«Всем!ру» - информационно-аналитический портал
«Всем!ру» - информационно-аналитический портал

Падение с Земли на небо 

(вернее, на околоземную орбиту)

Данный заголовок статьи вовсе не розыгрыш, не образное выражение и даже не попытка привлечь внимание. Более того, он является своего рода преуменьшением существующей возможности. "Упасть" можно настолько "неудачно", что при этом отправишься в межпланетное путешествие или даже покинешь пределы Солнечной системы. Заголовок только передаёт в наиболее краткой форме основное содержание статьи.

О том, как можно упасть с Земли на небо, пойдёт речь далее. Каждый читатель может убедиться, что если данный заголовок и является своего рода рекламой, то рекламой сугубо информативной и полностью соответствующей реальности.

Но начнём издалека.

Время бросать камни

Человек всегда стремился научиться далеко бросать камни. Умение бросать камни резко выделило человека среди животных. Они хорошо знают, что человека надо опасаться даже тогда, когда он, казалось бы, далеко от них. Собака, в которую когда-нибудь попали камнем, с визгом убегает уже тогда, когда мы делаем вид, что нагибаемся, чтобы поднять камень. 

Умение далеко бросать камни - это умение держать противника на безопасном расстоянии. Когда один умелец научил англичан стрелять немного дальше, чем умели их враги, они стали расстреливать их корабли на расстоянии, находясь при этом в полной безопасности. Человека же, научившего их этому новому уменью, они на всякий случай убили, чтобы он не научил этому и их врагов.

Быть коварными англичан, возможно, научила библия рассказом о хилом и сообразительном, а на самом деле бесчестном Давиде, убившем в поединке могучего Голиафа.

В случае поединка было принято применять одинаковое оружие, например, одинаковые по длине рапиры, или же одинаковые пистолеты, заряжаемые на виду у противника. 


 


Давид же вышел с пращой против Голиафа, вооружённого мечом. Не верьте показанному здесь современому рисунку. Никакого копья у Голиафа не было, хотя и в этом случае Голиаф был бы практически безоружен. Копьё нельзя кинуть так далеко, как камень из пращи, и, кроме того, от копья легче увернуться, чем от камня. Но коварство Давида на этом не закончилось. Лежачего, как известно, не бьют. Давид же взял у поверженного Голиафа меч, и отрубил ему голову. Вот каким был Давид! Как раз такие подонки и становятся при случае королями.

Но вернёмся к умению далеко бросать камни. Уметь далеко бросать - хорошо, но умение кинуть ещё дальше - лучше. Сперва были изобретены механические метательные машины, а затем, после знакомства с порохом - стали применять огнестрельное оружие, ружья, винтовки и пушки. Всё выше, всё выше и выше! Когда уже стало казаться, что можно обстрелять противника на любом расстоянии, стали подумывать о том, чтобы выстрелить в Луну. А чтобы это не казалось таким глупым, решили выстрелить на Луну человека. Преуспел в этом Жюль Верн, но только на страницах своего романа. Эта задача оказалась весьма трудной и дорогой, если не сказать технически невыполнимой.

Если фантасты всегда стремились отправить человека в невероятное путешествие, то военные всегда мечтали о путешествиях снарядов. Фантастов-инженеров поэтому всегда поддерживали, ведь в нужную минуту всегда можно заменить человека на увесистый снаряд.

А фантасты, убедившись в бесперспективности пушек, стали изучать ракеты для ускорения двужущихся тел. Задача была всё та же - закинуть камень как можно дальше, например, на околоземную орбиту, а потом, может быть, и на Луну. Но тут почти что повторилась история с пушками. Чем дальше можно было закинуть камень, тем дороже это становилось. Расходы на эксперименты были столь огромными, что к этому не было готово ни одно частное лицо. Когда добрались до первых планет, то решили, что дальнейшие затраты можно оплатить только совместными усилиями нескольких государств. 

Про пращу и камнемётные орудия к этому времени все, конечно, забыли. И вдруг оказалось, что именно с их помощью можно необычно дёшево забрасывать тела на околоземную орбиту или даже отправить к ближайшей звезде. Но, конечно, для этого не годится ни сама праща Давида, ни даже самое лучшее известное камнемётное орудие. Для этого их надо немного усовершенствовать. Как?

Об этом будет рассказано немного позже.

Братья Монгольфье и стремление в космос

Многие из нас зимой в морозную, но тихую погоду могли наблюдать, как из печных труб прямо в небо устремляется столб дыма. Кому из нас при этом пришла в голову мысль о том, что мы наблюдаем явление, которое стало основой воздухоплавания? Никому?..

Тёплый воздух поднимает вверх несгоревшие частички топлива — это     дым. Но он может поднять, как заметили братья Монгольфье, и воздушный шар. 

И это при том, что все мы знакомы если не с физикой этого явления, то хотя бы неоднократно наблюдали воздушные шары, медленно проплывающие мимо нас по небу, а многие даже очень хорошо понимают, почему их полёт возможен.

