Երկրից փախուստի ծրագիր. համառոտ ուղեցույց ուղեծրից դուրս

2024 Հեղինակ: Seth Attwood | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-16 16:07

Վերջերս Habré-ում լուրեր տարածվեցին տիեզերական վերելակի ծրագրված կառուցման մասին: Շատերի համար այն ֆանտաստիկ և անհավատալի բան էր թվում, ինչպես Halo-ից հսկայական օղակ կամ Դայսոնի գունդ: Բայց ապագան ավելի մոտ է, քան թվում է, դեպի դրախտ սանդուղք միանգամայն հնարավոր է, և գուցե մենք դա տեսնենք նույնիսկ մեր կյանքի ընթացքում:

Հիմա ես կփորձեմ ցույց տալ, թե ինչու մենք չենք կարող գնալ և գնել Երկիր-Լուսին տոմս Մոսկվա-Պետր տոմսի գնով, ինչպես է վերելակը մեզ օգնելու և ինչ է այն կպչում, որպեսզի չփլվի գետնին։

Հրթիռային տեխնիկայի զարգացման հենց սկզբից վառելիքը գլխացավանք էր ինժեներների համար։ Նույնիսկ ամենաառաջադեմ հրթիռներում վառելիքը զբաղեցնում է նավի զանգվածի մոտ 98%-ը։

Եթե մենք ուզում ենք ISS-ի տիեզերագնացներին տալ 1 կիլոգրամ քաշով մեղրաբլիթով պարկ, ապա դրա համար, կոպիտ ասած, 100 կգ հրթիռային վառելիք կպահանջվի: Հրթիռային մեքենան մեկանգամյա օգտագործման է և Երկիր կվերադառնա միայն այրված բեկորների տեսքով։ Ստացվում են թանկարժեք կոճապղպեղներ։ Նավի զանգվածը սահմանափակ է, ինչը նշանակում է, որ մեկ արձակման համար ծանրաբեռնվածությունը խիստ սահմանափակ է։ Եվ յուրաքանչյուր մեկնարկ ունի իր ծախսերը:

Իսկ եթե մենք ուզում ենք թռչել երկրային ուղեծրից այն կողմ:

Ամբողջ աշխարհից ինժեներները նստեցին և սկսեցին մտածել. ինչպիսի՞ն պետք է լինի տիեզերանավը, որպեսզի ավելին վերցնի և թռչի դրա վրա:

Որտե՞ղ է թռչելու հրթիռը:

Մինչ ինժեներները մտածում էին, նրանց երեխաները ինչ-որ տեղ սելիտրա և ստվարաթուղթ գտան և սկսեցին խաղալիք հրթիռներ պատրաստել։ Նման հրթիռները բարձրահարկ շենքերի տանիքներին չէին հասնում, բայց երեխաները ուրախանում էին։ Հետո գլխի ընկավ ամենախելացի միտքը՝ «եկեք ավելի շատ սելիտրա խցնենք հրթիռի մեջ, և այն ավելի բարձր կթռչի»։

Սակայն հրթիռն ավելի բարձր չի թռչել, քանի որ այն չափազանց ծանրացել է։ Նա նույնիսկ չկարողացավ օդ բարձրանալ: Որոշ փորձերից հետո երեխաները գտան սելիտրայի օպտիմալ քանակությունը, որով հրթիռն ամենաբարձրն է թռչում: Եթե ավելի շատ վառելիք ավելացնեք, հրթիռի զանգվածը այն ցած է քաշում: Եթե ավելի քիչ, վառելիքը ավելի շուտ է ավարտվում:

Ինժեներները նաև արագ հասկացան, որ եթե մենք ցանկանում ենք ավելի շատ վառելիք ավելացնել, ապա ձգողական ուժը նույնպես պետք է ավելի մեծ լինի։ Թռիչքի միջակայքը մեծացնելու մի քանի տարբերակներ կան.

