واضح است, اما من آن را می گویند: موشک های سرد هستند. ارسال مواد به فضا با یک واکنش شیمیایی است که فقط احمق-عالی. اما واضح است که ما نمی تواند نگه داشتن با استفاده از مواد شیمیایی موشک برای قرار دادن ماهواره در مدار. آنها بیش از حد گران و سوخت سنگین است—که به معنی شما نیاز به حتی بیشتر سوخت برای حمل سوخت.

بنابراین من هیجان زده در مورد این پیشنهاد راه اندازی سیستم SpinLaunch. ایده اساسی این است که به لحاظ جسمی پرتاب یک موشک کردن این سیاره در بسیار به همان شیوه اجداد ما پرتاب سنگ با چرم رسن. در این مورد یک سانتریفیوژ خواهد چرخش و صنعت در اطراف در یک خلاء به ساخت تا مجنون سرعت پس از باز کردن درب و انتشار آن به آسمان.

اما این فیزیکدان در من نیز نمی تواند کمک کند که کمی شک و تردید است. چالش در اینجا مانند هوا کشیدن برای شروع—به نظر می رسد بسیار زیاد است. من ادعا نمی کنم این چیزی که کار نمی کند اما من می خواهم به بحران اعداد خودم را به دیدن آنچه در آن درگیر هستند. اجازه دهید آن را برای چرخش!

شتاب Sensation

قبل از اینکه من به محاسبات بیایید نگاهی به جزئیات این سیستم و فیزیک درگیر است. در اینجا چیزی است که من می دانم در مورد SpinLaunch از زمان مشخصات:

  • پرتاب چرخش در یک دایره با قطر 100 متر است.
  • حمل بار جمعی از 100 کیلوگرم به علاوه شاید یکی دیگر از 100 کیلوگرم برای فضاپیما (من فرض این است که فقط یک نمونه)
  • سرعت چرخش در راه اندازی 450 دور در دقیقه
  • راه اندازی سرعت 7,500 کیلومتر در ساعت (4,660 mph)
  • Spin-تا زمان 1.5 ساعت
  • راه اندازی زاویه 35 درجه

فقط برای روشن شدن آن هنوز هم یک موشک. هنگامی که این هنر و صنعت می رسد بیرونی اتمسفر در ارتفاع حدود 60 کیلومتر آن را با استفاده از یک موتور موشک به آن فشار بقیه راه است.

در حال حاضر برای برخی از فیزیک. وجود دارد یک دسته از مسائل در اینجا, بنابراین من فقط به رفتن بیش از ایده های کلیدی. من شروع با اشیاء در حال چرخش در یک دایره. فرض کنید من یک توپ در یک رشته و نوسان آن را در اطراف در یک سطح افقی. به عنوان بازدید از بالای صفحه آن را شبیه به این:

a sphere cut off with a dot in the middle. Three lines move away from the dot toward the outer edge.
تصویر: Rhett Allain

این نشان می دهد توپ را در دو نقطه مختلف. به عنوان شما می توانید از فلش حتی اگر توپ در حال حرکت با سرعت ثابت آن را به طور مداوم در حال تغییر جهت است. با این تعریف بدان معناست که سرعت توپ در حال تغییر است سرعت یک بردار با هر دو سرعت و جهت باد—که به نوبه خود بدان معنی است که شتاب. این می آید مستقیما از بردار تعریف شتاب:

a equals change in v over change in t
تصویر: Rhett Allain

به صورت ویژه مورد حرکت دایره ای این قدر از این شتاب خواهد بود:

a equals v squared over R which also equals w swaured times R
تصویر: Rhett Allain

در اینجا v (بدون فلش بیش از آن) است قدر این توپ را سرعت خطی و R شعاع دایره. این به این معنی است که رفتن سریع تر نتایج را در یک شتاب بالاتر و ساخت دایره بزرگتر باعث کاهش شتاب.

به عنوان بالا نشان داده شده است شما همچنین می توانید نوشتن که از نظر سرعت زاویه ای (ω) به جای سرعت خطی. اما این واقعا همان چیزی که پس از این سرعت برابر با محصول از سرعت زاویه ای و شعاع (اگر ω است که در واحد رادیان در ثانیه). اوه جهت این شتاب به سمت مرکز دایره است.

با استفاده از این شما می توانید محاسبه شتاب از حمل بار آن را به عنوان نزدیک سرعت راه اندازی. در نتیجه در شرایط g نیروهای ذهن ترا درهم میشکنند—بیش از 9000 به بچه ها می گویند. در واقع آن را بیش از 10000 g است. برای مقایسه انسان نمی تواند مسئولیت رسیدگی به بیش از 10 گرم برای هر دوره.

بدیهی است که این کار نخواهد کرد برای حمل فضانوردان یا فضای گردشگران (و SpinLaunch روشن است که این به معنی این نیست). اگر شما در این چیزی که شما می خواهم له مثل یک اشکال در یک شیشه قبل از اینکه شما در زمان خاموش. من گمان می کنم این ممکن است روی حیله و تزویر برای انواع خاصی از محموله به عنوان به خوبی همه چیز با ساختار خارجی مانند انرژی خورشیدی می تواند بیش از حد شکننده است بنابراین ماهواره طراحان نیاز به rigors از راه اندازی به حساب آورد.

چقدر نیروی آن نیاز دارد ؟

اما آن را نه فقط در شتاب است که باعث ایجاد چالش های آن را نیز نیروی مورد نیاز برای کشیدن این فضاپیما در اطراف در یک دایره. قدر این نیرو را می توان محاسبه با استفاده از نیروی متحرک رابطه (اغلب به نام نیوتن قانون دوم).

F equals mass times acceleration
تصویر: Rhett Allain

بنابراین اجازه دهید با استفاده از اعداد از SpinLaunch و محاسبه نیروی مورد نیاز به شلاق یک فضاپیما به سرعت. من انجام این کار در پایتون اسکریپت زیر مرتبط است بنابراین شما در واقع می توانید در رفتن و تغییر مفروضات به ببینید که چگونه آنها بر نتایج—با کلیک بر روی آیکون مداد برای دیدن کد. در اینجا چیزی است که دریافت می کنم:

آره. که یک نیروی 22 میلیون نیوتن (یا برای شما imperial ها حدود 5 میلیون پوند). که تقریبا به عنوان بسیاری به عنوان شما می خواهم نیاز به نگه دارید تا یک Saturn V موشک. فقط تصور کنید با استفاده از برخی از نوع نوار فلزی (مانند یک غول صحبت چرخ) به مقاومت در برابر این نوع از زور. آن را تقریبا به نظر می رسد مانند شما نمی تواند آن را انجام دهد.

اما پس از یک جستجوی سریع متوجه شدم که یک آلیاژ تیتانیوم دارای استحکام کششی نهایی از 900 MPa. با این که من می توانم محاسبه عرض یک تیر با مقطع مربع است که می تواند حمایت از این نیرو. در واقع همانطور که شما در بالا می بینید, آن بد نیست—فقط 15 سانتی متر است. که شدنی است.

آنچه در مورد قدرت ؟ قدرت رای که شما انجام کار (با توجه به زمان). در این مورد کار انجام شده است که افزایش در انرژی جنبشی فضاپیما که در آن انرژی جنبشی به عنوان تعریف شده است:

K equals m times v sqaured divided by 2
تصویر: Rhett Allain

با این تغییر در انرژی جنبشی و زمان 1.5 ساعت من به طور متوسط قدرت 103 کیلووات. که خیلی بالا اما نه دیوانه بالا برای چیزی شبیه به این.

می توانید آن را رسیدن به مدار?

تا کنون همه چیز به نظر می رسد حلال است. منظورم این است که شما نباید ساخت این در حیاط پشتی منزل خود و یا هر چیزی اما از نظر مهندسی به نظر می رسد ممکن است. اما می توان یک سیستم مانند این در واقع قرار دادن یک محموله در مدار? برای این که ما نیاز به بررسی مداری حرکت است. (این پست های قدیمی تر را نیز می دهد یک دید کلی خوبی در مورد این موضوع.)

بیایید می گویند شما می خواهید برای دریافت این محموله به مدار زمین کم (LEO) بود که در ایستگاه فضایی بین المللی در مدار. شما را مجبور به انجام دو چیز است: اول شما نیاز به رسیدن به مداری با ارتفاع حدود 400 کیلومتری بالای سطح زمین است. دوم شما باید برای رفتن سریع—سریع واقعی. در غیر این صورت شما فقط سقوط به پایین.

برای لئو این بدان معناست که این فضاپیما نیاز نهایی سرعت 7,666 متر در هر ثانیه (17,148 مایل در ساعت). واضح است که این چرخش راه اندازی رفتن نیست برای به دست آوردن چیزی که تمام راه را به مدار است, اما از آن خواهد شد آن را به خوبی افزایش دهد.

اما صبر کنید. موضوع دیگری—هوا کشیدن. به محض این که این خودرو راه اندازی شده است از عنکبوتی که تار میتند چیزی که آن را وارد جو است. آن را به عنوان حرکت را از طریق هوا ، فشار هوا پشت در هنر و صنعت با نیروی که بستگی به سرعت (v). ما به این درجه کشیدن نیروی. آن چیزی که شما احساس می کنید زمانی که شما با قرار دادن دست خود را از پنجره ماشین در حال حرکت. این نیرو همچنین بستگی به چگالی هوا (ρ باشد) شکل جسم (C) و آن مقطعی منطقه به عنوان بازدید از جلو (A). قدر این نیرو می توان به مدل (در بسیاری از, اما نه همه) موارد به عنوان زیر:

equation for fair drag
تصویر: Rhett Allain

من می خواهم به استفاده از این و محاسبه شتاب صنعت راست پس از آن برگ های این لانچر. این شتاب خواهد بود به دلیل کشیدن زور—و پس از آن را هل می دهد در جهت مخالف به حرکت خود آن را به آن را پایین آهسته است. (به یک فیزیکدان هر گونه تغییر در سرعت مثبت یا منفی شتاب است.)

البته من از رفتن به نیاز به ایجاد چند تخمین می زند برای اندازه و شکل توده ای از هنر و صنعت است. سخت ترین برآورد خواهد بود که ضریب درگ. چیزهای عجیب و غریب می شود در سرعت فوق العاده بالا. من فقط با رفتن به کمترین مقدار معقول از حدود 0.1. دوباره در اینجا تمام ارزش های من, بنابراین شما می توانید سعی کنید فرضیات مختلف:

که بدان معنی است که زمانی که هنر و صنعت برگ پرتاب آن را به شروع به کم کردن سرعت واقعی سریع. اگر شما در داخل اثر برخورد هوا خواهد به احتمال زیاد شما را بکشند. اما نگران نباشید شما در حال حاضر مرده بودند از ریسندگی ، اما با این شتاب بالا و صنعت را پایین آهسته بسیار کمی. این واقعا نیاز به رفتن به که موتور موشک به آن را افزایش می دهد.

خوب من هنوز هیجان زده برای دیدن این کار چیزی! در اینجا برخی از تکالیف فیزیک سوال برای شما.

  • فرض کنید زمین تا به حال هیچ جو است. چگونه بالا خواهد فضاپیما توانید فقط از چرخش راه اندازی اگر آن ضربه مستقیم است ؟ اگر چه در آن راه اندازی شد و در 35 درجه زاویه ؟ آیا شما را به حساب انحنای سیاره ؟
  • محاسبه مقدار کل انرژی مورد نیاز برای این صنعت به لئو. چه درصد از این ارزش ندارد عنکبوتی که تار میتند فراهم شده است ؟
  • دوباره چشم پوشی از مقاومت هوا. چگونه سریع می خواهد این نکته را به چرخش به سادگی تمام راه را به لئو بدون افزایش موشک? اگر آن را هنوز هم با استفاده از 100 کیلووات قدرت چه مدت طول خواهد آن را به چرخش ، چه نوع از شتاب خواهد حمل بار را در طول چرخش?
  • آنچه در مورد بزرگتر عنکبوتی که تار میتند? چه اتفاقی می افتد اگر شما افزایش قطر از 100 متر تا 200 متر ؟ آیا این آن را بهتر ؟ ممکن است آن را بزرگ به اندازه کافی به طوری که شتاب نمی کشتن یک انسان است ؟
  • مدل حرکت پیشه وری پس از آن منتشر شده است از جمله محاسبه نیروی کشیدن.

tinyurlis.gdv.gdv.htu.nuclck.ruulvis.netshrtco.detny.im