta

Ingawa wahandisi wanasonga mbele kila wakati, karibu misa yote ya meli inachukuliwa na mafuta. Kwa kuwa kando na mafuta, unataka kutuma kitu muhimu angani, njia nzima ya roketi imehesabiwa kwa uangalifu, na kiwango cha chini kabisa huwekwa kwenye roketi. Wakati huo huo, wanatumia kikamilifu msaada wa mvuto wa miili ya mbinguni na nguvu za centrifugal. Baada ya kukamilisha misheni, wanaanga hawasemi: "Guys, bado kuna mafuta kidogo katika tank, hebu turuke kwa Venus."

Lakini jinsi ya kuamua ni mafuta ngapi inahitajika ili roketi isianguke ndani ya bahari na tanki tupu, lakini iruke Mars?

Kasi ya nafasi ya pili

Watoto pia walijaribu kufanya roketi kuruka juu zaidi. Walipata hata kitabu cha maandishi juu ya aerodynamics, walisoma juu ya hesabu za Navier-Stokes, lakini hawakuelewa chochote na walishikilia tu pua kali kwenye roketi.

Mzee wao anayemfahamu Hottabych alipita na kuwauliza watu hao walikuwa na huzuni gani.

- Eh, babu, ikiwa tungekuwa na roketi yenye mafuta yasiyo na kikomo na uzito mdogo, labda ingeweza kuruka hadi kwenye skyscraper, au hata juu ya mlima.

- Haijalishi, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych alijibu, akitoa nywele za mwisho, - basi roketi hii isipoteze mafuta.

Watoto wenye furaha walirusha roketi na kusubiri irudi duniani. Roketi iliruka hadi kwenye skyscraper na juu ya mlima, lakini haikusimama na kuruka zaidi hadi ikatoweka. Ukiangalia katika siku zijazo, basi roketi hii iliondoka duniani, ikaruka nje ya mfumo wa jua, galaksi yetu na kuruka kwa kasi ndogo ili kushinda ukubwa wa ulimwengu.

Watoto walishangaa jinsi roketi yao ndogo inaweza kuruka hadi sasa. Baada ya yote, shuleni walisema kwamba ili wasirudi Duniani, kasi inapaswa kuwa chini ya kasi ya pili ya cosmic (11, 2 km / s). Je roketi yao ndogo inaweza kufikia kasi hiyo?

Lakini wazazi wao wa uhandisi walieleza kwamba ikiwa roketi ina usambazaji usio na kikomo wa mafuta, basi inaweza kuruka popote ikiwa msukumo ni mkubwa kuliko nguvu za uvutano na nguvu za msuguano. Kwa kuwa roketi ina uwezo wa kupaa, nguvu ya kutia inatosha, na katika nafasi wazi ni rahisi zaidi.

Kasi ya pili ya ulimwengu sio kasi ambayo roketi inapaswa kuwa nayo. Hii ndio kasi ambayo mpira lazima utupwe kutoka kwa uso wa ardhi ili usirudi kwake. Roketi, tofauti na mpira, ina injini. Kwa ajili yake, sio kasi ambayo ni muhimu, lakini msukumo wa jumla.

Jambo gumu zaidi kwa roketi ni kushinda sehemu ya mwanzo ya njia. Kwanza, mvuto wa uso ni nguvu zaidi. Pili, Dunia ina angahewa mnene ambayo ndani yake ni moto sana kuruka kwa kasi kama hiyo. Na injini za roketi za ndege hufanya kazi mbaya zaidi ndani yake kuliko katika utupu. Kwa hivyo, wanaruka sasa kwenye roketi za hatua nyingi: hatua ya kwanza hutumia mafuta yake haraka na hutenganishwa, na meli nyepesi huruka kwenye injini zingine.

Konstantin Tsiolkovsky alifikiria juu ya shida hii kwa muda mrefu, na akagundua lifti ya nafasi (nyuma mnamo 1895). Kisha, bila shaka, walimcheka. Hata hivyo, walimcheka kwa sababu ya roketi, na satelaiti, na vituo vya obiti, na kwa ujumla walimwona nje ya ulimwengu huu: "Bado hatujavumbua kikamilifu magari hapa, lakini anaenda kwenye nafasi."

Kisha wanasayansi walifikiri juu yake na kuingia ndani yake, roketi ikaruka, ikazindua satelaiti, ikajenga vituo vya orbital, ambavyo watu walikuwa na watu. Hakuna mtu anayemcheka Tsiolkovsky tena; badala yake, anaheshimiwa sana. Na walipogundua nanotubes za graphene zenye nguvu zaidi, walifikiria sana "ngazi ya kwenda mbinguni."

