|
Высадка землян на экзопланету
|
|
|
|
Сначала отформатируем ваш вопрос, ведь правильная постановка вопроса — уже половина ответа. Что подразумевается под словосочетаниями «преодоление земного притяжения» и «покинуть такую планету»? Так можно сказать про покидание поверхности планеты с выходом на орбиту вокруг нее. Покинули планету? — да, покинули. Но не покинули ее гравитационное поле, в котором корабль продолжит обращаться вокруг планеты; именно оно делает его траекторию замкнутой и околопланетной. И так же можно сказать про покидание гравитационного поля планеты, перелет от нее на большое расстояние, где гравитация планеты уже будет ничтожно мала и не повлияет на движение и состояние космического корабля. Например, он отправится на Марс или Юпитер. И вот это уже будет полное преодоление притяжения планеты. Оба случая можно понять как «преодоление притяжения» и «покинуть планету». Рассмотрим вначале первый вариант: подъем с поверхности планеты (назовем ее планета Х) на околопланетную орбиту.
|
|
|
|
Второе уточнение: что значит «Космический корабль, взлетающий с Земли»? В обычном классическом варианте космический корабль — это лишь пассивный груз ракеты-носителя. Взлетает с Земли именно ракета, она и выводит космический корабль на орбиту. В случае со «Старшипом» компании СпейсХ космическим кораблем является вторая ступень ракеты-носителя, которая не сама «преодолевает притяжение», а лишь участвует в общем процессе выхода на орбиту. Так устроен и не только «Старшип»: например, точно так же полвека назад вторая ступень американской ракеты-носителя «Тор-Аджена» сама становилась разведывательным спутником серии КН. Именно ракета рассчитывается для вывода груза на орбиту — как по энергии выведения (то есть запасу топлива), так и по перегрузке, которую ракета должна для этого создать.
|
|
|
Перегрузка — это ускорение, исчисленное в среднем ускорении силы тяжести на поверхности Земли, обозначаемом g. Любой покоящийся предмет на Земле испытывает это ускорение, и соответственно вертикальную перегрузку в одну единицу, или 1g. Перегрузка ракеты определяется отношением силы тяги двигателей ступени к ее текущей массе. Отметим, что g — это не гравитационная сила в чистом виде. Это сила тяжести, то есть сила давления на опору или подвес: сила гравитации, к которой векторно прибавлены другие силы, например, инерционная центробежная сила от вращения планеты, зависящая от широты, геометрии планеты и скорости ее вращения.
|
|
|
|
И это еще одно уточнение вашего вопроса: силу гравитации нельзя путать с силой тяжести, результатом сложения гравитационной силы с другими силами. У них разные причины появления, направление, величина и поведение. И не только с инерционной: например, с архимедовой силой в океане или атмосфере, или силой аэродинамического сопротивления при входе корабля в атмосферу (создающей перегрузки в несколько g), и другими. Например, при входе корабля в атмосферу на него действуют одновременно гравитационная сила, архимедова сила атмосферы, сила аэродинамического сопротивления (в пике своего действия в разы превышающая другие силы), возможно, сила тяги тормозных двигателей, и сила инерции. В общем ансамбле сил гравитационная сила лишь один компонент из многих — и не всегда главный и определяющий картину.
|
|
|
|
При взлете тяга двигателей ускоряет ракету сильнее, чем сила тяжести, и действует навстречу ей. Поэтому ракета испытывает перегрузку больше единицы и поднимается вверх. В процессе набора высоты перегрузка плавно растет из-за уменьшения массы ракеты (на сгоревшее топливо), а сама ракета и вектор перегрузки постепенно наклоняются к горизонту (ведь орбитальная скорость горизонтальна или почти такова). С выключением двигателей первой ступени перегрузка падает до нуля, при запуске двигателей следующей ступени она возникает сразу с некоторого значения и плавно растет по мере выработки топлива. Цикл повторяется до выхода на орбиту — перегрузка последний раз обнуляется, наступает невесомость.
|
|
|
|
Чтобы ракете (или космическому кораблю, если он может сам взлетать с планеты и выходить на орбиту) стартовать с планеты Х с местным ускорением силы тяжести в 1,5 g, тяга ее двигателей должна создавать перегрузку еще больше. Тогда ракета начнет двигаться вверх от поверхности. Но этого мало: перегрузка должна так ускорить ракету, чтобы она смогла достичь орбитальной скорости на заданной высоте над планетой. И отметим: это отнюдь не первая космическая скорость, которая определяется всегда для поверхности небесного тела (то есть для нулевой высоты над ней).
|
|
|
|
При слабой перегрузке (хотя и больше единицы для взлета с поверхности) ракета будет разгоняться медленно и долго (при этом все время интенсивно сжигая топливо). А ведь запас топлива ограничен, и его должно хватить для выхода на орбиту. Поэтому перегрузка должна успеть разогнать ракету до орбитальной скорости чуть раньше, чем закончится топливо. На какой высоте над планетой Х мы расположим целевую (на которую нужно выйти) орбиту, сколько потребуется топлива для выхода туда — это определит набор факторов: масса корабля (полезной нагрузки), энергоемкость топлива, совершенство двигателей, создаваемая ими тяга и перегрузка, массовое совершенство конструкции ракеты, выбор траектории выведения, и другие параметры.
|
|
|
|
Сформулируем ответ: для того, чтобы космический корабль (в качестве активной взлетной ступени) смог покинуть планету с «силой гравитации в 1,5 раза больше, чем на Земле», он должен обладать достаточной для взлета тягой двигателей (как минимум чтобы взлетная перегрузка была больше местной единицы для подъема с поверхности планеты) и запасом топлива для выхода на орбиту. Вернее, сочетанием тяги двигателей и запаса топлива, вместе позволяющим выйти на низкую орбиту вокруг планеты Х. Это легче сделать с Луны с ее гравитацией всего в 1/6 земной. А в условиях гравитации в 1,5 раза больше земной это означает взлет мощной заправленной ракеты-носителя, предварительная посадка которой на планету Х видится сегодня нереальной. Чтобы она стала реальной, нужна местная заправка топливом — или принципиально другие двигатели и запас энергии, вроде ядерных двигателей большой тяги, достаточных для старта с планеты Х.
|
|
|
|
После этого возможен второй этап — покидание гравитационного поля планеты. Тут важен лишь запас топлива, обеспечивающий приращение скорости и энергии корабля для такого покидания. А уровень тяги двигателей не ограничен требованиями взлета с поверхности планеты (перегрузка больше местной единицы) или временем разгона до нужной скорости. Перейти с низкой орбиты на траекторию покидания гравитационного поля планеты Х можно и за долгое время, несколькими отдельными включениями двигателей, или даже непрерывной длительной (месяцы и годы) работой двигателя с очень малой тягой, но все же постепенно разгоняющей корабль до скорости покидания. Эта скорость (зависящая от высоты над планетой; для покидания с поверхности планеты она называется второй космической скоростью) обеспечит удаление от планеты бесконечно далеко с полным решением заданного вопроса.
|
|
|
|
Источник
|