Конечно, связать дым, идущий из трубы, с возможностью воздухоплавания в то время, когда об этом никому ничего не было известно, было очень маловероятно. Другими словами, намного-намного трудней. Почти невозможно.

Все, или почти все читатели знают о братьях Монгольфье (фр. Montgolfier). Одному из них при наблюдении такого столба дыма якобы пришло в голову, что если подымающийся в небо дым заключить в бумажную оболочку, то вместе с дымом в небо станет подыматься не только эта оболочка, но и подвешенный к ней достаточно легкий грузик. 

От подобной мысли у тех, у кого она возникает, должно перехватывать дух от осознания возникающей возможности. Ведь ясно, что если маленький шар может поднять маленький грузик, то достаточно большой сможет поднять и человека! Человек сможет подняться в небо! Становится возможным то, что ещё вчера считалось абсолютно невозможным!

Подобное чувство сравнимо с тем, которое появилось у человека, обнаружившего не только зимнее или летнее солнцестояние, но и осознавшего, какие это знание открывает возможности. Посчитав дни между зимними или летними солнцестояниями, можно определить из какого числа дней состоит год. Считая дни от этого события, можно определить, когда надо сеять, а когда жать, когда надо готовиться к зиме, а когда к лету. Другими словами, становится возможным создать очень полезный для сельского хозяйства календарь. Сейчас мы не осознаём важности этого знания, а ведь оно сделало более надёжным правильное определение времени проведения всех сельскохозяйственных работ, что сильно влияет на величину урожая. Сейчас многие даже не знают, что именно означает это словосочетание. А когда-то в его честь появились народные праздники. Летом это праздник Янки Купала, или начало (астрономического) лета, а зимой - самый короткий день, поворот солнца к лету. Эти дни отмечали весёлыми языческими  торжествами. Христианская церковь  не хотела, чтобы у народа было хотя бы это знание, поэтому ко дню зимнего солнцестояния приурочили день рождения Христа - так называемое рождество, которое во многих странах является самым главным праздником. О днях зимнего солнцестояния, а заодно и о летних, практически все забыли.

День рождения каждого из нас также стало возможным отмечать только благодаря созданию календаря. Конечно, это знание не помогло нам подняться в небо, но оно дало возможность лучше понимать его.

Слово якобы было выше применено потому, что, похоже, никто не знает точно, что именно послужило причиной возникновения этой великолепной мысли у братьев Монгольфье. Некоторые говорят о наблюдениях за облаками, образующимися в результате подъёма вверх паров воды, другие о полетё искр в пламени камина. Лучше всего было бы говорить о тёплом воздухе, поднимающемся над пламенем костра, но тёплый воздух - это не образ, ведь его никто не видит. То, что тёплый воздух поднимается над костром и почему - это ещё надо объяснять, хотя об этом явно говорят поднимающиеся вверх языки пламени. Поэтому, на мой взгляд, образ подымающегося вверх столба дыма над трубой в данном случае наиболее нагляден. 

Многие тысячи лет люди наблюдали поднимающийся вверх дым, и не замечали, что он подсказывает нам возможность полётов (плавания) по воздуху. Это заметил один из братьев Монгольфье.

Он поделился этой мыслью со своим братом, и тот не только не высмеял его, но и принял активное участие в её испытании. Они жили в то время, когда многие изобретатели думали о том, как можно обойти не так давно открытый закон всемирного притяжения. Все, кто интересовался тогдашней "натурфилософией", знали, что каждый предмет притягивается Землёй и потому, как бы его ни подбрасывали, он обязательно упадёт назад на Землю. Как и современные исследователи, они опасались того, что там, вверху, возможно, всё не так и сопряжено с опасностью для жизни. Поэтому после первых удачных опытов они решили отправить "на небо" в корзине, подвешенной к воздушному шару, барана, петуха и утку. Только после успешного полёта животных подняться наверх решились и люди. По одним сведениям летали и сами братья Монгольфье, по другим - только другие лица. Во всяком случае, новое невероятное достижение показали и королю, который, как и все простые люди, был этим немало удивлён.


                                Братья Монгольфье и их воздушный шар


Братья Монгольфье и их воздушные шары очень быстро стали весьма популярны. Воздушные шары были не просто новшеством - это было огромное достижение человечества в его стремлении к небу, к звёздам. Их изображали для рекламы своих продуктов везде, где только можно было. Например, даже на золотых табакерках, бывших тогда в большой моде.


                                 Табакерка. Австрия, Вена, 1791 г.

 

Воздухоплаванием стали заниматься не только исследователи и конструкторы, но и военные. Благодаря этому всеобщему интересу, всего примерно через полтора века были созданы достаточно совершенные дирижабли, поднимавшие в воздух десятки тонн груза и сотни пассажиров, и совершавшие полёты из Европы в Америку и обратно. Причём уже не с помощью тёплого воздуха, который надо постоянно подогревать, а с помощью водорода, который гораздо легче воздуха сам по себе, без необходимости подогрева. К сожалению, водород легко воспламеняем. Знание о лёгкой воспламеняемости водорода позволило конкурирующим фирмам устроить диверсию с гибелью десятков людей, что и положило конец эре дирижаблей.

