最近、 宇宙エレベーターの建設計画に関するニュースがハブに掲載されました。 多くの人にとって、それは幻想的で信じられないようなもののようでした。たとえば、HaloやDysonの球からの巨大なリングです。 しかし、未来は思ったよりも近づいており、天国への階段は非常に可能性があり、私たちは一生のうちにそれを見るかもしれません。
次に、モスクワ-ピーターチケットの価格でEarth-Moonチケットを購入できない理由、エレベーターがどのように役立つか、地面に倒れないようにする方法を示します。
ロケット科学の開発の最初から、エンジニアの頭痛は燃料でした。 最新のミサイルでも、燃料は船の質量の約98％を占めています。
ISSの宇宙飛行士に1キログラムのジンジャーブレッドクッキーの袋を渡したい場合、大体100キログラムのロケット燃料が必要になります。 打ち上げロケットは使い捨てで、炭化した破片の形でのみ地球に戻ります。 高価なジンジャーブレッドクッキーが判明。 船の質量は限られているため、1回の打ち上げのペイロードは厳密に制限されています。 そして、各起動には費用がかかります。
そして、地球軌道を越えてどこかに飛ぶことを望むなら？
世界中のエンジニアが座って考え始めました。それをもっと奪い、さらに飛ぶ宇宙船はどうあるべきでしょうか？
ロケットはどこへ飛ぶのですか？
エンジニアが考えている間、子供たちはどこかでsaltpeterとボール紙を見つけて、 おもちゃのロケットを作り始めました。 このようなミサイルは高層ビルの屋根には届きませんでしたが、子どもたちは喜びました。 それから、考えは最も知的なものになりました：「そして、より多くの硝酸塩をロケットに押し込もう。そうすれば、それはより高く飛ぶでしょう。」
しかし、ロケットは重くなりすぎたため、高く飛ぶことはできませんでした。 彼女は離陸さえできませんでした。 一定の回数の実験の後、子供たちは硝酸塩の最適な量を見つけました。その中で、ロケットは何よりも飛びます。 燃料を追加すると、ロケットの質量がそれを引き下げます。 少ない場合-燃料は早く終了します。
また、エンジニアはすぐに、より多くの燃料を注ぐには牽引力がもっと必要であることに気付きました。 飛行範囲を拡大するためのいくつかのオプションがあります。
- 燃料損失が最小限になるようにエンジン効率を向上させます（ ラバルノズル ）
- 燃料の比インパルスを増加させ、燃料の質量が等しい場合、牽引力が大きくなるようにします
エンジニアは常に前進していますが、船のほぼ全体の質量は燃料です。 燃料に加えて、有用なものを宇宙に送りたいので、 ロケットの全経路が慎重に計算され、最小量の燃料がロケットに入れられます。 同時に、彼らは天体と遠心力の重力の助けを積極的に使用しています。 ミッションを完了した宇宙飛行士は、「みんな、まだタンクに燃料が残っています。金星に行きましょう」とは言いません。
しかし、ロケットが空のタンクで海に落ちず、火星に到達するために必要な燃料の量をどのように決定するのですか？
第二の宇宙速度
子供たちはまた、ロケットを高く飛ばそうとしました。 彼らは空力の教科書も手に入れ、ナビエ・ストークスの方程式について読みましたが、何も理解せず、単に鋭い鼻をロケットに取り付けました。
彼らのおなじみの老人ホタビッチは通り過ぎて、彼らが何について悲しいか尋ねました。
-ああ、祖父、私たちが無限の燃料と低質量のロケットを持っていたら、それはおそらく高層ビルに、あるいは山の最上部にさえ飛ぶでしょう。
「問題ではない、コスティア・イブン・エドゥアルド」とホットタビッチは答えて、最後の髪を抜いて、「燃料をこのロケットから使い果たさないようにしよう」
うれしそうな子供たちがロケットを打ち上げ、ロケットが地面に戻るのを待ちました。 ミサイルは高層ビルと山頂の両方に飛んだが、視界から消えるまで止まらずに飛んだ。 未来を見ると、このロケットは地球を去り、太陽系、私たちの銀河から飛び出し、宇宙の広大さを征服するために光速で飛びました。
子供たちは、自分の小さなロケットがこれまでどのように飛ぶことができるかに驚いた。 結局のところ、学校は地球に戻らないために、速度は2番目のスペース（11.2 km / s）以上であるべきだと言った。 彼らの小さなロケットはどのようにそのような速度に達することができましたか？
しかし、エンジニアリングの両親は、ロケットに無限の燃料が供給されていれば、推力が重力や摩擦力よりも大きければ、どこにでも飛ぶことができると説明しました。 ロケットが離陸できるので、十分な牽引力があり、宇宙空間ではさらに簡単です。
