Earth Escape Plan: Eine kurze Anleitung für Out of Orbit

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-12-16 16:01

Kürzlich gab es auf Habré Neuigkeiten über den geplanten Bau eines Weltraumaufzugs. Für viele schien es etwas Fantastisches und Unglaubliches zu sein, wie ein riesiger Ring von Halo oder eine Dyson-Kugel. Aber die Zukunft ist näher als es scheint, eine Himmelstreppe ist durchaus möglich, und vielleicht werden wir sie sogar noch zu unseren Lebzeiten sehen.

Jetzt werde ich versuchen zu zeigen, warum wir kein Erde-Mond-Ticket zum Preis eines Moskau-Peter-Tickets kaufen können, wie uns der Aufzug hilft und woran er sich festhält, um nicht zu Boden zu fallen.

Von Anfang an bereitete Treibstoff den Ingenieuren Kopfzerbrechen. Selbst in den fortschrittlichsten Raketen nimmt der Treibstoff etwa 98% der Schiffsmasse ein.

Wenn wir den Astronauten auf der ISS eine 1 Kilogramm schwere Tüte Lebkuchen mitgeben wollen, dann werden dafür grob gesagt 100 Kilogramm Raketentreibstoff benötigt. Die Trägerrakete ist wegwerfbar und wird nur in Form von verbrannten Trümmern zur Erde zurückkehren. Es werden teure Lebkuchen beschafft. Die Masse des Schiffes ist begrenzt, was bedeutet, dass die Nutzlast für einen Start streng limitiert ist. Und jede Einführung ist mit Kosten verbunden.

Was ist, wenn wir irgendwo jenseits der erdnahen Umlaufbahn fliegen wollen?

Ingenieure aus der ganzen Welt setzten sich hin und begannen zu überlegen: Wie sollte ein Raumschiff sein, um mehr mit ihm aufzunehmen und weiter zu fliegen?

Wohin wird die Rakete fliegen?

Während die Ingenieure nachdachten, fanden ihre Kinder irgendwo Salpeter und Pappe und begannen, Spielzeugraketen zu bauen. Solche Raketen erreichten nicht die Dächer von Hochhäusern, aber die Kinder waren glücklich. Da kam mir der klügste Gedanke: "Lass uns noch mehr Salpeter in die Rakete schieben, und sie fliegt höher."

Aber die Rakete flog nicht höher, da sie zu schwer wurde. Sie konnte nicht einmal in die Luft steigen. Nach einigem Ausprobieren fanden die Kinder die optimale Salpetermenge, bei der die Rakete am höchsten fliegt. Wenn Sie mehr Treibstoff hinzufügen, zieht die Masse der Rakete sie nach unten. Wenn weniger - Kraftstoff endet früher.

Die Ingenieure haben auch schnell gemerkt, dass, wenn wir mehr Kraftstoff hinzufügen wollen, auch die Zugkraft größer sein muss. Es gibt einige Möglichkeiten, die Flugreichweite zu erhöhen:

• Erhöhung der Motoreffizienz, sodass Kraftstoffverluste minimal sind (Laval-Düse)
• den spezifischen Impuls des Treibstoffs erhöhen, so dass die Schubkraft bei gleicher Treibstoffmasse größer ist

Obwohl die Ingenieure ständig voranschreiten, wird fast die gesamte Masse des Schiffes vom Treibstoff eingenommen. Da Sie neben Treibstoff auch etwas Nützliches ins All schicken möchten, wird der gesamte Weg der Rakete sorgfältig berechnet und das Allerkleinste in die Rakete gesteckt. Gleichzeitig nutzen sie aktiv die Gravitationshilfe von Himmelskörpern und Fliehkräften. Nach Beendigung der Mission sagen die Astronauten nicht: "Leute, es ist noch etwas Treibstoff im Tank, lasst uns zur Venus fliegen."

Doch wie stellt man fest, wie viel Treibstoff benötigt wird, damit die Rakete nicht mit leerem Tank ins Meer fällt, sondern zum Mars fliegt?

Zweite Raumgeschwindigkeit

Die Kinder versuchten auch, die Rakete höher fliegen zu lassen. Sie besorgten sich sogar ein Lehrbuch über Aerodynamik, lasen über die Navier-Stokes-Gleichungen, verstanden aber nichts und befestigten einfach eine spitze Nase an der Rakete.

