خطة الهروب من الأرض: دليل موجز للخروج من المدار

2024 مؤلف: Seth Attwood | [email protected]. آخر تعديل: 2023-12-16 15:57

في الآونة الأخيرة ، وردت أنباء في حبري عن التخطيط لبناء مصعد فضائي. بالنسبة للكثيرين ، بدا الأمر وكأنه شيء رائع ولا يُصدق ، مثل حلقة ضخمة من هالو أو كرة دايسون. لكن المستقبل أقرب مما يبدو ، السلم إلى الجنة ممكن تمامًا ، وربما سنراه في حياتنا.

سأحاول الآن توضيح سبب عدم قدرتنا على الذهاب وشراء تذكرة إيرث مون بسعر تذكرة موسكو بيتر ، وكيف سيساعدنا المصعد وما الذي سيحتفظ به حتى لا ينهار على الأرض.

منذ بداية تطوير الصواريخ ، كان الوقود مصدر قلق للمهندسين. حتى في الصواريخ الأكثر تقدمًا ، يشغل الوقود حوالي 98٪ من كتلة السفينة.

إذا أردنا أن نمنح رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية كيسًا من خبز الزنجبيل يبلغ وزنه كيلوغرامًا واحدًا ، فإن هذا سيتطلب ، تقريبًا ، 100 كيلوغرام من وقود الصواريخ. يمكن التخلص من مركبة الإطلاق ولن تعود إلى الأرض إلا في شكل حطام محترق. يتم الحصول على الزنجبيل باهظة الثمن. كتلة السفينة محدودة ، مما يعني أن الحمولة لعملية إطلاق واحدة محدودة للغاية. وكل عملية إطلاق لها تكلفة.

ماذا لو أردنا الطيران في مكان ما وراء المدار القريب من الأرض؟

جلس المهندسون من جميع أنحاء العالم وبدأوا يفكرون: كيف يجب أن تكون مركبة الفضاء لكي تأخذ المزيد على متنها وتطير بها إلى مسافة أبعد؟

أين سيطير الصاروخ؟

بينما كان المهندسون يفكرون ، وجد أطفالهم الملح الصخري والكرتون في مكان ما وبدأوا في صنع صواريخ الألعاب. لم تصل هذه الصواريخ إلى أسطح الأبنية الشاهقة ، لكن الأطفال كانوا سعداء. ثم خطر ببال الفكر الأذكى: "دعونا ندفع المزيد من الملح الصخري إلى الصاروخ ، وسوف يطير أعلى".

لكن الصاروخ لم يطير أعلى ، حيث أصبح ثقيلًا جدًا. لم تستطع حتى الوقوف في الهواء. بعد إجراء بعض التجارب ، وجد الأطفال الكمية المثلى من الملح الصخري التي يطير بها الصاروخ أعلى كمية. إذا أضفت المزيد من الوقود ، فإن كتلة الصاروخ تسحبه لأسفل. إذا كان أقل - ينتهي الوقود في وقت سابق.

وسرعان ما أدرك المهندسون أنه إذا أردنا إضافة المزيد من الوقود ، فيجب أن تكون قوة الجر أكبر أيضًا. هناك عدد قليل من الخيارات لزيادة نطاق الرحلة:

• زيادة كفاءة المحرك بحيث تكون خسائر الوقود ضئيلة (فوهة لافال)
• زيادة الدافع المحدد للوقود بحيث تكون قوة الدفع أكبر لنفس كتلة الوقود

على الرغم من أن المهندسين يتقدمون باستمرار ، إلا أن كتلة السفينة بأكملها تقريبًا مأخوذة بالوقود. نظرًا لأنه إلى جانب الوقود ، فأنت تريد إرسال شيء مفيد إلى الفضاء ، يتم حساب مسار الصاروخ بالكامل بعناية ، ويتم وضع الحد الأدنى في الصاروخ. في الوقت نفسه ، يستخدمون بنشاط مساعدة الجاذبية للأجرام السماوية وقوى الطرد المركزي. بعد الانتهاء من المهمة ، لا يقول رواد الفضاء: "يا رفاق ، لا يزال هناك القليل من الوقود في الخزان ، فلنطير إلى كوكب الزهرة".

