დედამიწის გაქცევის გეგმა: მოკლე გზამკვლევი ორბიტის გარეთ

2024 ავტორი: Seth Attwood | [email protected]. ბოლოს შეცვლილი: 2023-12-16 16:09

ცოტა ხნის წინ Habré-ზე გავრცელდა სიახლე კოსმოსური ლიფტის დაგეგმილი მშენებლობის შესახებ. ბევრისთვის ეს რაღაც ფანტასტიკური და წარმოუდგენელი ჩანდა, როგორც უზარმაზარი ბეჭედი ჰალოდან ან დაისონის სფეროდან. მაგრამ მომავალი იმაზე ახლოსაა, ვიდრე ერთი შეხედვით ჩანს, სამოთხის კიბე სავსებით შესაძლებელია და, შესაძლოა, ეს ჩვენს სიცოცხლეშიც ვიხილოთ.

ახლა ვეცდები ვაჩვენო, რატომ ვერ მივდივართ და ვიყიდით დედამიწა-მთვარის ბილეთი მოსკოვი-პეტრეს ბილეთის ფასად, როგორ დაგვეხმარება ლიფტი და რას იკავებს ის, რომ მიწაზე არ ჩამოვარდეს.

რაკეტების განვითარების თავიდანვე საწვავი ინჟინრებისთვის თავის ტკივილი იყო. ყველაზე მოწინავე რაკეტებშიც კი საწვავი გემის მასის დაახლოებით 98%-ს იკავებს.

თუ გვსურს ISS-ზე ასტრონავტებს მივცეთ ჯანჯაფილის ტომარა, რომლის წონაა 1 კილოგრამი, მაშინ ამას, უხეშად რომ ვთქვათ, 100 კილოგრამი სარაკეტო საწვავი დასჭირდება. გამშვები მანქანა არის ერთჯერადი და დედამიწაზე დაბრუნდება მხოლოდ დამწვარი ნამსხვრევების სახით. მიიღება ძვირადღირებული ჯანჯაფილი. გემის მასა შეზღუდულია, რაც ნიშნავს, რომ ერთი გაშვებისთვის ტვირთამწეობა მკაცრად შეზღუდულია. და ყოველი გაშვება ფასიანია.

რა მოხდება, თუ ჩვენ გვინდა გავფრინდეთ სადმე დედამიწის მახლობლად ორბიტის მიღმა?

ინჟინრები მთელი მსოფლიოდან დასხდნენ და დაიწყეს ფიქრი: როგორი უნდა იყოს კოსმოსური ხომალდი, რომ მეტი აიღოს მასზე და შემდგომ იფრინოს?

სად გაფრინდება რაკეტა?

სანამ ინჟინრები ფიქრობდნენ, მათმა შვილებმა სადღაც იპოვეს მარილი და მუყაო და დაიწყეს სათამაშო რაკეტების დამზადება. ასეთი რაკეტები მაღალსართულიანი შენობების სახურავებამდე არ აღწევდა, მაგრამ ბავშვები ბედნიერები იყვნენ. შემდეგ ყველაზე ჭკვიანმა აზრმა გამიელვა: „მოდით, რაკეტაში მეტი მარილი ჩავყაროთ და ის უფრო მაღლა გაფრინდება“.

მაგრამ რაკეტა არ დაფრინავდა მაღლა, რადგან ძალიან მძიმე გახდა. ჰაერში ადგომაც კი ვერ შეძლო. გარკვეული ექსპერიმენტების შემდეგ ბავშვებმა იპოვეს მარილის ოპტიმალური რაოდენობა, რომლითაც რაკეტა ყველაზე მაღალი დაფრინავს. თუ მეტ საწვავს დაამატებთ, რაკეტის მასა მას ძირს წევს. თუ ნაკლებია - საწვავი ადრე მთავრდება.

ინჟინრები ასევე სწრაფად მიხვდნენ, რომ თუ ჩვენ გვსურს მეტი საწვავის დამატება, მაშინ წევის ძალაც მეტი უნდა იყოს. ფრენის დიაპაზონის გაზრდის რამდენიმე ვარიანტი არსებობს:

• გაზარდეთ ძრავის ეფექტურობა ისე, რომ საწვავის დანაკარგები იყოს მინიმალური (Laval nozzle)
• გაზარდეთ საწვავის სპეციფიკური იმპულსი ისე, რომ ბიძგების ძალა უფრო დიდი იყოს იმავე საწვავის მასაზე

მიუხედავად იმისა, რომ ინჟინრები მუდმივად წინ მიიწევენ, გემის თითქმის მთელი მასა საწვავს იკავებს. იმის გამო, რომ საწვავის გარდა, გსურთ რაიმე სასარგებლო გაგზავნოთ კოსმოსში, რაკეტის მთელი ბილიკი საგულდაგულოდ არის გათვლილი და მინიმალური ჩადება რაკეტაში. ამავდროულად, ისინი აქტიურად იყენებენ ციური სხეულებისა და ცენტრიდანული ძალების გრავიტაციულ დახმარებას. მისიის დასრულების შემდეგ ასტრონავტები არ ამბობენ: „ბიჭებო, ავზში ჯერ კიდევ ცოტა საწვავია, ვენერასკენ გავფრინდეთ“.

მაგრამ როგორ განვსაზღვროთ რამდენი საწვავია საჭირო, რომ რაკეტა ცარიელი ავზით არ ჩავარდეს ოკეანეში, არამედ მარსზე გაფრინდეს?

მეორე სივრცის სიჩქარე

ბავშვებიც ცდილობდნენ, რაკეტა მაღლა აფრენილიყო. მათ აეროდინამიკის სახელმძღვანელოც კი მიიღეს, წაიკითხეს ნავიე-სტოქსის განტოლებები, მაგრამ ვერაფერი გაიგეს და რაკეტას უბრალოდ ბასრი ცხვირი მიამაგრეს.

მათმა ნაცნობმა მოხუცმა ჰოტაბიჩმა გაიარა და ჰკითხა, რაზე წუხდნენ ბიჭები.

- ეჰ, ბაბუა, უსასრულო საწვავის და დაბალი მასის რაკეტა რომ გვქონდეს, ალბათ ცათამბჯენისკენ გაფრინდებოდა, ან თუნდაც მთის მწვერვალზე.

- არა უშავს, კოსტია-იბნ-ედუარდ, - უპასუხა ჰოტაბიჩმა ბოლო თმით ამოიჩეხა, - დაე, ამ რაკეტას საწვავი არასოდეს დარჩეს.

გახარებულმა ბავშვებმა რაკეტა გაუშვეს და დაელოდნენ მის დაბრუნებას დედამიწაზე. რაკეტა გაფრინდა როგორც ცათამბჯენისკენ, ასევე მთის მწვერვალზე, მაგრამ არ გაჩერებულა და უფრო შორს გაფრინდა, სანამ მხედველობიდან არ გაქრა.თუ მომავალს გადავხედავთ, მაშინ ამ რაკეტამ დატოვა დედამიწა, გაფრინდა მზის სისტემიდან, ჩვენი გალაქტიკიდან და გაფრინდა სინათლის სიჩქარით, რათა დაეპყრო სამყაროს უკიდეგანო.

ბავშვებს აინტერესებდათ, როგორ შეეძლო მათი პატარა რაკეტა აქამდე ფრენა. ბოლოს და ბოლოს, სკოლაში თქვეს, რომ იმისთვის, რომ დედამიწაზე არ დაბრუნდეს, სიჩქარე უნდა იყოს არანაკლებ მეორე კოსმოსური სიჩქარით (11, 2 კმ/წმ). შეუძლია თუ არა მათ პატარა რაკეტას მიაღწიოს ამ სიჩქარეს?

მაგრამ მათმა ინჟინერმა მშობლებმა განმარტეს, რომ თუ რაკეტას აქვს საწვავის უსასრულო მარაგი, მაშინ მას შეუძლია ფრენა სადმე, თუ ბიძგი აღემატება გრავიტაციულ ძალებს და ხახუნის ძალებს. ვინაიდან რაკეტას შეუძლია აფრენა, ბიძგების ძალა საკმარისია, ხოლო ღია სივრცეში ეს კიდევ უფრო ადვილია.

