Dünyadan Kaçış Planı: Yörünge Dışı için Kısa Bir Kılavuz

2024 Yazar: Seth Attwood | [email protected]. Son düzenleme: 2023-12-16 16:18

Geçenlerde Habre'de bir uzay asansörünün planlanan inşaatı hakkında haberler vardı. Birçoğu için, Halo'dan dev bir yüzük veya Dyson küresi gibi, fantastik ve inanılmaz bir şey gibi görünüyordu. Ancak gelecek göründüğünden daha yakın, cennete giden bir merdiven oldukça mümkün ve belki de bunu hayatımız boyunca göreceğiz.

Şimdi neden Moskova-Peter bileti fiyatına gidip Dünya-Ay bileti alamayacağımızı, asansörün bize nasıl yardımcı olacağını ve yere düşmemek için nelere tutunacağını göstermeye çalışacağım.

Roketçiliğin gelişiminin en başından beri yakıt, mühendisler için bir baş ağrısıydı. En gelişmiş roketlerde bile yakıt, geminin kütlesinin yaklaşık %98'ini kaplar.

ISS'deki astronotlara 1 kilogram ağırlığında bir torba zencefilli kurabiye vermek istiyorsak, bu kabaca 100 kilogram roket yakıtı gerektirecektir. Fırlatma aracı tek kullanımlıktır ve Dünya'ya yalnızca yanmış enkaz halinde geri dönecektir. Pahalı zencefilli kurabiyeler elde edilir. Geminin kütlesi sınırlıdır, bu da bir fırlatma için taşıma yükünün kesinlikle sınırlı olduğu anlamına gelir. Ve her lansmanın bir bedeli vardır.

Dünya yörüngesinin ötesinde bir yere uçmak istersek ne olur?

Dünyanın her yerinden mühendisler oturdular ve düşünmeye başladılar: Bir uzay gemisi daha fazlasını almak ve üzerinde uçmak için nasıl olmalı?

Roket nereye uçacak?

Mühendisler düşünürken çocukları bir yerde güherçile ve karton bulmuş ve oyuncak roketler yapmaya başlamışlar. Bu tür füzeler yüksek binaların çatılarına ulaşmadı ama çocuklar sevindi. Sonra akla en akıllıca düşünce geldi: "Roketin içine daha fazla güherçile koyalım, daha yükseğe uçsun."

Ancak roket çok ağırlaştığı için daha yükseğe uçmadı. Havaya bile çıkamadı. Bazı deneylerden sonra çocuklar, roketin en yüksek uçtuğu optimum güherçile miktarını buldular. Daha fazla yakıt eklerseniz, roketin kütlesi onu aşağı çeker. Daha azsa - yakıt daha erken biter.

Mühendisler ayrıca, daha fazla yakıt eklemek istiyorsak, çekiş gücünün de daha büyük olması gerektiğini hemen anladılar. Uçuş menzilini artırmak için birkaç seçenek vardır:

• yakıt kayıplarının minimum olması için motor verimliliğini artırın (Laval meme)
• aynı yakıt kütlesi için itme kuvvetinin daha büyük olması için yakıtın özgül itici gücünü artırmak

Mühendisler sürekli ilerlemelerine rağmen, geminin neredeyse tüm kütlesi yakıt tarafından alınır. Yakıtın yanı sıra, uzaya faydalı bir şey göndermek istediğiniz için, roketin tüm yolu dikkatlice hesaplanır ve roketin içine en azı konur. Aynı zamanda, gök cisimlerinin ve merkezkaç kuvvetlerinin yerçekimi yardımını aktif olarak kullanırlar. Görevi tamamladıktan sonra astronotlar, "Arkadaşlar, tankta hala biraz yakıt var, hadi Venüs'e uçalım" demiyorlar.

Ancak roketin boş bir tankla okyanusa düşmemesi, ancak Mars'a uçması için ne kadar yakıtın gerekli olduğu nasıl belirlenir?

İkinci uzay hızı

Çocuklar da roketi daha yükseğe uçurmaya çalıştı. Aerodinamik üzerine bir ders kitabı bile aldılar, Navier-Stokes denklemlerini okudular, ancak hiçbir şey anlamadılar ve rokete keskin bir burun taktılar.

Tanıdık ihtiyar Hottabych yanından geçti ve adamların neye üzüldüklerini sordu.

- Eh, büyükbaba, sonsuz yakıtlı ve düşük kütleli bir roketimiz olsaydı, muhtemelen bir gökdelene, hatta bir dağın en tepesine uçardı.

- Önemli değil, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych son kılları çekerek cevap verdi, - bu roketin yakıtı hiç bitmesin.

Neşeli çocuklar bir roket fırlattı ve dünyaya dönmesini bekledi. Roket hem gökdelene hem de dağın tepesine uçtu, ancak durmadı ve gözden kayboluncaya kadar daha uzağa uçtu. Geleceğe bakarsanız, o zaman bu roket dünyayı terk etti, güneş sisteminden, galaksimizden uçtu ve evrenin enginliğini fethetmek için ışık altı hızında uçtu.

Çocuklar, küçük roketlerinin nasıl bu kadar uzağa uçabildiğini merak ettiler. Ne de olsa okulda, Dünya'ya geri dönmemek için hızın ikinci kozmik hızdan (11, 2 km / s) daha az olmaması gerektiğini söylediler. Küçük roketleri bu hıza ulaşabilir mi?

Ancak mühendis ebeveynleri, bir roketin sonsuz yakıt kaynağı varsa, itme kuvveti yerçekimi kuvvetlerinden ve sürtünme kuvvetlerinden daha büyükse herhangi bir yere uçabileceğini açıkladı. Roket havalanabildiğinden, itme kuvveti yeterlidir ve açık alanda daha da kolaydır.

