Обменный трос Momentum - Momentum exchange tether

А привязка обмена импульсом это своего рода космический трос теоретически это можно было бы использовать в качестве стартовой системы или для изменения орбиты космического корабля. Тросы с обменом импульсом создают управляемую силу на концевых массах системы за счет псевдосила, известная как центробежная сила. В то время как система привязи вращается, объекты на обоих концах привязи будут испытывать постоянное ускорение; величина ускорения зависит от длины троса и скорости вращения. Обмен импульсом происходит, когда конечное тело освобождается во время вращения. Передача импульса выпущенному объекту приведет к тому, что вращающийся трос потеряет энергию и, таким образом, потеряет скорость и высоту. Однако, используя электродинамический трос колющий, или ионный двигатель затем система может повторно нагнетать себя с минимальным расходом расходуемой реакционной массы или без него.[нужна цитата ]

Невращающийся трос - это вращающийся трос, который вращается ровно один раз за орбиту, так что он всегда имеет вертикальную ориентацию относительно родительского тела. Космический корабль, прибывающий к нижнему концу этой привязи или вылетающий из верхнего конца, будет получать импульс от привязи, в то время как космический корабль, удаляющийся от нижнего конца привязи или прибывающий к верхнему концу, будет добавлять импульс привязи. .

В некоторых случаях системы обмена импульсом предназначены для работы в качестве сбалансированных транспортных схем, в которых прибывающий космический корабль или полезная нагрузка заменяются на один, уходящий с той же скоростью и массой, и в этом случае не происходит чистого изменения количества движения или момента количества движения.

Системы привязи

Приливная стабилизация

Основная статья: Гравитационно-градиентная стабилизация
Вращающийся трос и трос с приливной стабилизацией на орбите

Стабилизация гравитационного градиента, также называемая «гравитационная стабилизация» и «приливная стабилизация», представляет собой простой и надежный метод управления ориентацией спутника, не требующий электронных систем управления, ракетных двигателей или топлива.

Этот тип контроль отношения трос имеет небольшую массу на одном конце, а спутниковое с другой. Приливные силы натяните трос между двумя массами. Есть два способа объяснить приливные силы. В одном из них верхняя конечная масса системы движется быстрее, чем орбитальная скорость для ее высоты, поэтому центробежная сила заставляет его двигаться дальше от планеты, вокруг которой он вращается. В то же время нижняя конечная масса системы движется со скоростью, меньшей, чем орбитальная скорость для ее высоты, поэтому она хочет приблизиться к планете. Конечным результатом является то, что привязь находится под постоянным натяжением и хочет висеть в вертикальном положении. Так часто стабилизировали простые спутники; либо с тросами, либо с тем, как масса распределяется внутри спутника.

Как и любой свободно висящий объект, он может потревожиться и начать раскачиваться. Поскольку в космосе нет атмосферного сопротивления, замедляющего качание, на космическом корабле может быть установлена ​​небольшая бутылка с жидкостью с перегородками для гашения колебаний маятника за счет вязкого трения жидкости.

Электродинамические тросы

Основная статья: Электродинамический трос
Электроны проходят через проводящую структуру троса к интерфейсу энергосистемы, где он подает питание на связанную нагрузку (не показана). (Источник: патент США 6,116,544, «Электродинамический трос и метод использования».)

В сильной планетарной магнитное поле например, вокруг Земли, проводящий трос можно настроить как электродинамический трос. Это можно использовать как динамо для выработки энергии для спутника за счет замедления его орбитальной скорости, или его можно использовать для увеличения орбитальной скорости спутника, подавая питание на трос от энергосистемы спутника. Таким образом, привязь можно использовать для ускорения или замедления вращающийся по орбите космический корабль без использования ракетного топлива.[1]

При использовании этой техники с вращающимся тросом ток через трос должен чередоваться по фазе со скоростью вращения троса, чтобы создать либо постоянную замедляющую, либо постоянную ускоряющую силу.

Независимо от того, замедляет или ускоряет спутник, электродинамический трос отталкивается от магнитного поля планеты, и, таким образом, полученный или потерянный импульс в конечном итоге исходит от планеты.

Скай-крюки

Основная статья: Skyhook (структура)

Скай-хук - это теоретический класс орбитального полета. тросовый двигатель предназначен для подъема грузов на большие высоты и скорости.[2][3][4][5][6] Простые небесные крюки - это, по сути, частичные лифты, простирающиеся на некоторое расстояние ниже орбиты базовой станции и позволяющие вывести на орбиту путем подъема груза. Большинство предложений вращают трос так, что его угловой момент также обеспечивает энергию для груза, ускоряя его до орбитальной скорости или выше, одновременно замедляя трос. Затем к тросу прикладывается какая-то движущая сила, чтобы восстановить угловой момент.[7]

Боло

Боло, или вращающийся трос, представляет собой трос, который вращается более одного раза за орбиту, и конечные точки которого имеют значительную скорость конца (~ 1-3 км / с). Максимальная скорость конечных точек ограничена прочностью материала кабеля и коэффициентом безопасности, на который он рассчитан.

