Yerdən Qaçış Planı: Orbitdən Çıxış üçün Qısa Bələdçi

2024 Müəllif: Seth Attwood | [email protected]. Son dəyişdirildi: 2023-12-16 15:57

Bu yaxınlarda Habré-də kosmik liftin tikintisinin planlaşdırıldığı xəbəri var idi. Çoxları üçün bu, Halo-dan nəhəng üzük və ya Dyson sferası kimi fantastik və inanılmaz bir şey kimi görünürdü. Ancaq gələcək göründüyündən də yaxındır, cənnətə bir pilləkən olduqca mümkündür və bəlkə də bunu ömrümüzdə görə bilərik.

İndi mən niyə gedib Moskva-Peter bileti qiymətinə Yer-Ay bileti ala bilməyəcəyimizi, liftin bizə necə kömək edəcəyini və yerə yıxılmamaq üçün nədən yapışacağını göstərməyə çalışacağam.

Raket texnikasının inkişafının başlanğıcından yanacaq mühəndislər üçün başağrısı idi. Ən qabaqcıl raketlərdə belə yanacaq gəminin kütləsinin təxminən 98%-ni tutur.

BKS-də olan astronavtlara 1 kiloqram ağırlığında bir kisə zəncəfil çörək vermək istəyiriksə, bunun üçün, təxminən, 100 kiloqram raket yanacağı lazımdır. Aparıcı birdəfəlikdir və Yerə ancaq yanmış dağıntılar şəklində qayıdacaq. Bahalı zəncəfil çörəkləri alınır. Gəminin kütləsi məhduddur, yəni bir buraxılış üçün faydalı yük ciddi şəkildə məhduddur. Və hər buraxılış baha başa gəlir.

Yerə yaxın orbitdən kənarda bir yerə uçmaq istəsək necə olar?

Dünyanın hər yerindən gələn mühəndislər oturub düşünməyə başladılar: bir kosmik gəmini daha çox götürmək və daha da uçmaq üçün necə olmalıdır?

Raket hara uçacaq?

Mühəndislər fikirləşərkən uşaqları hardansa selitra və karton tapıb oyuncaq raketlər düzəltməyə başladılar. Belə raketlər hündürmərtəbəli binaların damına çatmasa da, uşaqlar sevinirdilər. Sonra ağlıma ən ağıllı fikir gəldi: “Raketin içinə daha çox selitra itələyək, o, daha yüksəklərə uçacaq”.

Lakin raket çox ağırlaşdığı üçün daha yüksək uçmayıb. O, hətta havaya qalxa bilmirdi. Bəzi təcrübələrdən sonra uşaqlar raketin ən yüksək uçduğu selitranın optimal miqdarını tapdılar. Əgər daha çox yanacaq əlavə etsəniz, raketin kütləsi onu aşağı çəkir. Daha azdırsa - yanacaq daha əvvəl bitir.

Mühəndislər də tez başa düşdülər ki, daha çox yanacaq əlavə etmək istəyiriksə, onda dartma qüvvəsi də daha böyük olmalıdır. Uçuş məsafəsini artırmaq üçün bir neçə variant var:

• yanacaq itkilərinin minimum olması üçün mühərrikin səmərəliliyini artırın (Laval nozzle)
• yanacağın xüsusi impulsunu artırın ki, itələmə qüvvəsi eyni yanacaq kütləsi üçün daha böyük olsun

Mühəndislər daim irəliləsələr də, gəminin demək olar ki, bütün kütləsi yanacaqla tutulur. Yanacaqla yanaşı, kosmosa faydalı bir şey göndərmək istədiyinizə görə, raketin bütün yolu diqqətlə hesablanır və ən minimumu raketə qoyulur. Eyni zamanda, onlar göy cisimlərinin və mərkəzdənqaçma qüvvələrinin qravitasiya köməyindən fəal şəkildə istifadə edirlər. Missiyanı başa vurduqdan sonra astronavtlar demirlər: “Uşaqlar, hələ çəndə bir az yanacaq var, gəlin Veneraya uçaq”.