 

1937г. - Катастрофа германского дирижабля LZ-129 "Гинденбург"


 


Знание о возможности полётов воздушных шаров побудило людей искать также и другие способы подняться в воздух, и если бы не эта мысль братьев Монгольфье, то кто знает, возможно, до сих пор не появилась бы ни авиация, ни ракетная техника.

Конец эре дирижаблей пришёл, разумеется, не из-за диверсии, а в основном потому, что через век с небольшим после появления воздушных шаров появилась и стала развиваться гораздо менее уязвимая для диверсий авиация, что было очень важно для военных. С помощью самолётов тоже можно было совершать полёты с одного континента на другой, причём даже быстрей, чем с помощью дирижаблей. Но самолёты, как и дирижабли, не могли слишком высоко подниматься в небо, желание, которое было хорошо подогрето благодаря братьям Монгольфье. Мечты и желанья людей всегда неуёмны. У многих возникло желание не только подняться в воздух, но и достигнуть Луну и ближайшие планеты. Это желание было уже не таким беспочвенным, каким было до появления воздушных шаров. Оно возникло у человечества и с этим нельзя было ничего поделать.

Уже многие сотни лет человечеству были знакомы полёты небольших пороховых неуправляемых ракет, использовавшихся в основном для фейерверков. Успехи воздухоплавания и авиации разбудили мысль о том, что их можно использовать не только для развлечения, но и для перемещения в пространстве. Многие стали экспериментировать с ними, так как они обещали возможность управляемого перемещения даже между планетами, в безвоздушном пространстве.

Как ранее воздушными шарами и самолётами, так теперь и ракетами стали немедленно интересоваться военные. Во время второй мировой войны ракетную технику особенно успешно стала развивать Германия, настолько успешно, что союзники стали опасаться за исход войны. На ракетные полигоны Германии и заводы по их производству Англия сбросила мириады бомб, чтобы ракетчики Германии не смогли в должном количестве производить своё пугающее оружие.

Уже Германия поняла, насколько дорогим удовольствием являются ракеты. Увлечение ими, возможно, не столько отдалило, сколько ускорило военное поражение Германии, так как из-за расходов на ракеты не хватило средств на многое другое, в том числе на развитие ПВО. То, что ракеты очень дорогое удовольствие, скоро поняли и бывшие союзники, в конце войны захватившие не только все военные заводы Германии и остатки ракет, но и "перевербовавшие" бывших специалистов Германии по ракетной технике для работы в своих странах. Конечно, специалисты, работавшие ранее на военный успех Германии, после её поражения предпочли жалкому существованию в лагерях для военнопленных работу на её бывших военных противников.

Между США и СССР началась ракетная гонка, ставшая особенно актуальной из-за создания нового вида оружия - сверхмощных атомных и термоядерных бомб. Эта гонка в основном закончилась запуском первых спутников и полётами на Луну. После этого она замедлилась и даже перешла в подобие сотрудничества, так как все поняли, что широкомасштабный выход в космос с помощью ракет является большой нагрузкой для экономики даже такой страны, как Америка.

Вынужденное сотрудничество США и СССР в области освоения космического пространства и возможность присоединения к нему практически любой страны, не остановило желания многих стран самим осваивать и развивать ракетную технику. Свои программы по освоению космоса появились у Евросоюза, у Китая, Индии и Японии.

Вывод на орбиту полезного груза в несколько тонн стоит очень, очень дорого. На неё выводится менее одного процента первоначального веса ракеты. Основная часть его распыляется в атмосфере Земли в виде газов, образующихся в результате сгорания дорогостоящего ракетного топлива.

Зашедшие в тупик исследователи стали возвращаться к идеям Циолковского и Цандера. Появились идеи строительства высоких башен и использования движения по канату (тросу) длиной в 36.000 км, опускаемого от геостационарного спутника к поверхности Земли. Пошли разговоры о "небесных лестницах" и даже о космическом лифте Земля-Луна. Это уже не канаты длиной в 36.000 км, а ещё по крайней мере в 10 раз более длинные.

Прорыв в области запуска грузов на орбиту вокруг Земли?..

Занимаясь больше исследованиями световых лучей, а в промежутках читая об успехах в области космонавтики и астрономии, о новых планетах в других галактиках и тому подобном, я как-то совершенно неожиданно увидел призрак дыма, уходящего вертикально вверх в небо, призрак дыма, увиденного однажды братьями Монгольфье. Он имел вид бечёвки с гайкой на конце, вращаемой вокруг руки над головой. Начиная с детства это нехитрое приспособление много раз бывало у меня в руках, ничем не напоминая идею, родившуюся у братьев Монгольфье. А теперь - вдруг - напомнило.

Бечёвка с гайкой на конце?! Причём здесь дым, братья Монгольфье и полёты в космос?.. 

Представьте себе, что в моей руке была не просто бечёвка, а бечёвка, привязанная к оси небольшого глобуса. Посмотрите ниже на рис. 1 и вы сразу поймёте, что для проблемы запуска на орбиту Земли гайка, вращающаяся на бечёвке вокруг оси глобуса - это действительно примерно то же самое, что и образ дыма, подымающегося вверх из трубы для братьев Монгольфье.


