Earth Escape Plan: een korte handleiding voor buiten de baan om de aarde

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2023-12-16 16:13

Onlangs was er op Habré nieuws over de geplande bouw van een ruimtelift. Voor velen leek het iets fantastisch en ongelooflijks, zoals een enorme ring van Halo of een Dyson-bol. Maar de toekomst is dichterbij dan het lijkt, een trap naar de hemel is heel goed mogelijk, en misschien zullen we het zelfs tijdens ons leven zien.

Nu zal ik proberen aan te tonen waarom we geen Earth-Moon-ticket kunnen kopen voor de prijs van een Moskou-Peter-ticket, hoe de lift ons zal helpen en waaraan hij zal vasthouden om niet op de grond te vallen.

Vanaf het allereerste begin van de ontwikkeling van raketten was brandstof een hoofdpijn voor ingenieurs. Zelfs in de meest geavanceerde raketten neemt brandstof ongeveer 98% van de massa van het schip in beslag.

Als we de astronauten op het ISS een zak peperkoek van 1 kilogram willen geven, dan is daar grofweg 100 kilogram raketbrandstof voor nodig. Het draagraket is wegwerpbaar en keert alleen terug naar de aarde in de vorm van verbrand puin. Er worden dure peperkoeken verkregen. De massa van het schip is beperkt, wat betekent dat het laadvermogen voor één lancering strikt beperkt is. En elke lancering heeft een prijs.

Wat als we ergens buiten de baan om de aarde willen vliegen?

Ingenieurs van over de hele wereld gingen zitten en begonnen te denken: hoe moet een ruimteschip eruit zien om er meer op te kunnen nemen en er verder mee te kunnen vliegen?

Waar zal de raket vliegen?

Terwijl de ingenieurs aan het nadenken waren, vonden hun kinderen ergens salpeter en karton en begonnen speelgoedraketten te maken. Dergelijke raketten bereikten de daken van hoogbouw niet, maar de kinderen waren blij. Toen kwam de slimste gedachte bij me op: "laten we meer salpeter in de raket duwen, en hij zal hoger vliegen."

Maar de raket vloog niet hoger, omdat hij te zwaar werd. Ze kon niet eens de lucht in. Na wat experimenteren vonden de kinderen de optimale hoeveelheid salpeter waarmee de raket het hoogst vliegt. Als je meer brandstof toevoegt, trekt de massa van de raket deze naar beneden. Als er minder is, eindigt de brandstof eerder.

De ingenieurs realiseerden zich ook al snel dat als we meer brandstof willen toevoegen, de trekkracht ook groter moet zijn. Er zijn weinig mogelijkheden om het vliegbereik te vergroten:

• de efficiëntie van de motor verhogen zodat brandstofverliezen minimaal zijn (Laval-mondstuk)
• verhoog de specifieke impuls van de brandstof zodat de stuwkracht groter is voor dezelfde brandstofmassa

Hoewel ingenieurs voortdurend vooruitgaan, wordt bijna de hele massa van het schip ingenomen door brandstof. Omdat je naast brandstof ook iets nuttigs de ruimte in wilt sturen, wordt het hele pad van de raket zorgvuldig berekend en wordt het minimale in de raket gestopt. Tegelijkertijd maken ze actief gebruik van de zwaartekracht van hemellichamen en middelpuntvliedende krachten. Na het voltooien van de missie zeggen de astronauten niet: "Jongens, er zit nog een beetje brandstof in de tank, laten we naar Venus vliegen."

Maar hoe bepaal je hoeveel brandstof er nodig is zodat de raket niet met een lege tank in de oceaan valt, maar naar Mars vliegt?

Tweede ruimtesnelheid

De kinderen probeerden ook de raket hoger te laten vliegen. Ze bemachtigden zelfs een leerboek over aerodynamica, lazen over de Navier-Stokes-vergelijkingen, maar begrepen er niets van en bevestigden simpelweg een scherpe neus aan de raket.

Hun bekende oude man Hottabych kwam langs en vroeg waar de jongens verdrietig over waren.

- Eh, grootvader, als we een raket hadden met oneindige brandstof en een lage massa, zou hij waarschijnlijk naar een wolkenkrabber zijn gevlogen, of zelfs naar de top van een berg.

- Het maakt niet uit, Kostya-ibn-Eduard, - antwoordde Hottabych en trok de laatste haar uit, - laat deze raket nooit zonder brandstof komen te zitten.

De vrolijke kinderen lanceerden een raket en wachtten tot deze terugkeerde naar de aarde. De raket vloog zowel naar de wolkenkrabber als naar de top van de berg, maar stopte niet en vloog verder totdat hij uit het zicht verdween. Als je in de toekomst kijkt, dan verliet deze raket de aarde, vloog uit het zonnestelsel, onze melkweg en vloog met sublichtsnelheid om de uitgestrektheid van het universum te veroveren.

De kinderen vroegen zich af hoe hun kleine raket zo ver kon vliegen. Op school zeiden ze immers dat om niet terug te vallen naar de aarde, de snelheid niet minder zou moeten zijn dan de tweede kosmische snelheid (11, 2 km / s). Zou hun kleine raket die snelheid kunnen bereiken?

Maar hun technische ouders legden uit dat als een raket een oneindige voorraad brandstof heeft, hij overal naartoe kan vliegen als de stuwkracht groter is dan de zwaartekracht en wrijvingskrachten. Omdat de raket kan opstijgen, is de stuwkracht voldoende, en in de open ruimte is het nog gemakkelijker.

