Earth Escape Plan: Stručný průvodce pro Out of Orbit

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Naposledy změněno: 2023-12-16 16:00

Nedávno se na Habré objevila zpráva o plánované výstavbě vesmírného výtahu. Mnohým to připadalo jako něco fantastického a neuvěřitelného, jako obrovský prsten z Halo nebo Dysonova koule. Budoucnost je ale blíž, než se zdá, schodiště do nebe je docela možné a možná se ho ještě za života dočkáme.

Nyní se pokusím ukázat, proč si nemůžeme jít koupit lístek Země-Měsíc za cenu lístku Moskva-Petr, jak nám pomůže výtah a čeho se bude držet, abychom se nezřítili k zemi.

Od samého počátku vývoje raketové techniky bylo palivo pro inženýry bolestí hlavy. I v nejpokročilejších raketách zabírá palivo asi 98 % hmotnosti lodi.

Pokud chceme dát astronautům na ISS pytel perníku o váze 1 kilogram, pak to bude vyžadovat, zhruba řečeno, 100 kilogramů raketového paliva. Nosná raketa je na jedno použití a na Zemi se vrátí pouze ve formě spálených trosek. Získávají se drahé perníky. Hmotnost lodi je omezená, což znamená, že užitečné zatížení na jeden start je přísně omezeno. A každé spuštění něco stojí.

Co když chceme letět někam za blízkou dráhu Země?

Inženýři z celého světa se posadili a začali přemýšlet: jaká by měla být vesmírná loď, aby na ní nabrala víc a létala na ní dál?

Kam raketa poletí?

Zatímco inženýři přemýšleli, jejich děti někde našly ledek a karton a začaly vyrábět hračkové rakety. Na střechy výškových budov se takové střely nedostaly, ale děti byly šťastné. Pak přišla na mysl ta nejchytřejší myšlenka: "natlačíme do rakety více ledku a poletí výš."

Raketa ale neletěla výš, protože byla příliš těžká. Nemohla se ani zvednout do vzduchu. Po určitém experimentování děti našly optimální množství ledku, při kterém raketa letí nejvýše. Pokud přidáte více paliva, hmotnost rakety ji stáhne dolů. Pokud méně - palivo končí dříve.

Inženýři také rychle pochopili, že pokud chceme přidat více paliva, pak musí být větší i tažná síla. Existuje několik možností, jak zvýšit dosah letu:

• zvýšit účinnost motoru tak, aby ztráty paliva byly minimální (Lavalova tryska)
• zvýšit specifický impuls paliva tak, aby přítlačná síla byla větší pro stejnou hmotnost paliva

Přestože inženýři neustále postupují vpřed, téměř celou hmotu lodi zabírá palivo. Protože kromě paliva chcete do vesmíru vyslat i něco užitečného, celá dráha rakety je pečlivě propočítána a do rakety je vloženo úplně minimum. Aktivně přitom využívají gravitační pomoci nebeských těles a odstředivých sil. Po dokončení mise astronauti neřeknou: "Kluci, v nádrži je ještě trochu paliva, poletíme na Venuši."

Jak ale určit, kolik paliva je potřeba, aby raketa nespadla s prázdnou nádrží do oceánu, ale odletěla na Mars?

Druhá vesmírná rychlost

Děti si také zkusily, aby raketa vyletěla výš. Dokonce se jim dostala do rukou učebnice aerodynamiky, četli si o Navier-Stokesových rovnicích, ale ničemu nerozuměli a prostě připevnili na raketu ostrý nos.

Kolem prošel jejich známý stařík Hottabych a zeptal se, z čeho jsou chlapi smutní.

- Eh, dědečku, kdybychom měli raketu s nekonečným palivem a nízkou hmotností, pravděpodobně by letěla k mrakodrapu nebo dokonce na samý vrchol hory.

- To je jedno, Kosťo-ibn-Eduarde, - odpověděl Hottabych a vytáhl poslední vlasy, - ať této raketě nikdy nedojde palivo.

Radostné děti vypustily raketu a čekaly, až se vrátí na zem. Raketa letěla jak k mrakodrapu, tak na vrchol hory, ale nezastavila se a letěla dále, dokud nezmizela z dohledu. Pokud se podíváte do budoucnosti, pak tato raketa opustila Zemi, vyletěla ze sluneční soustavy, naší galaxie a letěla podsvětelnou rychlostí, aby dobyla rozlehlost vesmíru.

Děti se divily, jak mohla jejich malá raketa létat tak daleko. Koneckonců, ve škole říkali, že aby nespadli zpět na Zemi, rychlost by neměla být nižší než druhá kosmická rychlost (11, 2 km / s). Mohla by jejich malá raketa dosáhnout takové rychlosti?

Ale jejich inženýři rodiče vysvětlili, že pokud má raketa nekonečnou zásobu paliva, může létat kamkoli, pokud je tah větší než gravitační a třecí síly. Vzhledem k tomu, že raketa je schopna vzlétnout, je tahová síla dostatečná a v otevřeném prostoru je to ještě jednodušší.

