अर्थ एस्केप प्लान: कक्षा से बाहर के लिए एक संक्षिप्त गाइड

2024 लेखक: Seth Attwood | [email protected]. अंतिम बार संशोधित: 2023-12-16 16:05

हाल ही में हबरे पर एक अंतरिक्ष लिफ्ट के नियोजित निर्माण के बारे में खबर आई थी। कई लोगों के लिए, यह कुछ शानदार और अविश्वसनीय लग रहा था, जैसे हेलो या डायसन क्षेत्र से एक विशाल रिंग। लेकिन भविष्य जितना लगता है, उससे कहीं ज्यादा करीब है, स्वर्ग की सीढ़ी काफी संभव है, और शायद हम इसे अपने जीवनकाल में भी देखेंगे।

अब मैं यह दिखाने की कोशिश करूंगा कि हम मॉस्को-पीटर टिकट की कीमत पर अर्थ-मून टिकट क्यों नहीं खरीद सकते हैं, लिफ्ट हमारी मदद कैसे करेगी और जमीन पर गिरने से बचने के लिए यह क्या धारण करेगी।

रॉकेटरी के विकास की शुरुआत से ही, इंजीनियरों के लिए ईंधन एक सिरदर्द था। यहां तक कि सबसे उन्नत रॉकेटों में भी, जहाज के द्रव्यमान का लगभग 98% ईंधन भरता है।

अगर हम आईएसएस पर अंतरिक्ष यात्रियों को 1 किलोग्राम वजन वाले जिंजरब्रेड का एक बैग देना चाहते हैं, तो इसके लिए लगभग 100 किलोग्राम रॉकेट ईंधन की आवश्यकता होगी। प्रक्षेपण यान डिस्पोजेबल है और जले हुए मलबे के रूप में ही पृथ्वी पर वापस आएगा। महँगे जिंजरब्रेड प्राप्त होते हैं। जहाज का द्रव्यमान सीमित है, जिसका अर्थ है कि एक प्रक्षेपण के लिए पेलोड सख्ती से सीमित है। और हर लॉन्च एक कीमत पर आता है।

क्या होगा यदि हम निकट-पृथ्वी की कक्षा से परे कहीं उड़ना चाहते हैं?

दुनिया भर के इंजीनियर बैठ गए और सोचने लगे: एक अंतरिक्ष यान कैसा होना चाहिए ताकि उस पर और अधिक ले जाए और उस पर आगे उड़ सके?

रॉकेट कहां उड़ेगा?

जब इंजीनियर सोच रहे थे कि उनके बच्चों को कहीं नमक और गत्ते का डिब्बा मिला और खिलौना रॉकेट बनाने लगे। ऐसी मिसाइलें ऊंची इमारतों की छतों तक नहीं पहुंचीं, लेकिन बच्चे खुश थे। तब सबसे चतुर विचार दिमाग में आया: "चलो रॉकेट में और अधिक नमक डालें, और यह ऊंची उड़ान भरेगा।"

लेकिन रॉकेट ज्यादा ऊंचा नहीं उड़ पाया, क्योंकि यह बहुत भारी हो गया था। वह हवा में उठ भी नहीं पा रही थी। कुछ प्रयोगों के बाद, बच्चों को नमक की अधिकतम मात्रा मिली जिस पर रॉकेट सबसे ज्यादा उड़ता है। यदि आप अधिक ईंधन जोड़ते हैं, तो रॉकेट का द्रव्यमान उसे नीचे खींच लेता है। यदि कम हो - ईंधन पहले समाप्त हो जाता है।

इंजीनियरों ने भी जल्दी ही महसूस किया कि अगर हम और अधिक ईंधन जोड़ना चाहते हैं, तो कर्षण बल भी अधिक होना चाहिए। उड़ान सीमा बढ़ाने के लिए कुछ विकल्प हैं:

• इंजन दक्षता में वृद्धि ताकि ईंधन की हानि कम से कम हो (लावल नोजल)
• ईंधन के विशिष्ट आवेग को बढ़ाएं ताकि समान ईंधन द्रव्यमान के लिए जोर बल अधिक हो

यद्यपि इंजीनियर लगातार आगे बढ़ रहे हैं, जहाज का लगभग पूरा द्रव्यमान ईंधन द्वारा लिया जाता है। चूंकि ईंधन के अलावा, आप अंतरिक्ष में कुछ उपयोगी भेजना चाहते हैं, रॉकेट के पूरे पथ की सावधानीपूर्वक गणना की जाती है, और बहुत कम से कम रॉकेट में डाल दिया जाता है। इसी समय, वे सक्रिय रूप से आकाशीय पिंडों और केन्द्रापसारक बलों की गुरुत्वाकर्षण सहायता का उपयोग करते हैं। मिशन पूरा करने के बाद, अंतरिक्ष यात्री यह नहीं कहते: "दोस्तों, टैंक में अभी भी थोड़ा सा ईंधन है, चलो शुक्र के लिए उड़ान भरें।"

लेकिन यह कैसे निर्धारित किया जाए कि कितने ईंधन की जरूरत है ताकि रॉकेट एक खाली टैंक के साथ समुद्र में न गिरे, बल्कि मंगल पर उड़ जाए?

दूसरी अंतरिक्ष गति।

बच्चों ने रॉकेट को ऊंची उड़ान भरने की भी कोशिश की। उन्होंने वायुगतिकी पर एक पाठ्यपुस्तक भी पकड़ी, नेवियर-स्टोक्स समीकरणों के बारे में पढ़ा, लेकिन कुछ भी नहीं समझा और बस रॉकेट के लिए एक तेज नाक जोड़ दी।

उनके जाने-पहचाने बूढ़े होट्टाबीच वहां से गुजरे और उन्होंने पूछा कि लोग किस बात से दुखी हैं।

- एह, दादा, अगर हमारे पास अनंत ईंधन और कम द्रव्यमान वाला रॉकेट होता, तो वह शायद किसी गगनचुंबी इमारत, या यहां तक कि किसी पहाड़ की चोटी पर भी उड़ जाता।

- इससे कोई फर्क नहीं पड़ता, कोस्त्या-इब्न-एडुआर्ड, - होट्टाबीच ने जवाब दिया, आखिरी बाल खींचकर, - इस रॉकेट को कभी भी ईंधन से बाहर न निकलने दें।

हर्षित बच्चों ने एक रॉकेट लॉन्च किया और उसके पृथ्वी पर लौटने का इंतजार करने लगे। रॉकेट ने गगनचुंबी इमारत और पहाड़ की चोटी दोनों तक उड़ान भरी, लेकिन रुका नहीं और आगे तब तक उड़ता रहा जब तक कि यह दृश्य से गायब नहीं हो गया।यदि आप भविष्य में देखें, तो यह रॉकेट पृथ्वी को छोड़ गया, सौर मंडल, हमारी आकाशगंगा से बाहर निकल गया और ब्रह्मांड की विशालता को जीतने के लिए सूक्ष्म गति से उड़ान भरी।

बच्चे हैरान थे कि उनका छोटा रॉकेट इतनी दूर कैसे उड़ सकता है। आखिरकार, स्कूल में उन्होंने कहा कि पृथ्वी पर वापस न आने के लिए, गति दूसरी ब्रह्मांडीय गति (11, 2 किमी / सेकंड) से कम नहीं होनी चाहिए। क्या उनका छोटा रॉकेट उस गति तक पहुंच सकता है?

