هل يمكنني القفز في سفينة الفضاء الخاصة بي وترك الأرض؟

بعد ظهور مركبات الإطلاق القابلة لإعادة الاستخدام ، يصبح الوصول إلى الفضاء أكثر سهولة. لكن الحلم الرئيسي للمتحمسين لا يزال غير قابل للتحقيق. هل سبق لك أن أردت أن تكون سفينة الفضاء الخاصة بك متوقفة في حديقة منزلك؟ لذلك ، وفقًا لترتيب كعب القدم اليسرى ، سيكون من الممكن الطيران إلى المدار ، وتمدد العضلات في انعدام الجاذبية ، والاستمتاع بمناظر الفضاء والأرض ، وربما حتى زيارة بعض بيوت الدعارة الكونية - بشكل عام ، القيام بشيء يكفي للخيال. وعندما تتعب ، انزل من المدار وهبط في مكان قريب ، مع عدم نسيان وضع السفينة على المنبه. هل هذا ممكن؟ يأتي شخص لديه القليل من الفهم للموضوع على الفور للإجابة بـ NO ، ولكن دعونا لا نستخلص استنتاجات متسرعة ونحاول اكتشافها.

تحتاج أولاً إلى معرفة السرعة المميزة (من الآن فصاعدًا neededV) التي تحتاجها سفينة الفضاء لدخول مدار الأرض. قم بتبسيط مهمتنا على الفور وافترض أننا نعيش في فلوريدا ونطير بدقة في الاتجاه الشرقي إلى مدار دائري بارتفاع 200x200 كم. ثم تكون ΔV المطلوبة 9.4 كم / ثانية. يشمل هذا الرقم كلاً من مجموعة السرعة المدارية الضرورية البالغة 7.8 كم / ثانية والتغلب على الديناميكيات الهوائية والجاذبية والسيطرة والتي ستكون مناسبة بشكل خاص لإجراء مزيد من الحسابات ، وخسائر الضغط الخلفي (تعمل محركات الصواريخ عند مستوى سطح البحر بشكل أقل كفاءة من فراغ).

ما هي المحركات للتثبيت على سفينة الفضاء لدينا؟ خذ بعين الاعتبار الوسيلة الوحيدة للإطلاق في المدار التي تم إتقانها في الوقت الحالي - محركات الصواريخ الكيميائية. بدءًا من الأرض ، يحتوي محرك RS-68A الهيدروجين والأكسجين على دفعة محددة في الفراغ (يشار إليها فيما يلي ببساطة بـ II) في 409 ثانية. لكن الضغط في غرفة الاحتراق أبعد ما يكون عن الرقم القياسي. رفعه إلى 200 صراف آلي. وأعلى ، من الممكن جدًا الحصول على واجهة مستخدم. 430 ثانية (تمتلك RS-25 و RD-0120 قوة تنبؤية تبلغ 453-455 ثانية ، ولكن من المرجح أن تكون أكثر حدة في ظل فراغ وسوف يكون لديها المزيد من الخسائر للضغط الخلفي). وفقًا لصيغة تسيولكوفسكي $$$V = 430 * 9.81 * ln (M1 / M2)$ تبين أن الصاروخ أحادي المرحلة مع هذا المحرك يحتاج إلى نسبة كتلة من 10 إلى 1 من أجل دخول المدار ، أي لكل 1 كجم من الوزن الجاف للسفينة ، بما في ذلك البضائع ، يجب حساب 9 كجم من وقود الهيدروجين والأكسجين. صعب ، لكن ليس مستحيلًا ، نظرًا للتقدم الأخير في الخزانات المركبة للوقود المبرد. ولكن هناك مشكلة صغيرة واحدة. كثافة زوج وقود الهيدروجين والأكسجين منخفضة جدًا - فقط 0.3155 جم / سم ³ . في هذه الحالة ، سيكون حجم سفينة الفضاء ضخمًا ، ولا يمكنك ركنها في الفناء الخلفي للمنزل. ولكن ما هو الحجم الأمثل؟


كان من المفترض أن يقوم مشروع مركبة الفضاء الملغاة من فينشرستار الذي تم إلغاؤه بوضع 20 طناً في مدار منخفض ، أي ما يقرب من الثلث أقل من المكوك ، بأبعاد قابلة للمقارنة

لتبسيط جميع الحسابات الإضافية ، دعنا نتخيل أن سفينة الفضاء يجب أن تكون بحجم حجم المركبة الفضائية المكوكية. نعم ، المدار كبير بعض الشيء في النقل الشخصي ويمكنه حمل 7-8 ، وليس شخصًا واحدًا ، ولكن في صحبة الأصدقاء والأقارب الذين يطيرون في الفضاء أكثر متعة ، والأحجام قياسية تمامًا لطائرات رجال الأعمال. نظرًا لأننا لا نحتاج إلى حمل البضائع ، إلا الطاقم فقط ، فسنملأ حجرة البضائع بالكامل بحجم 300 م ³ بوقود الصواريخ ونرى ما إذا كان بإمكانها دخول المدار.


