Earth Escape Plan: Panduan Singkat untuk Keluar dari Orbit

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Baru-baru ini di Habré ada berita tentang rencana pembangunan lift ruang angkasa. Bagi banyak orang, itu tampak seperti sesuatu yang fantastis dan luar biasa, seperti cincin besar dari Halo atau bola Dyson. Tetapi masa depan lebih dekat daripada yang terlihat, tangga menuju surga sangat mungkin, dan mungkin kita bahkan akan melihatnya dalam hidup kita.

Sekarang saya akan mencoba menunjukkan mengapa kita tidak bisa pergi dan membeli tiket Bumi-Bulan dengan harga tiket Moskow-Peter, bagaimana lift akan membantu kita dan apa yang akan dipegangnya agar tidak runtuh ke tanah.

Sejak awal pengembangan peroketan, bahan bakar memusingkan para insinyur. Bahkan di roket paling canggih sekalipun, bahan bakar menempati sekitar 98% dari massa kapal.

Jika kita ingin memberi astronot di ISS sekantong roti jahe seberat 1 kilogram, maka ini akan membutuhkan, secara kasar, 100 kilogram bahan bakar roket. Kendaraan peluncuran sekali pakai dan akan kembali ke Bumi hanya dalam bentuk puing-puing yang terbakar. Roti jahe mahal diperoleh. Massa kapal terbatas, yang berarti bahwa muatan untuk satu peluncuran sangat terbatas. Dan setiap peluncuran ada biayanya.

Bagaimana jika kita ingin terbang ke suatu tempat di luar orbit dekat bumi?

Insinyur dari seluruh dunia duduk dan mulai berpikir: seperti apa seharusnya sebuah pesawat ruang angkasa untuk mengambil lebih banyak dan menerbangkannya lebih jauh?

Ke mana roket akan terbang?

Sementara para insinyur berpikir, anak-anak mereka menemukan sendawa dan kardus di suatu tempat dan mulai membuat roket mainan. Rudal semacam itu tidak mencapai atap gedung-gedung tinggi, tetapi anak-anak senang. Kemudian pikiran paling cerdas muncul di benak: "mari kita dorong lebih banyak sendawa ke dalam roket, dan roket itu akan terbang lebih tinggi."

Tetapi roket itu tidak terbang lebih tinggi, karena menjadi terlalu berat. Dia bahkan tidak bisa naik ke udara. Setelah beberapa percobaan, anak-anak menemukan jumlah sendawa yang optimal di mana roket terbang paling tinggi. Jika Anda menambahkan lebih banyak bahan bakar, massa roket menariknya ke bawah. Jika kurang - bahan bakar berakhir lebih awal.

Para insinyur juga segera menyadari bahwa jika kita ingin menambahkan lebih banyak bahan bakar, maka gaya traksi juga harus lebih besar. Ada beberapa opsi untuk meningkatkan jangkauan penerbangan:

• meningkatkan efisiensi mesin sehingga kerugian bahan bakar minimal (Nosel Laval)
• meningkatkan impuls spesifik bahan bakar sehingga gaya dorong lebih besar untuk massa bahan bakar yang sama

Meskipun para insinyur terus bergerak maju, hampir seluruh massa kapal diambil oleh bahan bakar. Karena selain bahan bakar, Anda ingin mengirim sesuatu yang berguna ke luar angkasa, seluruh jalur roket dihitung dengan cermat, dan yang paling minimum dimasukkan ke dalam roket. Pada saat yang sama, mereka secara aktif menggunakan bantuan gravitasi benda langit dan gaya sentrifugal. Setelah menyelesaikan misi, para astronot tidak berkata: "Teman-teman, masih ada sedikit bahan bakar di tangki, ayo terbang ke Venus."

Tapi bagaimana menentukan berapa banyak bahan bakar yang dibutuhkan agar roket tidak jatuh ke laut dengan tangki kosong, melainkan terbang ke Mars?

