Piano di fuga dalla Terra: una breve guida per uscire dall'orbita

2024 Autore: Seth Attwood | [email protected]. Ultima modifica: 2023-12-16 16:08

Recentemente su Habré c'è stata notizia della prevista costruzione di un ascensore spaziale. Per molti sembrava qualcosa di fantastico e incredibile, come un enorme anello di Halo o una sfera di Dyson. Ma il futuro è più vicino di quanto sembri, una scala per il paradiso è del tutto possibile, e forse la vedremo anche nel corso della nostra vita.

Ora cercherò di mostrare perché non possiamo andare a comprare un biglietto Terra-Luna al prezzo di un biglietto Mosca-Pietro, come ci aiuterà l'ascensore e a cosa si aggrapperà per non crollare a terra.

Fin dall'inizio dello sviluppo della missilistica, il carburante è stato un grattacapo per gli ingegneri. Anche nei razzi più avanzati, il carburante occupa circa il 98% della massa della nave.

Se vogliamo dare agli astronauti della ISS un sacchetto di pan di zenzero del peso di 1 chilogrammo, allora questo richiederà, grosso modo, 100 chilogrammi di carburante per missili. Il veicolo di lancio è usa e getta e tornerà sulla Terra solo sotto forma di detriti bruciati. Si ottengono pan di zenzero costosi. La massa della nave è limitata, il che significa che il carico utile per un lancio è strettamente limitato. E ogni lancio ha un costo.

E se volessimo volare da qualche parte oltre l'orbita vicina alla Terra?

Ingegneri di tutto il mondo si sono seduti e hanno iniziato a pensare: come dovrebbe essere un'astronave per poter prendere di più su di essa e volare più lontano?

Dove volerà il razzo?

Mentre gli ingegneri stavano pensando, i loro figli hanno trovato salnitro e cartone da qualche parte e hanno iniziato a costruire razzi giocattolo. Tali missili non hanno raggiunto i tetti dei grattacieli, ma i bambini erano felici. Poi mi è venuto in mente il pensiero più intelligente: "spingiamo più salnitro nel razzo, e volerà più in alto".

Ma il razzo non volò più in alto, poiché divenne troppo pesante. Non riusciva nemmeno ad alzarsi in aria. Dopo alcuni esperimenti, i bambini hanno trovato la quantità ottimale di salnitro alla quale il razzo vola più in alto. Se aggiungi più carburante, la massa del razzo lo abbassa. Se meno, il carburante finisce prima.

Gli ingegneri hanno anche capito rapidamente che se vogliamo aggiungere più carburante, anche la forza di trazione deve essere maggiore. Ci sono poche opzioni per aumentare l'autonomia di volo:

• aumentare l'efficienza del motore in modo che le perdite di carburante siano minime (ugello Laval)
• aumentare l'impulso specifico del carburante in modo che la forza di spinta sia maggiore a parità di massa di carburante

Sebbene gli ingegneri siano costantemente in movimento in avanti, quasi l'intera massa della nave è assorbita dal carburante. Poiché oltre al carburante, vuoi inviare qualcosa di utile nello spazio, l'intero percorso del razzo viene calcolato con cura e il minimo viene inserito nel razzo. Allo stesso tempo, usano attivamente l'aiuto gravitazionale dei corpi celesti e delle forze centrifughe. Dopo aver completato la missione, gli astronauti non dicono: "Ragazzi, c'è ancora un po' di carburante nel serbatoio, voliamo su Venere".

Ma come determinare la quantità di carburante necessaria in modo che il razzo non cada nell'oceano con un serbatoio vuoto, ma voli su Marte?

Seconda velocità spaziale

I bambini hanno anche cercato di far volare il razzo più in alto. Hanno persino preso un libro di testo sull'aerodinamica, letto delle equazioni di Navier-Stokes, ma non hanno capito nulla e hanno semplicemente attaccato un naso affilato al razzo.

Il loro vecchio familiare Hottabych è passato e ha chiesto per cosa i ragazzi fossero tristi.

- Eh, nonno, se avessimo avuto un razzo con carburante infinito e massa ridotta, probabilmente sarebbe volato su un grattacielo, o addirittura in cima a una montagna.

- Non importa, Kostya-ibn-Eduard, - rispose Hottabych, strappandosi gli ultimi capelli, - lascia che questo razzo non finisca mai il carburante.

I bambini gioiosi lanciarono un razzo e aspettarono che tornasse sulla terra. Il razzo volò sia sul grattacielo che sulla cima della montagna, ma non si fermò e volò oltre finché non scomparve alla vista. Se guardi al futuro, questo razzo ha lasciato la terra, è volato fuori dal sistema solare, dalla nostra galassia e ha volato a velocità subluce per conquistare la vastità dell'universo.

I bambini si chiedevano come il loro piccolo razzo potesse volare così lontano. Dopotutto, a scuola hanno detto che per non ricadere sulla Terra, la velocità non dovrebbe essere inferiore alla seconda velocità cosmica (11, 2 km / s). Il loro piccolo razzo potrebbe raggiungere quella velocità?

