الرأي/الجاذبية والسرعة القصوى - الطموح النهائي في الرحلات الفضائية المأهولة الطويلة

في الرحلات الجوية الطويلة المأهولة، فإن ظروف انعدام الوزن الموجودة في الفضاء ليست الظروف المثالية اللازمة للمسافرين عبر الفضاء بجميع أنواعهم.

הקדמה

سيتم تقسيم الرحلات الفضائية المستقبلية إلى فئتين رئيسيتين: الرحلات المأهولة والرحلات غير المأهولة. فيما يتعلق بالرحلات الجوية بدون طيار، فإن انعدام الوزن الموجود في معظم الرحلة لن يكون مهمًا. على الأرجح لن يتدخل هذا وسيفعل ذلك في معظم الأوقات. ومن ناحية أخرى، في الرحلات الجوية الطويلة المأهولة، فإن ظروف انعدام الوزن الموجودة في الفضاء ليست الظروف المثالية اللازمة للمسافرين عبر الفضاء بجميع أنواعهم. وظاهرة فقدان المادة العظمية للركاب في حالة انعدام الجاذبية معروفة وستكون هناك ظواهر نفسية أخرى تنتج عن انعدام الوزن. عادة ما يكون طموح الركاب هو الطيران معظم وقت الرحلة، مع الشعور بالجاذبية التي اعتادوا عليها على الأرض، ويجب على مخططي الرحلات المستقبلية توفير هذه "السلعة" المهمة. هناك مطلب آخر لرواد الفضاء وهو القيام بذلك بأقصى سرعة ممكنة.

كيف سيتم تحقيق الجاذبية؟

ونحن نعلم من النسبية أن التسارع يعادل الجاذبية. لن يتمكن الشخص الموجود في زنزانة مغلقة من تمييز ما إذا كان الإحساس بالجاذبية الذي يشعر به يرجع إلى وجوده بالقرب من كتلة كبيرة تؤثر عليه، أم أنه في حالة تسارع.

لذلك، ومن أجل تلبية الطلب على الجاذبية للمسافرين إلى الفضاء في المستقبل، سيكون من المناسب تزويدهم برحلة بتسارع قدره G واحد (9.8 متر في الثانية المربعة) للوصول إلى شعور بالجاذبية مماثل لذلك الموجود على الأرض.

إمكانية الحصول على التسارع G يمكن أن تتم بطريقتين:

و. بمساعدة التسارع الشعاعي الناتج عن الدوران.
ب. التسارع الخطي في اتجاه حركة المركبة الفضائية.

الطريقة الشعاعية ستتم من خلال تدوير المركبة الفضائية حول محور وهمي يقع في مركز ثقلها، عندما تتحقق الجاذبية نفسها عن طريق القوة الطاردة المركزية، التي تدفع الأجسام من المركز، إلى الخارج. سيتم حساب حجم الجاذبية وفقًا للصيغة: G يساوي V تربيع مقسومًا على R. حيث V هي السرعة الطرفية لمنطقة السفر بالأمتار في الثانية وR هي المسافة بالأمتار من محور الدوران وG هو تسارع الجاذبية (9.8 م في الثانية المربعة).
يمكننا أيضًا أن نقول أنه بما أن V يمكن حسابها على أنها محيط الدوران مقسومًا على زمن دوران واحد T، فإذا وضعناها في الصيغة سنحصل على أن T يساوي جذرين لـ R. (لمن يريد، إن تطوير الصيغة بسيط جدًا ويمكنك القيام بذلك بنفسك).

وسنعطي أمثلة عددية:
لنفترض أن R يساوي 100 متر، فإن زمن دورة منطقة الركاب حول المحور لتحقيق تسارع قدره G واحد سيكون 20 ثانية. وإذا افترضنا أن R ستكون 10 أمتار فقط، فإن زمن الدورة للحصول على G واحد سيكون 6.3 ثانية.

