Как нам улететь с Земли

С самого начала развития ракетостроения головной болью инженеров было топливо. Даже в самых современных ракетах топливо занимает где-то 98% массы корабля.
Если нам захочется передать космонавтам на МКС пакетик пряников массой в 1 килограмм, то на это потребуется, грубо говоря, 100 килограмм ракетного топлива. Ракета-носитель одноразовая, и на Землю вернется только в виде обгоревших обломков. Дорогие получаются прянички. Масса корабля ограничена, а значит и полезный груз на один запуск строго лимитирован. И каждый запуск требует расходов.
А если мы хотим полететь куда-то дальше околоземной орбиты?

Инженеры со всего мира сели и стали думать: каким должен быть космический корабль, чтобы увезти на нем больше, и долететь на нем дальше?

Куда долетит ракета?

Пока инженеры думали, их дети нашли где-то селитру и картон и начали мастерить игрушечные ракеты. Такие ракеты не долетали до крыш высотных домов, но дети радовались. Потом самому смышленому пришла мысль: «а давайте натолкаем в ракету больше селитры, и она полетит выше».
Но выше ракета не полетела, так как стала слишком тяжелой. Она даже не смогла подняться в воздух. После некоторого количества экспериментов дети нашли оптимальный объем селитры, при котором ракета летит выше всего. Если добавить больше топлива, масса ракеты тянет ее вниз. Если меньше — топливо заканчивается раньше.

Инженеры тоже быстро сообразили, что если мы хотим залить больше топлива, значит и сила тяги должна быть больше. Вариантов увеличить дальность полета немного:

• увеличить КПД двигателя, чтобы потери топлива были минимальными (сопло Лаваля)
• увеличить удельный импульс топлива, чтобы при равной массе топлива сила тяги была больше

Хотя инженеры постоянно продвигаются вперед, практически всю массу корабля занимает топливо. Так как кроме топлива хочется отправить в космос что-нибудь полезное, весь путь ракеты тщательно просчитывается, и топлива в ракету закладывают самый минимум. При этом активно пользуются гравитационной помощью небесных тел и центробежными силами. Космонавты после завершения миссии не говорят: «ребята, в баке еще осталось немного топлива, давайте слетаем на Венеру».

Но как определить, сколько топлива нужно, чтобы ракета не упала в океан с пустым баком, а долетела до Марса?

Вторая космическая скорость

Дети тоже пытались заставить ракету лететь выше. Даже раздобыли учебник по аэродинамике, прочитали про уравнения Навье-Стокса, но ничего не поняли и просто приделали ракете острый нос.
Мимо проходил их знакомый старик Хоттабыч и поинтересовался, о чем грустят ребята.
— Эх, дедушка, если бы у нас была ракета с бесконечным топливом и малой массой, она бы наверное долетела до небоскреба, или даже до самой вершины горы.
— Не беда, Костя-ибн-Эдуард, — ответил Хоттабыч, выдергивая последний волосок, — пусть у этой ракеты топливо никогда не заканчивается.
Радостные дети запустили ракету и стали ждать, когда она вернется на землю. Ракета долетела и до небоскреба, и до вершины горы, но не остановилась и полетела дальше, пока не пропала из вида. Если заглянуть в будущее, то эта ракета покинула землю, вылетела из солнечной системы, нашей галактики и полетела на субсветовой скорости покорять просторы вселенной.

Дети удивились, как это их маленькая ракета смогла так далеко улететь. Ведь в школе говорили, что для того чтобы не упасть обратно на Землю, скорость должна быть не меньше второй космической (11,2 км/с). Разве их маленькая ракета могла развить такую скорость?
Но их родители-инженеры объяснили, что если у ракеты бесконечный запас топлива, то она сможет улететь куда угодно, если сила тяги больше гравитационных сил и сил трения. Так как ракета способна взлететь, силы тяги хватает, а в открытом космосе еще легче.

Вторая космическая скорость — это не скорость, которая должна быть у ракеты. Это скорость, с которой нужно бросить мяч с поверхности земли, чтобы он на нее не вернулся. У ракеты, в отличие от мяча, есть двигатели. Для нее важна не скорость, а суммарный импульс.
Самое сложное для ракеты — преодолеть начальный участок пути. Во-первых, гравитация у поверхности сильнее. Во-вторых, у Земли плотная атмосфера, в которой очень жарко летать на таких скоростях. Да и реактивные ракетные двигатели работают в ней хуже, чем в вакууме. Поэтому летают сейчас на многоступенчатых ракетах: первая ступень быстро расходует свое топливо и отделяется, а облегченный корабль летит на других двигателях.

Константин Циолковский долго думал над этой проблемой, и придумал космический лифт (еще в 1895 году). Над ним тогда, конечно, посмеялись. Впрочем, посмеялись над ним и из-за ракеты, и спутника, и орбитальных станций, и вообще посчитали его не от мира сего: «у нас тут еще автомобили не до конца изобретены, а он в космос собрался».
Потом ученые задумались и прониклись, полетела ракета, запустили спутник, понастроили орбитальных станций, в которые заселили людей. Над Циолковским уже никто не смеется, наоборот, его очень уважают. А когда открыли сверхпрочные графеновые нанотрубки, всерьез задумались и о «лестнице в небо».

Почему спутники не падают вниз?

