орбітальна швидкість
Оригінал: Orbital Speed
Що, якщо при вході в атмосферу гальмувати космічний корабель до швидкості близько декількох миль в годину за допомогою двигунів, схожих на посадочні двигуни марсоходів? [#] ↲ Mars-sky-crane - англійською, з картинками. - Прим. пер. ↳ Чи можна тоді відмовитися від теплового захисту?
Чи можливо контролювати вхід космічного корабля в атмосферу таким чином, щоб уникнути аеродинамічного опору, позбувшись тим самим від дорогої (і щодо тендітної) теплового захисту на обшивці?
Чи можна (невелику) ракету (з корисним навантаженням) підняти до такої висоти в атмосфері, де їй вистачить невеликого реактивного двигуна, щоб досягти другої космічної швидкості?
- Кенні Ван де Меле
Відповіді на всі ці питання обертаються навколо однієї і тієї ж ідеї. Я торкався її в минулих випусках, але сьогодні хочу розглянути докладніше:
Основна складність з виходом на орбіту полягає не в тому, що космос високо.
Потрапити на орбіту складно, тому що потрібно рухатися дуже швидко.
Космос не такий:
Схема не в масштабі.
Космос ось такий:
Знаєте, так, ця - в масштабі.
До космосу 100 кілометрів. Це далеко (я б не хотів дертися туди по сходах), але не настільки далеко. Якщо ви перебуваєте в Сакраменто, Сіетлі, Канберрі, Калькутті, Хайдарабад, Пномпені, Каїрі, Пекіні, центральної Японії, центральної Шрі-Ланці або в Портленді, космос для вас ближче, ніж море.
Відправитися в космос [1] ↲ А саме, до низької опорної орбіти: це висота, на якій знаходиться Міжнародна космічна станція і до якої ще долітають шатли. w: Низька опорна орбіта. ↳ просто. На вашій машині, звичайно, не вийде зробити таку подорож, але все ж воно не викличе великих труднощів. Можна відправити людину в космос за допомогою маленької метеорологічної ракети розміром з ліхтарний стовп. Літак-ракетоплан X-15 [#] ↲ Літак-ракетоплан w: North American X-15. - Прим. пер. ↳ досяг космосу [2]. ↲ Х-15 досяг 100 кілометрів двічі, обидва рази їм керував Джо Уокер. ↳ просто розвинувши досить високу швидкість і направивши ніс трохи вгору [3]. ↲ Переконайтеся, що ви спрямовуєте корабель вгору, а не вниз; в іншому випадку я вам не заздрю.
Сьогодні ви вирушите в космос, а потім відразу повернетеся назад.
Але потрапити в космос легко. Складно залишитися там.
Сила тяжіння на навколоземній орбіті майже така ж, як на поверхні Землі. МКС зовсім не за межами дії гравітації: на неї діє приблизно 90% від сили тяжіння, що відчувається нами на поверхні.
Щоб уникнути падіння назад в атмосферу, потрібно рухатися по дотичній дуже, дуже швидко.
Швидкість, яку ви повинні розвинути, приблизно дорівнює 8 кілометрів на секунду [4]. ↲ Трохи менше, якщо ви перебуваєте вище на низькій опорній орбіті. ↳ Тільки мала частка енергії ракети витрачається на підйом з атмосфери, основна частина йде на набір орбітальної швидкості (її тангенціальної складової).
Це призводить нас до головної проблеми, що заважає виходу на орбіту: для набору космічної швидкості потрібно набагато більше палива, ніж для набору орбітальної висоти. Щоб розігнати корабель до 8 км / с, потрібно багато ракет-прискорювачів. Досягти космічної швидкості важко; досягти космічної швидкості, везучи на собі паливо для плавного повернення назад, було б вкрай непрактично [5]. ↲ Експоненціальне зростання є основною проблемою ракетобудування: паливо, необхідне для збільшення швидкості на один км / с збільшує ваш вага в 1,4 рази. Щоб дістатися до орбіти, вам необхідно досягти швидкості в 8 км / с, а значить вам знадобиться багато палива: в $ 14 \ times14 \ times14 \ times14 \ times14 \ times14 \ times14 \ times14 \ approx 15 $ разів більше початкової ваги корабля. Використання ракет для уповільнення створить ту ж проблему: кожен км / с зменшення швидкості збільшує початкову масу на той же коефіцієнт - 1,4. Якщо ви хочете сповільнитися до нуля - і м'яко впасти в атмосферу - потреба в паливі змусить вас знову помножити вагу на 15.
Обурливі потреби в паливі - ось чому кожен космічний корабель, що входить в атмосферу, гальмує, використовуючи теплові щити замість ракет: гальмування об повітря є найбільш доцільним способом уповільнення (і, відповідаючи на питання Брайана, марсохід Curiosity не був винятком. Незважаючи на те, що він використовував ракети, щоб парити над поверхнею, в першу чергу марсохід використав гальмування об повітря, щоб скинути велику частину швидкості).
І все ж, 8 км / с - наскільки це швидко?
Мені здається, одна з головних причин плутанини полягає в тому, що космонавти на орбіті не виглядають рухаються так швидко: схоже, ніби вони повільно пливуть над блакитним кулькою.
Але 8 км / с - це блискавично швидко. Коли дивишся на вечірнє небо, іноді можна побачити МКС, що пролітає повз ... а потім, через 90 хвилин, побачити її, що пролітає повз, знову [6]. ↲ Існують непогані програми та онлайн-сервіси. Найбільше мені подобається ISS Detector. а використовуючи пошук в Google, ви можете знайти багато інших. ↳ За ці 90 хвилин МКС облетіла всю планету.
МКС рухається так швидко, що якщо вистрілити з одного краю футбольного поля [7]. ↲ Будь-якого виду. ↳ Міжнародна космічна станція перетне поле до того, як куля пролетить 10 метрів [8]. ↲ Прийом дозволений австралійськими правилами регбі.
Давайте подивимося, як виглядала б прогулянка по поверхні Землі на швидкості 8 км / с.
Щоб краще відчути темп руху, давайте використовувати ритм пісні 1988 року групи The Proclaimers - I # x2bc; m Gonna Be (500 Miles) [9]. ↲ Використання тактів для вимірювання часу також використовується в серцево-легеневої реанімації, Stayin # x2bc; Alive від Bee Gees теж добре підходить. ↳ Темп цієї пісні - приблизно 131,9 ударів в хвилину, так що уявіть собі, що з кожним ударом ви рухаєтеся вперед на 3 з гаком кілометри.
За час звучання першого рядка приспіву ви зможете пройти від Бронкса до Статуї Свободи.
Ви б рухалися зі швидкістю 15 станцій метро в секунду.
Буде потрібно близько двох рядків приспіву (4 такти), щоб перетнути Ла-Манш між Англією і Францією.
Це означає, що якщо астронавт на МКС буде слухати I # x2bc; m Gonna Be. з першого такту і до останніх рядків ...
Просто згоріти в атмосфері над твоїм порогом.
... він подолає рівно 1000 миль.