लेकिन उनके इंजीनियरिंग माता-पिता ने समझाया कि यदि किसी रॉकेट में ईंधन की अनंत आपूर्ति होती है, तो वह कहीं भी उड़ सकता है यदि जोर गुरुत्वाकर्षण बल और घर्षण बल से अधिक हो। चूंकि रॉकेट उड़ान भरने में सक्षम है, इसलिए जोर बल पर्याप्त है, और खुली जगह में यह और भी आसान है।

दूसरी ब्रह्मांडीय गति वह गति नहीं है जो एक रॉकेट में होनी चाहिए। यह वह गति है जिस पर गेंद को जमीन की सतह से फेंका जाना चाहिए ताकि वह उस पर वापस न आए। गेंद के विपरीत रॉकेट में इंजन होते हैं। उसके लिए, गति महत्वपूर्ण नहीं है, बल्कि संपूर्ण आवेग है।

एक रॉकेट के लिए सबसे कठिन काम पथ के प्रारंभिक खंड को पार करना है। सबसे पहले, सतह गुरुत्वाकर्षण मजबूत है। दूसरे, पृथ्वी का वातावरण घना है जिसमें इतनी गति से उड़ने के लिए बहुत गर्म है। और जेट रॉकेट इंजन इसमें वैक्यूम से भी बदतर काम करते हैं। इसलिए, वे अब मल्टीस्टेज रॉकेट पर उड़ते हैं: पहला चरण जल्दी से अपने ईंधन की खपत करता है और अलग हो जाता है, और हल्का जहाज अन्य इंजनों पर उड़ता है।

कॉन्स्टेंटिन त्सोल्कोवस्की ने लंबे समय तक इस समस्या के बारे में सोचा, और अंतरिक्ष लिफ्ट (1895 में वापस) का आविष्कार किया। फिर, ज़ाहिर है, वे उस पर हँसे। हालांकि, वे रॉकेट, और उपग्रह, और कक्षीय स्टेशनों के कारण उस पर हँसे, और आम तौर पर उसे इस दुनिया से बाहर माना जाता है: "हमने अभी तक कारों का पूरी तरह से आविष्कार नहीं किया है, लेकिन वह अंतरिक्ष में जा रहा है।"

फिर वैज्ञानिकों ने इसके बारे में सोचा और उसमें घुस गए, एक रॉकेट उड़ गया, एक उपग्रह लॉन्च किया, कक्षीय स्टेशन बनाए, जिसमें लोग आबाद थे। Tsiolkovsky पर अब कोई नहीं हंसता, इसके विपरीत, उनका बहुत सम्मान किया जाता है। और जब उन्होंने सुपर-मजबूत ग्रैफेन नैनोट्यूब की खोज की, तो उन्होंने गंभीरता से "स्वर्ग की सीढ़ी" के बारे में सोचा।

उपग्रह नीचे क्यों नहीं गिरते?

केन्द्रापसारक बल के बारे में सभी जानते हैं। यदि आप गेंद को स्ट्रिंग पर जल्दी से घुमाते हैं, तो यह जमीन पर नहीं गिरती है। आइए गेंद को जल्दी से घुमाने की कोशिश करें, और फिर धीरे-धीरे रोटेशन की गति को धीमा कर दें। कुछ बिंदु पर, यह घूमना बंद कर देगा और गिर जाएगा। यह न्यूनतम गति होगी जिस पर केन्द्रापसारक बल पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण को संतुलित करेगा। यदि आप गेंद को तेजी से घुमाते हैं, तो रस्सी अधिक खिंचेगी (और किसी बिंदु पर यह टूट जाएगी)।

पृथ्वी और उपग्रहों के बीच एक "रस्सी" भी है - गुरुत्वाकर्षण। लेकिन एक नियमित रस्सी के विपरीत, इसे खींचा नहीं जा सकता। यदि आप उपग्रह को आवश्यकता से अधिक तेजी से "स्पिन" करते हैं, तो यह "उतर जाएगा" (और एक अण्डाकार कक्षा में चला जाएगा, या उड़ भी जाएगा)। उपग्रह पृथ्वी की सतह के जितना करीब होता है, उतनी ही तेजी से उसे "मोड़ने" की जरूरत होती है। छोटी रस्सी पर गेंद भी लंबी रस्सी की तुलना में तेजी से घूमती है।

यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि उपग्रह की कक्षीय (रैखिक) गति पृथ्वी की सतह के सापेक्ष गति नहीं है। यदि यह लिखा हो कि किसी उपग्रह की कक्षीय गति 3.07 किमी/सेकेंड है, तो इसका अर्थ यह नहीं है कि वह पागलों की तरह सतह पर मँडरा रहा है। पृथ्वी के भूमध्य रेखा पर बिंदुओं की कक्षीय गति, वैसे, 465 m / s है (पृथ्वी घूमती है, जैसा कि जिद्दी गैलीलियो ने दावा किया था)।

वास्तव में, एक स्ट्रिंग पर एक गेंद के लिए और एक उपग्रह के लिए, रैखिक वेगों की गणना नहीं की जाती है, लेकिन कोणीय वेग (शरीर प्रति सेकंड कितने चक्कर लगाता है)।

यह पता चला है कि यदि आप ऐसी कक्षा पाते हैं जिसमें उपग्रह के कोणीय वेग और पृथ्वी की सतह का मेल होता है, तो उपग्रह सतह पर एक बिंदु पर लटका रहेगा। ऐसी कक्षा मिली, और इसे भूस्थिर कक्षा (जीएसओ) कहा जाता है। उपग्रह भूमध्य रेखा पर गतिहीन रहते हैं, और लोगों को अपनी प्लेटों को मोड़ने और "सिग्नल पकड़ने" की आवश्यकता नहीं होती है।

बीन तना।

लेकिन क्या होगा अगर आप ऐसे उपग्रह से रस्सी को जमीन पर गिरा दें, क्योंकि वह एक बिंदु पर लटकी हुई है? उपग्रह के दूसरे छोर पर एक भार संलग्न करें, केन्द्रापसारक बल बढ़ेगा और उपग्रह और रस्सी दोनों को पकड़ लेगा। आखिरकार, अगर आप इसे अच्छी तरह से स्पिन करते हैं तो गेंद गिरती नहीं है।तब इस रस्सी के साथ भार को सीधे कक्षा में उठाना संभव होगा, और एक दुःस्वप्न की तरह भूल जाना, मल्टीस्टेज रॉकेट, कम वहन क्षमता पर किलोटन में ईंधन भस्म करना।

कार्गो के वातावरण में गति की गति छोटी होगी, जिसका अर्थ है कि यह रॉकेट के विपरीत गर्म नहीं होगा। और चढ़ने के लिए कम ऊर्जा की आवश्यकता होती है, क्योंकि एक आधार होता है।

मुख्य समस्या रस्सी का वजन है। पृथ्वी की भूस्थिर कक्षा 35 हजार किलोमीटर दूर है। यदि आप भूस्थिर कक्षा में 1 मिमी के व्यास के साथ एक स्टील लाइन को फैलाते हैं, तो इसका द्रव्यमान 212 टन होगा (और केन्द्रापसारक बल के साथ लिफ्ट को संतुलित करने के लिए इसे और अधिक खींचने की आवश्यकता है)। साथ ही, उसे अपने वजन और भार के भार का सामना करना होगा।

सौभाग्य से, इस मामले में, कुछ मदद करता है, जिसके लिए भौतिकी के शिक्षक अक्सर छात्रों को डांटते हैं: वजन और वजन दो अलग-अलग चीजें हैं। केबल पृथ्वी की सतह से जितना अधिक खिंचती है, उतना ही उसका वजन कम होता जाता है। हालांकि रस्सी की ताकत-से-वजन अनुपात अभी भी बहुत बड़ा होना चाहिए।

कार्बन नैनोट्यूब से इंजीनियरों को उम्मीद है। अब यह एक नई तकनीक है, और हम अभी तक इन ट्यूबों को एक लंबी रस्सी में मोड़ नहीं सकते हैं। और उनकी अधिकतम डिजाइन ताकत हासिल करना संभव नहीं है। लेकिन कौन जानता है कि आगे क्या होगा?