 

Рис. 1. Космическая праща - пусковая установка для запуска грузов на орбиту Земли.

1 - ось вращения, проходящая через центр Земли О; 2 - направляющая для тележки, на которой укрепляется капсула (корпус) запускаемого на орбиту будущего спутника Земли. 3 - тяжёлая масса на конце направляющей. Направляющая 2 вместе с массой 3 вращается вокруг оси 1. ОА - радиус Земли. АВ - высота расположения вращающейся массы 3 над Землёй.

 

Запускаемый на орбиту груз (корпус, капсула) крепится на тележке, которая в начальный момент помещается на направляющей 2 вблизи оси вращения 1. Под действием центробежных сил тележка начинает катиться (скользить) в сторону массы 3 (На рис. 1 не показано). Когда она её достигнет, она окажется на высоте АВ над Землёй, а её скорость будет соответствовать линейной скорости массы 3. Угловая скорость вращения направляющей 2 может быть выбрана такой, что в момент приближения к массе 3 скорость груза будет равна первой космической скорости на высоте АВ. Если груз в этот момент освободить от связи с тележкой, он будет далее двигаться по инерции по круговой орбите вокруг Земли.

Всё дело в том, что гайка на бечёвке, вращающаяся вокруг земной оси или оси глобуса, может одновременно подняться над поверхностью Земли и достигнуть космических высот - при достаточно большой длине бечёвки. И при этом гайка может обладать той же скоростью, которой должны обладать тела, постоянно находящиеся в космосе высоко над Землёй - первой космической. Нужно также заметить, что от оси вращения до гайки, уже находящейся в космосе, можно добраться, двигаясь вдоль бечёвки. Причём очевидно, что возникающие центробежные силы будут всячески этому способствовать. Добравшись вдоль бечёвки до гайки, мы приобретаем высоту и скорость, соответствующие высоте и скорости спутника на орбите Земли. Нам только осталось в нужный момент освободиться от связи с бечёвкой, чтобы продолжить движение по инерции вдоль круговой орбиты.

Вследствие этой небольшой многоходовочки становится ясно, что гайка на бечёвке, вращающаяся вокруг оси глобуса, может быть прообразом установки для запуска (грузов, пассажиров) на орбиту вокруг Земли. Назовём её космической пращой.

На рис. 1 цифрой 2 помечена "бечёвка, вращающаяся над головой с гайкой 3 на

конце". В масштабе рисунка 2 - это, например, канат или трос, длиной не менее 1000 км. Буквой О отмечен центр Земли, ОА - радиус Земли, отрезок АВ - это высота массы 3 над поверхностью Земли. 

Предполагается, что две массы 3, связанные канатом 2, вращаются симметрично вокруг оси вращения 1. За счёт центробежных сил, действующих на массы 3, натягивается канат 2, который при этом будет находиться примерно в плоскости, перпендикулярной оси вращения 1. Линейная скорость массы 3 предположительно, в первом приближении, соответствует первой космической скорости на высоте АВ. Канат 2 мы будем представлять транспортной направляющей, по нему может скользить (катиться) некая тележка (на рис. не показана), на которой укреплён груз (корпус, капсула), который мы хотим отправить на орбиту. 

На любой предмет, который находится на канате 2, действует центробежная сила, направленная вдоль каната в сторону массы 3 и пропорциональная расстоянию R от оси вращения. Следовательно, если мы поместим на тележку груз, он будет двигаться по направляющей 2 с ускорением в сторону массы 3. Представим себе, что когда груз приблизился к массе 3, мы его освобождаем, и он движется дальше по инерции. Если скорость груза (относительно центра Земли) в этот момент такова, что соответствует первой космической скорости на высоте АВ, то наш груз превратится в спутник. Иначе говоря, мы таким образом вывели его на круговую орбиту вокруг Земли

Всё, что мы сделали для этого, это поместили выводимый на орбиту груз на тележку, расположенную в этот момент вблизи оси вращения 1, позволили ему двигаться вдоль направляющей 2, а затем, когда он приблизился к массе 3, отпустили его (освободили от связи с тележкой). В результате этого он стал двигаться по инерции по круговой орбите вокруг Земли. 

Как вам нравится подобный метод выведения груза на орбиту

О дальнейшей судьбе тележки мы пока не говорим. Для вывода на орбиту следующего груза, нам достаточно повторить вышеописанную операцию. 

Представьте теперь, что в тележке находится не груз, а пассажир, например, самолично вы, дорогой читатель. Вы садитесь на тележку и под действием центробежных сил начинаете падать (катиться) вдоль направляющей 2 в сторону массы 3. Процесс выглядит именно так, как описано в начале статьи. Вы даже не чувствуете ускорения. Вы в буквальном смысле падаете вдоль направляющей, но одновременно падаете в сторону неба. Вы удаляетесь от поверхности Земли всё дальше и дальше. Единственное, что вы при этом чувствуете, это ускорение, перпендикулярное к направляющей, но оно небольшое. Вблизи массы 3 вы освобождаетесь от связи с тележкой и начинаете двигаться по инерции вдоль окружности вокруг Земли. То есть, вы "упали" на круговую орбиту.

