Pla d'escapada terrestre: una guia breu per fora de l'òrbita

2024 Autora: Seth Attwood | [email protected]. Última modificació: 2023-12-16 16:00

Recentment a Habré hi havia notícies sobre la construcció prevista d'un ascensor espacial. Per a molts, semblava una cosa fantàstica i increïble, com un anell enorme d'Halo o una esfera de Dyson. Però el futur està més a prop del que sembla, una escala al cel és molt possible, i potser fins i tot ho veurem al llarg de la nostra vida.

Ara intentaré mostrar per què no podem anar a comprar un bitllet Terra-Lluna al preu d'un bitllet Moscou-Pere, com ens ajudarà l'ascensor i què s'aferrarà per no caure a terra.

Des del començament del desenvolupament de la coheteria, el combustible va ser un maldecap per als enginyers. Fins i tot en els coets més avançats, el combustible ocupa aproximadament el 98% de la massa del vaixell.

Si volem donar als astronautes de l'ISS una bossa de pa de pessic que pesi 1 quilogram, això requerirà, aproximadament, 100 quilos de combustible per coets. El vehicle de llançament és d'un sol ús i tornarà a la Terra només en forma de deixalles cremades. S'obtenen pa de pessic cars. La massa del vaixell és limitada, la qual cosa significa que la càrrega útil per a un llançament és estrictament limitada. I cada llançament té un cost.

Què passa si volem volar a algun lloc més enllà de l'òrbita propera a la terra?

Els enginyers d'arreu del món es van asseure i van començar a pensar: com hauria de ser una nau espacial per agafar-ne més i volar-hi més lluny?

On volarà el coet?

Mentre els enginyers pensaven, els seus fills van trobar salitre i cartró en algun lloc i van començar a fer coets de joguina. Aquests míssils no van arribar als terrats dels edificis de gran alçada, però els nens estaven contents. Llavors va venir al cap el pensament més intel·ligent: "empènyer més salitre al coet, i volarà més alt".

Però el coet no va volar més alt, ja que es va fer massa pesat. Ni tan sols podia aixecar-se a l'aire. Després d'alguns experiments, els nens van trobar la quantitat òptima de salitre a la qual el coet vola més alt. Si afegiu més combustible, la massa del coet l'estira cap avall. Si és menys, el combustible s'acaba abans.

Els enginyers també es van adonar ràpidament que si volem afegir més combustible, la força de tracció també ha de ser més gran. Hi ha poques opcions per augmentar el rang de vol:

• augmentar l'eficiència del motor de manera que les pèrdues de combustible siguin mínimes (broquet Laval)
• augmentar l'impuls específic del combustible de manera que la força d'empenta sigui més gran per a la mateixa massa de combustible

Encara que els enginyers avancen constantment, gairebé tota la massa del vaixell és ocupada pel combustible. Com que, a més del combustible, voleu enviar alguna cosa útil a l'espai, es calcula amb cura tot el recorregut del coet i el mínim es posa al coet. Al mateix temps, utilitzen activament l'ajuda gravitatòria dels cossos celestes i les forces centrífugues. Després de completar la missió, els astronautes no diuen: "Nois, encara hi ha una mica de combustible al tanc, anem a Venus".

Però, com es pot determinar quant de combustible es necessita perquè el coet no caigui a l'oceà amb el dipòsit buit, sinó que vola a Mart?

Segona velocitat espacial

Els nens també van intentar fer volar el coet més alt. Fins i tot van aconseguir un llibre de text sobre aerodinàmica, van llegir sobre les equacions de Navier-Stokes, però no van entendre res i simplement van enganxar un nas afilat al coet.

El seu vell conegut Hottabych va passar i va preguntar de què estaven tristos els nois.

- Eh, avi, si tinguéssim un coet de combustible infinit i poca massa, probablement hauria volat a un gratacels, o fins i tot al cim d'una muntanya.

- No importa, Kostya-ibn-Eduard, - va respondre Hottabych, estirant-se l'últim cabell, - que aquest coet no es quedi mai sense combustible.

Els nens alegres van llançar un coet i van esperar que tornés a la terra. El coet va volar tant al gratacel com al cim de la muntanya, però no es va aturar i va volar més enllà fins que va desaparèixer de la vista. Si mireu cap al futur, aquest coet va abandonar la terra, va sortir del sistema solar, la nostra galàxia i va volar a velocitat de subllum per conquerir la immensitat de l'univers.

Els nens es van preguntar com el seu petit coet podria volar tan lluny. Després de tot, a l'escola van dir que per no tornar a caure a la Terra, la velocitat no hauria de ser inferior a la segona velocitat còsmica (11, 2 km / s). El seu petit coet podria arribar a aquesta velocitat?

Però els seus pares enginyers van explicar que si un coet té un subministrament infinit de combustible, pot volar a qualsevol lloc si l'empenta és més gran que les forces gravitatòries i les forces de fricció. Com que el coet és capaç d'enlairar-se, la força d'empenta és suficient, i a l'espai obert és encara més fàcil.

La segona velocitat còsmica no és la velocitat que hauria de tenir un coet. Aquesta és la velocitat a la qual s'ha de llançar la pilota des de la superfície del terra perquè no hi torni. Un coet, a diferència d'una pilota, té motors. Per a ella, l'important no és la velocitat, sinó l'impuls total.

El més difícil per a un coet és superar el tram inicial del camí. En primer lloc, la gravetat superficial és més forta. En segon lloc, la Terra té una atmosfera densa en la qual fa molta calor per volar a aquestes velocitats. I els motors de coets a reacció funcionen pitjor en ell que al buit. Per tant, ara volen amb coets multietapa: la primera etapa consumeix ràpidament el seu combustible i es separa, i el vaixell lleuger vola amb altres motors.

Konstantin Tsiolkovsky va pensar en aquest problema durant molt de temps i va inventar l'ascensor espacial (el 1895). Aleshores, és clar, es van riure d'ell. No obstant això, es van riure d'ell pel coet, i el satèl·lit i les estacions orbitals, i en general el consideraven fora d'aquest món: "Aquí encara no hem inventat completament els cotxes, però va a l'espai".

Llavors els científics hi van pensar i s'hi van posar, un coet va volar, van llançar un satèl·lit, van construir estacions orbitals, on hi havia gent. Ja ningú es riu de Tsiolkovsky, al contrari, se'l respecta molt. I quan van descobrir nanotubs de grafè súper forts, van pensar seriosament en l'"escala al cel".

Per què els satèl·lits no cauen?

Tothom sap de la força centrífuga. Si gira ràpidament la bola a la corda, no cau a terra. Intentem fer girar la pilota ràpidament i, a continuació, reduir gradualment la velocitat de rotació. En algun moment, deixarà de girar i caurà. Aquesta serà la velocitat mínima a la qual la força centrífuga compensarà la gravetat terrestre. Si feu girar la pilota més ràpid, la corda s'estirarà més (i en algun moment es trencarà).

També hi ha una "corda" entre la Terra i els satèl·lits: la gravetat. Però a diferència d'una corda normal, no es pot estirar. Si "gireu" el satèl·lit més ràpid del necessari, "es desenganxarà" (i entrarà en una òrbita el·líptica, o fins i tot volarà). Com més a prop estigui el satèl·lit de la superfície de la terra, més ràpid s'ha de "girar". La pilota en una corda curta també gira més ràpid que en una llarga.

És important recordar que la velocitat orbital (lineal) d'un satèl·lit no és la velocitat relativa a la superfície terrestre. Si s'escriu que la velocitat orbital d'un satèl·lit és de 3,07 km/s, això no vol dir que estigui planant sobre la superfície com un boig. La velocitat orbital dels punts de l'equador de la terra, per cert, és de 465 m/s (la terra gira, com afirmava el tossut Galileu).

De fet, per a una bola en una corda i per a un satèl·lit no es calculen velocitats lineals, sinó velocitats angulars (quantes revolucions per segon fa el cos).

Resulta que si trobeu una òrbita tal que les velocitats angulars del satèl·lit i la superfície terrestre coincideixen, el satèl·lit penjarà sobre un punt de la superfície. Es va trobar una òrbita així, i s'anomena òrbita geoestacionària (GSO). Els satèl·lits pengen immòbils sobre l'equador i la gent no ha de girar les plaques i "captar el senyal".

Tija de mongeta

Però, què passa si baixes una corda d'un satèl·lit com aquest fins a terra, perquè penja sobre un punt? Enganxeu una càrrega a l'altre extrem del satèl·lit, la força centrífuga augmentarà i aguantarà tant el satèl·lit com la corda. Al cap i a la fi, la pilota no cau si la gires bé. Aleshores serà possible aixecar càrregues al llarg d'aquesta corda directament a l'òrbita i oblidar, com un malson, els coets multietapa, que devoren combustible en quilotones amb una capacitat de càrrega baixa.

La velocitat de moviment a l'atmosfera de la càrrega serà petita, el que significa que no s'escalfarà, a diferència d'un coet. I es necessita menys energia per pujar, ja que hi ha un punt de suport.

El principal problema és el pes de la corda. L'òrbita geoestacionària de la Terra es troba a 35 mil quilòmetres de distància. Si estireu una línia d'acer amb un diàmetre d'1 mm fins a l'òrbita geoestacionària, la seva massa serà de 212 tones (i cal estirar-la molt més per equilibrar l'ascensor amb força centrífuga). Al mateix temps, ha de suportar el seu propi pes i el pes de la càrrega.

Afortunadament, en aquest cas, alguna cosa ajuda una mica, per la qual cosa els professors de física solen renyar els alumnes: el pes i el pes són dues coses diferents. Com més s'estira el cable de la superfície de la terra, més perd de pes. Tot i que la relació força-pes de la corda encara hauria de ser enorme.

Amb els nanotubs de carboni, els enginyers tenen esperança. Ara aquesta és una nova tecnologia i encara no podem retorçar aquests tubs en una corda llarga. I no és possible aconseguir la seva màxima força de disseny. Però qui sap què passarà després?