Задача Боло - либо ускорить, либо замедлить космический корабль, который стыкуется с ним, без использования какого-либо бортового топлива космического корабля, а также изменить траекторию полета космического корабля по орбите. Фактически, Bolo действует как разгонный блок многоразового использования для любого космического корабля, который с ним стыкуется.

Импульс, передаваемый космическому кораблю Боло, не является бесплатным. Точно так же, как Боло изменяет импульс и направление движения космического корабля, орбитальная орбита Боло импульс и вращательный момент также изменяется, и это стоит энергия это необходимо заменить. Идея состоит в том, что замещающая энергия будет поступать из более эффективного и более дешевого источника, чем химический ракетный двигатель. Двумя возможными более дешевыми источниками этой замещающей энергии являются ионная силовая установка или двигательная установка с электродинамическим тросом, которая будет частью Bolo. По сути, бесплатный источник замещающей энергии - это импульс, получаемый от полезных нагрузок для ускорения в другом направлении, что позволяет предположить, что потребность в добавлении энергии от силовых установок будет весьма минимальной при сбалансированной двусторонней космической торговле.[нужна цитата ]

Ротоватор

Если орбитальная скорость и скорость вращения троса синхронизированы, в концепции ротоватора кончик троса движется по циклоиде, и в самой нижней точке он на мгновение неподвижен относительно земли, где он может «зацепить» полезный груз и повернуть его в орбита.)

Ротоваторы представляют собой вращающиеся тросы с направлением вращения, так что нижняя конечная точка привязи движется медленнее, чем орбитальная скорость привязи, а верхняя конечная точка движется быстрее.[8] Слово это чемодан происходит от слов ротор и лифт.

Если привязь достаточно длинная и скорость вращения достаточно высока, нижняя конечная точка может полностью отменить орбитальную скорость привязи, так что нижняя конечная точка будет неподвижной по отношению к поверхности планеты, на которой вращается привязь. Как описал Моравец,[9][10] это «спутник, который вращается как колесо». Кончик троса перемещается примерно на циклоида, в котором он на мгновение неподвижен относительно земли. В этом случае полезный груз, который "захватывается" механизмом захвата на вращающемся тросе в момент, когда он находится в неподвижном состоянии, будет захвачен и выведен на орбиту; и потенциально может быть выпущен на пике вращения, в этот момент он движется со скоростью, значительно превышающей скорость убегания, и, таким образом, может быть выпущен на межпланетную траекторию. (Как и в случае с боло, о котором говорилось выше, импульс и энергия, передаваемые полезной нагрузке, должны быть восполнены либо с помощью высокоэффективного ракетного двигателя, либо с помощью импульса, полученного от полезной нагрузки, движущейся в другом направлении.)

На телах с атмосферой, таких как Земля, конец троса должен оставаться выше плотной атмосферы. На телах с достаточно низкой орбитальной скоростью (например, Луна и возможно Марс ), ротоватор на низкой орбите потенциально может коснуться земли, тем самым обеспечивая дешевую наземную транспортировку, а также отправляя материалы в окололунное пространство. В январе 2000 г. Компания Боинг завершено исследование систем запуска троса, включая двухступенчатые тросы это было заказано Институт передовых концепций НАСА.[7]

Болон помощи при запуске с Земли

К сожалению, ротоватор для работы с Землей на орбиту не может быть построен из доступных в настоящее время материалов, поскольку толщина и масса троса, позволяющие выдерживать нагрузки на ротоваторе, были бы неэкономичными. Однако «разбавленный» ротоватор с двумя третями скорости вращения снизил бы вдвое усилия центростремительного ускорения.

Следовательно, еще одна уловка для достижения более низких напряжений заключается в том, что вместо того, чтобы поднимать груз с земли с нулевой скоростью, ротоватор может подбирать движущееся транспортное средство и выводить его на орбиту. Например, ротоватор может подобрать Мах 12 самолет из верхних слоев атмосферы Земли и вывести его на орбиту без использования ракет, а также мог бы поймать такой корабль и опустить его в атмосферу. Ракете легче достичь более низкой конечной скорости, поэтому была предложена «одноступенчатая привязка».[11] Один из них называется сверхзвуковой орбитальный запуск космического троса для самолетов (HASTOL).[7] Либо воздушное дыхание, либо ракета на привязи могут сэкономить много топлива на рейс и позволят использовать как более простой автомобиль, так и больше груза.