ومن لحظة تحقيق الدوران المذكور أعلاه، لن تكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية وسيقوم الدوران بدوره في الجاذبية بنجاح. وهذا هو السبب في أن هذه هي الطريقة المختارة لأداء الجاذبية في معظم المقالات العلمية. لكن يجب ألا نتجاهل عددًا من العيوب الكامنة في هذه الطريقة:

و. وسيكون من المستحيل اتباع هذا الأسلوب في المركبات الفضائية الصغيرة بسبب ظاهرة الدوار المزعجة الناتجة عن الدوران المستمر.
ب. كما أن نصف قطر الدوران الصغير سيسبب أيضًا عدم الراحة بسبب الاختلافات بين الجاذبية التي ستؤثر على رأس الراكب، والجاذبية الأكبر التي ستؤثر على ساقيه.
ثالث. الحاجة إلى سفينة فضائية كبيرة من أجل الحصول على تأثير جاذبية مناسب.
رابع. من شأن مركبة فضائية أكبر أن تخلق إمكانية أكبر لمواجهة المواد بين النجوم.

وسندرس الآن إمكانية تحقيق الجاذبية وفق الطريقة ب – التسارع الخطي في اتجاه حركة المركبة الفضائية.

وقبل أن نبدأ بمناقشة هذه الطريقة، يذكر كاتب المقال مقدما أن الطريقة تتطلب وسائل دفع غير موجودة اليوم، وهي في أحسن الأحوال في مراحل تجريبية أولية، لكن الوضع واعد. سنناقش الطريقة ونفتحها وبعد ذلك سنذكر أيضًا وسائل الدفع.

حسنًا، بهذه الطريقة سنحقق الجاذبية، وذلك بإعطاء تسارع G لسفينة الفضاء في مسارها. (ليس من المهم في الوقت الحالي كيف).
عندما تصل سفينة الفضاء إلى منتصف الطريق إلى هدفها، ستدور نصف دورة حول محور، وتنتقل إلى وضع التحويم. وسيكون تأثير التباطؤ في هذا الصدد هو نفس تأثير التسارع لغرض استقبال الجاذبية.
ما يشبه هذا، لنفترض أننا في المصعد، في بداية الصعود يتم دفعنا إلى أسفل المصعد وفي النهاية، عندما يتباطأ المصعد، نسعى جاهدين إلى "التمسك" بالسقف.

وباستخدام طريقة التسارع الخطي سنحصل على الحلول التالية:

و. الجاذبية
ب. هذه الطريقة ممكنة أيضًا في سفن الفضاء الصغيرة.
ثالث. أي آثار جانبية.
رابع. ستكون المركبة الفضائية قابلة لإعادة الاستخدام.
ال. الحد الأدنى لوقت الرحلة.

أما فيما يتعلق بالأقسام (أ) و(ب) و(ج) فالأمور واضحة. التسارع يخلق الجاذبية، ويمكن استخدامه حتى على الأجسام الصغيرة وليس هناك أي آثار جانبية مثل الدوخة وما شابه.

فيما يتعلق بالقسم د، فإن الذهاب إلى الفضاء وخاصة العودة إلى الأرض سيتم بسرعة بطيئة حتى لا تتسبب في تسخين جوانب المركبة الفضائية مع كل ما يلي، بحيث يمكن إعادة استخدام المركبة الفضائية، تمامًا مثل الطائرة. .

نتيجة استخدام هذه الطريقة هي السرعة العالية للمركبة الفضائية. نظرًا لأن الظروف الأكثر ملاءمة هي التسارع G، فهذه هي السرعة الأكثر ملاءمة والأكبر للوصول إلى الهدف.
سنناقش الآن زمن الرحلة الذي تم الحصول عليه بهذه الطريقة (القسم 5).
سنستخدم الصيغة التي تربط المسار بالتسارع كما هي موجودة في كل كتب الميكانيكا (S تساوي G في T تربيع مقسومًا على اثنين). إذا لم ننسى أننا بدأنا في التباطؤ في منتصف الطريق، فسنحصل على صيغة T زمن الرحلة بالثواني وS مسافة الرحلة الإجمالية حتى الهبوط بالأمتار:

T يساوي 0.64 ضرب الجذر التربيعي لـ S. (نرحب بالجميع للقيام بذلك بأنفسهم)

سوف نتحقق من أوقات الرحلات المتعددة:

و. الرحلة إلى القمر حوالي أربعمائة ألف كيلومتر - أقل من 4 ساعات!
ب. الرحلة إلى المريخ تبلغ حوالي سبعين مليون كيلومتر - أقل من يومين!
ثالث. تستغرق الرحلة إلى زحل حوالي مليار كيلومتر - حوالي أسبوع فقط!
رابع. الرحلة إلى نبتون، خمسة مليارات كيلومتر - حوالي أسبوعين ونصف!
و. الرحلة إلى وسط حزام كويبر، بما في ذلك
الهبوط على أحد المذنبات هناك حوالي 500
وحدات علم الفلك من الأرض،
وهي حوالي 75 مليار كيلومتر - حوالي شهرين!
(الوحدة الفلكية الواحدة تساوي 1 مليون كيلومتر).