Ma i loro genitori ingegneri hanno spiegato che se un razzo ha una scorta infinita di carburante, allora può volare ovunque se la spinta è maggiore delle forze gravitazionali e delle forze di attrito. Poiché il razzo è in grado di decollare, la forza di spinta è sufficiente e nello spazio aperto è ancora più facile.

La seconda velocità cosmica non è la velocità che dovrebbe avere un razzo. Questa è la velocità con cui la palla deve essere lanciata dalla superficie del terreno in modo che non vi ritorni. Un razzo, a differenza di una palla, ha motori. Per lei non è importante la velocità, ma l'impulso totale.

La cosa più difficile per un razzo è superare la sezione iniziale del percorso. Primo, la gravità superficiale è più forte. In secondo luogo, la Terra ha un'atmosfera densa in cui fa molto caldo volare a tali velocità. E i motori a reazione a razzo funzionano peggio che nel vuoto. Pertanto, ora volano su razzi multistadio: il primo stadio consuma rapidamente il suo carburante e viene separato, e la nave leggera vola su altri motori.

Konstantin Tsiolkovsky ha riflettuto a lungo su questo problema e ha inventato l'ascensore spaziale (nel 1895). Poi, naturalmente, hanno riso di lui. Tuttavia, ridevano di lui a causa del razzo, del satellite e delle stazioni orbitali, e generalmente lo consideravano fuori dal mondo: "Non abbiamo ancora completamente inventato le auto qui, ma sta andando nello spazio".

Quindi gli scienziati ci hanno pensato e ci sono entrati, un razzo è volato, ha lanciato un satellite, costruito stazioni orbitali, in cui sono state popolate le persone. Nessuno ride più di Tsiolkovsky, anzi è molto rispettato. E quando hanno scoperto nanotubi di grafene super potenti, hanno pensato seriamente alla "scala per il paradiso".

Perché i satelliti non cadono?

Tutti conoscono la forza centrifuga. Se giri rapidamente la palla sulla corda, non cade a terra. Proviamo a far girare rapidamente la palla, quindi a rallentare gradualmente la velocità di rotazione. Ad un certo punto, smetterà di girare e cadrà. Questa sarà la velocità minima alla quale la forza centrifuga controbilancia la gravità terrestre. Se fai girare la palla più velocemente, la corda si allungherà di più (e ad un certo punto si romperà).

C'è anche una "corda" tra la Terra e i satelliti: la gravità. Ma a differenza di una corda normale, non può essere tirata. Se "giri" il satellite più velocemente del necessario, "si staccherà" (e entrerà in un'orbita ellittica, o addirittura volerà via). Più il satellite è vicino alla superficie terrestre, più velocemente deve essere "girato". La palla su una corda corta gira anche più velocemente che su una lunga.

È importante ricordare che la velocità orbitale (lineare) di un satellite non è la velocità relativa alla superficie terrestre. Se è scritto che la velocità orbitale di un satellite è 3,07 km/s, ciò non significa che stia librandosi sulla superficie come un matto. La velocità orbitale dei punti sull'equatore terrestre, tra l'altro, è di 465 m / s (la terra ruota, come sosteneva il testardo Galileo).

Infatti per una palla su un filo e per un satellite non si calcolano velocità lineari, ma velocità angolari (quanti giri al secondo fa il corpo).

Si scopre che se trovi un'orbita tale che le velocità angolari del satellite e della superficie terrestre coincidano, il satellite si bloccherà su un punto sulla superficie. Tale orbita è stata trovata ed è chiamata orbita geostazionaria (GSO). I satelliti pendono immobili sopra l'equatore e le persone non devono girare le loro placche e "catturare il segnale".

gambo di fagiolo

Ma cosa succede se abbassi una corda da un tale satellite fino al suolo, perché pende da un punto? Attaccare un carico all'altra estremità del satellite, la forza centrifuga aumenterà e terrà sia il satellite che la fune. Dopotutto, la palla non cade se la fai girare bene. Quindi sarà possibile sollevare carichi lungo questa fune direttamente in orbita e dimenticare, come un incubo, i razzi multistadio, che divorano carburante in chilotoni a bassa capacità di carico.

La velocità di movimento nell'atmosfera del carico sarà piccola, il che significa che non si riscalderà, a differenza di un razzo. E per salire è necessaria meno energia, poiché c'è un fulcro.

Il problema principale è il peso della corda. L'orbita geostazionaria della Terra dista 35mila chilometri. Se allunghi una linea d'acciaio con un diametro di 1 mm fino all'orbita geostazionaria, la sua massa sarà di 212 tonnellate (e deve essere tirata molto di più per bilanciare l'ascensore con la forza centrifuga). Allo stesso tempo, deve sopportare il proprio peso e il peso del carico.

Per fortuna, in questo caso, aiuta un po' qualcosa, per cui spesso gli insegnanti di fisica sgridano gli studenti: peso e peso sono due cose diverse. Più il cavo si estende dalla superficie terrestre, più perde peso. Anche se il rapporto forza-peso della corda dovrebbe essere ancora enorme.

Con i nanotubi di carbonio, gli ingegneri hanno speranza. Questa è una nuova tecnologia e non possiamo ancora attorcigliare questi tubi in una lunga corda. E non è possibile raggiungere la loro massima forza di progettazione. Ma chi sa cosa accadrà dopo?