მეორე კოსმოსური სიჩქარე არ არის ის სიჩქარე, რაც რაკეტას უნდა ჰქონდეს. ეს ის სიჩქარეა, რომლითაც ბურთი უნდა გადმოაგდონ მიწის ზედაპირიდან, რათა არ დაბრუნდეს მასში. რაკეტას, ბურთისგან განსხვავებით, აქვს ძრავები. მისთვის მნიშვნელოვანია არა სიჩქარე, არამედ მთლიანი იმპულსი.

რაკეტისთვის ყველაზე რთული გზის საწყისი მონაკვეთის გადალახვაა. პირველ რიგში, ზედაპირის სიმძიმე უფრო ძლიერია. მეორეც, დედამიწას აქვს მკვრივი ატმოსფერო, რომელშიც ძალიან ცხელა ასეთი სიჩქარით ფრენა. და რეაქტიული რაკეტების ძრავები მასში უფრო ცუდად მუშაობენ, ვიდრე ვაკუუმში. ამიტომ, ისინი ახლა დაფრინავენ მრავალსაფეხურიანი რაკეტებით: პირველი ეტაპი სწრაფად მოიხმარს თავის საწვავს და განცალკევებულია, ხოლო მსუბუქი გემი დაფრინავს სხვა ძრავებზე.

კონსტანტინე ციოლკოვსკი დიდხანს ფიქრობდა ამ პრობლემაზე და გამოიგონა კოსმოსური ლიფტი (ჯერ კიდევ 1895 წელს). მერე, რა თქმა უნდა, დასცინეს. თუმცა, რაკეტის, თანამგზავრის, ორბიტალური სადგურების გამო დასცინოდნენ და საერთოდ ამ სამყაროს მიღმა თვლიდნენ: „აქ ჯერ მანქანები ბოლომდე არ გამოგვიგონია, მაგრამ ის კოსმოსში მიდის“.

შემდეგ მეცნიერები დაფიქრდნენ და შევიდნენ მასში, გაფრინდა რაკეტა, გაუშვა თანამგზავრი, ააგეს ორბიტალური სადგურები, რომლებშიც ხალხი იყო დასახლებული. ციოლკოვსკის აღარავინ დასცინის, პირიქით, დიდ პატივს სცემენ. და როდესაც მათ აღმოაჩინეს სუპერ ძლიერი გრაფენის ნანომილები, ისინი სერიოზულად ფიქრობდნენ "სამოთხის კიბეზე".

რატომ არ ვარდება თანამგზავრები?

ყველამ იცის ცენტრიდანული ძალის შესახებ. თუ თქვენ სწრაფად დაატრიალებთ ბურთს ძაფზე, ის მიწაზე არ დაეცემა. მოდით ვცადოთ ბურთის სწრაფად დატრიალება და შემდეგ თანდათან შევანელოთ ბრუნვის სიჩქარე. რაღაც მომენტში ის შეწყვეტს ტრიალს და დაეცემა. ეს იქნება მინიმალური სიჩქარე, რომლითაც ცენტრიდანული ძალა დააბალანსებს დედამიწის გრავიტაციას. თუ ბურთს უფრო სწრაფად ატრიალებთ, თოკი უფრო გაიჭიმება (და რაღაც მომენტში ის გატყდება).

დედამიწასა და თანამგზავრებს შორის არის „თოკიც“– გრავიტაცია. მაგრამ ჩვეულებრივი თოკისგან განსხვავებით, მისი გაყვანა შეუძლებელია. თუ თქვენ „დაატრიალებთ“თანამგზავრს საჭიროზე სწრაფად, ის „ჩამოვა“(და გადავა ელიფსურ ორბიტაზე, ან თუნდაც გაფრინდება). რაც უფრო ახლოს არის თანამგზავრი დედამიწის ზედაპირთან, მით უფრო სწრაფია მისი „მოქცევა“. მოკლე თოკზე ბურთი ასევე უფრო სწრაფად ტრიალებს, ვიდრე გრძელზე.

