Космические корабли используют физику, а не голливудскую магию, чтобы посетить далекие миры | Наука и технология

Чтобы проиллюстрировать, насколько сложно запустить космический корабль, мы можем использовать в качестве примеров знакомые транспортные средства. Средний автомобиль сжигает около 13 галлонов (50 литров) бензина, чтобы проехать около 370 миль (600 км) с максимальной скоростью 74 мили (120 км) в час. Авиалайнер Airbus A350 использует около 90 тонн топлива, чтобы преодолеть 9 320 миль (15 000 км) со скоростью до 620 миль (1000 км) в час. Другими словами, чтобы преодолеть в 25 раз большее расстояние, самолет использует в 1800 раз больше топлива, чтобы лететь в восемь раз быстрее, чем автомобиль. Итог: количество топлива, необходимое для достижения более высоких скоростей, увеличивается в геометрической прогрессии.

Чтобы запустить космический корабль из атмосферы Земли, мы должны использовать параболическую траекторию, которую мы изучили в школе. Но как только он достигнет вершины параболы, мы должны убедиться, что он не начнет падать обратно на землю. Скорость, необходимая для запуска чего-либо на низкую околоземную орбиту, составляет 17 400 миль (28 800 километров) в час. Но если цель состоит в том, чтобы превысить это, нам нужно увеличить нашу скорость примерно до 25 000 миль (40 000 километров) в час. Это в 40 раз быстрее, чем у A350. Представьте себе количество топлива, необходимое для двигателя гораздо более мощного, чем самолет.

В конце девятнадцатого века, когда космические путешествия были не более чем мечтой, Константин Циолковский вычислил математически. Русский физик изучил физические ограничения устройств, приводимых в действие простым двигателем, пытаясь достичь скорости, которая позволит ему избежать земного притяжения. Циолковский определил, что чем больше объект на орбите, тем больше времени потребуется двигателю, чтобы разогнаться до необходимой скорости. А если двигатель должен работать дольше, ему нужно больше топлива, что делает его тяжелее, и тогда двигатель должен работать дольше. Кроме того, если бы мы запускали полезную нагрузку помимо двигателя и его топлива, часть массы ракеты скорее мешала бы, чем помогала ускорению.

Циолковский написал так называемое уравнение ракеты, которое говорит нам о том, что проблема разгона ракеты до низкой околоземной орбиты или выше быстро заканчивается, потому что расход топлива растет экспоненциально пропорционально необходимой скорости.

Законы физики и инженерные ограничения означали, что исследователям космоса приходилось придумывать работоспособные решения. Первый внес Циолковский, который, написав уравнение ракеты, начал искать способы воплотить в жизнь наши мечты о космических путешествиях. Он разработал теорию, известную сегодня как Последовательная постановка: Ракета, которая запускает балласт в несколько ступеней, каждая из которых приводится в действие собственным двигателем.

В середине апреля Европейское космическое агентство (ЕКА) запустило ракету. Арийский 5 Ракета с Jupiter Icy Moon Explorer, также известная как сок. Во время запуска чрезвычайно мощный первичный двигатель с помощью еще двух твердотопливных ускорителей разогнал ракету до 5600 миль (9000 километров) в час примерно за две минуты, подняв ее на высоту 37 миль (60 километров) над землей. Затем я избавился от двух пустых ускорителей, которые теперь только вносят мертвую массу и не подлежат повторному использованию. С меньшей массой для замедления ракеты и более разреженным воздухом с меньшим сопротивлением, Арийский 5 Он может двигаться со скоростью до 15 500 миль (25 000 километров) в час на высоте около 93 миль (150 километров).

В этот момент сработала вторая ступень, разогнав ракету в течение следующих 15 минут почти до 20 000 миль (32 000 километров) в час. в Арийский 5 Он может покинуть Землю, используя последовательную постановку, что является первой тактикой, позволяющей исследовать космос с Земли. Это не что иное, как бесшумные космические корабли, парящие в космосе, которые мы видим в фильмах и сериалах вроде День независимости И Пятый. Мы все еще далеки от платежной системы, которая может это сделать.

Проблема ограничения массы (и, следовательно, топлива) также является главной и центральной в другой тактике освоения космоса, которую он впервые разработал. Юрий Кондратюкукраинец, который придумал какие-то идеи 100 лет назад.

Несмотря на то, что мы видели в кино, двигатели луноходов и планетарных зондов не работают постоянно. Они стреляют всего несколько секунд в определенные моменты во время полетов, которые могут длиться годами. Космический корабль — это не машина, он не приводится в движение двигателем. Ближайшее гравитационное поле делает большую часть работы. Вы не можете запускать двигатель годами в поездках на миллионы миль. Но если вы просто позволите гравитации тянуть вас назад, вы в конечном итоге застрянете в гравитационном поле — нужна другая тактика, чтобы добраться до места назначения.

Теперь представьте, что вы едете в машине по кривой. Если скорость слишком сильно возрастает в повороте, автомобиль, скорее всего, будет выброшено за пределы дороги. Это именно то, что делают космические зонды, когда они путешествуют к далеким планетам и спутникам. Сначала зонд выходит на стабильную орбиту вокруг Солнца и обращается вокруг него, чтобы приблизиться к планете, скажем, к Венере. По мере приближения к Венере пространство-время искривляется гравитацией планеты, и траектория зонда меняется, а его скорость увеличивается. Если он запустит свои двигатели в нужное время, он разгонится по кривой, как автомобиль, вылетев на другую орбиту, более широкую и быструю, в другую часть Солнечной системы.

Юрий Кондратюк обнаружил, что космический зонд может использовать силу гравитации вместо своих двигателей для изменения направления. Представьте сейчас сок На близкой орбите вокруг Солнца. Если ничего не произойдет, вы останетесь здесь. Но если мы правильно проведем наши расчеты и синхронизируем траекторию космического корабля с другой планетой, это подтолкнет зонд в другом направлении. Планета с радостью продолжит движение по своей траектории, но зонд наберет скорость и выйдет на более широкую орбиту, двигаясь быстрее, чем скорость, необходимая для выхода из Солнечной системы. Вам не нужно говорить Путешественники 1 И 2 об этом!

сок Он будет пользоваться этими гравитационными оповещениями в течение шести лет. Тогда проблема становится замедляться, чтобы остановиться и исследовать далекую планету. Зонд может вращаться вокруг нее, пока не подойдет достаточно близко, чтобы замедлить гравитацию планеты. Затем он может использовать короткие импульсы для выхода на орбиту вокруг планеты. в ГалилеоИ Кассини И Юнона Все миссии использовали эту тактику, как и сок Когда он достигает Юпитера и Ганимеда, его крупнейших спутников.

для такой задачи сок На практике технологические ограничения можно преодолеть, используя почти базовые научные знания, потому что они включают простые законы физики, такие как вселенская гравитация и сохранение линейного количества движения. Простые вещи позволяют нам посещать далекие миры!

подписка Для нашего еженедельного информационного бюллетеня, чтобы узнать больше новостей на английском языке от EL PAÍS USA Edition.