Kecepatan ruang kedua

Anak-anak juga mencoba membuat roket terbang lebih tinggi. Mereka bahkan mendapatkan buku teks tentang aerodinamika, membaca tentang persamaan Navier-Stokes, tetapi tidak mengerti apa-apa dan hanya menempelkan hidung tajam ke roket.

Orang tua mereka yang akrab, Hottabych, lewat dan bertanya apa yang membuat mereka sedih.

- Eh, kakek, jika kita memiliki roket dengan bahan bakar tak terbatas dan massa rendah, itu mungkin akan terbang ke gedung pencakar langit, atau bahkan ke puncak gunung.

- Tidak masalah, Kostya-ibn-Eduard, - Hottabych menjawab, mencabut rambut terakhir, - jangan sampai roket ini kehabisan bahan bakar.

Anak-anak yang gembira meluncurkan roket dan menunggunya kembali ke bumi. Roket itu terbang ke gedung pencakar langit dan ke puncak gunung, tetapi tidak berhenti dan terbang lebih jauh sampai menghilang dari pandangan. Jika Anda melihat ke masa depan, maka roket ini meninggalkan bumi, terbang keluar dari tata surya, galaksi kita, dan terbang dengan kecepatan rendah untuk menaklukkan luasnya alam semesta.

Anak-anak bertanya-tanya bagaimana roket kecil mereka bisa terbang sejauh ini. Lagi pula, di sekolah mereka mengatakan bahwa agar tidak jatuh kembali ke Bumi, kecepatannya harus tidak kurang dari kecepatan kosmik kedua (11, 2 km / s). Bisakah roket kecil mereka mencapai kecepatan itu?

Tetapi orang tua teknik mereka menjelaskan bahwa jika sebuah roket memiliki persediaan bahan bakar yang tak terbatas, maka roket itu dapat terbang ke mana saja jika daya dorongnya lebih besar daripada gaya gravitasi dan gaya gesekan. Karena roket mampu lepas landas, gaya dorongnya cukup, dan di ruang terbuka bahkan lebih mudah.

Kecepatan kosmik kedua bukanlah kecepatan yang seharusnya dimiliki roket. Ini adalah kecepatan di mana bola harus dilempar dari permukaan tanah agar tidak kembali ke sana. Roket, tidak seperti bola, memiliki mesin. Baginya, bukan kecepatan yang penting, tetapi dorongan total.

Hal yang paling sulit untuk roket adalah untuk mengatasi bagian awal jalan. Pertama, gravitasi permukaan lebih kuat. Kedua, Bumi memiliki atmosfer padat di mana sangat panas untuk terbang dengan kecepatan seperti itu. Dan mesin roket jet bekerja lebih buruk di dalamnya daripada di ruang hampa. Oleh karena itu, mereka sekarang terbang dengan roket multi-tahap: tahap pertama dengan cepat menghabiskan bahan bakarnya dan dipisahkan, dan kapal ringan terbang dengan mesin lain.

Konstantin Tsiolkovsky memikirkan masalah ini untuk waktu yang lama, dan menemukan lift ruang angkasa (pada tahun 1895). Kemudian, tentu saja, mereka menertawakannya. Namun, mereka menertawakannya karena roket, dan satelit, dan stasiun orbital, dan umumnya menganggapnya keluar dari dunia ini: "Kami belum sepenuhnya menemukan mobil di sini, tetapi dia pergi ke luar angkasa."

Kemudian para ilmuwan memikirkannya dan masuk ke dalamnya, sebuah roket terbang, meluncurkan satelit, membangun stasiun orbital, di mana orang-orang berpenduduk. Tidak ada yang menertawakan Tsiolkovsky lagi, sebaliknya, dia sangat dihormati. Dan ketika mereka menemukan nanotube graphene super kuat, mereka serius memikirkan "tangga ke surga."

Mengapa satelit tidak jatuh?