ولكن كيف تحدد كمية الوقود اللازمة حتى لا يسقط الصاروخ في المحيط بخزان فارغ ، بل يطير إلى المريخ؟

السرعة الفضائية الثانية

حاول الأطفال أيضًا جعل الصاروخ يطير أعلى. حتى أنهم حصلوا على كتاب مدرسي عن الديناميكا الهوائية ، وقرأوا عن معادلات نافيير-ستوكس ، لكنهم لم يفهموا شيئًا ، وببساطة قاموا بإلصاق أنف حاد بالصاروخ.

مر رجلهم المألوف Hottabych وسأل عما يحزن الرجال.

- آه ، جدي ، إذا كان لدينا صاروخ بوقود غير محدود وكتلة منخفضة ، فمن المحتمل أن يكون قد طار إلى ناطحة سحاب ، أو حتى إلى أعلى جبل.

- لا يهم ، Kostya-ibn-Eduard ، - أجاب Hottabych ، شد الشعر الأخير ، - دع هذا الصاروخ لا ينفد من الوقود أبدًا.

أطلق الأطفال المبتهجون صاروخًا وانتظروه حتى يعود إلى الأرض. طار الصاروخ إلى ناطحة السحاب وإلى قمة الجبل ، لكنه لم يتوقف وحلّق أكثر حتى اختفى عن الأنظار.إذا نظرت إلى المستقبل ، فإن هذا الصاروخ غادر الأرض ، وخرج من النظام الشمسي ، مجرتنا وطار بسرعة تحت الضوء لغزو اتساع الكون.

تساءل الأطفال كيف يمكن أن يطير صاروخهم الصغير حتى الآن. بعد كل شيء ، في المدرسة قالوا إنه حتى لا نعود إلى الأرض ، يجب ألا تقل السرعة عن السرعة الكونية الثانية (11 ، 2 كم / ث). هل يمكن أن يصل صاروخهم الصغير إلى هذه السرعة؟

لكن والديهم الهندسيين أوضحوا أنه إذا كان للصاروخ إمداد غير محدود من الوقود ، فيمكنه أن يطير في أي مكان إذا كان الدفع أكبر من قوى الجاذبية وقوى الاحتكاك. نظرًا لأن الصاروخ قادر على الإقلاع ، فإن قوة الدفع كافية ، وفي الفضاء المفتوح يكون الأمر أسهل.

السرعة الكونية الثانية ليست السرعة التي يجب أن يتمتع بها الصاروخ. هذه هي السرعة التي يجب أن تقذف بها الكرة من على سطح الأرض حتى لا تعود إليها. الصاروخ ، على عكس الكرة ، له محركات. بالنسبة لها ، ليست السرعة هي المهم ، بل الدافع الكلي.

أصعب شيء بالنسبة للصاروخ هو التغلب على الجزء الأول من المسار. أولاً ، الجاذبية السطحية أقوى. ثانيًا ، تتمتع الأرض بجو كثيف يكون الجو حارًا جدًا فيه للطيران بهذه السرعات. ومحركات الصواريخ النفاثة تعمل فيها بشكل أسوأ من الفراغ. لذلك ، فهي تطير الآن على صواريخ متعددة المراحل: المرحلة الأولى تستهلك وقودها بسرعة ويتم فصلها ، وتطير السفينة خفيفة الوزن على محركات أخرى.

فكر كونستانتين تسيولكوفسكي في هذه المشكلة لفترة طويلة ، واخترع مصعد الفضاء (يعود إلى عام 1895). ثم ، بالطبع ، سخروا منه. لكنهم سخروا منه بسبب الصاروخ والقمر الصناعي والمحطات المدارية ، واعتبروه عمومًا خارج هذا العالم: "لم نبتكر بعد السيارات بالكامل هنا ، لكنه ذاهب إلى الفضاء".

ثم فكر العلماء في الأمر ودخلوا فيه ، طار صاروخ ، وأطلق قمرًا صناعيًا ، وبنى محطات مدارية ، يسكن فيها الناس. لم يعد أحد يضحك على تسيولكوفسكي ؛ بل على العكس من ذلك ، فهو يحظى باحترام كبير. وعندما اكتشفوا أنابيب نانوية فائقة القوة من الجرافين ، فكروا بجدية في "السلم إلى الجنة".