Kwa nini satelaiti hazianguki chini?

Kila mtu anajua kuhusu nguvu ya centrifugal. Ikiwa unapindua haraka mpira kwenye kamba, hauanguka chini. Hebu jaribu kuzunguka mpira haraka, na kisha polepole kupunguza kasi ya mzunguko. Wakati fulani, itaacha kuzunguka na kuanguka. Hii itakuwa kasi ya chini ambayo nguvu ya katikati itakabiliana na mvuto wa dunia. Ikiwa unazunguka mpira kwa kasi, kamba itanyoosha zaidi (na kwa wakati fulani itavunjika).

Pia kuna "kamba" kati ya Dunia na satelaiti - mvuto. Lakini tofauti na kamba ya kawaida, haiwezi kuvutwa. Ikiwa "unazunguka" satelaiti kwa kasi zaidi kuliko lazima, "itatoka" (na kwenda kwenye obiti ya elliptical, au hata kuruka mbali). Satelaiti iko karibu na uso wa dunia, kwa haraka inahitaji "kugeuka". Mpira kwenye kamba fupi pia huzunguka kwa kasi zaidi kuliko kwa muda mrefu.

Ni muhimu kukumbuka kwamba kasi ya orbital (linear) ya satelaiti sio kasi inayohusiana na uso wa dunia. Ikiwa imeandikwa kwamba kasi ya obiti ya satelaiti ni 3.07 km / s, hii haimaanishi kuwa inaelea juu ya uso kama wazimu. Kasi ya obiti ya alama kwenye ikweta ya dunia, kwa njia, ni 465 m / s (dunia inazunguka, kama Galileo mkaidi alivyodai).

Kwa kweli, kwa mpira kwenye kamba na kwa satelaiti, sio kasi ya mstari huhesabiwa, lakini kasi ya angular (ni mapinduzi ngapi kwa sekunde mwili hufanya).

Inabadilika kuwa ikiwa utapata obiti ambayo kasi ya angular ya satelaiti na uso wa dunia sanjari, satelaiti itaning'inia juu ya hatua moja juu ya uso. Obiti kama hiyo ilipatikana, na inaitwa obiti ya geostationary (GSO). Setilaiti zinaning'inia bila kusonga juu ya ikweta, na si lazima watu wageuze sahani zao na "kushika ishara".

Shina la maharagwe

Lakini vipi ikiwa unapunguza kamba kutoka kwa satelaiti kama hiyo hadi chini, kwa sababu inaning'inia juu ya nukta moja? Ambatanisha mzigo kwenye mwisho mwingine wa satelaiti, nguvu ya centrifugal itaongezeka na itashikilia satelaiti na kamba. Baada ya yote, mpira hauanguka ikiwa unazunguka vizuri. Kisha itawezekana kuinua mizigo kwenye kamba hii moja kwa moja kwenye obiti, na kusahau, kama ndoto mbaya, roketi za hatua nyingi, zinazomeza mafuta katika kilotoni kwa uwezo mdogo wa kubeba.

Kasi ya harakati katika anga ya shehena itakuwa ndogo, ambayo inamaanisha kuwa haitakuwa na joto, tofauti na roketi. Na nishati kidogo inahitajika kupanda, kwani kuna fulcrum.

Tatizo kuu ni uzito wa kamba. Mzunguko wa kijiografia wa Dunia uko umbali wa kilomita elfu 35. Ikiwa unyoosha mstari wa chuma na kipenyo cha mm 1 kwa obiti ya geostationary, uzito wake utakuwa tani 212 (na inahitaji kuvutwa zaidi ili kusawazisha kuinua na nguvu ya centrifugal). Wakati huo huo, inapaswa kuhimili uzito wake mwenyewe na uzito wa mzigo.

Kwa bahati nzuri, katika kesi hii, kitu husaidia kidogo, ambayo walimu wa fizikia mara nyingi huwakemea wanafunzi: uzito na uzito ni vitu viwili tofauti. Zaidi ya cable kunyoosha kutoka kwenye uso wa dunia, zaidi inapoteza uzito. Ingawa uwiano wa nguvu-kwa-uzito wa kamba bado unapaswa kuwa mkubwa.

Na nanotubes za kaboni, wahandisi wana matumaini. Sasa hii ni teknolojia mpya, na bado hatuwezi kugeuza mirija hii kuwa kamba ndefu. Na haiwezekani kufikia nguvu zao za juu za kubuni. Lakini ni nani anayejua kitakachotokea baadaye?