1130
Як літати з Землі: короткий посібник для виходу за межі орбіти
Останнім часом на хабі була новина про заплановане будівництво ліфта. Для багатьох, здається, що щось фантастичне і неймовірне, як величезний гало кільце або Дисонська сфера. Але майбутнє ближче, ніж здається, сходи до неба цілком можливо, і, можливо, ми навіть побачимо це в нашому житті.
Тепер я намагаюся показати, чому ми не можемо йти і купити квиток «Земля-Москва» за ціною квитка «Москва-Петер», як ліфт допоможе нам і чим він буде триматися, щоб не згорнутись на землю.
З самого початку розвитку ракетобудування, паливо було головним болем інженерів. Навіть в найбільш просунутих ракетах паливо займає близько 98% маси корабля.
Якщо ми хочемо перенести на астронавти на мішечку пряників вагою 1 кілограм, то це буде потрібно, грубо кажучи, 100 кілограмів ракетного палива. Запускний автомобіль одноразовий, і повернеться до Землі тільки у вигляді деревних сміття. Шановні ми робимо пряники. Вага судна обмежена, що означає, що навантаження на один запуск суворо обмежена. І кожен запуск вимагає витрат.
Що, якщо ми хочемо вийти за межі орбіти Землі?
Інженери з усього світу сіли і почали думати: що потрібно бути космічним
Де буде йти ракета? У той час як інженери були мислення, їх діти знайшли солопетер і картон десь і почали робити крилами. Такі ракети не доходили до дахів багатоповерхових будинків, але діти звучали. І сталося найвпливовіша думка: «Щоб більше нітратити в ракету, і вона буде літати вище. й
Але ракета не літала вище, оскільки вона стала занадто важкою. Не вдалося навіть дістатися до повітря. Після деяких експериментів діти знайшли оптимальну кількість нітрату, при якому ракета летить найвищою. Якщо додати більше палива, маса ракети тягне її вниз. При меншій кількості палива триває раніше.
Інженери також швидко усвідомили, що якщо ми хочемо залити більше палива, то сила тяги повинна бути більшою. Варіанти збільшення діапазону польоту трохи:
- підвищення ефективності двигуна, так що втрати палива мінімальні (лавальне насадка)
- збільшення конкретного імпульсу палива, щоб з рівною масою палива, сила тяги була більшою
Але як ви визначаєте, скільки палива потрібно, щоб ракета не потрапила в океан з порожнім танком, і туманом до Марса?
Діти також намагалися зробити ракету більш високим. Навіть отримав підручник з аеродинаміки, прочитав про рівняння Navier-Stokes, але нічого не розуміли і просто кладуть гострий носі на ракеті.
Свій старий друг Hottabych пропустив і запитав, що хлопці були сумні.
- Е, Гранпа, якщо у нас була ракета з нескінченним паливом і низькою масою, то, ймовірно, досягне хмарочосу, або навіть вершини гори.
до No problema, Kostya ibn Edouard, " Hottabych відповів, витягуючи останнє волосся, "Видалити цю ракету ніколи не закінчуються з палива.
Радостійкі діти запустили ракету і чекали, щоб повернутися на землю. Ракета досягла як хмарочосу, так і верхівки гори, але не зупинився і росла, поки вона зникне з вигляду. Якщо ви подивитеся на майбутнє, ця ракета залишила землю, вилетіла з сонячної системи, наша галактика і вилетіла на підлеглій швидкості, щоб підкорити роздатки Всесвіту.
Діти дивилися, як їх маленька ракета може літати так далеко. Після того, як школа заявила, що для того, щоб не повернутися до Землі, швидкість повинна бути принаймні другим простором (11.2 км / с). Чи досягається їх невелика ракета?
Але їхні інжинірингові батьки пояснили, що якщо ракета має нескінченне постачання палива, вона може літати в будь-якому місці, якщо сила тяги більше, ніж гравітаційні та тертяльні сили. Так як ракета здатна знімати, досить ударна сила, і в зовнішній простір вона ще простіше.
Друга космічна швидкість до нема швидкість, яка повинна бути ракетий Це швидкість, на якій потрібно кинути м'яч з поверхні землі, щоб вона не повернеться до неї. Ракета, на відміну від кульки, має двигуни. Це не швидкість, але загальний момент.
