Kế hoạch thoát khỏi Trái đất: Hướng dẫn ngắn gọn cho việc ra khỏi quỹ đạo

2024 Tác giả: Seth Attwood | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-16 16:20

Gần đây trên Habré có tin tức về kế hoạch xây dựng thang máy vũ trụ. Đối với nhiều người, nó có vẻ giống như một thứ gì đó tuyệt vời và đáng kinh ngạc, như một chiếc nhẫn khổng lồ từ Halo hoặc quả cầu Dyson. Nhưng tương lai gần hơn tưởng tượng, một nấc thang lên thiên đường là điều hoàn toàn có thể xảy ra, và có thể chúng ta sẽ nhìn thấy nó trong đời.

Bây giờ tôi sẽ cố gắng chỉ ra lý do tại sao chúng ta không thể đi và mua vé Trái đất-Mặt trăng với giá vé Moscow-Peter, thang máy sẽ giúp chúng ta như thế nào và nó sẽ giữ được gì để không bị sập xuống đất.

Ngay từ những ngày đầu phát triển tên lửa, nhiên liệu đã là vấn đề đau đầu đối với các kỹ sư. Ngay cả trong những tên lửa tiên tiến nhất, nhiên liệu cũng chiếm khoảng 98% khối lượng của con tàu.

Nếu chúng ta muốn cung cấp cho các phi hành gia trên ISS một túi bánh gừng nặng 1 kg, thì điều này nói một cách đại khái là 100 kg nhiên liệu tên lửa. Phương tiện phóng là loại dùng một lần và sẽ chỉ quay trở lại Trái đất dưới dạng các mảnh vỡ bị cháy. Có được những chiếc bánh gừng đắt tiền. Khối lượng của con tàu bị hạn chế, có nghĩa là trọng tải cho một lần phóng bị giới hạn nghiêm ngặt. Và mọi sự ra mắt đều phải trả giá.

Điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta muốn bay đến một nơi nào đó ngoài quỹ đạo gần trái đất?

Các kỹ sư từ khắp nơi trên thế giới đã ngồi xuống và bắt đầu suy nghĩ: một con tàu vũ trụ phải như thế nào để có thể tiếp nhận nó nhiều hơn và bay xa hơn trên nó?

Tên lửa sẽ bay ở đâu?

Trong khi các kỹ sư đang suy nghĩ, con cái của họ đã tìm thấy miếng đệm muối và bìa cứng ở đâu đó và bắt đầu chế tạo tên lửa đồ chơi. Những quả tên lửa như vậy không bắn được tới nóc các tòa nhà cao tầng, nhưng bọn trẻ vui mừng. Sau đó, ý nghĩ thông minh nhất nảy ra trong đầu: "Hãy đẩy thêm nhiều nhân viên vào tên lửa, và nó sẽ bay cao hơn."

Nhưng tên lửa không bay cao hơn, vì nó trở nên quá nặng. Cô ấy thậm chí không thể bay lên không trung. Sau một số thử nghiệm, bọn trẻ đã tìm ra lượng muối tối ưu mà tên lửa bay cao nhất. Nếu bạn đổ thêm nhiên liệu, khối lượng của tên lửa sẽ kéo nó xuống. Nếu ít hơn - nhiên liệu kết thúc sớm hơn.

Các kỹ sư cũng nhanh chóng nhận ra rằng nếu chúng ta muốn đổ thêm nhiên liệu thì lực kéo cũng phải lớn hơn. Có một số lựa chọn để tăng phạm vi chuyến bay:

• tăng hiệu suất động cơ để giảm thiểu tổn thất nhiên liệu (vòi phun Laval)
• tăng xung lực riêng của nhiên liệu để lực đẩy lớn hơn đối với cùng một khối lượng nhiên liệu

Mặc dù các kỹ sư không ngừng di chuyển về phía trước, nhưng gần như toàn bộ khối lượng của con tàu đã bị nhiên liệu chiếm hết. Vì ngoài nhiên liệu, bạn muốn gửi thứ gì đó hữu ích vào không gian, toàn bộ đường đi của tên lửa được tính toán cẩn thận, và mức tối thiểu nhất được đưa vào tên lửa. Đồng thời, họ tích cực sử dụng lực hấp dẫn của các thiên thể và lực ly tâm. Sau khi hoàn thành nhiệm vụ, các phi hành gia đừng nói: "Các bạn ơi, trong bình vẫn còn một ít nhiên liệu, hãy bay tới Sao Kim nhé."

Nhưng làm thế nào để xác định lượng nhiên liệu cần thiết để tên lửa không rơi xuống đại dương với một thùng rỗng, mà bay lên sao Hỏa?

Tốc độ không gian thứ hai

Những đứa trẻ cũng cố gắng làm cho tên lửa bay cao hơn. Họ thậm chí có được một cuốn sách giáo khoa về khí động học, đọc về các phương trình Navier-Stokes, nhưng không hiểu gì và chỉ đơn giản là gắn một chiếc mũi nhọn vào tên lửa.

Ông già quen thuộc của họ là Hottabych đi ngang qua và hỏi họ buồn chuyện gì.

- Ơ, ông nội, nếu chúng ta có một tên lửa với nhiên liệu vô hạn và khối lượng thấp, nó có thể đã bay đến một tòa nhà chọc trời, hoặc thậm chí lên đến đỉnh núi.

- Không thành vấn đề, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych vừa trả lời vừa nhổ sợi tóc cuối cùng, - để tên lửa này không bao giờ hết nhiên liệu.

Những đứa trẻ vui mừng phóng tên lửa và chờ đợi nó quay trở lại trái đất. Tên lửa đã bay tới cả tòa nhà chọc trời và đỉnh núi, nhưng không dừng lại và bay xa hơn cho đến khi biến mất khỏi tầm nhìn. Nếu nhìn về tương lai, thì tên lửa này đã rời trái đất, bay ra khỏi hệ mặt trời, thiên hà của chúng ta và bay với tốc độ dưới ánh sáng để chinh phục sự bao la của vũ trụ.

Những đứa trẻ tự hỏi làm thế nào tên lửa nhỏ của chúng có thể bay xa đến vậy. Sau cùng, ở trường, họ nói rằng để không rơi trở lại Trái đất, tốc độ phải không nhỏ hơn tốc độ vũ trụ thứ hai (11, 2 km / s). Liệu tên lửa nhỏ của họ có thể đạt tới tốc độ đó?

Nhưng cha mẹ kỹ sư của họ giải thích rằng nếu một tên lửa có nguồn cung cấp nhiên liệu vô hạn, thì nó có thể bay đến bất cứ đâu nếu lực đẩy lớn hơn lực hấp dẫn và lực ma sát. Vì tên lửa có khả năng cất cánh nên lực đẩy là đủ, và trong không gian mở thì điều đó càng dễ dàng hơn.

Tốc độ vũ trụ thứ hai không phải là tốc độ mà tên lửa phải có. Đây là tốc độ mà quả bóng phải được ném từ bề mặt của mặt đất để nó không quay trở lại nó. Một tên lửa, không giống như một quả bóng, có động cơ. Đối với cô, tốc độ không phải là quan trọng, mà là tổng lực.

Khó khăn nhất đối với tên lửa là vượt qua đoạn đường đi ban đầu. Đầu tiên, lực hấp dẫn bề mặt mạnh hơn. Thứ hai, Trái đất có một bầu khí quyển dày đặc, trong đó nó rất nóng để bay với tốc độ như vậy. Và động cơ tên lửa phản lực hoạt động trong đó kém hơn trong môi trường chân không. Do đó, giờ đây chúng bay trên các tên lửa nhiều tầng: chặng đầu tiên nhanh chóng tiêu hao nhiên liệu và được tách ra, còn con tàu nhẹ bay trên các động cơ khác.

Konstantin Tsiolkovsky đã suy nghĩ về vấn đề này trong một thời gian dài, và đã phát minh ra thang máy vũ trụ (vào năm 1895). Sau đó, tất nhiên, họ cười nhạo anh ta. Tuy nhiên, họ cười nhạo anh ta vì tên lửa, vệ tinh và các trạm quỹ đạo, và thường coi anh ta ra khỏi thế giới này: "Ở đây chúng ta vẫn chưa hoàn toàn phát minh ra ô tô, nhưng anh ta đang đi vào vũ trụ."

Sau đó, các nhà khoa học nghĩ về nó và vào cuộc, một tên lửa đã bay, phóng một vệ tinh, xây dựng các trạm quỹ đạo, trong đó có dân cư. Không ai còn cười nhạo Tsiolkovsky nữa, trái lại, ông rất được kính trọng. Và khi phát hiện ra các ống nano graphene siêu bền, họ đã nghiêm túc suy nghĩ về “nấc thang lên thiên đường”.

Tại sao các vệ tinh không rơi xuống?