Все знают про центробежную силу. Если быстро крутить мячик на веревочке, он не падает на землю. Попробуем быстро раскрутить мяч, а затем постепенно замедлим скорость вращения. В какой-то момент он перестанет крутиться и упадет. Это будет минимальная скорость, при которой центробежная сила будет уравновешивать силу притяжения земли. Если крутить мяч быстрее, веревка сильнее натянется (а в какой-то момент лопнет).
Между Землей и спутниками тоже есть «веревка» — гравитация. Но в отличие от обычной веревки она не может натягиваться. Если «крутить» спутник быстрее чем нужно, он «оторвется» (и перейдет на эллиптическую орбиту, или вообще улетит). Чем ближе спутник к поверхности земли, тем быстрее его нужно «крутить». Мяч на короткой веревке тоже крутится быстрее, чем на длинной.
Важно помнить, что орбитальная (линейная) скорость спутника — это не скорость относительно поверхности земли. Если написано, что орбитальная скорость спутника 3.07 км/с, это не значит, что он носится над поверхностью как бешеный. Орбитальная скорость точек на экваторе земли, между прочим, 465 м/с (Земля вертится, как утверждал упрямый Галилей).
На самом деле для мяча на веревочке и для спутника рассчитываются не линейные скорости, а угловые (сколько оборотов в секунду совершает тело).

Получается, если найти такую орбиту, что угловые скорости спутника и поверхности земли будут совпадать, то спутник будет висеть над одной точкой на поверхности. Такую орбиту нашли, и она называется геостационарная орбита (ГСО). Спутники висят над экватором неподвижно, и людям не приходится поворачивать тарелки и «ловить сигнал».

Бобовый стебель

А что, если спустить с такого спутника веревочку до самой земли, ведь он висит над одной точкой? К другому концу спутника привязать груз, центробежная сила увеличится и будет держать и спутник, и веревочку. Ведь не падает мяч, если его хорошо раскрутить. Тогда можно будет поднимать по этой веревочке грузы прямо на орбиту, и забыть как страшный сон многоступенчатые ракеты, жрущие топливо килотоннами при небольшой грузоподъемности.
Скорость движения в атмосфере у груза будет небольшая, значит нагреваться он не будет, в отличие от ракеты. И энергии на подъем потребуется меньше, так как есть точка опоры.

Главная проблема — масса веревочки. До геостационарной орбиты Земли 35 тысяч километров. Если дотянуть до геостационарной орбиты стальную леску диаметром 1 мм, ее масса будет 212 тонн (а ее нужно тянуть гораздо дальше, чтобы уравновесить лифт центробежной силой). При этом она должна выдерживать свой вес, и вес груза.
К счастью, в этом случае немного помогает то, за что учителя по физике часто ругают учеников: вес и масса — разные вещи. Чем дальше тянется трос от поверхности земли, тем больше он теряет в весе. Хотя удельная прочность троса всё еще должна быть огромной.
С углеродными нанотрубками у инженеров появилась надежда. Сейчас это новая технология, и мы пока не можем свить эти трубочки в длинный трос. И не получается добиться их максимальной расчетной прочности.

Космический лифт

Японская компания анонсировала новость из области научной фантастики — постройку космического лифта и запуск его в работу до 2050 года

В случае успеха это станет революционным шагом в освоении околоземного пространства и потенциально повлияет на всю глобальную экономику. Представители корпорации Obayashi заявили, что космический лифт будет доставлять грузы на высоту 96 000 километров. Роботизированные авто на магнитных линейных двигателях будут перевозить людей и грузы на новопостроенную космическую станцию. Цена доставки будет на порядок дешевле, чем современными ракетами.

Компания заявляет, что теперь фантастика становится реальностью с разработкой углеродных нанотехнологий. Как заявил Ёши Ишикава (Yoji Ishikawa), менеджер по исследованиям и разработке Obayashi, «Предел прочности (новых материалов — прим. пер.) в сто раз больше чем у стального троса, так что это возможно.» «Сейчас мы не можем сделать кабель достаточной длины. На данный момент мы можем сделать только 3-х сантиметровые нанотрубки, но нам нужно больше… мы считаем что к 2030 году сможем добиться этого.»

Университеты по всей Японии работают над этими проблемами. Каждый год они проводят конкурсы для обмена опытом и знаниями. Команда Университета Канагава (Kanagawa University) работает над роботизированными машинами-подъемниками. Профессор Тадаши Эгами (Tadashi Egami) говорит, что натяжение кабеля будет варьироваться в зависимости от высоты и силы тяжести. «Мы изучаем какие механизмы нужны для поднятия на различные высоты, а также наилучшие системы торможения» — сказал Эгами.

Ишикава из Obayashi согласен с тем, что, согласно крупным международным исследованиям проведенным в 2012 году, космический лифт вполне реализуем, но лучше всего его реализовывать при международном сотрудничестве. «Я не думаю, что одна компания может справиться с этим, для этого нужна международная организация, чтобы справиться с таким большим проектом,» — сказал он.

Эксперты заявляют, что космический лифт будет сигнализировать о завершении использования обычных ракет — очень дорогих и опасных. Так стоимость вывода на орбиту одного кг груза с помощью космических челноков составляет что то около 22000 долларов. Для космического лифта расчеты говорят о 200 долларах за кг груза. Постройка космолифта позволит малым ракетам размещаться и запускаться прямо с космической станции, без необходимости тратить много топлива чтобы преодолеть гравитацию Земли.

Они так же надеются, что космолифт поможет решить некоторые мировые проблемы, поставляя бóльшие объёмы солнечной энергии или для хранения атомных отходов. Также космолифт поможет в развитии космическому туризму.

Obayashi работает над машинами которые смогут поднимать на лифте до 30 человек, так что, возможно, недалёк тот день, когда Луна может стать очередной туристической точкой.

источник: