Plan d'évacuation de la Terre : un bref guide pour sortir de l'orbite

2024 Auteur: Seth Attwood | [email protected]. Dernière modifié: 2023-12-16 16:04

Récemment sur Habré, il y avait des nouvelles sur la construction prévue d'un ascenseur spatial. Pour beaucoup, cela semblait être quelque chose de fantastique et d'incroyable, comme une énorme bague de Halo ou une sphère Dyson. Mais l'avenir est plus proche qu'il n'y paraît, un escalier vers le paradis est tout à fait possible, et peut-être même le verrons-nous de notre vivant.

Maintenant, je vais essayer de montrer pourquoi on ne peut pas aller acheter un billet Terre-Lune au prix d'un billet Moscou-Pierre, comment l'ascenseur va nous aider et à quoi il va s'accrocher pour ne pas s'effondrer au sol.

Dès le début du développement des fusées, le carburant était un casse-tête pour les ingénieurs. Même dans les fusées les plus avancées, le carburant occupe environ 98% de la masse du navire.

Si nous voulons donner aux astronautes de l'ISS un sac de pain d'épice pesant 1 kilogramme, cela nécessitera, grosso modo, 100 kilogrammes de carburant de fusée. Le lanceur est jetable et ne reviendra sur Terre que sous forme de débris brûlés. On obtient des pains d'épice coûteux. La masse du navire est limitée, ce qui signifie que la charge utile pour un lancement est strictement limitée. Et chaque lancement a un coût.

Et si nous voulions voler quelque part au-delà de l'orbite terrestre ?

Des ingénieurs du monde entier se sont assis et ont commencé à réfléchir: à quoi devrait ressembler un vaisseau spatial pour en prendre plus et voler plus loin ?

Où la fusée volera-t-elle ?

Pendant que les ingénieurs réfléchissaient, leurs enfants ont trouvé du salpêtre et du carton quelque part et ont commencé à fabriquer des fusées jouets. De tels missiles n'ont pas atteint les toits des immeubles de grande hauteur, mais les enfants étaient heureux. Puis la pensée la plus intelligente m'est venue à l'esprit: « poussons plus de salpêtre dans la fusée, et elle volera plus haut. »

Mais la fusée n'a pas volé plus haut, car elle est devenue trop lourde. Elle ne pouvait même pas s'élever dans les airs. Après quelques expérimentations, les enfants ont trouvé la quantité optimale de salpêtre à laquelle la fusée vole le plus haut. Si vous ajoutez plus de carburant, la masse de la fusée la tire vers le bas. Si moins - le carburant se termine plus tôt.

Les ingénieurs se sont également vite rendu compte que si l'on veut ajouter plus de carburant, alors la force de traction doit également être plus importante. Il existe quelques options pour augmenter la portée de vol:

• augmenter le rendement du moteur afin que les pertes de carburant soient minimes (buse Laval)
• augmenter l'impulsion spécifique du carburant de sorte que la force de poussée soit plus grande pour la même masse de carburant

Bien que les ingénieurs avancent constamment, la quasi-totalité de la masse du navire est absorbée par le carburant. Puisqu'en plus du carburant, vous voulez envoyer quelque chose d'utile dans l'espace, toute la trajectoire de la fusée est soigneusement calculée et le minimum est mis dans la fusée. Dans le même temps, ils utilisent activement l'aide gravitationnelle des corps célestes et des forces centrifuges. Après avoir terminé la mission, les astronautes ne disent pas: "Les gars, il y a encore un peu de carburant dans le réservoir, envolons-nous vers Vénus."

Mais comment déterminer la quantité de carburant nécessaire pour que la fusée ne tombe pas dans l'océan avec un réservoir vide, mais s'envole vers Mars ?

Deuxième vitesse spatiale

Les enfants ont également essayé de faire voler la fusée plus haut. Ils ont même mis la main sur un manuel d'aérodynamique, ont lu les équations de Navier-Stokes, mais n'ont rien compris et ont simplement attaché un nez pointu à la fusée.

Leur vieil homme familier Hottabych est passé et a demandé pourquoi les gars étaient tristes.

- Eh, grand-père, si nous avions eu une fusée avec un carburant infini et une faible masse, elle se serait probablement envolée vers un gratte-ciel, ou même jusqu'au sommet d'une montagne.

- Cela n'a pas d'importance, Kostya-ibn-Eduard, - répondit Hottabych en arrachant les derniers cheveux, - que cette fusée ne tombe jamais à court de carburant.

Les joyeux enfants ont lancé une fusée et ont attendu qu'elle revienne sur terre. La fusée a volé à la fois vers le gratte-ciel et vers le sommet de la montagne, mais ne s'est pas arrêtée et a volé plus loin jusqu'à ce qu'elle disparaisse de la vue. Si vous regardez vers l'avenir, alors cette fusée a quitté la terre, s'est envolée du système solaire, de notre galaxie et a volé à une vitesse inférieure à la lumière pour conquérir l'immensité de l'univers.

Les enfants se demandaient comment leur petite fusée pouvait voler si loin. Après tout, à l'école, ils disaient que pour ne pas retomber sur Terre, la vitesse ne devrait pas être inférieure à la deuxième vitesse cosmique (11, 2 km / s). Leur petite fusée pourrait-elle atteindre cette vitesse ?

Mais leurs parents ingénieurs ont expliqué que si une fusée a une réserve infinie de carburant, elle peut voler n'importe où si la poussée est supérieure aux forces gravitationnelles et aux forces de friction. Étant donné que la fusée est capable de décoller, la force de poussée est suffisante et dans l'espace ouvert, c'est encore plus facile.