نرى أن مدة الرحلة ستكون قصيرة ومريحة!

ملحوظة: أمثلة الطيران الواردة في هذا المقال هي إلى مركز حزام كويبر الذي يمتد من مسافة ثلاثين وحدة فلكية، حتى مسافة ألف وحدة فلكية. وفي الرحلة إليها ستقترب سرعة المركبة الفضائية من 10% من سرعة الضوء (في منتصف مسارها) ونحن نقترب من الحسابات النسبية التي ليست من اهتمامات هذا المقال.

وسائل الدفع المخططة.

هناك العديد من وسائل الدفع المصممة اليوم، والتي تكون قادرة على منحنا تسارعات عالية وطويلة الأمد.

و. محرك يعمل بالطاقة الذرية.
ب. محرك ايون.
ثالث. الحركة بواسطة الرياح الشمسية.
رابع. الحركة بواسطة شعاع الليزر.
ال. الاستفادة من نظير الهيليوم ثلاثة لإنتاج الطاقة اللازمة للطيران.

لقد تم بالفعل البحث عن كل هذه الأساليب والكتابة عنها وسيتمكن أي شخص من الحصول على مواد عنها على الإنترنت.

سنضيف التفاصيل التالية فقط:
وتصل سرعة الرياح الشمسية إلى مليون كيلومتر في الساعة.
ويتطلب استخدام نظير الهليوم-3 وسائل التعدين والتجميع على القمر، حيث يوجد بكميات كبيرة.
ستتطلب الحركة على شعاع الليزر إنشائها من الطاقة الشمسية بواسطة قمر صناعي موجود في الفضاء، أو بوسائل أخرى على الأرض. الشعاع، على الرغم من كونه شعاع ليزر مركَّز، سيتطلب مرارًا وتكرارًا تركيزه في طريقه.

לסיכום

مشكلة انعدام الجاذبية في الرحلات الفضائية الطويلة تعرض صحة الطيارين للخطر. إن محاولات وقف تدهور مادة العظام عن طريق ممارسة التمارين الرياضية المكثفة طوال الرحلة تكون مفيدة جزئيًا فقط. فقط الجاذبية الكاملة وفق إحدى الطريقتين اللتين ذكرناهما (التسارع الشعاعي أو التسارع الخطي) هي التي ستوفر حلاً للمشكلة.
إن التسارع الخطي رغم إهداره للطاقة يمكن أن يكون هو الحل عندما تعطى الطاقة بشكل شبه مجاني مثل الرياح الشمسية وشعاع الليزر والمحرك الذري وغيرها من الطرق المستقبلية.
هذه الطريقة، بمجرد تحقيقها، يمكن أن تجعل رحلة الفضاء مريحة وسريعة، مثل المركبة الفضائية
يمكن إعادة استخدامها.
وستكون طريقة التسارع الخطي هي الطريقة الأمثل للحركة في النظام الشمسي (على الأقل) وأي شكل آخر من أشكال الحركة يجب أن يسعى للوصول إلى هذه الحركة إن أمكن.

فهرس

دليل الكون بقلم جون جريبين، دار نشر دفير، 2002.

فيزياء المدرسة الثانوية – الميكانيكا، سيرز زيمانسكي، منشورات يافني.

علم الفلك – دليل لمعرفة السماء / يجال فات إيل.

الكون – أساسيات الفيزياء الفلكية، مئير ميديف، نوح باروش، حجاي نتزر،
مطبعة الجامعة المفتوحة، طبعة 2000.
.
لتجميع مقالات يهودا سابدارمش على موقع حيدان

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~961508397~~~129&SiteName=hayadan