"Падение" на круговую орбиту происходит при соответствующей угловой скорости вращения направляющей 2. Но если её скорость будет выше, то вы окажетесь не на круговой, а на эллиптической орбите. Если скорость её вращения возрастёт примерно в полтора раза, вы отправитесь в межпланетное путешествие, а если её скорость возрастёт более, чем в 2 раза, ваше путешествие станет межзвёздным. Вы не просто упадёте в небо (на небо?), а даже вывалитесь из солнечной системы.

Но нас в данной статье межзвёздные путешествия не интересуют, мы будем говорить далее в основном только о круговых орбитах вокруг Земли. 

Приведу небольшую таблицу. Все данные очень приближённые. Проекция силы тяжести на направляющую не учитываются. Длина направляющей обозначена буквой L.

Длина L , кмAB, кмПериод обращения направляющей вокруг оси 1, мин.центробежное ускорение груза 3
10008213,09 мин64 м/сек² = 6,5 g
150018020,65 мин4,3 g
200032526,18 мин3,26 g
250050032,7 мин2,6 g
60002485109,5 мин0,56 g


Если вы посмотрите на рис. 1, то можете заметить, что проекция силы тяжести в самом начале направляющей равна нулю. Но чем дальше от оси вращения, тем больше становится та часть силы тяжести, которая проектируется на направляющую. Для L = 6000 км проекция силы тяжести уже может быть сравнима с величиной центробежного ускорения, но направлена она ей навстречу. Эти две силы частично компенсируют друг друга. Возможность того, что они будут удерживать направляющую в плоскости, перпендикулярной оси вращения, становится сомнительной. Пренебрегать силой тяжести даже при приблизительных расчётах можно только при относительно малой длине направляющей.

Земля и небо меняются ролями. На круговую орбиту вокруг Земли можно не только упасть, но и сползти

Мы привыкли к тому, что с дерева мы можем упасть, или же мы можем слезть, сползти. Но мы ни в коем случае не можем упасть с земли на верхушку дерева. Когда же мы находимся на многокилометровой направляющей, вращающейся вокруг вертикальной оси, нам кажется, что земля и небо поменялись ролями: мы можем упасть с земли высоко в небо. И наоборот, чтобы приближаться со стороны неба к земле вдоль направляющей, нам надо будет карабкаться, прилагая опеделённые усилия.

Но земля и небо не полностью поменялись ролями. При обычном падении с неба на Землю мы гарантированно свалимся вниз, ничто этому не помешает. При падении же с земли в небо мы должны постоянно находиться в контакте с вращающейся направляющей. Мы будем не просто падать, а именно скользить или катиться вдоль неё, находясь с ней в постоянном силовом контакте. На это обстоятельство мы выще при описании "падения" с земли на орбиту не обратили никакого внимания. Мелочь?

Выше мы изложили только основную идею "падения" на орбиту вокруг Земли, не обращая внимания на подробности, на сопутствующие детали. Когда на практике начинают осуществлять какую-либо идею, или, другими словами, влезать во все детали, тут-то и начинаются неувязки, неожиданные трудности, препятствия. " Бесовские проделки" всегда скрыты в мелочах. Именно "мелочи" часто решают судьбу казалось бы отличной идеи. Об этом хорошо осведомлены конструкторы, занимающиеся непосредственной разработкой, внедрением идей в практику. 

Редкая идея обходится без преодоления подобных неожиданностей. Таким исключением была как раз идея братьев Монгольфье. По крайней мере до применения водорода вместо нагретого воздуха, никаких принципиальных препятствий не появилось. Из-за применения водорода возникла опасность возникновения пожара и возможность прямых диверсий. Это-то и привело к окончанию эры дирижаблей, хотя разговоры о выгоде их применения не прекращаются. Сами же воздушные шары с небольшими усовершенствованиями применяются до сих пор. Их можно увидеть чуть ли не над любым городом.

А как насчёт "падения" на небо? О каких трудностях не было рассказано выше?

Прежде всего, мы ничего не сказали о величине скорости падения (движения, скольжения) вдоль направляющей, назовём её продольной скоростью. Если не учитывать действие сил тяжести в проекции на направляющую 2, то скорость, развиваемая при движении вдоль направляющей, определяется только центробежными силами и возрастает примерно до той самой величины скорости, с которой движется масса 3 по окружности. С одной стороны, это казалось бы просто отличным. Для получения первой космической скорости мы векторно складываем продольную и вращательную скорость груза, и получаем, что можем снизить вращательную скорость направляющей в 1,4 раза. Нам в этом случае нужна скорость вращательного движения массы 3 не равная первой космической скорости (примерно 8 км/сек), а только 5,65 км/ сек! 