La deuxième vitesse cosmique n'est pas la vitesse qu'une fusée devrait avoir. C'est la vitesse à laquelle la balle doit être lancée depuis la surface du sol pour qu'elle n'y retourne pas. Une fusée, contrairement à une balle, a des moteurs. Pour elle, ce n'est pas la vitesse qui compte, mais l'impulsion totale.

La chose la plus difficile pour une fusée est de surmonter la section initiale du chemin. Premièrement, la gravité de surface est plus forte. Deuxièmement, la Terre a une atmosphère dense dans laquelle il fait très chaud pour voler à de telles vitesses. Et les moteurs-fusées y fonctionnent moins bien que dans le vide. Par conséquent, ils volent maintenant sur des fusées à plusieurs étages: le premier étage consomme rapidement son carburant et est séparé, et le navire léger vole sur d'autres moteurs.

Konstantin Tsiolkovsky a longuement réfléchi à ce problème et a inventé l'ascenseur spatial (en 1895). Alors, bien sûr, ils se sont moqués de lui. Cependant, ils se moquaient de lui à cause de la fusée, du satellite et des stations orbitales, et le considéraient généralement comme hors de ce monde: "Nous n'avons pas encore complètement inventé les voitures ici, mais il va dans l'espace."

Ensuite, les scientifiques y ont réfléchi et sont entrés dedans, une fusée a volé, a lancé un satellite, construit des stations orbitales, dans lesquelles les gens étaient peuplés. Plus personne ne se moque de Tsiolkovski, au contraire, il est très respecté. Et lorsqu'ils ont découvert des nanotubes de graphène super puissants, ils ont sérieusement pensé à « l'escalier vers le paradis ».

Pourquoi les satellites ne tombent-ils pas ?

Tout le monde connaît la force centrifuge. Si vous tournez rapidement la balle sur la ficelle, elle ne tombe pas au sol. Essayons de faire tourner la balle rapidement, puis ralentissons progressivement la vitesse de rotation. À un moment donné, il s'arrêtera de tourner et tombera. Ce sera la vitesse minimale à laquelle la force centrifuge contrebalancera la gravité terrestre. Si vous faites tourner la balle plus vite, la corde s'étirera davantage (et à un moment elle se cassera).

Il y a aussi une "corde" entre la Terre et les satellites - la gravité. Mais contrairement à une corde ordinaire, elle ne peut pas être tirée. Si vous "tournez" le satellite plus rapidement que nécessaire, il "se détachera" (et entrera sur une orbite elliptique, ou même s'envolera). Plus le satellite est proche de la surface de la terre, plus il doit être "tourné" rapidement. La balle sur une corde courte tourne aussi plus vite que sur une longue.

Il est important de se rappeler que la vitesse orbitale (linéaire) d'un satellite n'est pas la vitesse par rapport à la surface de la Terre. S'il est écrit que la vitesse orbitale d'un satellite est de 3,07 km/s, cela ne veut pas dire qu'il plane au-dessus de la surface comme un fou. Soit dit en passant, la vitesse orbitale des points sur l'équateur de la terre est de 465 m / s (la terre tourne, comme le prétendait l'obstiné Galilée).

En fait, pour une balle sur une ficelle et pour un satellite, ce ne sont pas des vitesses linéaires qui sont calculées, mais des vitesses angulaires (combien de tours par seconde le corps fait).

Il s'avère que si vous trouvez une orbite telle que les vitesses angulaires du satellite et de la surface de la Terre coïncident, le satellite sera suspendu à un point de la surface. Une telle orbite a été trouvée, et elle s'appelle l'orbite géostationnaire (GSO). Les satellites sont suspendus immobiles au-dessus de l'équateur, et les gens n'ont pas à tourner leurs plaques pour « attraper le signal ».

Tige de haricot

Mais que se passe-t-il si vous abaissez une corde d'un tel satellite jusqu'au sol, car elle pend au-dessus d'un point ? Attachez une charge à l'autre extrémité du satellite, la force centrifuge augmentera et maintiendra à la fois le satellite et la corde. Après tout, la balle ne tombe pas si vous la faites bien tourner. Il sera alors possible de soulever des charges le long de cette corde directement en orbite, et d'oublier, comme un cauchemar, les fusées à plusieurs étages, dévorant le carburant en kilotonnes à faible capacité d'emport.

La vitesse de déplacement dans l'atmosphère de la cargaison sera faible, ce qui signifie qu'elle ne chauffera pas, contrairement à une fusée. Et moins d'énergie est nécessaire pour grimper, car il y a un point d'appui.

Le principal problème est le poids de la corde. L'orbite géostationnaire de la Terre est à 35 000 kilomètres. Si vous étirez une ligne d'acier d'un diamètre de 1 mm jusqu'à l'orbite géostationnaire, sa masse sera de 212 tonnes (et elle doit être tirée beaucoup plus loin pour équilibrer la portance avec la force centrifuge). En même temps, il doit supporter son propre poids et le poids de la charge.

Heureusement, dans ce cas, quelque chose aide un peu, pour lequel les professeurs de physique grondent souvent les élèves: le poids et le poids sont deux choses différentes. Plus le câble s'éloigne de la surface de la terre, plus il perd de poids. Bien que le rapport résistance/poids de la corde devrait toujours être énorme.

Avec les nanotubes de carbone, les ingénieurs ont de l'espoir. Maintenant, c'est une nouvelle technologie, et nous ne pouvons pas encore tordre ces tubes en une longue corde. Et il n'est pas possible d'atteindre leur résistance de conception maximale. Mais qui sait ce qui va se passer ensuite ?