Найважче для ракети – подолати початкову частину шляху. По-перше, гравітація на поверхні сильніше. По-друге, Земля має щільну атмосферу, в якій дуже гаряча, щоб літати на таких швидкостях. А ракетні двигуни працюють гірше, ніж в вакуумі. Таким чином, вони літають зараз на багатоступінкових ракетах: перший етап швидко споживає паливо і окремі, а легкий корабель летить на інших двигунах.
Костянтин Циолковський думав про цю проблему тривалий час, і придумав космічного ліфта (на початку 1895). І, звичайно, вони сміхалися на нього. Тим не менш, вони сміхалися над ним через ракету, і супутник, і орбітальні станції, і в цілому вважали його не цього світу: «Ми ще не повністю винайшли авто, і він пішов в космос. й
Тоді науковці думали і проникли, ракета роса, запустили супутник, налаштували орбітальні станції, в яких люди оселилися. Не один сміється на Ціолковському, навпаки, він дуже поважний. І коли вони виявили надміцні нанотрубки графена, вони серйозно думали про «доставку до неба. й
Чому не падають супутники? Кожен знає про відцентрову силу. Якщо швидко закрутити м'яч на мотузці, вона не потрапляє в землю. Ми спробуємо швидко обертати м'яч, а потім поступово сповільнимо швидкість обертання. На деякий момент вона зупиниться на обертанні і восени. Це буде мінімальна швидкість, при якій відцентрова сила буде балансувати сили тяжіння землі. Якщо закрутити м'яч швидше, то мотузка затягуватиме більше (і в якийсь момент буде лопатися).
Між землею та супутниками, є також «необхідність» – тяжіння. Але на відміну від звичайної мотузки не можна витягти. Якщо ви спините супутник швидше, ніж необхідно, це буде “зламатися” (і перейдете в еліптичну орбіту, або навіть полетіти). Чим ближче супутник до поверхні землі, тим швидше він повинен бути «прокручений». Кулька на короткій мотузці також обертається швидше, ніж на довгий.
Важливо пам'ятати, що орбітальна (лінійна) швидкість супутника до нема швидкість поверхній Якщо це говорить про те, що орбітальна швидкість супутника становить 3.07 км / с, це не означає, що він летить над поверхнею як франтик. орбітальна швидкість точок на еквататорі Землі, до речі, 465 м/с (земля обертається, як заявлена граната).
По суті, для кульки на тросці і для супутника розраховується не лінійні швидкості, але кутові швидкості (як багато революцій на другий корпус робить).
Виявляється, якщо ви виявите таку орбіту, що кутові онкції супутника і поверхня землі збігнеться, супутник повісить на одну точку на поверхні. Ця орбіта називається геостаціонарною орбітою (GEO). Супутники висять над еквататором безперешкодно, а люди не повинні перетворювати пластини і «розташувати сигнал».
І що якщо ви опускаєте мотузку з такого супутника до землі, бо він висить по одній точці? До іншого кінця супутника, відцентрова сила збільшиться і буде триматися як супутник, так і трос. М'яч не впаде, якщо він добре спінений. Потім буде можливо піднімати вантажі безпосередньо на орбіту на цьому тросі, і забути як страшні мрії багатоступеневі ракети, які з'їдають паливо в кілограмах з невеликою вантажопідйомністю.
Швидкість руху в атмосфері вантажу буде невеликою, тому не нагрівається, на відміну від ракети. І забирає менше енергії для підйому, оскільки є точка підтримки.
Основна проблема - маса мотузки. До геостаціонарної орбіти Землі 35 тис. км. Якщо ви натягуєте сталеву лінію діаметром 1 мм до геостаціонарної орбіти, її маса складе 212 тонн (і її потрібно витягнути набагато далі, щоб балансувати ліфт з відцентровою силою). Вона повинна носити її вагу і її вагу.
На щастя, в цьому випадку вона допомагає трохи, для яких викладачі фізики часто псуються студенти: вага і Маса - різні речі. Чим далеко кабель простягається з поверхні землі, тим більше він втрачає вагу. Хоча специфічна міцність кабелю все одно повинна бути величезною.
З вуглецевими нанотрубками, інженери сподіваються. Тепер це нова технологія, і ми не можемо поставити ці труби в довгий кабель. І неможливо досягти максимальної міцності дизайну. Але хто знає, що відбувається далі?
Джерело: habrahabr.ru/post/238271/