Но представьте себе, что мы с этой скоростью должны двигаться вдоль направляющей. При любом движении, если это не полёт в пустом пространстве, возникают колебания, вибрации. С помощью чего мы должны поддерживать силовой контакт тележки с направляющей, направлять нашу тележку при её движении вдоль направляющей? С помощью роликов или колёс, движущихся по канату?

Но такой скорости не выдержат ни одни колёса. Рекордные скорости движения автомобилей лежат в пределах 400 - 500 км/час. А это менее 140 м/сек. Требуемая нам скорость примерно в 40 раз выше. Не будем говорить о нагреве колёс при такой скорости, они просто-напросто разорвутся под воздействием огромных центробежных cил. 

В нашей ситуации (при данной скорости продольного движения) можно говорить только о применении бесконтактной магнитной подвески, но возможность её применения также под большим вопросом. Освоенная скорость движения поездов на магнитной подушке пока лежит в пределах 600 - 700 км/час. Но, возможно, этот предел определяется вовсе не магнитной подвеской, а сопротивлением воздуха?

Пусть даже так. Но тогда нам надо подвесить на канате не только массу 3 (рис. 1), но и сотни километров направляющей, состоящей из магнитных элементов. Их вес наверняка окажется во много раз больше требуемой нам массы 3 для натяжения направляющего каната 2. Конечно, если мы можем подвесить на канате массу 3, весом в десятку или даже в сотню тонн, то мы можем подвесить на подобном канате и определённый отрезок магнитной направляющей. Вся же магнитная направляющая будет состоять из n подобных отрезков. А чтобы подвесить n отрезков магнитной направляющей, нам понадобится n канатов. Это будет весьма громоздко, но в принципе выполнимо, хотя и сильно усложнит нашу космическую пращу. А сколько это будет стоить?

Я не стал искать ответа на этот и другие подобные вопросы, это слишком задержало бы данную статью и увеличило её объём. Пусть на это ответят те, кто больше меня разбирается в подобных проблемах, мне одному в любом случае не осилить полную разработку этой идеи. Чтобы ответить хотя бы себе о возможности её осуществления, надо пока принять, что движение вдоль направляющей должно проходить при ограниченной скорости в режиме всё увеличивающегося торможения. Мы должны не падать вдоль направляющей, а сползать по ней. Допустим, что приемлемой будет скорость порядка 100 - 200 км/час. Тогда запуск ("сползание") на орбиту будет длиться примерно 10 - 20 часов, и каждые сутки можно будет отправлять на орбиту от двух до четырёх грузов, если считать, что направляющая будет симметричной, как показано на рис. 1. Но наша космическая праща может иметь не только две симметричные направляющие, а практически сколько угодно подобных частей. Так что её пропускная способность в принципе ничем не ограничена.

Но не будем фантазировать на тему пропускной способности, а вернёмся к режиму торможения. При этом процессе будет выделяться энергия, которую надо куда-то девать. Учитывая, что продольная скорость нашего груза без торможения будет доходить до величины первой космической скорости, можно понять, что общая величина энергии, выделяемой при торможении, будет весьма большой. Чтобы тормозная система не перегрелась, явно понадобится отводить энергию торможения. Допустим, она будет преобразовываться нами в электрическую энергию. Тогда её надо будет отправлять по проводам к началу направляющей, в сторону оси вращения пусковой установки. А это усложнит конструкцию направляющей. Кроме того, основная часть направляющей находится в зоне очень низкой плотности воздуха, а это означает дополнительные трудности с охлаждением тормозного устройства. 

Мне кажется, что самым простым решением будет удерживать тележку с помощью вспомогательного каната, который надо будет потихоньку сматывать с бобины, также расположенной в районе оси вращения 1. Тогда проблема выделения энергии торможения тележки будет также решаться там же. Нам надо будет заботиться только об энергии, выделяющейся за счёт вращения направляющих роликов, обеспечивающих движение тележки вдоль направляющей 2, которая в этом случае может быть выполнена в виде обычного троса (каната) переменного сечения. Мне кажется, что эта проблема уже вполне решаемая. Нам только надо будет после каждого запуска втягивать обратно вспомогательный канат. Вместе с ним будет возвращаться и тележка. Необходимость втягивания обратно вспомогательного каната, разумеется, увеличит примерно вдвое длительность каждого запуска, но зато уменьшает до минимума вероятность возникновения дополнительных проблем.

Проблема провисания направляющей

На направляющую 2 и массу 3 действуют не только центробежные силы, но и силы тяжести. Поэтому направляющая вовсе не будет находиться в плоскости, перпендикулярной оси вращения 1, а будет несколько провисать вниз. Это можно легко обнаружить чисто экспериментально. Насколько велико это провисание? Не окажется ли так, что направляющая при своём вращении вокруг оси 1 будет просто-напросто задевать поверхность Земли? 

Провисание можно уменьшить за счёт увеличения центробежных сил, натягивающих канат, т.е., за счёт более быстрого вращения направляющей. Но тогда уменьшается длина направляющей, при которой достигается первая космическая скорость, а это означает уменьшение высоты АВ, на которой будет находиться масса 3, что тоже нежелательно.