Ihr bekannter alter Herr Hottabych ging vorbei und fragte, worüber die Jungs traurig seien.

- Äh, Großvater, wenn wir eine Rakete mit unendlich viel Treibstoff und geringer Masse hätten, wäre sie wahrscheinlich zu einem Wolkenkratzer geflogen oder sogar bis ganz oben auf einen Berg.

- Es macht nichts, Kostya-ibn-Eduard, - antwortete Hottabych und riss sich die letzten Haare aus, - lass dieser Rakete nie der Treibstoff ausgehen.

Die fröhlichen Kinder starteten eine Rakete und warteten darauf, dass sie zur Erde zurückkehrte. Die Rakete flog sowohl zum Wolkenkratzer als auch zum Gipfel des Berges, hielt aber nicht an und flog weiter, bis sie aus dem Blickfeld verschwand. Schaut man in die Zukunft, dann verließ diese Rakete die Erde, flog aus dem Sonnensystem, unserer Galaxie und flog mit Unterlichtgeschwindigkeit, um die Weiten des Universums zu erobern.

Die Kinder fragten sich, wie ihre kleine Rakete so weit fliegen konnte. Immerhin sagten sie in der Schule, dass die Geschwindigkeit nicht weniger als die zweite kosmische Geschwindigkeit (11, 2 km / s) betragen sollte, um nicht auf die Erde zurückzufallen. Könnte ihre kleine Rakete diese Geschwindigkeit erreichen?

Aber ihre Ingenieureltern erklärten, dass eine Rakete, wenn sie einen unendlichen Vorrat an Treibstoff hat, überall fliegen kann, wenn der Schub größer ist als die Gravitations- und Reibungskräfte. Da die Rakete abheben kann, ist die Schubkraft ausreichend, im freien Raum ist es noch einfacher.

Die zweite kosmische Geschwindigkeit ist nicht die Geschwindigkeit, die eine Rakete haben sollte. Dies ist die Geschwindigkeit, mit der der Ball von der Bodenoberfläche geworfen werden muss, damit er nicht dorthin zurückkehrt. Eine Rakete hat im Gegensatz zu einer Kugel Motoren. Für sie ist nicht die Geschwindigkeit wichtig, sondern der totale Impuls.

Das Schwierigste für eine Rakete ist es, den Anfangsabschnitt des Pfades zu überwinden. Erstens ist die Oberflächengravitation stärker. Zweitens hat die Erde eine dichte Atmosphäre, in der es sehr heiß ist, mit solchen Geschwindigkeiten zu fliegen. Und Düsentriebwerke arbeiten darin schlechter als in einem Vakuum. Daher fliegen sie jetzt mit mehrstufigen Raketen: Die erste Stufe verbraucht schnell ihren Treibstoff und wird getrennt, und das Leichtgewichtsschiff fliegt mit anderen Triebwerken.

Konstantin Tsiolkovsky dachte lange über dieses Problem nach und erfand den Weltraumlift (bereits 1895). Dann lachten sie ihn natürlich aus. Sie lachten ihn jedoch wegen der Rakete und des Satelliten und der Orbitalstationen aus und hielten ihn allgemein für nicht von dieser Welt: "Wir haben hier Autos noch nicht vollständig erfunden, aber er geht ins All."

Dann dachten die Wissenschaftler darüber nach und stiegen ein, eine Rakete flog, startete einen Satelliten, bauten Orbitalstationen, in denen Menschen bevölkert waren. Über Tsiolkovsky lacht niemand mehr, im Gegenteil, er wird sehr respektiert. Und als sie superstarke Graphen-Nanoröhren entdeckten, dachten sie ernsthaft über die "Treppe zum Himmel" nach.

Warum fallen die Satelliten nicht herunter?

Jeder kennt die Zentrifugalkraft. Wenn du den Ball schnell an der Schnur verdrehst, fällt er nicht zu Boden. Versuchen wir, den Ball schnell zu drehen und dann die Rotationsgeschwindigkeit allmählich zu verlangsamen. Irgendwann hört es auf zu drehen und fällt. Dies ist die minimale Geschwindigkeit, bei der die Zentrifugalkraft die Schwerkraft der Erde ausgleicht. Wenn du den Ball schneller drehst, dehnt sich das Seil mehr (und irgendwann reißt es).

Es gibt auch ein "Seil" zwischen der Erde und den Satelliten - die Schwerkraft. Aber im Gegensatz zu einem normalen Seil kann es nicht gezogen werden. Wenn Sie den Satelliten schneller als nötig "drehen", wird er "absteigen" (und in eine elliptische Umlaufbahn gehen oder sogar wegfliegen). Je näher der Satellit an der Erdoberfläche ist, desto schneller muss er "gedreht" werden. Außerdem dreht sich der Ball an einem kurzen Seil schneller als an einem langen.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die (lineare) Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten nicht die Geschwindigkeit relativ zur Erdoberfläche ist. Wenn geschrieben steht, dass die Umlaufgeschwindigkeit eines Satelliten 3,07 km / s beträgt, bedeutet dies nicht, dass er wie verrückt über der Oberfläche schwebt. Die Umlaufgeschwindigkeit von Punkten auf dem Äquator der Erde beträgt übrigens 465 m / s (die Erde dreht sich, wie der hartnäckige Galileo behauptete).

Tatsächlich werden für einen Ball auf einer Schnur und für einen Satelliten keine Lineargeschwindigkeiten berechnet, sondern Winkelgeschwindigkeiten (wie viele Umdrehungen pro Sekunde der Körper macht).

Es stellt sich heraus, dass, wenn Sie eine Umlaufbahn finden, bei der die Winkelgeschwindigkeiten des Satelliten und der Erdoberfläche übereinstimmen, der Satellit über einem Punkt auf der Oberfläche hängt. Eine solche Umlaufbahn wurde gefunden und wird als geostationäre Umlaufbahn (GSO) bezeichnet. Die Satelliten hängen bewegungslos über dem Äquator, und die Menschen müssen ihre Teller nicht drehen und „das Signal abfangen“.

Bohnenstiel

Was aber, wenn man ein Seil von einem solchen Satelliten bis auf den Boden absenkt, weil es über einem Punkt hängt? Befestigen Sie eine Last am anderen Ende des Satelliten, die Zentrifugalkraft wird erhöht und hält sowohl den Satelliten als auch das Seil. Schließlich fällt der Ball nicht, wenn man ihn gut dreht. Dann wird es möglich sein, Lasten entlang dieses Seils direkt in die Umlaufbahn zu heben und mehrstufige Raketen wie ein Albtraum zu vergessen, die Treibstoff in Kilotonnen bei geringer Tragfähigkeit verschlingen.

Die Bewegungsgeschwindigkeit in der Atmosphäre der Ladung ist gering, was bedeutet, dass sie sich im Gegensatz zu einer Rakete nicht erwärmt. Und zum Klettern wird weniger Energie benötigt, da es einen Drehpunkt gibt.

Das Hauptproblem ist das Gewicht des Seils. Die geostationäre Umlaufbahn der Erde ist 35.000 Kilometer entfernt. Wenn Sie eine Stahlleitung mit einem Durchmesser von 1 mm in die geostationäre Umlaufbahn strecken, beträgt ihre Masse 212 Tonnen (und sie muss viel weiter gezogen werden, um den Auftrieb mit der Zentrifugalkraft auszugleichen). Gleichzeitig muss es seinem Eigengewicht und dem Gewicht der Ladung standhalten.

Zum Glück hilft in diesem Fall etwas, wofür Physiklehrer oft schimpfen: Gewicht und Gewicht sind zwei verschiedene Dinge. Je weiter sich das Kabel von der Erdoberfläche entfernt, desto mehr verliert es an Gewicht. Obwohl das Festigkeits-Gewichts-Verhältnis des Seils noch enorm sein soll.

Mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen haben Ingenieure Hoffnung. Dies ist eine neue Technologie, und wir können diese Rohre noch nicht zu einem langen Seil verdrehen. Und es ist nicht möglich, ihre maximale Konstruktionsfestigkeit zu erreichen. Aber wer weiß, was als nächstes passiert?