İkinci kozmik hız, bir roketin sahip olması gereken hız değildir. Bu, topun geri dönmemesi için yerden fırlatılması gereken hızdır. Bir topun aksine bir roketin motorları vardır. Onun için önemli olan hız değil, toplam dürtüdür.

Bir roket için en zor şey, yolun ilk bölümünün üstesinden gelmektir. İlk olarak, yüzey yerçekimi daha güçlüdür. İkincisi, Dünya, bu hızlarda uçmanın çok sıcak olduğu yoğun bir atmosfere sahiptir. Ve jet roket motorları, içinde vakumdan daha kötü çalışır. Bu nedenle, şimdi çok kademeli roketlerde uçuyorlar: ilk aşama yakıtını hızla tüketiyor ve ayrılıyor ve hafif gemi diğer motorlarda uçuyor.

Konstantin Tsiolkovsky bu sorunu uzun süre düşündü ve uzay asansörünü icat etti (1895'te). Sonra, elbette, ona güldüler. Ancak roket, uydu ve yörünge istasyonları nedeniyle ona güldüler ve genellikle onu bu dünyanın dışında gördüler: "Burada henüz arabaları tam olarak icat etmedik, ama uzaya gidiyor."

Sonra bilim adamları bunu düşündü ve içine girdi, bir roket uçtu, bir uydu fırlattı, insanların yaşadığı yörünge istasyonları inşa etti. Artık kimse Tsiolkovsky'ye gülmüyor, aksine ona büyük saygı duyuluyor. Ve süper güçlü grafen nanotüpleri keşfettiklerinde, ciddi olarak "cennete giden merdiven" hakkında düşündüler.

Uydular neden düşmüyor?

Merkezkaç kuvvetini herkes bilir. Topu ipte hızlıca çevirirseniz yere düşmez. Topu hızlı bir şekilde döndürmeye çalışalım ve ardından dönüş hızını kademeli olarak yavaşlatalım. Bir noktada, dönmeyi bırakacak ve düşecek. Bu, merkezkaç kuvvetinin dünyanın yerçekimini dengeleyeceği minimum hız olacaktır. Topu daha hızlı döndürürseniz, ip daha fazla gerilir (ve bir noktada kırılır).

Ayrıca Dünya ile uydular arasında bir "ip" var - yerçekimi. Ancak normal bir ipten farklı olarak çekilemez. Uyduyu gerekenden daha hızlı "döndürürseniz", "çıkar" (ve eliptik bir yörüngeye girer, hatta uçar). Uydu dünyanın yüzeyine ne kadar yakınsa, o kadar hızlı "döndürülmesi" gerekir. Kısa bir ip üzerindeki top da uzun olandan daha hızlı döner.

Bir uydunun yörünge (doğrusal) hızının, dünyanın yüzeyine göre hız olmadığını hatırlamak önemlidir. Bir uydunun yörünge hızının 3,07 km/s olduğu yazılırsa, bu onun yüzeyde deli gibi dolaştığı anlamına gelmez. Bu arada, dünyanın ekvatorundaki noktaların yörünge hızı 465 m / s'dir (inatçı Galileo'nun iddia ettiği gibi dünya döner).

Aslında, bir ip üzerindeki bir top ve bir uydu için doğrusal hızlar değil, açısal hızlar (cismin saniyede kaç devir yaptığı) hesaplanır.

Uydunun açısal hızları ile dünyanın yüzeyinin çakıştığı bir yörünge bulursanız, uydunun yüzeyde bir nokta üzerinde asılı kalacağı ortaya çıkıyor. Böyle bir yörünge bulundu ve buna yerdurağan yörünge (GSO) adı verildi. Uydular ekvator üzerinde hareketsiz durur ve insanlar plakalarını çevirmek ve “sinyali yakalamak” zorunda kalmazlar.

Fasulye sapı

Ama ya böyle bir uydudan bir ipi yere indirirseniz, çünkü bir noktada asılı kalır? Uydunun diğer ucuna bir yük takın, merkezkaç kuvveti artacak ve hem uyduyu hem de ipi tutacaktır. Sonuçta, iyi döndürürseniz top düşmez. O zaman bu ip boyunca yükleri doğrudan yörüngeye kaldırmak ve bir kabus gibi, çok kademeli roketleri, düşük taşıma kapasitelerinde kilotonlarda yakıt tüketenleri unutmak mümkün olacak.

Kargo atmosferindeki hareket hızı küçük olacak, bu da bir roketin aksine ısınmayacağı anlamına geliyor. Ve bir dayanak noktası olduğu için tırmanmak için daha az enerji gerekir.

Asıl sorun ipin ağırlığıdır. Dünyanın durağan yörüngesi 35 bin kilometre uzaklıktadır. 1 mm çapında bir çelik halatı sabit yörüngeye uzatırsanız, kütlesi 212 ton olacaktır (ve kaldırma kuvveti ile merkezkaç kuvveti dengelemek için çok daha fazla çekilmesi gerekir). Aynı zamanda kendi ağırlığına ve yükün ağırlığına dayanmalıdır.

Neyse ki, bu durumda, fizik öğretmenlerinin öğrencileri sık sık azarladığı bir şey biraz yardımcı olur: ağırlık ve ağırlık iki farklı şeydir. Kablo toprak yüzeyinden ne kadar uzağa uzarsa, ağırlığı o kadar fazla kaybeder. Halatın güç-ağırlık oranı yine de çok büyük olmalıdır.

Karbon nanotüplerle mühendislerin umudu var. Şimdi bu yeni bir teknoloji ve bu tüpleri henüz bükerek uzun bir ip yapamıyoruz. Ve maksimum tasarım gücüne ulaşmak mümkün değildir. Ama sonra ne olacağını kim bilebilir?