• բարձրացնել շարժիչի արդյունավետությունը, որպեսզի վառելիքի կորուստները նվազագույն լինեն (Laval վարդակ)
• բարձրացնել վառելիքի հատուկ իմպուլսը, որպեսզի մղման ուժն ավելի մեծ լինի վառելիքի նույն զանգվածի համար

Թեև ինժեներները անընդհատ առաջ են շարժվում, նավի գրեթե ողջ զանգվածը կլանում է վառելիքը։ Քանի որ բացի վառելիքից, դուք ցանկանում եք ինչ-որ օգտակար բան ուղարկել տիեզերք, հրթիռի ողջ ուղին մանրակրկիտ հաշվարկված է, և նվազագույնը դրվում է հրթիռի մեջ: Միևնույն ժամանակ նրանք ակտիվորեն օգտագործում են երկնային մարմինների և կենտրոնախույս ուժերի գրավիտացիոն օգնությունը։ Առաքելությունն ավարտելուց հետո տիեզերագնացները չեն ասում. «Տղե՛րք, բաքում դեռ մի քիչ վառելիք կա, թռնենք Վեներա»։

Բայց ինչպե՞ս որոշել, թե որքան վառելիք է անհրաժեշտ, որպեսզի հրթիռը դատարկ բաքով չընկնի օվկիանոս, այլ թռչի դեպի Մարս։

Երկրորդ տիեզերական արագություն

Երեխաները փորձել են նաեւ այնպես անել, որ հրթիռը ավելի բարձր թռչի։ Նրանք նույնիսկ ձեռք են բերել աերոդինամիկայի դասագիրք, կարդացել են Նավիեր-Սթոքսի հավասարումների մասին, բայց ոչինչ չեն հասկացել և ուղղակի սուր քիթ են ամրացրել հրթիռին։

Նրանց ծանոթ ծերունի Հոթտաբիչը անցավ և հարցրեց, թե տղաները ինչի համար են տխուր։

- Էհ, պապի՛կ, եթե մենք ունենայինք անսահման վառելիքով և ցածր զանգվածով հրթիռ, հավանաբար այն կթռչի դեպի երկնաքեր, կամ նույնիսկ մինչև սարի գագաթը:

- Կարևոր չէ, Կոստյա-իբն-Էդուարդ,- պատասխանեց Հոթտաբիչը՝ վերջին մազերը քաշելով,- թող այս հրթիռը երբեք վառելիք չպակասի:

Ուրախ երեխաները հրթիռ են արձակել ու սպասել, որ այն վերադառնա երկիր։ Հրթիռն թռավ և՛ դեպի երկնաքեր, և՛ դեպի լեռան գագաթ, բայց կանգ չառավ և ավելի հեռու թռավ, մինչև անհետացավ տեսադաշտից։Եթե նայեք ապագային, ապա այս հրթիռը լքեց երկիրը, դուրս թռավ Արեգակնային համակարգից, մեր գալակտիկայից և թռավ լույսի ներքո գտնվող արագությամբ՝ նվաճելու տիեզերքի հսկայականությունը:

Երեխաները մտածում էին, թե ինչպես կարող է իրենց փոքրիկ հրթիռը այդքան հեռու թռչել: Ի վերջո, դպրոցում ասում էին, որ Երկիր հետ չընկնելու համար արագությունը պետք է լինի երկրորդ տիեզերական արագությունից ոչ պակաս (11,2 կմ/վ): Կարո՞ղ է արդյոք նրանց փոքրիկ հրթիռը հասնել այդ արագությանը:

Բայց նրանց ինժեներ ծնողները բացատրեցին, որ եթե հրթիռն ունի վառելիքի անսահման պաշար, ապա այն կարող է թռչել ցանկացած վայրում, եթե մղումն ավելի մեծ է, քան գրավիտացիոն ուժերը և շփման ուժերը: Քանի որ հրթիռը կարող է թռիչք կատարել, մղման ուժը բավարար է, իսկ բաց տարածության մեջ դա ավելի հեշտ է։