في هذه الصورة ، يمكنك تقدير حجم المدار - كبير ، ولكن ليس ضخمًا

تبلغ كتلة المدار بدون حمولة ، ولكن مع وقود لمحركات التحويل ، حوالي 90 طنًا. عند ملء بخار الهيدروجين والأكسجين يترك 94.65 طن من الوقود على متن الطائرة. عندما u.i. في 430 ثانية. نحصل عليه من الصيغة $$$ΔV = 430 * 9.81 * ln (184.65 / 90) = 3030 دولارً$ م / ث للدخول إلى مدار ، تحتاج إلى أكثر من 3 أضعاف! هل يمكننا تجربة وقود أكثر كثافة؟ زوج من أكسجين الكيروسين بكثافة 1.036 جم / سم ³ ويو. 337 ص. (كما في عائلة RD-170/180/190) سيعطي $$$ΔV = 337 * 9.81 * ln$$$$(400.8 / 90) = 4936 دولا$ م / ث ، زوج من UDMH-AT بكثافة 1.185 جم / سم ³ و U. 318 ص. (مثل RD-264) سيعطي $$$ΔV = 318 * 9.81 * ln (445.5 / 90) = 4988 دولارً$ م / ث النقص في ΔV لا يزال تقريبا ضعف!

ولكن هل هناك أي بخار وقود بكثافة أعلى وواجهة مستخدم أفضل؟ نعم ، ويسمى هيدرازين الفلورين - بكثافة 1.344 جم / سم ³ عند cu. بقدر 402 ثانية! ملء مدارها المكوكية والحصول على $$$ΔV = 402 * 9.81 * ln (484.2 / 90) = 6634$ م / ث! للأسف ، كل نفس النقص لثالث. إذن ، هل المركبة الفضائية المدارية المدمجة مستحيلة وكانت الإجابة الأصلية صحيحة؟


لم تطير الفلور-الأمونيا RD-301 مطلقًا ، ولكنها أثبتت في الاختبارات أن محركات الصواريخ التي تحتوي على مؤكسد الفلور ممكنة

لحسن الحظ ، في الحسابات السابقة ، هناك افتراض واحد - كتلة المدار 90 طن. لكن الفناء بعيد عن السبعينيات ، فمن الممكن استبدال الألمنيوم بألياف الكربون ، وتقليل حجم الأجنحة ، لأننا لا نحتاج إلى مناورة أفقية تبلغ 2000 كم ، ويمكن الآن للكمبيوتر المحمول على متن مكوك الفضاء أن يتناسب مع جيب بنطالك ، إن لم يكن في ساعة اليد. بعد تطبيق جميع التعديلات المذكورة أعلاه ، قمنا بتقليل كتلة المدار بمقدار النصف إلى 45 طنًا. هذا أمر ممكن تمامًا ، بالنسبة لأولئك الذين يشككون في أنه من الجدير بالذكر أن صاروخ الكيروسين Falcon 9FT ثنائي المرحلة ، الذي تم تصميمه في عام 2010 ، يحتوي على نصف الكتلة الجافة لكل وحدة وقود من صاروخ الكينيوز ثنائي المرحلة Zenith المصمم في السبعينيات. نحن نعيد العد ونحصل $$$ΔV = 402 * 9.81 * ln (439.2 / 45) = 8982$ م / ث ، والذي يمكننا تقريبه بأمان إلى 9 كم / ثانية. نقص 400 م / ث فقط!

ولكن كما تعلم ، لا يعتبر "تقريبا". كيف نحصل على 400 م / ث المطلوبة؟ يمكنك أن تتذكر أن المكوك يحتوي على محركات تحويل مع ai. في 316 ثانية. و ΔV 300 م / ث ، لكن هذا لا يزال غير كافٍ ، وتحتاج إلى المناورة في الفضاء. لكن هذه 300 م / ث تعطى للمكوك مع 29.5 طن في صندوق البضائع! بدونها ، لن يكون هناك سوى 400 متر / ثانية - يمكنك الذهاب إلى المدار ، ولكن بدون احتياطي للمناورات. نستبدل محركات المناورة بنسخة صغيرة من السير على فلور-هيدرازين بنفس المعيار و ، فويلا ، نحصل على 500 م / ث - ودخلنا المدار و 100 م / ث للمناورة.


لا تقل أبداً أبداً ، هذا مستحيل!

نتيجة لكل هذه الحسابات المطولة ، يمكن للمرء أن يقول بالتأكيد أنه من وجهة نظر الفيزياء ، فإن المركبة الفضائية المدارية المدمجة ممكنة! شيء آخر هو أنه من وجهة نظر تطوير وتشغيل محرك الفلور-هيدرازين سيكون كابوسًا ، وكذلك من وجهة نظر علم البيئة ، ولكن هذا يتجاوز نطاق مسألة الجدوى المادية ، التي أردت أن أوضحها في إطار هذه المقالة.