Earth Escape Plan: Una breve guía para fuera de órbita

2024 Autor: Seth Attwood | [email protected]. Última modificación: 2023-12-16 16:02

Recientemente en Habré hubo noticias sobre la construcción prevista de un ascensor espacial. Para muchos, parecía algo fantástico e increíble, como un enorme anillo de Halo o una esfera Dyson. Pero el futuro está más cerca de lo que parece, una escalera al cielo es bastante posible, y tal vez incluso la veremos en nuestra vida.

Ahora intentaré mostrar por qué no podemos ir a comprar un billete Tierra-Luna al precio de un billete Moscú-Peter, cómo nos ayudará el ascensor y a qué se agarrará para no caer al suelo.

Desde el comienzo del desarrollo de los cohetes, el combustible fue un dolor de cabeza para los ingenieros. Incluso en los cohetes más avanzados, el combustible ocupa aproximadamente el 98% de la masa del barco.

Si queremos darles a los astronautas de la EEI una bolsa de pan de jengibre que pesa 1 kilogramo, esto requerirá, aproximadamente, 100 kilogramos de combustible para cohetes. El vehículo de lanzamiento es desechable y regresará a la Tierra solo en forma de escombros quemados. Se obtienen costosos panes de jengibre. La masa del barco es limitada, lo que significa que la carga útil para un lanzamiento está estrictamente limitada. Y cada lanzamiento tiene un costo.

¿Qué pasa si queremos volar a algún lugar más allá de la órbita cercana a la Tierra?

Ingenieros de todo el mundo se sentaron y empezaron a pensar: ¿cómo debería ser una nave espacial para tomar más y volar más lejos?

¿Dónde volará el cohete?

Mientras los ingenieros pensaban, sus hijos encontraron salitre y cartón en alguna parte y empezaron a fabricar cohetes de juguete. Dichos misiles no alcanzaron los techos de los edificios de gran altura, pero los niños estaban felices. Entonces me vino a la mente el pensamiento más inteligente: "introduzcamos más salitre en el cohete y volará más alto".

Pero el cohete no voló más alto, ya que se volvió demasiado pesado. Ni siquiera podía levantarse en el aire. Después de un poco de experimentación, los niños encontraron la cantidad óptima de salitre a la que el cohete vuela más alto. Si agrega más combustible, la masa del cohete lo derriba. Si es menos, el combustible se acaba antes.

Los ingenieros también se dieron cuenta rápidamente de que si queremos agregar más combustible, la fuerza de tracción también debe ser mayor. Hay pocas opciones para aumentar el rango de vuelo:

• aumentar la eficiencia del motor para que las pérdidas de combustible sean mínimas (boquilla Laval)
• aumentar el impulso específico del combustible para que la fuerza de empuje sea mayor para la misma masa de combustible

Aunque los ingenieros avanzan constantemente, casi toda la masa del barco es absorbida por el combustible. Dado que, además del combustible, desea enviar algo útil al espacio, la ruta completa del cohete se calcula cuidadosamente y se coloca el mínimo en el cohete. Al mismo tiempo, utilizan activamente la ayuda gravitacional de los cuerpos celestes y las fuerzas centrífugas. Después de completar la misión, los astronautas no dicen: "Chicos, todavía hay un poco de combustible en el tanque, vamos a volar a Venus".

Pero, ¿cómo determinar cuánto combustible se necesita para que el cohete no caiga al océano con el tanque vacío, sino que vuele a Marte?

Segunda velocidad espacial

Los niños también intentaron hacer que el cohete volara más alto. Incluso consiguieron un libro de texto sobre aerodinámica, leyeron sobre las ecuaciones de Navier-Stokes, pero no entendieron nada y simplemente colocaron una punta afilada en el cohete.

Su viejo familiar Hottabych pasó y preguntó por qué estaban tristes los chicos.

- Eh, abuelo, si tuviéramos un cohete con combustible infinito y poca masa, probablemente habría volado hasta un rascacielos, o incluso hasta la cima de una montaña.

- No importa, Kostya-ibn-Eduard, - respondió Hottabych, arrancando el último pelo, - que este cohete nunca se quede sin combustible.

Los niños alegres lanzaron un cohete y esperaron a que regresara a la tierra. El cohete voló tanto al rascacielos como a la cima de la montaña, pero no se detuvo y voló más lejos hasta que desapareció de la vista. Si miras hacia el futuro, entonces este cohete salió de la tierra, salió volando del sistema solar, de nuestra galaxia y voló a velocidad subluz para conquistar la inmensidad del universo.

Los niños se preguntaban cómo su pequeño cohete podía volar tan lejos. Después de todo, en la escuela dijeron que para no volver a caer a la Tierra, la velocidad no debe ser menor que la segunda velocidad cósmica (11, 2 km / s). ¿Podría su pequeño cohete alcanzar esa velocidad?

Pero sus padres ingenieros explicaron que si un cohete tiene un suministro infinito de combustible, entonces puede volar a cualquier parte si el empuje es mayor que las fuerzas gravitacionales y las fuerzas de fricción. Dado que el cohete es capaz de despegar, la fuerza de empuje es suficiente y en espacios abiertos es aún más fácil.