De tweede kosmische snelheid is niet de snelheid die een raket zou moeten hebben. Dit is de snelheid waarmee de bal van de grond moet worden gegooid, zodat deze er niet naar terugkeert. Een raket heeft, in tegenstelling tot een bal, motoren. Voor haar is niet de snelheid belangrijk, maar de totale impuls.

Het moeilijkste voor een raket is om het eerste deel van het pad te overwinnen. Ten eerste is de zwaartekracht aan het oppervlak sterker. Ten tweede heeft de aarde een dichte atmosfeer waarin het erg heet is om met zulke snelheden te vliegen. En straalraketmotoren werken er slechter in dan in een vacuüm. Daarom vliegen ze nu op meertrapsraketten: de eerste trap verbruikt snel zijn brandstof en wordt gescheiden, en het lichtgewicht schip vliegt op andere motoren.

Konstantin Tsiolkovsky dacht lang na over dit probleem en vond de ruimtelift uit (in 1895). Toen lachten ze hem natuurlijk uit. Ze lachten hem echter uit vanwege de raket, en de satelliet, en de orbitale stations, en vonden hem over het algemeen niet van deze wereld: "We hebben hier nog niet helemaal auto's uitgevonden, maar hij gaat de ruimte in."

Toen dachten de wetenschappers erover na en stapten erin, een raket vloog, lanceerde een satelliet, bouwde orbitale stations, waarin mensen bevolkt waren. Niemand lacht meer om Tsiolkovsky, integendeel, hij wordt zeer gerespecteerd. En toen ze supersterke grafeennanobuisjes ontdekten, dachten ze serieus na over de 'trap naar de hemel'.

Waarom vallen de satellieten niet naar beneden?

Iedereen kent de middelpuntvliedende kracht. Als je de bal snel aan het touwtje draait, valt hij niet op de grond. Laten we proberen de bal snel te laten draaien en dan geleidelijk de rotatiesnelheid te vertragen. Op een gegeven moment zal het stoppen met draaien en vallen. Dit is de minimale snelheid waarmee de middelpuntvliedende kracht de zwaartekracht van de aarde zal compenseren. Als je de bal sneller laat draaien, zal het touw meer uitrekken (en op een gegeven moment zal het breken).

Er is ook een "touw" tussen de aarde en de satellieten - zwaartekracht. Maar in tegenstelling tot een gewoon touw kan er niet aan worden getrokken. Als je de satelliet sneller dan nodig "draait", zal hij "afkomen" (en in een elliptische baan gaan of zelfs wegvliegen). Hoe dichter de satelliet bij het aardoppervlak is, hoe sneller hij moet worden "gedraaid". De bal aan een kort touw draait ook sneller dan aan een lang touw.

Het is belangrijk om te onthouden dat de orbitale (lineaire) snelheid van een satelliet geen snelheid is ten opzichte van het aardoppervlak. Als er staat dat de omloopsnelheid van een satelliet 3,07 km/s is, wil dat nog niet zeggen dat hij als een gek over het oppervlak zweeft. De baansnelheid van punten op de evenaar van de aarde is trouwens 465 m / s (de aarde draait, zoals de koppige Galileo beweerde).

In feite worden voor een bal aan een touwtje en voor een satelliet geen lineaire snelheden berekend, maar hoeksnelheden (hoeveel omwentelingen per seconde het lichaam maakt).

Het blijkt dat als je een baan vindt waarbij de hoeksnelheden van de satelliet en het aardoppervlak samenvallen, de satelliet over één punt op het oppervlak zal hangen. Zo'n baan werd gevonden en wordt de geostationaire baan (GSO) genoemd. De satellieten hangen roerloos boven de evenaar en mensen hoeven hun bord niet om te draaien en "het signaal op te vangen".

Boon stengel

Maar wat als je een touw van zo'n satelliet naar de grond laat zakken, omdat het over één punt hangt? Bevestig een last aan het andere uiteinde van de satelliet, de middelpuntvliedende kracht zal toenemen en zal zowel de satelliet als het touw vasthouden. De bal valt immers niet als je hem goed draait. Dan zal het mogelijk zijn om lasten langs dit touw direct in een baan om de aarde te tillen, en vergeten, als een nachtmerrie, meertrapsraketten, die brandstof in kilotons verslinden bij een laag draagvermogen.

De bewegingssnelheid in de atmosfeer van de lading zal klein zijn, wat betekent dat deze niet zal opwarmen, in tegenstelling tot een raket. En er is minder energie nodig om te klimmen, omdat er een draaipunt is.

Het grootste probleem is het gewicht van het touw. De geostationaire baan van de aarde is 35 duizend kilometer verwijderd. Als je een stalen lijn met een diameter van 1 mm naar de geostationaire baan uitrekt, zal de massa 212 ton zijn (en hij moet veel verder worden getrokken om de lift met centrifugaalkracht in evenwicht te brengen). Tegelijkertijd moet het zijn eigen gewicht en het gewicht van de lading kunnen weerstaan.

Gelukkig helpt in dit geval iets een beetje, waarvoor natuurkundedocenten studenten vaak uitschelden: gewicht en gewicht zijn twee verschillende dingen. Hoe verder de kabel zich van het aardoppervlak uitstrekt, hoe meer hij aan gewicht verliest. Hoewel de sterkte-gewichtsverhouding van het touw nog steeds enorm moet zijn.

Met koolstofnanobuisjes hebben ingenieurs hoop. Dit is een nieuwe technologie en we kunnen deze buizen nog niet in een lang touw draaien. En het is niet mogelijk om hun maximale ontwerpsterkte te bereiken. Maar wie weet wat er daarna gaat gebeuren?