2番目の宇宙速度は、ロケットが持つべき速度ではありません 。 これは、地球の表面からボールを投げ返す必要がある速度です。 ロケットには、ボールとは異なり、エンジンがあります。 彼女にとって、スピードは重要ではありませんが、 総勢いです。
ロケットにとって最も難しいことは、パスの最初のセクションを克服することです。 まず、表面の重力が強いです。 第二に、地球はそのような速度で飛ぶのが非常に暑い高密度の大気を持っています。 また、ジェットロケットエンジンは、真空よりも作動が悪くなります。 そのため、彼らは現在、多段ミサイルで飛行します。最初の段は燃料をすばやく使い分け、軽量の船は他のエンジンで飛行します。
コンスタンチン・ツィオルコフスキーはこの問題を長い間考え、1895年に宇宙エレベーターを考案しました。 もちろん、彼らは彼を笑った。 しかし、彼らはロケット、衛星、および軌道ステーションのために彼を笑いました。そして、一般に彼らはこの世界から彼を数えませんでした：「我々はまだここで車を発明していませんが、彼は宇宙に集まりました。」
その後、科学者は考え始めて侵入し始め、ロケットが飛んで、衛星を打ち上げ、人々が住む軌道ステーションを設置しました。 誰もツィオルコフスキーを笑わない、それどころか、彼は非常に尊敬されている。 そして、頑丈なグラフェンナノチューブを開いたとき、彼らは「天国への階段」について真剣に考えました。
なぜ衛星が落ちないのですか？
遠心力については誰もが知っています。 ロープでボールをすばやくねじると、地面に落ちません。 ボールをすばやく巻き戻してから、回転速度を徐々に遅くしてみましょう。 ある時点で、回転が停止して落下します。 これは、遠心力が地球の重力と釣り合う最小速度になります。 より速くボールを回転させると、ロープはより強く伸びます（そしてある時点で破裂します）。
地球と衛星の間にも「ロープ」があります-重力です。 しかし、普通のロープとは異なり、引くことはできません。 衛星を必要以上に速く「ねじる」と、「離脱」します（そして楕円軌道に移動するか、飛び去ります）。 衛星が地球の表面に近ければ近いほど、「ねじる」必要があります。 短いロープのボールも、長いロープよりも速く回転します。
衛星の軌道（線形）速度は 地球の表面に対する速度ではないことを覚えておくことが重要です。 衛星の軌道速度が3.07 km / sであると書かれている場合、これは気違いのように表面上を急ぐという意味ではありません。 ちなみに、 地球の赤道の点の軌道速度は465 m / sです（頑固なガリレオが主張するように、地球は回転します）。
実際、ロープ上のボールと衛星の場合、計算されるのは線形速度ではなく、角速度（体が1秒間に何回転するか）です。
衛星と地球の表面の角速度が一致するような軌道を見つけた場合、衛星は表面の1点の上にぶら下がっていることがわかります。 そのような軌道が見つかったため、 静止軌道 （GSO）と呼ばれます。 衛星は赤道上で動かずにぶら下がり、プレートを回転させて「信号をキャッチ」する必要はありません。
豆の木
しかし、このような衛星からロープを1点以上に垂れ下がっているので、地面まで下げるとどうなりますか？ 衛星のもう一方の端に負荷を接続すると、遠心力が増加し、衛星とロープの両方を保持します。 結局のところ、ボールが十分にねじれていない場合、ボールは落下しません。 その後、このロープの負荷を軌道に直接持ち上げて、悪夢のような多段式ロケットのように忘れて、小さな積載量でキロトンの燃料をかじります。
貨物の大気中の移動速度は小さくなります。つまり、ロケットとは異なり、貨物は熱くなりません。 また、支点があるため、持ち上げるのに必要なエネルギーが少なくなります。
主な問題は、ロープの質量です。 地球の静止軌道に35,000 キロメートル 。 直径1 mmの鋼線の静止軌道に到達すると、その質量は212トンになります（エレベータと遠心力のバランスをとるために、さらに引っ張る必要があります）。 さらに、その重量と貨物の重量を支えなければなりません。
幸いなことに、この場合、物理学の教師が生徒をoldるのは少し助けになります。 体重と質量は異なるものです。 ケーブルが地表から遠くに伸びるほど、重量が減ります。 ただし、ケーブルの比強度は依然として大きいはずです。
カーボンナノチューブに関して、エンジニアは希望を持っていました。 今、これは新しい技術であり、これらのチューブを長いケーブルにねじることはできません。 そして、最大の設計強度を達成することはできません。 しかし、次に何が起こるのか誰が知っていますか？