Երկրորդ տիեզերական արագությունն այն արագությունը չէ, որը պետք է ունենա հրթիռը։ Սա այն արագությունն է, որով գնդակը պետք է նետվի գետնի մակերեւույթից, որպեսզի այն չվերադառնա դեպի իրեն: Հրթիռը, ի տարբերություն գնդակի, ունի շարժիչներ։ Նրա համար կարևորը ոչ թե արագությունն է, այլ ընդհանուր իմպուլսը:

Հրթիռի համար ամենադժվարը ճանապարհի սկզբնական հատվածը հաղթահարելն է։ Նախ, մակերեսային ձգողականությունը ավելի ուժեղ է: Երկրորդ՝ Երկիրն ունի խիտ մթնոլորտ, որտեղ շատ շոգ է նման արագություններով թռչելը։ Իսկ ռեակտիվ հրթիռային շարժիչները դրանում ավելի վատ են աշխատում, քան վակուումում։ Հետևաբար, նրանք այժմ թռչում են բազմաստիճան հրթիռներով. առաջին փուլը արագ սպառում է իր վառելիքը և առանձնանում, իսկ թեթև նավը թռչում է այլ շարժիչներով:

Կոնստանտին Ցիոլկովսկին երկար մտածեց այս խնդրի մասին և հորինեց տիեզերական վերելակը (դեռևս 1895 թ.): Հետո, իհարկե, ծիծաղեցին նրա վրա։ Այնուամենայնիվ, նրանք ծիծաղում էին նրա վրա հրթիռի, արբանյակի և ուղեծրային կայանների պատճառով և ընդհանրապես նրան համարում էին այս աշխարհից դուրս. «Մենք այստեղ դեռ ամբողջությամբ մեքենաներ չենք հորինել, բայց նա գնում է տիեզերք»:

Հետո գիտնականները մտածեցին և մտան դրա մեջ, հրթիռ թռավ, արբանյակ արձակեց, ուղեծրային կայաններ կառուցեցին, որոնցում մարդիկ բնակեցված էին։ Ցիոլկովսկու վրա այլեւս ոչ ոք չի ծիծաղում, ընդհակառակը, նա մեծ հարգանք է վայելում։ Եվ երբ նրանք հայտնաբերեցին գերուժեղ գրաֆենի նանոխողովակներ, նրանք լրջորեն մտածեցին «դրախտ տանող աստիճանների» մասին։

Ինչու՞ արբանյակները չեն ընկնում:

Բոլորը գիտեն կենտրոնաձիգ ուժի մասին։ Եթե դուք արագ պտտեք գնդակը պարանի վրա, այն չի ընկնում գետնին: Փորձենք արագ պտտել գնդակը, իսկ հետո աստիճանաբար դանդաղեցնել պտտման արագությունը: Ինչ-որ պահի այն կդադարի պտտվել և կընկնի: Սա կլինի նվազագույն արագությունը, որով կենտրոնախույս ուժը կհակակշռի երկրագնդի ձգողականությանը: Եթե դուք ավելի արագ պտտեք գնդակը, ապա պարանն ավելի կձգվի (և ինչ-որ պահի այն կկոտրվի):

Երկրի և արբանյակների միջև կա նաև «պարան»՝ գրավիտացիա։ Բայց ի տարբերություն սովորական պարանի, այն չի կարելի քաշել։ Եթե դուք «պտտեք» արբանյակը ավելի արագ, քան անհրաժեշտ է, այն «կջնջվի» (և կգնա էլիպսաձև ուղեծիր, կամ նույնիսկ կթռչի): Որքան մոտ է արբանյակը երկրի մակերեսին, այնքան ավելի արագ է պետք «շրջել»։ Կարճ պարանի գնդակը նույնպես ավելի արագ է պտտվում, քան երկարի վրա:

Կարևոր է հիշել, որ արբանյակի ուղեծրային (գծային) արագությունը երկրի մակերևույթի համեմատ արագություն չէ: Եթե գրված է, որ արբանյակի ուղեծրային արագությունը 3,07 կմ/վ է, դա չի նշանակում, որ այն խելագարի պես սավառնում է մակերեսի վրա։ Երկրի հասարակածի վրա կետերի ուղեծրային արագությունը, ի դեպ, 465 մ/վ է (Երկիրը պտտվում է, ինչպես պնդում էր համառ Գալիլեոն):

Փաստորեն, պարանի վրա գտնվող գնդակի և արբանյակի համար հաշվարկվում են ոչ թե գծային արագություններ, այլ անկյունային արագություններ (վայրկյանում քանի պտույտ է կատարում մարմինը):

Ստացվում է, որ եթե դուք այնպիսի ուղեծիր գտնեք, որ արբանյակի և Երկրի մակերևույթի անկյունային արագությունները համընկնեն, արբանյակը կկախվի մակերեսի մեկ կետից: Նման ուղեծիր է հայտնաբերվել, և այն կոչվում է գեոստացիոնար ուղեծիր (GSO): Արբանյակները անշարժ կախված են հասարակածի վրա, և մարդիկ ստիպված չեն շրջել իրենց թիթեղները և «որսալ ազդանշանը»:

Լոբի ցողուն

Բայց ի՞նչ, եթե պարանն իջեցնես նման արբանյակից հենց գետնին, քանի որ այն կախված է մեկ կետից: Արբանյակի մյուս ծայրին մի բեռ կցեք, կենտրոնախույս ուժը կավելանա և կպահի և՛ արբանյակը, և՛ պարանը: Ի վերջո, գնդակը չի ընկնում, եթե այն լավ պտտես։Այնուհետև այս պարանի երկայնքով հնարավոր կլինի բեռներ բարձրացնել ուղիղ դեպի ուղեծիր և մոռանալ, ինչպես մղձավանջի, բազմաստիճան հրթիռները, որոնք կուլ են տալիս վառելիքը կիլոտոններով ցածր կրող հզորությամբ:

Բեռի մթնոլորտում շարժման արագությունը փոքր կլինի, ինչը նշանակում է, որ այն չի տաքանա՝ ի տարբերություն հրթիռի։ Եվ ավելի քիչ էներգիա է պահանջվում բարձրանալու համար, քանի որ կա հենակետ:

Հիմնական խնդիրը պարանի քաշն է։ Երկրի գեոստացիոնար ուղեծիրը գտնվում է 35 հազար կիլոմետր հեռավորության վրա։ Եթե 1 մմ տրամագծով պողպատե գիծը ձգեք դեպի գեոստացիոնար ուղեծիր, ապա դրա զանգվածը կկազմի 212 տոննա (և այն պետք է շատ ավելի ձգվի՝ վերելքը կենտրոնաձիգ ուժով հավասարակշռելու համար): Միևնույն ժամանակ, այն պետք է դիմակայել իր և բեռի ծանրությանը:

Բարեբախտաբար, այս դեպքում մի բան փոքր-ինչ օգնում է, ինչի համար ֆիզիկայի ուսուցիչները հաճախ են նախատում ուսանողներին՝ քաշն ու քաշը երկու տարբեր բաներ են։ Ինչքան մալուխը ձգվում է երկրի մակերևույթից, այնքան ավելի է կորցնում քաշը։ Թեև պարանի ուժ-քաշ հարաբերակցությունը դեռևս պետք է հսկայական լինի:

Ածխածնային նանոխողովակներով ինժեներները հույս ունեն: Այժմ սա նոր տեխնոլոգիա է, և մենք դեռ չենք կարող պտտել այս խողովակները երկար պարանի մեջ: Եվ հնարավոր չէ հասնել դրանց առավելագույն նախագծային ուժին: Բայց ո՞վ գիտի, թե ինչ կլինի հետո։