Bəs raketin boş çənlə okeana düşməməsi, Marsa uçması üçün nə qədər yanacağa ehtiyac olduğunu necə müəyyən etmək olar?

İkinci kosmik sürət

Uşaqlar da raketin daha hündür uçmasına çalışıblar. Onlar hətta aerodinamika üzrə dərslik əldə etdilər, Navier-Stokes tənlikləri haqqında oxudular, lakin heç nə başa düşmədilər və sadəcə raketə iti bir burun bağladılar.

Onların tanış qocası Hottabych keçdi və uşaqların nəyə kədərləndiyini soruşdu.

- Eh, baba, yanacağı sonsuz, kütləsi az olan raketimiz olsaydı, yəqin ki, göydələnə, hətta dağın lap zirvəsinə uçardı.

- Fərqi yoxdur, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych son tükünü də çəkərək cavab verdi, - qoy bu raketin yanacağı heç vaxt tükənməsin.

Sevincli uşaqlar raket atıb onun yerə qayıtmasını gözlədilər. Raket həm göydələnə, həm də dağın başına uçdu, lakin dayanmadı və gözdən itənə qədər daha da uçdu. Əgər gələcəyə nəzər salsanız, o zaman bu raket Yer kürəsini tərk etdi, Günəş sistemindən, qalaktikamızdan uçdu və kainatın genişliyini fəth etmək üçün işıqaltı sürətlə uçdu.

Uşaqlar onların kiçik raketinin bu qədər uzağa necə uça biləcəyini düşündülər. Axı məktəbdə deyirdilər ki, Yerə qayıtmamaq üçün sürət ikinci kosmik sürətdən (11, 2 km/s) az olmamalıdır. Onların kiçik raketi bu sürətə çata bilərmi?

Lakin onların mühəndis-valideynləri izah etdilər ki, əgər raket sonsuz yanacaq ehtiyatına malikdirsə, təkan qüvvəsi cazibə qüvvələrindən və sürtünmə qüvvələrindən çox olarsa, o, istənilən yerə uça bilər. Raket havaya qalxa bildiyi üçün itələmə qüvvəsi kifayətdir, açıq kosmosda isə daha da asandır.

İkinci kosmik sürət bir raketin olması lazım olan sürət deyil. Bu, topun geri qayıtmaması üçün yerin səthindən atılmalı olduğu sürətdir. Raketin topdan fərqli olaraq mühərrikləri var. Onun üçün vacib olan sürət deyil, ümumi impulsdur.

Raket üçün ən çətin şey yolun başlanğıc hissəsini keçməkdir. Birincisi, səthin cazibə qüvvəsi daha güclüdür. İkincisi, Yerin belə sürətlə uçmaq üçün çox isti olduğu sıx bir atmosfer var. Və reaktiv raket mühərrikləri vakuumdan daha pis işləyir. Buna görə də onlar indi çoxpilləli raketlərdə uçurlar: birinci pillə tez yanacağını sərf edir və ayrılır, yüngül gəmi isə başqa mühərriklərdə uçur.

Konstantin Tsiolkovski uzun müddət bu problem üzərində düşündü və kosmik lifti icad etdi (hələ 1895-ci ildə). Sonra təbii ki, ona güldülər. Ancaq raketə, peykə, orbital stansiyalara görə ona gülürdülər və ümumiyyətlə, onu bu dünyadan kənar hesab edirdilər: “Biz burada hələ avtomobilləri tam ixtira etməmişik, amma o, kosmosa gedir”.

Sonra elm adamları bu barədə düşündülər və içəri girdilər, bir raket uçdu, peyk buraxdı, insanların məskunlaşdığı orbital stansiyalar qurdular. Artıq heç kim Tsiolkovskiyə gülmür, əksinə, ona çox hörmət edirlər. Və onlar super güclü qrafen nanoborucuqlarını kəşf edəndə “cənnətə aparan pilləkən” haqqında ciddi şəkildə düşündülər.

Peyklər niyə yerə düşmür?