Semua orang tahu tentang gaya sentrifugal. Jika Anda dengan cepat memutar bola pada tali, itu tidak jatuh ke tanah. Mari kita coba memutar bola dengan cepat, dan kemudian secara bertahap memperlambat kecepatan putaran. Pada titik tertentu, itu akan berhenti berputar dan jatuh. Ini akan menjadi kecepatan minimum di mana gaya sentrifugal akan mengimbangi gravitasi bumi. Jika Anda memutar bola lebih cepat, tali akan lebih meregang (dan pada titik tertentu akan putus).

Ada juga "tali" antara Bumi dan satelit - gravitasi. Tapi tidak seperti tali biasa, itu tidak bisa ditarik. Jika Anda "memutar" satelit lebih cepat dari yang diperlukan, satelit itu akan "lepas" (dan masuk ke orbit elips, atau bahkan terbang menjauh). Semakin dekat satelit ke permukaan bumi, semakin cepat perlu "berputar". Bola pada tali pendek juga berputar lebih cepat daripada tali panjang.

Penting untuk diingat bahwa kecepatan orbit (linier) satelit bukanlah kecepatan relatif terhadap permukaan bumi. Jika tertulis kecepatan orbit sebuah satelit adalah 3,07 km/s, bukan berarti ia melayang-layang di atas permukaan seperti orang gila. Omong-omong, kecepatan orbit titik-titik di ekuator bumi adalah 465 m / s (bumi berputar, seperti yang diklaim oleh Galileo yang keras kepala).

Faktanya, untuk bola pada tali dan untuk satelit, bukan kecepatan linier yang dihitung, tetapi kecepatan sudut (berapa banyak putaran per detik yang dilakukan benda).

Ternyata jika Anda menemukan orbit sedemikian rupa sehingga kecepatan sudut satelit dan permukaan bumi bertepatan, satelit akan menggantung di satu titik di permukaan. Orbit seperti itu ditemukan, dan itu disebut orbit geostasioner (GSO). Satelit menggantung tak bergerak di atas khatulistiwa, dan orang-orang tidak perlu memutar piring mereka dan "menangkap sinyal".

Batang kacang

Tetapi bagaimana jika Anda menurunkan tali dari satelit seperti itu ke tanah, karena tali itu menggantung di satu titik? Pasang beban ke ujung satelit, gaya sentrifugal akan meningkat dan akan menahan satelit dan tali. Lagi pula, bola tidak jatuh jika Anda memutarnya dengan baik. Maka akan mungkin untuk mengangkat beban di sepanjang tali ini langsung ke orbit, dan melupakan, seperti mimpi buruk, roket bertingkat, melahap bahan bakar dalam kiloton dengan daya dukung rendah.

Kecepatan pergerakan di atmosfer kargo akan kecil, yang berarti tidak akan memanas, tidak seperti roket. Dan lebih sedikit energi yang dibutuhkan untuk mendaki, karena ada titik tumpu.

Masalah utama adalah berat tali. Orbit geostasioner Bumi berjarak 35 ribu kilometer. Jika Anda merentangkan garis baja dengan diameter 1 mm ke orbit geostasioner, massanya akan menjadi 212 ton (dan perlu ditarik lebih jauh untuk menyeimbangkan gaya angkat dengan gaya sentrifugal). Pada saat yang sama, ia harus menahan beratnya sendiri dan berat bebannya.

Untungnya, dalam hal ini, ada sesuatu yang sedikit membantu, di mana guru fisika sering memarahi siswa: berat dan berat adalah dua hal yang berbeda. Semakin jauh kabel membentang dari permukaan bumi, semakin banyak kehilangan beratnya. Meskipun rasio kekuatan-terhadap-berat tali harus tetap sangat besar.

Dengan nanotube karbon, para insinyur memiliki harapan. Sekarang ini adalah teknologi baru, dan kita belum bisa memelintir tabung ini menjadi tali panjang. Dan tidak mungkin untuk mencapai kekuatan desain maksimum mereka. Tapi siapa yang tahu apa yang akan terjadi selanjutnya?