Цикл запуска - Launch loop

Запустить цикл (не в масштабе). Красная линия - это сама движущаяся петля, синие линии - стационарные кабели.

А цикл запуска, или же Петля Лофстрема, это предлагаемая система для запуск объектов на орбиту с помощью подвижной кабельной системы, расположенной внутри оболочки, прикрепленной к земной шар на двух концах и подвешен над атмосфера в середине. Концепцию дизайна опубликовали Кейт Лофстрем и описывает активная структура маглев канатный транспорт длиной около 2000 км (1240 миль) и поддерживаемой на высоте до 80 км (50 миль). Пусковая петля будет удерживаться на этой высоте за счет импульс ремня который циркулирует по структуре. Эта циркуляция, по сути, переносит вес конструкции на пару магнитных подшипников, по одному на каждом конце, которые поддерживают ее.

Циклы запуска предназначены для достижения неракетный запуск в космос из автомобили весом 5 метрических тонн электромагнитно ускоряющийся их так, чтобы они проецировались на Землю орбита или даже дальше. Этого можно добиться за счет плоской части кабеля, которая образует дорожку ускорения над атмосферой.[1]

Система предназначена для запуска людей на космический туризм, исследование космоса и колонизация космоса, и обеспечивает относительно низкую 3грамм ускорение.[2]

История

Циклы запуска описаны Кейт Лофстрем в ноябре 1981 г. на читательском форуме Американское астронавтическое общество News Letter, а в августе 1982 г. L5 Новости.

В 1982 г. Пол Берч опубликовал серию статей в Журнал Британского межпланетного общества который описал орбитальные кольца и описал форму, которую он назвал системой частичных орбитальных колец (PORS).[3]Идея стартовой петли была проработана более подробно в 1983–1985 годах Лофстремом.[2][4] Это усовершенствованная версия PORS, специально предназначенная для формирования траектории магнитного ускорения, подходящей для запуска людей в космос; но в то время как орбитальное кольцо использовало сверхпроводящие Магнитная левитация, циклы запуска используют электромагнитная подвеска (EMS).

Описание

Секция ускорителя контура запуска (обратный кабель не показан)

В качестве пускового контура предлагается конструкция длиной 2 000 км и высотой 80 км. Петля проходит на высоте 80 км над землей в течение 2000 км, затем спускается на землю, а затем возвращается обратно на себя, поднимаясь на 80 км над землей, чтобы следовать по обратному пути, а затем возвращается к исходной точке. Петля будет иметь форму трубки, известной как оболочка. Внутри оболочки плавает еще одна непрерывная трубка, известная как ротор что-то вроде пояса или цепи. Ротор - это утюг трубка диаметром примерно 5 см (2 дюйма), движущаяся по петле со скоростью 14 км / с (31 000 миль в час).[2]

Возможность оставаться на высоте

В состоянии покоя петля находится на уровне земли. Затем ротор разгоняется до скорости. По мере увеличения скорости ротора он изгибается, образуя дугу. Конструкция поддерживается силой ротора, который пытается следовать по параболической траектории. Анкеры на земле заставляют его двигаться параллельно земле при достижении высоты 80 км. После подъема конструкции требуется постоянная мощность для преодоления рассеиваемой энергии. Дополнительная энергия потребуется для питания любых запускаемых транспортных средств.[2]

Запуск полезных нагрузок

Для запуска машины поднимаются на «лифтовом» тросе, который свисает с погрузочной площадки Западной станции на 80 км, и помещаются на рельсы. Полезная нагрузка создает магнитное поле, которое создает вихревые токи в быстроходном роторе. Это как поднимает полезную нагрузку от кабеля, так и вытягивает полезную нагрузку вместе с 3грамм (30 м / с²) ускорение. Затем полезная нагрузка перемещается по ротору, пока не достигнет необходимого орбитальная скорость, и покидает след.[2]

Если требуется устойчивая или круговая орбита, как только полезная нагрузка достигает наивысшей части своей траектории, то бортовой ракетный двигатель («толкающий двигатель») или другие средства необходимы для вывода траектории на соответствующую околоземную орбиту.[2]

Вихретоковая техника компактна, легка и мощна, но неэффективна. С каждым пуском температура ротора увеличивается на 80 кельвины из-за рассеивания мощности. Если запуски расположены слишком близко друг к другу, температура ротора может приблизиться к 770 ° C (1043 K), при которой точка железный ротор теряет свой ферромагнитный теряются свойства и герметичность ротора.[2]

Емкость и возможности

Замкнутые орбиты с перигеем 80 км довольно быстро распадаются и повторно входят, но в дополнение к таким орбитам сам по себе цикл запуска также может напрямую вводить полезные нагрузки в орбиты выхода, помощь гравитации траектории мимо Луна, и другие незамкнутые орбиты, например, близкие к Троянские точки.

Чтобы получить доступ к круговым орбитам с использованием цикла запуска, необходимо запустить относительно небольшой «толкающий двигатель» с полезной нагрузкой, которая будет стрелять в апогей и сделал бы круговую орбиту. За GEO вставка, для этого потребуется дельта-v около 1,6 км / с, для ЛЕО для циркуляции на 500 км потребуется дельта-v всего 120 м / с. Общепринятый ракеты требуется дельта-vs примерно 14 и 10 км / с для достижения GEO и LEO соответственно.[2]

Стартовые петли в конструкции Лофстрома расположены близко к экватору.[2] и может только получить прямой доступ к экваториальным орбитам. Однако другие орбитальные плоскости могут быть достигнуты с помощью изменения высотных самолетов, лунных возмущений или аэродинамических методов.

Пропускная способность пускового контура в конечном итоге ограничена температурой и скоростью охлаждения ротора до 80 в час, но для этого потребуется 17 ГВт электростанция; более скромной электростанции на 500 МВт хватит на 35 пусков в сутки.[2]

Экономика

Чтобы цикл запуска был экономически жизнеспособным, потребовались бы заказчики с достаточно большими требованиями к запуску полезной нагрузки.

По оценке Лофстрома, начальный цикл стоит примерно 10 долларов. миллиард с годовой окупаемостью может запускать 40 000 метрических тонн в год и сократить затраты на запуск до 300 долларов за кг. За 30 миллиардов долларов при большей мощности по выработке электроэнергии петля будет способна запускать 6 миллионов метрических тонн в год, а с учетом пятилетнего периода окупаемости затраты на доступ в космос с помощью пусковой петли могут составить всего 3 доллара за штуку. кг.[5]

Сравнения

Преимущества пусковых шлейфов

По сравнению с космическими лифтами не требуется разрабатывать новые материалы с высокой прочностью на разрыв, поскольку конструкция противостоит земному притяжению, поддерживая собственный вес с помощью кинетической энергии движущейся петли, а не прочности на разрыв.

Ожидается, что пусковые цепи Lofstrom будут запускаться с высокой скоростью (много запусков в час, независимо от погоды) и по своей сути не загрязняют окружающую среду. Ракеты создают загрязнение, такое как нитраты, в своих выхлопных газах из-за высокой температуры выхлопных газов и могут выделять парниковые газы в зависимости от выбора топлива. Пусковые контуры как форма электрической тяги могут быть чистыми и могут работать от геотермальных, ядерных, ветряных, солнечных или любых других источников энергии, даже прерывистых, поскольку система имеет огромную встроенную емкость накопления энергии.

В отличие от космических лифтов, которые должны перемещаться по Ремни Van Allen В течение нескольких дней пассажиры стартовой петли могут быть выведены на низкую околоземную орбиту, которая находится ниже поясов, или через них за несколько часов. Это будет похоже на ситуацию, с которой столкнулись астронавты "Аполлона", получившие дозы облучения около 0,5% от дозы космического лифта.[6]

В отличие от космических лифтов, которые подвержены риску попадания космического мусора и метеоритов по всей своей длине, пусковые петли должны располагаться на высоте, где орбиты неустойчивы из-за сопротивления воздуха. Поскольку мусор не сохраняется, у него есть только один шанс ударить по конструкции. В то время как период разрушения космических лифтов, как ожидается, будет длиться несколько лет, повреждение или разрушение петель таким образом ожидается редко. Кроме того, сами пусковые петли не являются значительным источником космического мусора даже в случае аварии. Весь образующийся мусор имеет перигей, пересекающий атмосферу или имеющий убегающую скорость.

Пусковые петли предназначены для перевозки людей, чтобы обеспечить безопасность 3грамм ускорение, которое подавляющее большинство людей могло бы хорошо перенести,[2] и будет гораздо более быстрым способом достичь космоса, чем космические лифты.

В отличие от ракет, пусковые петли будут работать бесшумно и не будут вызывать какого-либо звукового загрязнения.

Наконец, их низкая стоимость полезной нагрузки совместима с крупномасштабными коммерческими проектами. космический туризм и даже колонизация космоса.

Трудности пусковых шлейфов

У бегущей петли будет чрезвычайно большое количество энергии в ее линейном импульсе. В то время как система магнитной подвески была бы очень избыточной, с отказами небольших секций, которые практически не влияли бы, если бы серьезный отказ действительно произошел, энергия в контуре (1,5 × 1015 джоули или 1,5 петаджоуля) приблизится к тому же общему выделению энергии, что и ядерная бомба взрыв (350 килотонн Эквивалент в тротиловом эквиваленте ), хотя и не испускает ядерного излучения.

Хотя это большое количество энергии, маловероятно, что это приведет к разрушению большей части конструкции из-за ее очень большого размера, а также потому, что большая часть энергии будет намеренно сбрасываться в заранее выбранные места при обнаружении отказа. Возможно, потребуется принять меры для спуска троса с высоты 80 км с минимальным повреждением, например, с помощью парашютов.