Mọi người đều biết về lực ly tâm. Nếu bạn nhanh chóng vặn quả bóng trên dây, nó không rơi xuống đất. Hãy cố gắng quay quả bóng thật nhanh, và sau đó giảm dần tốc độ quay. Đến một lúc nào đó, nó sẽ ngừng quay và rơi xuống. Đây sẽ là tốc độ tối thiểu mà lực ly tâm sẽ đối trọng với lực hấp dẫn của trái đất. Nếu bạn quay quả bóng nhanh hơn, sợi dây sẽ căng hơn (và đến một lúc nào đó nó sẽ đứt).

Ngoài ra còn có một "sợi dây" giữa Trái đất và các vệ tinh - lực hấp dẫn. Nhưng không giống như một sợi dây thông thường, nó không thể kéo được. Nếu bạn "quay" vệ tinh nhanh hơn mức cần thiết, nó sẽ "bay ra" (và đi vào quỹ đạo hình elip, hoặc thậm chí bay đi). Vệ tinh càng gần bề mặt trái đất, nó cần được "quay" càng nhanh. Quả bóng trên sợi dây ngắn cũng quay nhanh hơn quả bóng trên sợi dây dài.

Điều quan trọng cần nhớ là tốc độ quỹ đạo (tuyến tính) của vệ tinh không phải là tốc độ so với bề mặt trái đất. Nếu người ta viết rằng tốc độ quỹ đạo của vệ tinh là 3,07 km / s, điều này không có nghĩa là nó đang bay lơ lửng trên bề mặt như điên. Nhân tiện, tốc độ quỹ đạo của các điểm trên đường xích đạo của trái đất là 465 m / s (trái đất quay, như Galileo cứng đầu tuyên bố).

Trên thực tế, đối với một quả bóng trên dây và đối với vệ tinh, không phải vận tốc tuyến tính được tính mà là vận tốc góc (bao nhiêu vòng / giây mà vật thể tạo ra).

Nó chỉ ra rằng nếu bạn tìm thấy một quỹ đạo sao cho vận tốc góc của vệ tinh và bề mặt trái đất trùng nhau, vệ tinh sẽ treo trên một điểm trên bề mặt. Một quỹ đạo như vậy đã được tìm thấy, và nó được gọi là quỹ đạo địa tĩnh (GSO). Các vệ tinh treo bất động trên đường xích đạo, và mọi người không cần phải quay đĩa của chúng và "bắt tín hiệu".

Thân cây đậu

Nhưng điều gì sẽ xảy ra nếu bạn hạ một sợi dây từ một vệ tinh như vậy xuống mặt đất, vì nó treo ở một điểm? Gắn một tải trọng vào đầu kia của vệ tinh, lực ly tâm sẽ tăng lên và sẽ giữ cả vệ tinh và sợi dây. Rốt cuộc, quả bóng không rơi nếu bạn xoay nó tốt. Sau đó, có thể nâng tải dọc theo sợi dây này trực tiếp lên quỹ đạo, và quên mất, giống như một cơn ác mộng, tên lửa nhiều tầng, ngấu nghiến nhiên liệu tính bằng kiloton ở khả năng mang theo thấp.

Tốc độ di chuyển trong khí quyển của hàng hóa sẽ nhỏ, có nghĩa là nó sẽ không nóng lên, không giống như tên lửa. Và cần ít năng lượng hơn để leo lên, vì đã có điểm tựa.

Vấn đề chính là trọng lượng của sợi dây. Quỹ đạo địa tĩnh của Trái đất cách đó 35 nghìn km. Nếu bạn kéo một đường thép có đường kính 1 mm lên quỹ đạo địa tĩnh, khối lượng của nó sẽ là 212 tấn (và nó cần được kéo xa hơn nữa để cân bằng lực nâng với lực ly tâm). Đồng thời phải chịu được trọng lượng của bản thân và trọng lượng của tải trọng.

May mắn thay, trong trường hợp này, một cái gì đó giúp ích một chút, mà giáo viên vật lý thường mắng học sinh: trọng lượng và trọng lượng là hai thứ khác nhau. Cáp càng kéo dài khỏi bề mặt trái đất, thì trọng lượng của nó càng mất đi. Mặc dù tỷ lệ sức mạnh trên trọng lượng của sợi dây vẫn phải rất lớn.

Với ống nano carbon, các kỹ sư có hy vọng. Bây giờ đây là một công nghệ mới, và chúng ta vẫn chưa thể xoắn những ống này thành một sợi dây dài. Và không thể đạt được sức mạnh thiết kế tối đa của chúng. Nhưng ai biết được điều gì sẽ xảy ra tiếp theo?