Я не стал пытаться рассчитывать провисание для различных вариантов, а стал искать конструктивные методы противодействия. Во-первых, ось вращения пусковой установки можно разместить на высокой башне или вершине горы. Во вторых, участок направляющей, находящейся на некотором расстоянии от оси вращения, можно поднять с помощью дирижабля или даже самолёта, который будет описывать круги вокруг оси вращения (Рис. 2). 


Рис. 2. 1 - ось вращения, 2 - направляющая, вращающаяся вокруг оси 1, 3 - тяжёлая масса, 4 - дирижабль

 

При этом можно говорить о высоте поднятия порядка 10 - 20 км. В-третьих, всю установку можно поднять на стратостате. Стратостаты поднимаются на высоту, превышающую 40 км, но и 30 км будет вполне достаточно. 

Но самое интересное решение я нашёл экспериментально. Направляющая не обязательно должна начинаться от точки на оси вращения. Раскрутка (например, бечёвки с гайкой) производится движением руки по окружности некоторого радиуса. Оказывается, угол провисания зависит от радиуса окружности, по которой движется начальная точка направляющей вокруг оси вращения. Можно получить "провисание", направленное не вниз, а вверх! Этот результат был для меня не совсем неожиданным. Конечно, я экспериментировал с очень небольшой длиной направляющей, и не могу гарантировать, что этот эффект будет проявляться при любой длине. Хорошо бы нашёлся математик, который сумеет это просчитать. Сам я это вряд ли смогу сделать.

Если результаты моего эксперимента будут пригодны для любых длин направляющей, то проблему провисания можно считать решённой. Более того, это позволит применять гораздо менее длинные направляющие при достаточной высоте движения массы 3 над Землёй.

Проблема уменьшения сопротивления воздуха на начальном участке длины направляющей

Эта проблема тесно связана с предыдущей. Конечный участок направляющей с массой 3, естественно, находится на достаточно большой высоте над Землёй, где воздух весьма разрежён, и потому не испытывает большого сопротивления вращательному движению вокруг оси. Начальный же участок должен находиться, например, на высоте, где он не будет задевать, по крайней мере, линии электропередач или высотные здания. То есть , ось вращения пусковой установки должна находиться, по крайней мере, на относительно невысокой башне. Только если разместить пусковую установку на судне, в пустынной части моря или океана, можно не предъявлять обязательных требований к минимальной высоте, на которой должна находиться пусковая установка. То есть, в принципе начальная часть направляющей может находиться в самых плотных слоях атмосферы. Это может вызвать значительные потери энергии на преодоление сопротивления воздуха. Скорость вращения направляющей в начале запуска всегда должна иметь постоянную величину. Поэтому она всегда должна поддерживаться с помощью специального устройства, которое в простейщем случае может представлять из себя электромотор с воздушным винтом, закреплённым в одной из точек направляющей.

Если запуски будут относительно редкими, то основное количество потребляемой энергии будет уходить именно на преодоление сопротивления воздуха при вращении направляющей. Чем более часты будут запуски, тем меньше будет часть энергии, теряемой только на поддержание скорости вращения.

Чем меньше длина направляющей (т.е., чем меньше требуемая высота круговой околоземной орбиты), тем выше должна быть угловая скорость вращения направляющей, и тем выше линейная скорость движения начального участка направляющей и тем больше относительная величина потерь энергии, затрачиваемой на поддержание вращения. С этой точки зрения более выгодны высокие околоземные орбиты, так как они требуют большую длину направляющей, вследствие чего уменьшается угловая скорость направляющей и уменьшается скорость движения начального участка направляющей. 

Но в любом случае для уменьшения потерь энергии на преодоление сопротивления воздуха выгодно более высокое положение начального участка направляющей, и желательно применение всех тех мер, которые были упомянуты при рассмотрении проблемы провисания направляющей.

Наклон оси вращения пусковой установки

В случае, когда ось вращения пусковой установки находится на довольно большой высоте, например, поднята стратостатом на высоту порядка 30 км, возможен приём (рис. 3), с помощью которого может быть уменьшена длина направляющей.


 


                                                            Рис. 3

На рис. 3 показана тонкой линией направляющая, вращающаяся вокруг вертикальной оси, проходящей через точку О. Центральная точка направляющей находится довольно высоко над Землёй. Такое высокое положение позволяет несколько отклонить ось вращения 1 от вертикали, причём без риска соприкосновения направляющей 2 с поверхностью Земли. Вследствие наклона оси 1 наклоняется и плоскость вращения направляющей 2, которая показана более толстой линией. Высота АВ расположения массы 3 над Землёй при этом значительно увеличивается. Как мы видим из рисунка, это позволяет получить необходимую высоту орбиты при меньшей длине направляющей. Это, в свою очередь, позволяет увеличить угловую скорость вращения массы 3 и, тем самым, увеличить натяжение направляющей.