მნიშვნელოვანია გვახსოვდეს, რომ თანამგზავრის ორბიტალური (წრფივი) სიჩქარე არ არის დედამიწის ზედაპირთან შედარებით სიჩქარე. თუ წერია, რომ თანამგზავრის ორბიტალური სიჩქარე 3,07 კმ/წმ-ია, ეს არ ნიშნავს, რომ ის გიჟივით ტრიალებს ზედაპირზე. დედამიწის ეკვატორზე წერტილების ორბიტალური სიჩქარე, სხვათა შორის, არის 465 მ/წმ (დედამიწა ბრუნავს, როგორც ჯიუტი გალილეო ამტკიცებდა).

ფაქტობრივად, ძაფზე და თანამგზავრზე ბურთისთვის გამოითვლება არა წრფივი სიჩქარე, არამედ კუთხური სიჩქარე (რამდენ ბრუნს აკეთებს სხეული წამში).

გამოდის, რომ თუ იპოვით ისეთი ორბიტას, რომ თანამგზავრისა და დედამიწის ზედაპირის კუთხური სიჩქარე ემთხვევა, თანამგზავრი ზედაპირზე ერთ წერტილზე ჩამოიხრჩო. ასეთი ორბიტა აღმოაჩინეს და მას გეოსტაციონარული ორბიტა (GSO) ჰქვია. თანამგზავრები გაუნძრევლად ეკიდებიან ეკვატორზე და ადამიანებს არ უწევთ ფირფიტების მობრუნება და "სიგნალის დაჭერა".

ლობიოს ღერო

მაგრამ რა მოხდება, თუ თოკს ასეთი სატელიტიდან მიწაზე ჩამოაგდებ, რადგან ის ერთ წერტილზეა ჩამოკიდებული? მიამაგრეთ დატვირთვა თანამგზავრის მეორე ბოლოზე, ცენტრიდანული ძალა გაიზრდება და დაიკავებს როგორც თანამგზავრს, ასევე თოკს. თუ კარგად დაატრიალებთ, ბურთი ხომ არ ეცემა.მაშინ შესაძლებელი იქნება ტვირთის აწევა ამ თოკის გასწვრივ პირდაპირ ორბიტაზე და დაივიწყოს, როგორც კოშმარი, მრავალსაფეხურიანი რაკეტები, საწვავის გადაყლაპვა კილოტონებით დაბალი ტევადობით.

ტვირთის ატმოსფეროში მოძრაობის სიჩქარე მცირე იქნება, რაც იმას ნიშნავს, რომ ის არ გაცხელდება, რაკეტისგან განსხვავებით. და ასასვლელად ნაკლები ენერგიაა საჭირო, რადგან არის საყრდენი წერტილი.

მთავარი პრობლემა არის თოკის წონა. დედამიწის გეოსტაციონარული ორბიტა დაშორებულია 35 ათასი კილომეტრით. თუ გეოსტაციონალურ ორბიტამდე 1მმ დიამეტრის ფოლადის ხაზს გაჭიმავთ, მისი მასა იქნება 212 ტონა (და ის გაცილებით შორს უნდა გაიწიოს, რომ ლიფტი ცენტრიდანული ძალით დააბალანსოს). ამავდროულად, მან უნდა გაუძლოს საკუთარ წონას და ტვირთის სიმძიმეს.

საბედნიეროდ, ამ შემთხვევაში რაღაც ცოტას ეშველება, რისთვისაც ფიზიკის მასწავლებლები ხშირად ლანძღავენ მოსწავლეებს: წონა და წონა ორი განსხვავებული რამ არის. რაც უფრო შორს იჭიმება კაბელი დედამიწის ზედაპირიდან, მით უფრო იკლებს წონაში. მიუხედავად იმისა, რომ თოკის სიმტკიცე-წონის თანაფარდობა მაინც უზარმაზარი უნდა იყოს.

ნახშირბადის ნანომილებით ინჟინრებს იმედი აქვთ. ახლა ეს ახალი ტექნოლოგიაა და ჩვენ ჯერ არ შეგვიძლია ამ მილების გადახვევა გრძელ თოკში. და მათი დიზაინის მაქსიმალური სიძლიერის მიღწევა შეუძლებელია. მაგრამ ვინ იცის რა მოხდება შემდეგ?