Неотдавна се появи проект за построяването на космически асансьор. Дали някога ще можем да пътуваме до Луната на цената на билетче за градския транспорт? 

От самото начало на ракетостроенето основният проблем на инженерите е горивото. Даже при най-съвременните ракети горивото заема 98% от масата им.

Ако пожелаем да изпратим на космонавтите от Международната космическа станция един килограм бонбони, то за този жест ще е нужно около 100 килограма гориво.

Повечето от ракетите носител се използват еднократно. Всъщност само SpaceX направи няколко успешни опита, всички други във вид на обгорени отломки се връщат на земята. Затова всеки килограм, изпратен в орбита, струва много, много пари.

Въпреки че инженерите постоянно усъвършенстват технологията, практически цялата маса на кораба е гориво. Тъй като освен гориво искаме да изпратим в космоса нещо полезно, всичко внимателно се изчислява и се слага минимално количество гориво в ракетата. В същото време активно се използва гравитацията на небесните тела и центробежните сили. Астронавтите след приключване на мисията не казват: "момчета в резервоара има още гориво, нека да долетим до Марс".

Как да определим колко гориво е необходимо, че ракетата да не падне в океана с празен резервоар, а да долети до Марс

От училище знаем, че, за да не падне обратно на Земята, скоростта не трябва да бъде по-малко от втора космическа (11.2 км/сек). Но ако ракетата има безкраен запас гориво, тя ще може да долети навсякъде, ако е тягата й е по-голяма от гравитационни сили и силите на триене. Ако ракетата може да излети, тягата е достатъчно, а в открития космос е още по-лесно.

Втората космическа скорост не е скоростта, която е нужна на ракетата. Това е скоростта, с която трябва да се хвърли топка от земята, така че тя да не се върне на земята. Ракетата, за разлика от топката, има двигатели. За нея не е важна скоростта, а сумарният импулс. Най-трудно за ракетата е за преодолее първата участък от пътя.

Първо гравитацията на повърхността е по-силна. На второ място, Земята има плътна атмосфера, в която става много горещо при полети с големи скорости. И тъй като реактивните ракетни двигатели работят, в нея става по-зле, отколкото във вакуум. Затова сега се използват многостепенни ракети - първата степен бързо изразходва горивото си и се отделя. И облекчен корабът продължава с другите двигатели.

Защо спътниците не падат?

Всеки знае за центробежната сила. Ако въртите бързо топка, завързана с въже, тя не пада на земята. Опитайте се бързо да завъртите топката, а след това постепенно да забавите скоростта. В един момент тя ще спре да се върти и ще падне. Това е минималната скорост, с която центробежната сила се уравновесява със силата на гравитацията на Земята. Ако въртите топката все по-бързо, въжето ще се опъва все повече и в някакъв момент ще се скъса.

^{Така, с помощта на центробежната сила се приготвя кафе в Златоград.}

Между Земята и спътниците също имат "въже" - гравитацията. Но то не може да се опъва за разлика от обикновените въжета. Ако "завъртим" сателита по-бързо, отколкото е необходимо, той "ще се откъсне" - ще влезе в елиптична орбита или съвсем ще отлети. Колкото спътникът е по-близо до Земята, толкова по-бързо трябва да се "върти". Топката на по-късо въже също се върти по-бързо, отколкото на дълго.

Орбиталната (линейна) скорост на спътника не е скоростта му спрямо земята. Ако казват, че орбиталната скорост на сателита е 3.07 км/сек, това не означава, че той се носи като бесен над повърхността. Орбиталната скорост на точки върху земния екватор, между прочем, е 465 м/сек (Земята се върти, според упорития Галилей).

Всъщност за топката на въженце и за спътниците е важна не линейната скорост, а ъгловата (колко оборота в секунда прави тялото). Така че, ако ъгловите скорости на спътника и повърхността на Земята са едни и същи, то тогава спътникът ще виси над една точка на повърхността. Такава орбита се нарича геостационарна орбита. Сателитите висят неподвижно над екватора, а хората не трябва да обръщат сателитните си чинии, за да "уловят сигнала".

Джак и бобеното стъбло

Но какво ще стане, ако от такъв спътник се спусне въже до земята, след като виси над една и съща точка? Ако се удължи другия край и зад спътника се привърже товар, центробежната сила ще се увеличи и ще държи и спътника, и въжето. В крайна сметка, топката не пада, ако се завърти силно. Тогава можем да издигнем на това въже товар директно в орбита и да забравим за ужасните многостепенни ракети с многотонно гориво и малка товароподемност. Скоростта на товара нагоре в атмосферата ще бъде ниска, така че няма да се загрява, за разлика от ракетите. И енергията, необходима за издигане, ще е по-малко, тъй като има опорна точка.

Основният проблем е масата на въжето. До геостационарната орбита на Земята е 35000 км. Ако се проточи до геостационарна орбита стоманена нишка с диаметър 1 мм, масата й ще бъде 212 тона, а трябва да достигне много по-далеч. В същото време тя трябва да издържи собственото си тегло и теглото на товара.

За щастие идва малко помощ от факта, че колкото по-далеч се простира кабелът от земята, толкова е по-лек. Но така или иначе здравината на кабела трябва да бъде огромна.

Въглеродните нанотръби са материал, който дава надежда. Засега това е нова технология и не можем да направим толкова дълго въже. Но кой знае какво ще се случи по-нататък?

Канадският проект

Канадската компания Thoth Technology е тръгнала по един по-малко амбициозен път. Височината на кулата, за която е издаден патент в САЩ на 21 юли 2015, ще бъде "само" 20 километра, състояща се от множество надуваеми секции. Нейният купол е овенчан от стартова площадка с диаметър 230 м. Издигането на товари се извършват по два начина: Във вътрешността на кулата по пневматична тръба или отвън с помощта на устройства, подобни на механични паяци.

Още по темата

16/08/2015

Космос

Канадци са патентовали надуваем асансьор до космоса