Возможности и преимущества новой системы запуска грузов на баллистическую орбиту

К сожалению, современное общество, вернее, его правящая верхушка, прежде всего ищет возможность военного применения любого новшества. Даже такое, казалось бы, абсолютно мирное новшество, как телефон, нашло, прежде всего, военное применение. Метод консервирования пищи для долговременного хранения, очень важный для населения в случае неурожайных лет, был придуман именно для военных. Любое оружие только усиливает возможность диктаторских правительств (демократическими они являются только по названию) подавлять население своих стран. Но создать что-либо технически новое, что не может быть использовано правительствами против населения, вряд ли возможно.

По-видимому, каждый мог заметить, что описанный выше метод позволяет не только отправлять грузы (тела, капсулы) на орбиту вокруг Земли, но, по-видимому, применим и для случая отправки снаряда на более короткую баллистическую орбиту, например, межконтинентальную. Это чисто военное применение. Правда, при этом нужно дополнительно скорректировать начальный угол, например, с помощью порохового заряда. Во время второй мировой войны космическая праща явно бы сгодилась для того, чтобы забрасывать города снарядами далеко через линию фронта. И обошлось бы это намного дешевле, чем это делалось в те времена с помощью ракет. 

Применимость космической пращи явно требует увеличения современного грузового и/или пассажирского потока. Стоимость современного космического туризма может быть резко уменьшена при применении космической пращи. Уменьшение стоимости резко увеличило бы спрос на этот вид туризма. Поэтому вполне можно представить хотя бы ежедневную отправку туристов в "космическое" пространство.

При космическом туризме применяются высоты до 100 -120 км и скорости движения до 1500 м/сек. Ускорение при "сползании" по направляющей при этих скоростях почти не ощущается. При запуске же на круговую орбиту ускорения при "сползании" могут достигать 3 - 4 g. Хотя подобные ускорения в современной ракетной космонавтике считаются небольшими, но при ракетном запуске на орбиту большие ускорения длятся очень короткое время. При "сползании" же по направляющей они могут длиться часами, и возможно, для запуска людей это окажется слишком большой нагрузкой. Конечно, большим преимуществом окажется уже уменьшение стоимости запуска грузов, для которых многочасовые ускорения в 3 - 4 g при "сползании" не будут проблемой. Тем не менее, решение проблемы бесконтактной (магнитной) подвески тележки будет абсолютно необходимым.

Окупить разработку и строительства магнитной подвески можно предварительно с помощью "космического туризма", которое возможно осуществлять и в режиме "сползания" по направляющей. 

При достижении максимальной скорости 1500 м/сек туристы практически не испытывают никакой дополнительной нагрузки. Но этот режим имеет для туристов и другое преимущество. Туристы будут находиться в "космическом пространстве" (выше 100 км над Землёй) гораздо более длительное время - по нескольку часов, и смогут вдоволь налюбоваться космическими красотами. 

Решение же проблемы магнитной подвески позволит резко уменьшить и стоимость отправки людей на околоземную орбиту. Это позволит осуществить мечту Циолковского о космических городах на орбите. Об этом мечтают и американские космонавты. Теперь эта мечта может осуществиться. А вследствие этого будет частично решена ещё одна проблема человечества - проблема перенаселения.

В настоящий момент практически не решена проблема столкновения больших астероидов с Землёй, которые могут погубить всё население Земли. Конечно, о подобной катастрофе не хотелось бы говорить. Но тем не менее, наличие на орбите космических городов в этой ситуации хотя бы не позволит погибнуть всему человечеству. Такая перспектива всё-таки внушает некое подобие надежды, исключая всеобщую гибель даже в таком экстремальном случае.

Кроме того, резкое удешевление отправки людей в космос решило бы также проблему перенаселения Земли, по крайней мере, на ближайшие столетия. Пока ещё можно сказать, что на околоземных орбитах достаточно места для любого количества людей.

Придуманная 40 лет назад (в 1981 году) пусковая петля Лофстрома, будет закидывать аппараты в космос с помощью закольцованного шнура, непрерывно движущегося в магнитном поле со скоростью 12–14 км/с. Её сооружение будет стоить около 10 млрд долларов. Но это ещё не главные расходы. Очень дорого обойдётся постоянное поддержание её в работоспособном состоянии.

Простейший вариант космической пращи обойдётся не более, чем в 100 млн. доларов, в 100 раз дешевле. Расходы на обслуживание состоят в основном только в восполнении энергии вращения направляющей.

Мне кажется, что космическая праща, в случае её постройки и введения в эксплуатацию, позволит человечеству смотреть в будущее с гораздо большим оптимизмом. А инвесторы, которые поверят в реальность космической пращи, и думающие только о своих доходах, также могут надеяться на своё обогащение с помощью космической пращи уже в течение ближайших десятилетий (идея запатентована и потому может использоваться частными инвесторами). Даже фабрика, выпускающая канаты, может позволить себе постройку простейшей модели космической пращи для космического туризма, и на этом стать номером один в освоении космоса. 


 

По теме
Портал «Всем!ру» создает команда неравнодушных и деятельных профессионалов. Спасибо, что остаетесь с нами в это непростое время.
Редакция портала: privet@wsem.ru
Создайте канал и публикуйте статьи и новости бесплатно!