La segunda velocidad cósmica no es la velocidad que debería tener un cohete. Esta es la velocidad a la que la pelota debe ser lanzada desde la superficie del suelo para que no vuelva a ella. Un cohete, a diferencia de una bola, tiene motores. Para ella, no es la velocidad lo que importa, sino el impulso total.

Lo más difícil para un cohete es superar el tramo inicial del camino. Primero, la gravedad superficial es más fuerte. En segundo lugar, la Tierra tiene una atmósfera densa en la que hace mucho calor para volar a tales velocidades. Y los motores de los cohetes a reacción funcionan peor en él que en el vacío. Por lo tanto, ahora vuelan en cohetes de varias etapas: la primera etapa consume rápidamente su combustible y se separa, y la nave liviana vuela con otros motores.

Konstantin Tsiolkovsky pensó en este problema durante mucho tiempo e inventó el ascensor espacial (allá por 1895). Luego, por supuesto, se rieron de él. Sin embargo, se rieron de él por el cohete, el satélite y las estaciones orbitales, y en general lo consideraron fuera de este mundo: "Todavía no hemos inventado completamente los autos aquí, pero él va al espacio".

Entonces los científicos lo pensaron y se metieron en él, un cohete voló, lanzó un satélite, construyeron estaciones orbitales, en las que se pobló la gente. Ya nadie se ríe de Tsiolkovsky, al contrario, es muy respetado. Y cuando descubrieron nanotubos de grafeno súper fuertes, pensaron seriamente en la "escalera al cielo".

¿Por qué no se caen los satélites?

Todo el mundo conoce la fuerza centrífuga. Si gira rápidamente la pelota en la cuerda, no caerá al suelo. Intentemos hacer girar la pelota rápidamente y luego reducir gradualmente la velocidad de rotación. En algún momento, dejará de girar y caerá. Esta será la velocidad mínima a la que la fuerza centrífuga contrarrestará la gravedad terrestre. Si haces girar la pelota más rápido, la cuerda se estirará más (y en algún momento se romperá).

También hay una "cuerda" entre la Tierra y los satélites: la gravedad. Pero a diferencia de una cuerda normal, no se puede tirar. Si "hace girar" el satélite más rápido de lo necesario, "saldrá" (y entrará en una órbita elíptica, o incluso volará). Cuanto más cerca está el satélite de la superficie de la tierra, más rápido necesita ser "girado". La pelota en una cuerda corta también gira más rápido que en una larga.

Es importante recordar que la velocidad orbital (lineal) de un satélite no es la velocidad relativa a la superficie terrestre. Si está escrito que la velocidad orbital de un satélite es de 3,07 km / s, esto no significa que esté flotando sobre la superficie como loco. La velocidad orbital de los puntos en el ecuador de la tierra, por cierto, es de 465 m / s (la tierra gira, como afirmó el obstinado Galileo).

De hecho, para una pelota en una cuerda y para un satélite, no se calculan las velocidades lineales, sino las velocidades angulares (cuántas revoluciones por segundo hace el cuerpo).

Resulta que si encuentra una órbita en la que las velocidades angulares del satélite y la superficie de la tierra coinciden, el satélite colgará sobre un punto de la superficie. Se encontró una órbita así, y se llama órbita geoestacionaria (OSG). Los satélites cuelgan inmóviles sobre el ecuador y la gente no tiene que girar sus placas y "captar la señal".

Tallo de frijol

Pero, ¿qué pasa si se baja una cuerda desde un satélite de este tipo hasta el suelo, porque cuelga sobre un punto? Conecte una carga al otro extremo del satélite, la fuerza centrífuga aumentará y sujetará tanto al satélite como a la cuerda. Después de todo, la pelota no cae si la haces girar bien. Entonces será posible levantar cargas a lo largo de esta cuerda directamente en órbita y olvidar, como una pesadilla, los cohetes multietapa, que devoran combustible en kilotones a baja capacidad de carga.

La velocidad de movimiento en la atmósfera de la carga será pequeña, lo que significa que no se calentará, a diferencia de un cohete. Y se requiere menos energía para escalar, ya que hay un punto de apoyo.

El principal problema es el peso de la cuerda. La órbita geoestacionaria de la Tierra está a 35 mil kilómetros de distancia. Si estira una línea de acero con un diámetro de 1 mm hasta la órbita geoestacionaria, su masa será de 212 toneladas (y debe tirarse mucho más para equilibrar la elevación con la fuerza centrífuga). Al mismo tiempo, debe soportar su propio peso y el peso de la carga.

Afortunadamente, en este caso, algo ayuda un poco, por lo que los profesores de física suelen regañar a los alumnos: el peso y el peso son dos cosas distintas. Cuanto más se estira el cable de la superficie de la tierra, más peso pierde. Aunque la relación resistencia-peso de la cuerda debería ser enorme.

Con los nanotubos de carbono, los ingenieros tienen esperanzas. Ahora bien, esta es una nueva tecnología, y todavía no podemos torcer estos tubos en una cuerda larga. Y no es posible lograr su máxima resistencia de diseño. Pero, ¿quién sabe qué pasará después?