Earth Escape Plan: คู่มือฉบับย่อสำหรับการออกจากวงโคจร

2024 ผู้เขียน: Seth Attwood | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-16 16:17

เมื่อเร็วๆ นี้ที่ Habré มีข่าวเกี่ยวกับการก่อสร้างลิฟต์อวกาศตามแผน สำหรับหลายๆ คน ดูเหมือนว่าบางสิ่งที่มหัศจรรย์และเหลือเชื่อ เช่น แหวนขนาดใหญ่จาก Halo หรือทรงกลม Dyson แต่อนาคตอยู่ใกล้กว่าที่คิด บันไดสู่สวรรค์เป็นไปได้ทีเดียว และบางทีเราอาจจะได้เห็นมันในชีวิตของเราด้วยซ้ำ

ตอนนี้ฉันจะพยายามแสดงว่าทำไมเราไม่สามารถไปซื้อตั๋ว Earth-Moon ในราคาตั๋วมอสโก - ปีเตอร์ลิฟต์จะช่วยเราได้อย่างไรและมันจะยึดอะไรไว้เพื่อไม่ให้ล้มลงกับพื้น

จากจุดเริ่มต้นของการพัฒนาจรวด วิศวกรต้องปวดหัวกับเชื้อเพลิง แม้แต่ในจรวดที่ล้ำหน้าที่สุด เชื้อเพลิงยังกินเนื้อที่ประมาณ 98% ของมวลเรือ

หากเราต้องการมอบขนมปังขิง 1 ถุงให้กับนักบินอวกาศบนสถานีอวกาศนานาชาติ ISS จะต้องใช้เชื้อเพลิงจรวด 100 กิโลกรัมโดยประมาณ ยานพาหนะสำหรับปล่อยเป็นแบบใช้แล้วทิ้งและจะกลับสู่พื้นโลกในรูปของเศษซากที่ถูกไฟไหม้เท่านั้น ได้ขนมปังขิงราคาแพง มวลของเรือรบมีจำกัด ซึ่งหมายความว่าน้ำหนักบรรทุกสำหรับการปล่อยหนึ่งครั้งนั้นถูกจำกัดอย่างเข้มงวด และการเปิดตัวทุกครั้งต้องเสียค่าใช้จ่าย

เกิดอะไรขึ้นถ้าเราต้องการบินไปที่ไหนสักแห่งนอกวงโคจรใกล้โลก?

วิศวกรจากทั่วทุกมุมโลกนั่งลงและเริ่มคิดว่า: ยานอวกาศควรเป็นอย่างไรเพื่อที่จะได้ขึ้นยานและบินต่อไป

จรวดจะบินไปไหน?

ขณะที่วิศวกรกำลังคิด เด็กๆ ของพวกเขาพบดินประสิวและกระดาษแข็งที่ไหนสักแห่งและเริ่มทำจรวดของเล่น ขีปนาวุธดังกล่าวไม่ถึงหลังคาอาคารสูง แต่เด็ก ๆ มีความสุข จากนั้น ความคิดที่ฉลาดที่สุดก็ผุดขึ้นในหัว: "ลองดันดินประสิวเข้าไปในจรวดให้มากขึ้น แล้วมันจะบินได้สูงขึ้น"

แต่จรวดไม่ได้บินสูงขึ้น เพราะมันหนักเกินไป เธอไม่สามารถแม้แต่จะขึ้นไปในอากาศ หลังการทดลอง เด็กๆ พบว่าดินประสิวในปริมาณที่เหมาะสมที่สุดที่จรวดจะบินได้สูงที่สุด หากคุณเติมเชื้อเพลิงมากขึ้น มวลของจรวดจะดึงมันลงมา ถ้าน้อยกว่า - เชื้อเพลิงหมดเร็วกว่านี้

วิศวกรทราบอย่างรวดเร็วว่าหากเราต้องการเพิ่มเชื้อเพลิงมากขึ้น แรงฉุดก็ต้องมากขึ้นด้วย มีตัวเลือกสองสามอย่างในการเพิ่มระยะการบิน:

• เพิ่มประสิทธิภาพเครื่องยนต์ให้สูญเสียเชื้อเพลิงน้อยที่สุด (หัวฉีดลาวาล)
• เพิ่มแรงกระตุ้นจำเพาะของเชื้อเพลิงเพื่อให้แรงผลักมากขึ้นสำหรับมวลเชื้อเพลิงเดียวกัน

แม้ว่าวิศวกรจะก้าวไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง แต่มวลของเรือเกือบทั้งหมดก็ถูกใช้เป็นเชื้อเพลิง เนื่องจากนอกจากเชื้อเพลิงแล้ว คุณต้องการส่งสิ่งที่มีประโยชน์ไปในอวกาศ ทุกเส้นทางของจรวดได้รับการคำนวณอย่างรอบคอบ และใส่ขั้นต่ำลงในจรวด ในเวลาเดียวกัน พวกเขาใช้แรงโน้มถ่วงของวัตถุท้องฟ้าและแรงเหวี่ยงอย่างแข็งขัน หลังจากเสร็จสิ้นภารกิจ นักบินอวกาศไม่พูดว่า: "พวก ยังมีเชื้อเพลิงอยู่ในถัง ไปบินไปที่ดาวศุกร์กันเถอะ"

แต่จะกำหนดได้อย่างไรว่าต้องใช้เชื้อเพลิงเท่าใดเพื่อให้จรวดไม่ตกลงไปในมหาสมุทรด้วยถังเปล่า แต่บินไปยังดาวอังคาร?

ความเร็วของพื้นที่ที่สอง

เด็กๆ ยังพยายามทำให้จรวดบินสูงขึ้นอีกด้วย พวกเขายังได้รับหนังสือเรียนเกี่ยวกับอากาศพลศาสตร์ อ่านเกี่ยวกับสมการของเนเวียร์-สโตกส์ แต่ไม่เข้าใจอะไรเลยและเพียงแค่แนบจมูกที่แหลมคมเข้ากับจรวด

ชายชราที่คุ้นเคยของพวกเขา Hottabych ผ่านไปและถามว่าพวกเขาเสียใจเรื่องอะไร

- เอ่อ คุณปู่ ถ้าเรามีจรวดที่มีเชื้อเพลิงไม่จำกัดและมีมวลต่ำ มันอาจจะบินไปที่ตึกระฟ้า หรือแม้แต่ยอดภูเขา

- ไม่เป็นไร Kostya-ibn-Eduard - Hottabych ตอบดึงผมสุดท้ายออกมา - ปล่อยให้จรวดนี้ไม่มีเชื้อเพลิงหมด

เด็กๆ ที่ร่าเริงยิงจรวดและรอให้มันกลับมายังโลก จรวดบินทั้งไปที่ตึกระฟ้าและขึ้นไปบนยอดเขา แต่ไม่หยุดและบินต่อไปจนหายไปจากสายตาหากคุณมองไปสู่อนาคต จรวดนี้ออกจากโลก บินออกจากระบบสุริยะ กาแล็กซี่ของเรา และบินด้วยความเร็วแสงน้อยเพื่อพิชิตความกว้างใหญ่ของจักรวาล

เด็กๆ สงสัยว่าจรวดตัวน้อยของพวกเขาสามารถบินได้ไกลขนาดนี้ได้อย่างไร ท้ายที่สุดแล้วที่โรงเรียนพวกเขากล่าวว่าเพื่อไม่ให้ถอยกลับโลกความเร็วไม่ควรน้อยกว่าความเร็วจักรวาลที่สอง (11, 2 km / s) จรวดขนาดเล็กของพวกเขาสามารถเข้าถึงความเร็วนั้นได้หรือไม่?