Mərkəzdənqaçma qüvvəsi haqqında hər kəs bilir. Topu cəld ipdə bükürsəniz, yerə düşmür. Gəlin topu tez fırlatmağa çalışaq və sonra fırlanma sürətini tədricən yavaşlataq. Bir anda fırlanmağı dayandıracaq və düşəcək. Bu, mərkəzdənqaçma qüvvəsinin yerin cazibə qüvvəsini tarazlayacağı minimum sürət olacaqdır. Topu daha sürətli fırlatsanız, ip daha çox uzanacaq (və bir anda qırılacaq).

Yerlə peyklər arasında “ip” də var – cazibə qüvvəsi. Amma adi kəndirdən fərqli olaraq onu çəkmək olmaz. Əgər peyki lazım olduğundan daha tez "fırlatsanız", o, "çıxacaq" (və elliptik orbitə çıxacaq və ya hətta uçacaq). Peyk yerin səthinə nə qədər yaxındırsa, onu bir o qədər tez “çevirmək” lazımdır. Qısa bir ipdəki top da uzun olandan daha sürətli fırlanır.

Yadda saxlamaq lazımdır ki, peykin orbital (xətti) sürəti yer səthinə nisbətən sürət deyil. Əgər peykin orbital sürətinin 3,07 km/s olduğu yazılıbsa, bu o demək deyil ki, o, dəli kimi səthin üzərində fırlanır. Yerin ekvatorundakı nöqtələrin orbital sürəti, yeri gəlmişkən, 465 m / s-dir (inadkar Qalileonun iddia etdiyi kimi, yer fırlanır).

Əslində, simli top və peyk üçün xətti sürətlər deyil, bucaq sürətləri hesablanır (bədən saniyədə neçə dövrə edir).

Belə çıxır ki, peykin və yer səthinin bucaq sürətlərinin üst-üstə düşdüyü orbit tapsanız, peyk səthdə bir nöqtədən asılı olacaq. Belə bir orbit tapıldı və o, geostasionar orbit (GSO) adlanır. Peyklər ekvator üzərində hərəkətsiz şəkildə asılır və insanlar lövhələrini çevirib "siqnal tutmaq" məcburiyyətində deyillər.

Lobya gövdəsi

Bəs belə bir peykdən kəndiri bir nöqtədən asdığı üçün yerə endirsən? Peykin digər ucuna bir yük əlavə edin, mərkəzdənqaçma qüvvəsi artacaq və həm peyki, həm də ipi saxlayacaq. Axı top yaxşı fırlansa düşmür. Sonra bu iplə yükləri birbaşa orbitə qaldırmaq və kabus kimi, çoxpilləli raketləri, kilotonlarla aşağı daşıma qabiliyyəti ilə yanacaq udmaq mümkün olacaq.

Yükün atmosferində hərəkət sürəti kiçik olacaq, bu o deməkdir ki, o, raketdən fərqli olaraq qızmayacaq. Və dırmaşmaq üçün daha az enerji tələb olunur, çünki dayaq nöqtəsi var.

Əsas problem ipin çəkisidir. Yerin geostasionar orbiti 35 min kilometr məsafədədir. Diametri 1 mm olan bir polad xətti geostasionar orbitə uzatsanız, onun kütləsi 212 ton olacaq (və lifti mərkəzdənqaçma qüvvəsi ilə tarazlaşdırmaq üçün onu daha çox çəkmək lazımdır). Eyni zamanda, öz ağırlığına və yükün ağırlığına tab gətirməlidir.

Xoşbəxtlikdən, bu vəziyyətdə bir şey bir az kömək edir, bunun üçün fizika müəllimləri tez-tez tələbələri danlayır: çəki və çəki iki fərqli şeydir. Kabel yerin səthindən nə qədər uzaqlaşarsa, bir o qədər çəki itirir. İpin gücü-çəki nisbəti hələ də böyük olmalıdır.

Karbon nanoborucuqları ilə mühəndislərin ümidləri var. İndi bu yeni bir texnologiyadır və biz hələ bu boruları uzun bir kəndirə çevirə bilmərik. Və onların maksimum dizayn gücünə nail olmaq mümkün deyil. Amma sonra nə olacağını kim bilir?