Druhá kosmická rychlost není rychlost, kterou by měla mít raketa. To je rychlost, jakou musí být míč odhozen z povrchu země, aby se na něj nevrátil. Raketa, na rozdíl od míče, má motory. Pro ni není důležitá rychlost, ale celkový impuls.

Nejtěžší pro raketu je překonat úvodní úsek cesty. Za prvé, povrchová gravitace je silnější. Za druhé, Země má hustou atmosféru, ve které je velmi horké létat takovou rychlostí. A proudové raketové motory v něm fungují hůř než ve vakuu. Proto nyní létají na vícestupňových raketách: první stupeň rychle spotřebuje palivo a je oddělen a lehká loď letí na jiné motory.

Konstantin Tsiolkovsky o tomto problému dlouho přemýšlel a vynalezl vesmírný výtah (v roce 1895). Pak se mu samozřejmě vysmáli. Vysmívali se mu však kvůli raketě, satelitu a orbitálním stanicím a obecně ho považovali za mimo tento svět: "Auta jsme tady ještě úplně nevynalezli, ale on jde do vesmíru."

Pak se nad tím vědci zamysleli a pustili se do toho, letěla raketa, vypustila satelit, postavili orbitální stanice, ve kterých byli lidé. Ciolkovskému se už nikdo nesměje, naopak je velmi respektován. A když objevili superpevné grafenové nanotrubice, vážně přemýšleli o „schodech do nebe“.

Proč satelity nespadnou?

Každý ví o odstředivé síle. Pokud míček rychle zatočíte na provázku, nespadne na zem. Zkusme rychle roztočit míček a pak postupně zpomalovat rychlost otáčení. V určitém okamžiku se přestane točit a spadne. To bude minimální rychlost, při které bude odstředivá síla vyvažovat zemskou gravitaci. Pokud míč roztočíte rychleji, lano se více natáhne (a v určité chvíli se přetrhne).

Mezi Zemí a satelity je také „lano“– gravitace. Ale na rozdíl od běžného lana se nedá tahat. Pokud satelit „roztočíte“rychleji, než je nutné, „spadne“(a dostane se na eliptickou dráhu, nebo dokonce odletí). Čím blíže je satelit k povrchu země, tím rychleji je potřeba jej „otočit“. Míč na krátkém laně se také točí rychleji než na dlouhém.

Je důležité si uvědomit, že orbitální (lineární) rychlost satelitu není rychlost vzhledem k zemskému povrchu. Pokud je napsáno, že oběžná rychlost satelitu je 3,07 km/s, neznamená to, že se vznáší nad povrchem jako blázen. Oběžná rychlost bodů na rovníku Země je mimochodem 465 m/s (Země se otáčí, jak tvrdil tvrdohlavý Galileo).

Ve skutečnosti se pro míč na provázku a pro satelit nepočítají lineární rychlosti, ale úhlové rychlosti (kolik otáček za sekundu tělo udělá).

Ukazuje se, že pokud najdete dráhu takovou, že se úhlové rychlosti satelitu a zemského povrchu shodují, satelit bude viset nad jedním bodem na povrchu. Taková dráha byla nalezena a nazývá se geostacionární dráha (GSO). Satelity visí nehybně nad rovníkem a lidé nemusí otáčet talíře a „chytat signál“.

Fazolový stonek

Ale co když spustíte lano z takové družice až na samou zem, protože visí přes jeden bod? Na druhý konec satelitu připevněte zátěž, odstředivá síla se zvýší a udrží satelit i lano. Míč totiž nespadne, když ho dobře roztočíte. Pak bude možné po tomto laně zvedat náklady přímo na oběžnou dráhu a zapomenout jako na noční můru na vícestupňové rakety, požírající palivo v kilotunách při nízké nosnosti.

Rychlost pohybu v atmosféře nákladu bude malá, což znamená, že se na rozdíl od rakety nezahřeje. A ke stoupání je potřeba méně energie, protože existuje opěrný bod.

Hlavním problémem je hmotnost lana. Geostacionární dráha Země je vzdálena 35 tisíc kilometrů. Pokud na geostacionární dráhu natáhnete ocelové lano o průměru 1 mm, bude jeho hmotnost 212 tun (a je potřeba ho táhnout mnohem dále, aby se vztlak vyrovnal odstředivou silou). Zároveň musí odolat vlastní hmotnosti a hmotnosti nákladu.

Naštěstí v tomto případě trochu pomáhá něco, za co učitelé fyziky studentům často nadávají: váha a váha jsou dvě různé věci. Čím dále se kabel táhne od povrchu země, tím více ztrácí na hmotnosti. I když poměr pevnosti k hmotnosti lana by měl být stále enormní.

S uhlíkovými nanotrubičkami mají inženýři naději. Nyní je to nová technologie a ještě nemůžeme tyto trubky zkroutit do dlouhého lana. A není možné dosáhnout jejich maximální konstrukční pevnosti. Ale kdo ví, co bude dál?