แต่พ่อแม่ฝ่ายวิศวกรรมของพวกเขาอธิบายว่าหากจรวดมีเชื้อเพลิงไม่สิ้นสุด ก็สามารถบินได้ทุกที่หากแรงขับมากกว่าแรงโน้มถ่วงและแรงเสียดทาน เนื่องจากจรวดสามารถบินขึ้นได้ แรงผลักจึงเพียงพอ และในที่โล่งจึงง่ายยิ่งขึ้น

ความเร็วจักรวาลที่สองไม่ใช่ความเร็วที่จรวดควรมี นี่คือความเร็วที่ลูกบอลต้องถูกโยนจากพื้นโลกเพื่อไม่ให้กลับคืนสู่สภาพเดิม จรวดไม่เหมือนลูกบอลมีเครื่องยนต์ สำหรับเธอ ความเร็วไม่ใช่สิ่งสำคัญ แต่เป็นแรงกระตุ้นทั้งหมด

สิ่งที่ยากที่สุดสำหรับจรวดคือการเอาชนะส่วนต้นของเส้นทาง อย่างแรก แรงโน้มถ่วงพื้นผิวจะแรงกว่า ประการที่สอง โลกมีบรรยากาศหนาแน่นซึ่งร้อนมากที่จะบินด้วยความเร็วดังกล่าว และเครื่องยนต์จรวดเจ็ทก็ทำงานได้แย่กว่าในสุญญากาศ ดังนั้นตอนนี้พวกเขาจึงบินด้วยจรวดหลายขั้นตอน: ขั้นตอนแรกใช้เชื้อเพลิงอย่างรวดเร็วและถูกแยกออกจากกันและเรือน้ำหนักเบาบินด้วยเครื่องยนต์อื่น

Konstantin Tsiolkovsky คิดเกี่ยวกับปัญหานี้เป็นเวลานานและคิดค้นลิฟต์อวกาศ (ย้อนกลับไปในปี 2438) แน่นอนว่าพวกเขาหัวเราะเยาะเขา อย่างไรก็ตาม พวกเขาหัวเราะเยาะเขาเพราะจรวด ดาวเทียม และสถานีโคจร และโดยทั่วไปถือว่าเขาออกจากโลกนี้: "เรายังไม่ได้ประดิษฐ์รถยนต์อย่างเต็มที่ที่นี่ แต่เขากำลังจะเข้าสู่อวกาศ"

จากนั้นนักวิทยาศาสตร์ก็คิดเกี่ยวกับมันและเข้าไปข้างในจรวดบินเปิดตัวดาวเทียมสร้างสถานีโคจรซึ่งมีประชากรอาศัยอยู่ ไม่มีใครหัวเราะเยาะ Tsiolkovsky อีกต่อไป ตรงกันข้าม เขาได้รับความเคารพอย่างสูง และเมื่อพวกเขาค้นพบท่อนาโนกราฟีนที่แข็งแรงมาก พวกเขาคิดอย่างจริงจังเกี่ยวกับ "บันไดสู่สวรรค์"

ทำไมดาวเทียมไม่ตก?

ทุกคนรู้เกี่ยวกับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง หากคุณบิดลูกบอลบนเชือกอย่างรวดเร็ว ลูกบอลจะไม่ตกพื้น ให้ลองหมุนลูกให้เร็ว แล้วค่อยๆ ลดความเร็วการหมุนลง เมื่อถึงจุดหนึ่งก็จะหยุดหมุนและล้มลง นี่จะเป็นความเร็วต่ำสุดที่แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะถ่วงดุลแรงโน้มถ่วงของโลก หากคุณหมุนลูกบอลเร็วขึ้น เชือกก็จะยืดออกมากขึ้น (และเมื่อถึงจุดหนึ่งมันก็จะขาด)

นอกจากนี้ยังมี "เชือก" ระหว่างโลกและดาวเทียม - แรงโน้มถ่วง แต่ไม่สามารถดึงเชือกได้เหมือนเชือกทั่วไป หากคุณ "หมุน" ดาวเทียมเร็วกว่าที่จำเป็น ดาวเทียมจะ "หลุดออก" (และเข้าสู่วงโคจรวงรีหรือแม้กระทั่งบินหนีไป) ยิ่งดาวเทียมอยู่ใกล้พื้นผิวโลก ยิ่งต้อง "หมุน" เร็วขึ้น ลูกบอลบนเชือกสั้นก็หมุนเร็วกว่าลูกยาวเช่นกัน

สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าความเร็วของวงโคจร (เชิงเส้น) ของดาวเทียมนั้นไม่สัมพันธ์กับความเร็วของพื้นผิวโลก หากมีการเขียนว่าความเร็วของวงโคจรของดาวเทียมคือ 3.07 km / s ไม่ได้หมายความว่ามันลอยอยู่เหนือพื้นผิวอย่างบ้าคลั่ง ความเร็วการโคจรของจุดบนเส้นศูนย์สูตรของโลกคือ 465 m / s (โลกหมุนตามที่กาลิเลโอปากแข็งอ้าง)

อันที่จริง สำหรับลูกบอลบนเชือกและสำหรับดาวเทียม ไม่ได้คำนวณความเร็วเชิงเส้น แต่เป็นความเร็วเชิงมุม (จำนวนรอบต่อวินาทีที่ร่างกายสร้าง)

ปรากฎว่าถ้าคุณพบวงโคจรที่ความเร็วเชิงมุมของดาวเทียมกับพื้นผิวโลกตรงกัน ดาวเทียมก็จะห้อยอยู่เหนือจุดหนึ่งบนพื้นผิว พบวงโคจรดังกล่าวและเรียกว่าวงโคจร geostationary (GSO) ดาวเทียมแขวนอยู่เหนือเส้นศูนย์สูตรโดยไม่เคลื่อนที่ และผู้คนไม่ต้องพลิกจานและ "จับสัญญาณ"

ก้านถั่ว

แต่ถ้าคุณหย่อนเชือกจากดาวเทียมดังกล่าวลงไปที่พื้น เพราะมันห้อยอยู่เหนือจุดหนึ่งล่ะ ติดน้ำหนักไว้ที่ปลายอีกด้านของดาวเทียม แรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลางจะเพิ่มขึ้น และจะยึดทั้งดาวเทียมและเชือกไว้ ท้ายที่สุดลูกบอลจะไม่ตกถ้าคุณหมุนได้ดีจากนั้นจึงจะเป็นไปได้ที่จะยกของตามเชือกนี้ขึ้นสู่วงโคจรโดยตรง และลืมไปได้เลย เหมือนกับฝันร้าย จรวดหลายขั้นตอนที่กินเชื้อเพลิงเป็นกิโลตันด้วยความจุที่ต่ำ

ความเร็วของการเคลื่อนที่ในชั้นบรรยากาศของสินค้าจะมีน้อยซึ่งหมายความว่าจะไม่ร้อนขึ้นเหมือนจรวด และต้องใช้พลังงานน้อยลงในการปีน เนื่องจากมีจุดศูนย์กลาง

ปัญหาหลักคือน้ำหนักของเชือก วงโคจรค้างฟ้าของโลกอยู่ห่างออกไป 35,000 กิโลเมตร หากคุณยืดเส้นเหล็กที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 1 มม. จนถึงวงโคจรของ geostationary มวลของเส้นนั้นจะอยู่ที่ 212 ตัน (และจะต้องดึงให้ไกลขึ้นอีกมากเพื่อให้ลิฟต์ยกสมดุลกับแรงเหวี่ยงหนีศูนย์กลาง) ในขณะเดียวกันก็ต้องทนต่อน้ำหนักของตัวเองและน้ำหนักบรรทุกได้

โชคดีที่ในกรณีนี้ บางสิ่งช่วยได้เล็กน้อย ซึ่งครูฟิสิกส์มักจะดุนักเรียน: น้ำหนักและน้ำหนักเป็นสองสิ่งที่แตกต่างกัน ยิ่งสายเคเบิลยาวจากพื้นผิวโลกมากเท่าไร น้ำหนักก็จะยิ่งลดลงเท่านั้น แม้ว่าอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักของเชือกจะยังคงมากอยู่ก็ตาม

ด้วยท่อนาโนคาร์บอน วิศวกรมีความหวัง นี่เป็นเทคโนโลยีใหม่ และเรายังไม่สามารถบิดท่อเหล่านี้เป็นเชือกยาวได้ และเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุความแข็งแกร่งสูงสุดในการออกแบบ แต่ใครจะรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นต่อไป?