Поэтому в целях безопасности и астродинамический По этой причине пусковые петли предназначены для установки над океаном недалеко от экватора, вдали от жилья.

Опубликованная конструкция пускового контура требует электронного управления магнитной левитацией для минимизации рассеиваемой мощности и стабилизации кабеля с недостаточным демпфированием в противном случае.

Двумя основными причинами нестабильности являются поворотные участки и кабель.

Поворотные секции потенциально нестабильны, так как перемещение ротора от магнитов снижает магнитное притяжение, а перемещение ближе к нему дает повышенное притяжение. В любом случае возникает нестабильность.[2] Эта проблема обычно решается с помощью существующих систем сервоуправления, которые изменяют силу магнитов. Хотя надежность сервопривода является потенциальной проблемой, при высокой скорости вращения ротора очень много последовательных секций должны выйти из строя, чтобы ротор был потерян.[2]

Кабельные секции также имеют эту потенциальную проблему, хотя силы намного ниже.[2] Однако существует дополнительная нестабильность, заключающаяся в том, что кабель / оболочка / ротор может подвергнуться извилистый режимы (аналогично Лариат цепочка ), которые неограниченно растут по амплитуде. Лофстрем считает, что эту нестабильность также можно контролировать в реальном времени с помощью сервомеханизмов, хотя это никогда не предпринималось.

Конкурирующие и аналогичные конструкции

В произведениях Александр Болонкин Предполагается, что в проекте Лофстрома много нерешенных проблем и что он очень далек от современной технологии.[7][8][9] Например, в проекте Lofstrom есть компенсаторы между 1,5-метровыми железными пластинами. Их скорости (при гравитации, трении) могут быть разными, и Болонкин утверждает, что они могли вклиниться в трубу;[нужна цитата ] сила и трение в грунте диаметром 28 км огромны. В 2008,[10] Болонкин предложил простой вращающийся кабель с замкнутым контуром для запуска космического аппарата способом, подходящим для современных технологий.

Другой проект, космический кабель, это меньший дизайн от Джон Кнапман который предназначен для помощи при запуске обычных ракет и суборбитального туризма. В конструкции космического кабеля используются отдельные болты, а не непрерывный ротор, как в архитектуре пускового контура. Джон Кнапман также математически показал, что неустойчивость меандра можно приручить.[11]

В Skyhook это еще одна концепция системы запуска. Skyhook мог быть как вращающимся, так и не вращающимся. Невращающийся скайхук висит на низкая околоземная орбита вниз до уровня чуть выше атмосферы Земли (кабель Skyhook не прикреплен к Земле).[12] Вращающийся скайхук изменяет эту конструкцию, уменьшая скорость нижнего конца; весь трос вращается вокруг своего центра тяжести. Преимущество этого заключается в еще большем снижении скорости ракеты-носителя, летящей к нижнему концу вращающегося небесного крюка, что обеспечивает еще большую полезную нагрузку и меньшую стоимость запуска. У этого есть два недостатка: значительно сокращенное время, доступное для прибывающей ракеты-носителя, чтобы подключиться к нижнему концу вращающегося небесного крюка (примерно 3-5 секунд), и отсутствие выбора в отношении орбиты назначения.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нападающий Роберт Л. (1995), "Бобовые стебли", Неотличимо от магии, ISBN  0-671-87686-4
  2. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п PDF-версия публикации Lofstrom 1985 года о запуске цикла (конференция AIAA)
  3. ^ Пол Берч • Орбитальные кольца - I 12 В архиве 2007-07-07 на Wayback Machine
  4. ^ Декабрь 1983 г.
  5. ^ Слайды цикла запуска конференции ISDC2002
  6. ^ Янг, Келли (13 ноября 2006 г.). «Космические лифты:« Первый этаж, смертельная радиация!'". Новый ученый.
  7. ^ Болонкин, Александр (2006). Запуск и полет неракетных космических аппаратов. Эльзевир. ISBN  9780080447315.
  8. ^ Болонкин, Александр (10–19 октября 2002 г.). Оптимальные надувные космические башни высотой 3–100 км.. Всемирный космический конгресс. Хьюстон, Техас, США. МАК – 02 – IAA.1.3.03.
  9. ^ Журнал Британского межпланетного общества, Vol. 56, 2003, №9 / 10, стр. 314-327
  10. ^ Болонкин А.А., Новые концепции, идеи и инновации в аэрокосмической сфере, технологиях и гуманитарных науках, NOVA, 2008, 400 с.
  11. ^ Космический кабель
  12. ^ Смитерман, Д.В. "Космические лифты: передовая инфраструктура Земля-космос для нового тысячелетия". НАСА / CP-2000-210429. Архивировано из оригинал 21 февраля 2007 г.

внешняя ссылка