Skyhook (структура) - Skyhook (structure)

Для использования в других целях см. Skyhook (значения).
Как вращающийся и невращающийся небесный хук появится на орбите

А Skyhook предлагается привязка обмена импульсом который направлен на снижение стоимости размещения полезной нагрузки в низкая околоземная орбита. Тяжелый орбитальная станция подключен к кабелю, идущему вниз в верхние слои атмосферы. Полезные нагрузки, которые намного легче станции, прикрепляются к концу кабеля по мере его прохождения, а затем выбрасываются на орбиту путем вращения кабеля вокруг центра масс. Затем станцию ​​можно вернуть на исходную высоту, нажав электромагнитная тяга, ракетный двигатель или смещением с орбиты другого объекта с той же кинетической энергией, которая передается полезной нагрузке.

Скайхук отличается от геостационарной орбиты космический лифт в этом случае небесный крюк будет намного короче и не будет соприкасаться с поверхностью Земли. Небесному крюку потребуется суборбитальная ракета-носитель, чтобы достичь его нижнего конца, в то время как космический лифт этого не сделает.

История

Различные концепции и версии синхронных невращающихся орбитальных небесных крюков были предложены, начиная с Айзекса в 1966 году.[1][2] Арцутанов в 1967 г.[3][4] Пирсон[5] и Коломбо в 1975 году,[6] Калаган в 1978 г.,[7] и Брагинский в 1985 году.[8] Версии с лучшим потенциалом предполагают гораздо более короткую привязку. низкая околоземная орбита который вращается в своей орбитальной плоскости и чьи концы соприкасаются с верхними слоями атмосферы Земли, при этом вращательное движение отменяет орбитальное движение на уровне земли. Эти «вращающиеся» версии скайхука были предложены Моравцом в 1976 году.[9][10] и Сармонт в 1994 году.[11][12]

Когда итальянский ученый Джузеппе Коломбо предложил в начале 1970-х годов идею использования приливная стабилизация трос для обращенных вниз спутников наблюдения Земли, НАСА в 1979 году начали официально оценивать возможные научные применения длинных тросов в космосе и обоснованность разработки тросов.[13] Это привело к созданию тросовой системы на базе шаттла: миссия TSS-1R, запущенная 22 февраля 1996 г. СТС-75 которые сосредоточены на характеристике основного поведения космического троса и физика космической плазмы.[13] Итальянский спутник был размещен на расстоянии 19,7 км от космического корабля "Шаттл".[13]

В 1994 году один инженер предположил, что небесный крюк может быть конкурентоспособным по стоимости по сравнению с тем, что реально можно было бы получить с помощью космического лифта.[11]

В 2000 и 2001 гг. Боинг Фантом Работает, с грантом от Институт передовых концепций НАСА, выполнил детальное исследование технической и коммерческой осуществимости различных конструкций Skyhook. Они подробно изучили конкретный вариант этой концепции, получивший название «Система орбитального запуска космического троса для гиперзвукового самолета» или HASTOL. Эта конструкция требовала гиперзвукового прямоточный воздушно-реактивный двигатель или ГПВРД самолет для перехвата вращающегося крюка во время полета Мах 10.[14]

Хотя Skyhook еще не построен, был проведен ряд летных экспериментов по изучению различных аспектов космический трос концепция в целом.[15]

Виды скайхуков

Невращающийся скайхук

Невращающийся скайхук длиной 200 км, предложенный Э. Сармоном в 1990 г.

Невращающийся скайхук - это вертикальный гравитационно-градиентная стабилизация привязь, нижняя конечная точка которой кажется свисающей с неба. Именно это появление привело к принятию названия Skyhook для конструкции.

Вращающийся скайхук

Вращающаяся концепция. Если орбитальная скорость и скорость вращения троса синхронизированы, наконечник троса перемещается в циклоида кривая. В самой нижней точке он на мгновение неподвижен относительно земли, где он может «зацепить» полезную нагрузку и вывести ее на орбиту.

Вращая трос вокруг орбитального центр массы в направлении, противоположном орбитальному движению, скорость крюка относительно земли может быть уменьшена. Это снижает необходимую прочность троса и облегчает соединение.

Вращение троса может быть выполнено в точном соответствии с орбитальной скоростью (около 7–8 км / с). В этой конфигурации крючок будет отслеживать путь, аналогичный кардиоидный. С точки зрения земли кажется, что крюк спускается почти вертикально, останавливается, а затем снова поднимается. Такая конфигурация минимизирует аэродинамическое сопротивление и, таким образом, позволяет крюку опускаться глубоко в атмосферу.[16][17] Однако, согласно исследованию HASTOL, для такого космического крюка на околоземной орбите потребуется очень большой противовес, в 1000–2000 раз превышающий массу полезной нагрузки, и трос необходимо будет механически наматывать после сбора каждого полезная нагрузка, чтобы поддерживать синхронизацию между вращением троса и его орбитой.[14]

Фаза I Боинга Гиперзвуковой самолет Space Tether Orbital Launch (HASTOLВ исследовании, опубликованном в 2000 году, был предложен трос длиной 600 км на экваториальной орбите на высоте 610–700 км, вращающийся со скоростью конца 3,5 км / с. Это дало бы головной части наземную скорость 3,6 км / с (10 Махов), что соответствовало бы гиперзвуковому самолету с модулем полезной нагрузки с передачей на высоте 100 км. Трос будет изготавливаться из имеющихся в продаже материалов: в основном Spectra 2000 (своего рода полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы ), за исключением внешних 20 км, которые будут выполнены из жаропрочного Зилон ПБО. При номинальной массе полезной нагрузки 14 тонн страховочный трос Spectra / Zylon будет весить 1300 тонн, что в 90 раз превышает массу полезного груза. Авторы заявили:

Основное послание, которое мы хотим оставить Читателю: «Нам не нужны волшебные материалы, такие как« Бакминстер-Фуллер-углеродные нанотрубки », чтобы сделать средство космического троса для системы HASTOL. Подойдут существующие материалы».[14]

На втором этапе исследования HASTOL, опубликованного в 2001 году, предлагалось увеличить скорость перехвата до 15–17 Маха и увеличить высоту перехвата до 150 км, что уменьшило бы необходимую массу троса в три раза. Более высокая скорость будет достигнута за счет использования многоразовой ракетной ступени вместо чисто воздушно-реактивного самолета. Исследование пришло к выводу, что, несмотря на отсутствие «фундаментальных технических препятствий», необходимо существенное улучшение технологии. В частности, высказывались опасения, что голый трос Spectra 2000 будет быстро разрушен атомарным кислородом; этот компонент получил уровень технологической готовности из 2.[18]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Isaacs, J.D .; Vine, A.C .; Брэднер, H; Бахус, Г. Э. (1966). "Удлинение спутника в настоящий" скай-хук"". Наука. 151 (3711): 682–3. Bibcode:1966Sci ... 151..682I. Дои:10.1126 / science.151.3711.682. PMID  17813792. S2CID  32226322.
  2. ^ Также: письмо в Наука 152: 800, 6 мая 1966 г.
  3. ^ Арцутанов, Ю.В. Космос на Электровозе (В космос на фуникулере). Комсомольская правда (Коммунистическая правда), 31 июля 1960 г. Содержание описано во Львове, Наука 158: 946, 17 ноября 1967 г.
  4. ^ Арсутанов, Ю. В. Космос без ракет (В космос без ракет). Znanije-Sile (Знание - сила) 1969 (7): 25 июля 1969 г.
  5. ^ Пирсон, Дж (1975). "Орбитальная башня: пусковая установка космического корабля, использующая энергию вращения Земли". Acta Astronautica. 2 (9–10): 785–799. Bibcode:1975AcAau ... 2..785P. CiteSeerX  10.1.1.530.3120. Дои:10.1016/0094-5765(75)90021-1.
  6. ^ Коломбо, Г., Гапошкин, Э. М., Гросси, М. Д., и Вайффенбах, Г. К., «Небесный крючок»: переносной шаттл-инструмент для исследований на малых орбитальных высотах », Meccanica, Vol. 10, No. 1, март 1975 г.
  7. ^ Калаган, П., Арнольд, Д.А., Коломбо, Г., Гросси, М., Киршнер, Л.Р., и Оррингер, О., «Исследование динамики привязанной спутниковой системы (Skyhook)», Контракт NASA NAS8-32199, Заключительный отчет СДЛ, март 1978 г.
  8. ^ В. Брагинский и К. Торн, "Детектор гравитационных волн Skyhook", Московский государственный университет, Москва, СССР, и Калтех, 1985.
  9. ^ Моравец, Ганс (1976). "Предложение Skyhook".
  10. ^ Моравец, Х. П. (1977). "Несинхронный орбитальный Skyhook". Журнал астронавтических наук. 25: 307–322. Bibcode:1977JAnSc..25..307M. Представлено на 23-м заседании AIAA, Индустриализация космоса, Сан-Франциско, Калифорния. 18–20 октября 1977 г.
  11. ^ а б Сармонт, Орел (1994). «Как трос на орбите Земли делает возможной доступную космическую транспортную систему Земля-Луна». Серия технических документов SAE. 942120. Дои:10.4271/942120.
  12. ^ Моравец, Ганс (1981). "Предложение Skyhook".
  13. ^ а б c Космо, М .; Лоренцини, Э. (декабрь 1997 г.). Справочник по тросам в космосе (PDF) (Третье изд.). Смитсоновская астрофизическая обсерватория.
  14. ^ а б c Богар, Томас Дж .; Bangham, Michal E .; Нападающий Роберт Л .; Льюис, Марк Дж. (7 января 2000 г.). Система орбитального запуска космического троса для гиперзвукового самолета, исследовательский грант № 07600-018, заключительный отчет по фазе I. (PDF). Институт передовых концепций НАСА. Получено 2019-07-07.
  15. ^ Чен, Йи; Хуанг, Руи; Рен, Сяньлинь; Он, Липин; Он, Е. (2013). «История концепции Tether и миссий Tether: обзор». ISRN Астрономия и астрофизика. 2013 (502973): 502973. Bibcode:2013ISRAA2013E ... 2C. Дои:10.1155/2013/502973.
  16. ^ Isaacs, J.D .; Vine, A.C .; Bradner, H .; Бахус, Г. Э. (1966). "Удлинение спутника в настоящий" скай-хук "'". Наука. 151 (3711): 682–683. Bibcode:1966Sci ... 151..682I. Дои:10.1126 / science.151.3711.682. PMID  17813792. S2CID  32226322.
  17. ^ Чен, Йи; Хуанг, Руи; Рен, Сяньлинь; Он, Липин; Он, Е. (2013). «История концепции Tether и миссий Tether: обзор». ISRN Астрономия и астрофизика. 2013: 1–7. Bibcode:2013ISRAA2013E ... 2C. Дои:10.1155/2013/502973. 502973.
  18. ^ «Исследование архитектуры гиперзвукового самолета для орбитального запуска космического троса (HASTOL). Фаза II: Заключительный отчет» (PDF). Получено 2015-10-18.

внешние ссылки