لماذا لا تسقط الأقمار الصناعية؟

يعلم الجميع عن قوة الطرد المركزي. إذا قمت بلف الكرة بسرعة على الخيط ، فلن تسقط على الأرض. دعنا نحاول أن نلف الكرة بسرعة ، ثم نبطئ سرعة الدوران تدريجيًا. في مرحلة ما ، سيتوقف عن الدوران والسقوط. ستكون هذه هي السرعة الدنيا التي ستعمل بها قوة الطرد المركزي على موازنة جاذبية الأرض. إذا قمت بتدوير الكرة بشكل أسرع ، فسيتمدد الحبل أكثر (وفي مرحلة ما سينكسر).

هناك أيضًا "حبل" بين الأرض والأقمار الصناعية - الجاذبية. لكن على عكس الحبل العادي ، لا يمكن سحبه. إذا قمت "بتدوير" القمر الصناعي أسرع من اللازم ، فسوف "ينطلق" (ويذهب إلى مدار بيضاوي الشكل ، أو حتى يطير بعيدًا). كلما اقترب القمر الصناعي من سطح الأرض ، زادت سرعة دورانه. تدور الكرة الموجودة على الحبل القصير أيضًا بشكل أسرع من الكرة الطويلة.

من المهم أن نتذكر أن السرعة المدارية (الخطية) للقمر الصناعي ليست السرعة بالنسبة لسطح الأرض. إذا كتب أن السرعة المدارية للقمر الصناعي هي 3.07 كم / ثانية ، فهذا لا يعني أنه يحوم فوق السطح مثل الجنون. بالمناسبة ، السرعة المدارية للنقاط على خط الاستواء للأرض هي 465 م / ث (الأرض تدور ، كما ادعى جاليليو العنيد).

في الواقع ، بالنسبة للكرة الموجودة على الخيط والقمر الصناعي ، لا يتم حساب السرعات الخطية ، ولكن يتم حساب السرعات الزاوية (عدد الدورات التي يصنعها الجسم في الثانية).

اتضح أنه إذا وجدت مدارًا بحيث تتطابق السرعات الزاوية للقمر الصناعي مع سطح الأرض ، فإن القمر الصناعي سيتدلى على نقطة واحدة على السطح. تم العثور على مثل هذا المدار ، ويسمى المدار الثابت بالنسبة للأرض (GSO). تتدلى الأقمار الصناعية بلا حراك فوق خط الاستواء ، ولا يتعين على الناس قلب لوحاتهم و "التقاط الإشارة".

ساق الفول

لكن ماذا لو أنزلت حبلًا من هذا القمر الصناعي إلى الأرض تمامًا ، لأنه معلق فوق نقطة واحدة؟ قم بإرفاق حمولة بالطرف الآخر للقمر الصناعي ، ستزداد قوة الطرد المركزي وستحمل كل من القمر الصناعي والحبل. بعد كل شيء ، لا تسقط الكرة إذا قمت بتدويرها جيدًا.بعد ذلك سيكون من الممكن رفع الأحمال على طول هذا الحبل مباشرة إلى المدار ، وننسى ، مثل الكابوس ، الصواريخ متعددة المراحل ، تلتهم الوقود بالكيلوطن مع قدرة تحمل منخفضة.

ستكون سرعة الحركة في الغلاف الجوي للحمولة صغيرة ، ما يعني أنها لن تسخن بعكس الصاروخ. والمطلوب طاقة أقل للتسلق ، لأن هناك نقطة ارتكاز.

المشكلة الرئيسية هي وزن الحبل. يقع مدار الأرض الثابت بالنسبة للأرض على بعد 35 ألف كيلومتر. إذا قمت بمد خط فولاذي بقطر 1 مم إلى المدار الثابت بالنسبة للأرض ، فستكون كتلته 212 طنًا (ويجب سحبها إلى أبعد من ذلك بكثير لموازنة المصعد مع قوة الطرد المركزي). في الوقت نفسه ، يجب أن تتحمل وزنها ووزن الحمولة.

لحسن الحظ ، في هذه الحالة ، هناك شيء يساعد قليلاً ، والذي غالبًا ما يوبخ مدرسو الفيزياء الطلاب: الوزن والوزن شيئان مختلفان. كلما زاد امتداد الكابل عن سطح الأرض ، زاد وزنه. على الرغم من أن نسبة القوة إلى الوزن للحبل يجب أن تظل هائلة.

مع الأنابيب النانوية الكربونية ، لدى المهندسين الأمل. هذه تقنية جديدة ، ولا يمكننا بعد أن نلف هذه الأنابيب إلى حبل طويل. وليس من الممكن تحقيق أقصى قوة تصميم. لكن من يدري ماذا سيحدث بعد ذلك؟