Компания Tethers Unlimited, Inc. (основан Роберт Форвард и Роберт П. Хойт )[12] назвал этот подход «Tether Launch Assist».[13] Это также упоминалось как космические боласы.[14] Однако цели компании сместились в сторону вывода вспомогательных модулей и морских страховочных тросов с орбиты, как и в 2020 году.[15][16]

Исследование концепции «Tether Launch Assist» в 2013 году показало, что в ближайшем будущем концепция может стать незначительно экономичной, как только будут разработаны ротоваторы с достаточно высоким (~ 10 Вт / кг) отношением мощности к массе.[17]

Космический лифт

Основная статья: Космический лифт
Невращающийся Sky-крюк, впервые предложенный Э. Сармоном в 1990 г.

А космический лифт это космический трос, прикрепленный к планетарному телу. Например, на Земля, космический лифт будет подниматься с экватора на гораздо более высокую геостационарную орбиту.

Космический лифт не нуждается в питании, как ротоватор, потому что он получает все необходимое. угловой момент от планетарного тела. Недостатком является то, что он намного длиннее, и для многих планет космический лифт не может быть построен из известных материалов. Космический лифт на Земле потребует прочности материала, превышающей современные технологические ограничения (2014 г.).[18][19][20] Марсианин и лунные космические лифты однако могут быть построены из современных материалов.[21] Предлагается также космический лифт на Фобосе.[22]

Космические лифты также обладают большим количеством потенциальной энергии, чем ротоваторы, и если тяжелые детали (например, «брошенный гаечный ключ») упадут, они снова войдут в него под крутым углом и столкнутся с поверхностью с почти орбитальной скоростью. В наиболее ожидаемых конструкциях, если сам компонент кабеля упадет, он сгорит, прежде чем ударится о землю.

Прилунная транспортная система

Потенциальная энергия в системе Земля – Луна. Поскольку у Луны более высокая потенциальная энергия, тросы могут работать вместе, чтобы подобрать объект с Луны (крошечная ямочка справа) и разместить его ближе к Земле на НОО, практически не потребляя топлива и даже генерируя при этом энергию.

Хотя можно было подумать, что для этого требуется постоянная подача энергии, на самом деле можно показать, что это энергетически выгодно для подъема груза с поверхности Луна и сбросить его на более низкую околоземную орбиту, и, таким образом, это может быть достигнуто без какого-либо значительного использования топлива, поскольку поверхность Луны находится в состоянии сравнительно более высокой потенциальной энергии. Кроме того, эта система могла быть построена с общей массой менее чем в 28 раз превышающей массу полезной нагрузки.[23][24]

Таким образом, ротоваторы могут заряжаться импульс обмен. Импульсная зарядка использует ротоватор для перемещения массы из места, которое находится «выше» в гравитационное поле в место «ниже». Техника для этого использует Эффект Оберта, где высвобождение полезной нагрузки, когда трос движется с более высокой линейной скоростью, меньший гравитационный потенциал дает больше удельная энергия, и, в конечном счете, большая скорость, чем потеря энергии при подборе полезной нагрузки при более высоком гравитационном потенциале, даже если скорость вращения такая же. Например, можно использовать систему из двух или трех ротоваторов для осуществления торговли между Луна и Земля. Ротоваторы заряжаются лунной массой (грязь, если экспорт недоступен), сброшенной на Землю или около нее, и могут использовать полученный таким образом импульс для доставки земных товаров на Луну. Обмен импульсом и энергией может уравновешиваться равными потоками в любом направлении или может увеличиваться со временем.

Теоретически аналогичные системы ротоваторов могут открыть доступ к недорогим перевозкам по всему миру. Солнечная система.

Катапульта с тросом

Система катапульты с тросом - это система, в которой два или более длинных проводящих троса жестко удерживаются по прямой линии, прикрепленные к тяжелой массе. Электроэнергия подается на тросы и принимается транспортным средством с линейными магнитными двигателями на нем, которые он использует, чтобы протолкнуть себя по длине кабеля. Ближе к концу троса транспортное средство высвобождает полезный груз, замедляется и останавливается, а полезный груз движется с очень высокой скоростью. Расчетная максимальная скорость для этой системы чрезвычайно высока, более чем в 30 раз превышает скорость звука в кабеле; и скорости более 30 км / с кажутся возможными.[25]

использованная литература

  1. ^ НАСА, Справочник по тросам в космосе, под редакцией М. Л. Космо и Э. К. Лоренцини, третье издание, декабрь 1997 г. (по состоянию на 20 октября 2010 г.); см. также версию НАСА MSFC; доступен на Scribd
  2. ^ Х. Моравец, "Несинхронный орбитальный скайхук". Журнал астронавтических наук, т. 25, нет. 4. С. 307–322, 1977.
  3. ^ Дж. Коломбо, Э. М. Гапошкин, М. Д. Гросси и Г. К. Вайффенбах, «Небесный крюк: шаттл-инструмент для исследований на низкой орбитальной высоте», Meccanica, vol. 10, вып. 1. С. 3–20, 1975.
  4. ^ .M. Л. Космо и Э. К. Лоренцини, Tethers in Space Handbook, NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville, Ala, USA, 3rd edition, 1997.
  5. ^ Johnson, L .; Gilchrist, B .; Estes, R.D .; Лоренцини, Э. (1999). «Обзор будущих приложений привязки НАСА». Успехи в космических исследованиях. 24 (8): 1055–1063. Дои:10.1016 / S0273-1177 (99) 00553-0. ISSN  0273-1177.
  6. ^ Кроутер, Ричард (ноябрь 2007 г.). «Динамический анализ миссий космического троса». Аэронавигационный журнал. 111 (1125): 750. Дои:10.1017 / S0001924000087042.
  7. ^ а б c Богар, Томас Дж .; Bangham, Michal E .; Нападающий Роберт Л.; Льюис, Марк Дж. (7 января 2000 г.). "Система орбитального запуска космического троса гиперзвукового самолета" (PDF). Грант на исследования № 07600-018l, Фаза I Заключительный отчет. Институт передовых концепций НАСА. Получено 2014-03-20.
  8. ^ Нападающий Роберт Л. (1995). «Бобовые стебли». Неотличимо от магии. п. 79. ISBN  0-671-87686-4.
  9. ^ Ханс Моравец, «Орбитальные мосты» (1986) (доступ 10 октября 2010 г.)
  10. ^ Ханс Моравец, "Несинхронные орбитальные небесные крюки для Луны и Марса с использованием обычных материалов" (Мысли Ганса Моравека о небесных крюках, тросах, ротаваторах и т. Д., По состоянию на 1987 г.) (по состоянию на 10 октября 2010 г.)
  11. ^ Олдсон, Джон; Кэрролл, Джозеф (10–12 июля 1995 г.). Возможная экономия затрат на запуск устройства тросового транспорта. 31-я Совместная конференция и выставка по двигательным установкам. Сан-Диего, Калифорния, США. Дои:10.2514/6.1995-2895. AIAA95-2895.
  12. ^ Бойс, Нелл (16 апреля 2007 г.). "Космические тросы: швырять объекты на орбиту?". энергетический ядерный реактор.
  13. ^ "Tethers Unlimited Inc", программа помощи при запуске Tether"". Архивировано из оригинал на 2017-11-16. Получено 2011-03-31.
  14. ^ Терри Пратчетт; Ян Стюарт; Джек Коэн (1999). Наука Плоского Мира. Случайный дом. п. 369. ISBN  1448176670.
  15. ^ «Модуль спуска с орбиты Terminator Tape ™».
  16. ^ «Услуги по развертыванию и намотке оптических тросов».
  17. ^ Нижник, Олег (2013). «Пример проекта космической миссии с использованием болотов на НОО». Аэрокосмическая промышленность. 1 (1): 31–51. Дои:10.3390 / Aerospace1010031.
  18. ^ Дворский, Георгий (13 февраля 2013 г.). «Почему мы, вероятно, никогда не построим космический лифт». io9.
  19. ^ Фельтман, Рэйчел (7 марта 2013 г.). «Почему у нас нет космических лифтов?». Популярная механика.
  20. ^ Шарр, Джиллиан (29 мая 2013 г.). «Космические лифты приостановлены, по крайней мере, пока не станут доступны более прочные материалы, - говорят эксперты». The Huffington Post.
  21. ^ «Космический лифт - Глава 7: Пункты назначения». Архивировано из оригинал на 2007-10-25.
  22. ^ Вайнштейн, Леонард М. «Колонизация космоса с помощью космических лифтов с Фобоса» (PDF).
  23. ^ ""Транспортировка на привязи с НОО на поверхность Луны ", Р. Л. Форвард, документ AIAA 91-2322, 27-я Конференция по совместным двигательным установкам, 1991" (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-05-17. Получено 2011-03-31.
  24. ^ АРХИТЕКТУРА ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ CISLUNAR TETHER, Роберт П. Хойт, Tethers Unlimited, Inc.
  25. ^ Патент США 6290186