Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Ұсынылған көлік жүйесі
Proposed transportation system
Айлық ғарыш лифті немесе айлық ғарыш көтеру – механикалық көтерілу көлігін жоғары және төмен жылжытуға арналған ұсынылған көлік жүйесі. Бұл лента тәрізді байланған кабель Айдың бетінен "төменгі жағынан" және ондаған мың шақырым биіктіктегі ғарыштағы док порты арасында орнатылған. Бұл Жердегі ғарыш лифті идеясына ұқсас, бірақ Айдың бетіндегі гравитация Жерден әлдеқайда төмен болғандықтан, айлық лифт жүйесін құрудың инженерлік талаптары қазір қол жетімді материалдар мен технологияларды пайдалану арқылы орындалуы мүмкін. Айлық лифт үшін кабель немесе арқан Жердегі жүйеде қолданылатынға қарағанда Ай бетінен ғарышқа көбірек созылады. Дегенмен, ғарыш лифті жүйесінің негізгі функциясы екі жағдайда да бірдей: екеуі де жүктерді немесе, мүмкін, адамдарды гравитациялық құдық түбіндегі базалық станция мен ғарыш кеңістігіндегі док порты арасында тасымалдауға арналған, қайта пайдалануға болатын, бақыланатын құралды қамтамасыз етеді. Айлық лифт ай бетіне жұмсақ қону жабдығының құнын едәуір төмендетіп, сенімділігін арттыра алады. Мысалы, ол әзірге Айға қону мүмкін емес, массалық тиімді (жоғары нақты импульсті) және төмен итермелі иондық қозғалтқыштар сияқты қозғалтқыштарды пайдалануға мүмкіндік береді. Док порты микрогравитациялық ортада кабельге қосылатындықтан, бұл және басқа да қозғалтқыштар Жердің төменгі орбитасынан (LEO) Жерден аз отын шығындап кабельге жете алады. Дәстүрлі ракеталармен LEO-дан Ай бетіне жету үшін қажетті отын қонған массадан бірнеше есе көп, сондықтан лифт Ай бетіне бағытталған жүктерді ұшыру құнын осыған ұқсас фактормен төмендетуі мүмкін.
A lunar space elevator or lunar spacelift is a proposed transportation system for moving a mechanical climbing vehicle up and down a ribbon shaped tethered cable that is set between the surface of the Moon "at the bottom" and a docking port suspended tens of thousands of kilometers above in space at the top. It is similar in concept to the better known Earth based space elevator idea, but since the Moon's surface gravity is much lower than the Earth's, the engineering requirements for constructing a lunar elevator system can be met using materials and technology already available. For a lunar elevator, the cable or tether extends considerably farther out from the lunar surface into space than one that would be used in an Earth based system. However, the main function of a space elevator system is the same in either case; both allow for a reusable, controlled means of transporting payloads of cargo, or possibly people, between a base station at the bottom of a gravity well and a docking port in outer space. A lunar elevator could significantly reduce the costs and improve reliability of soft landing equipment on the lunar surface. For example, it would permit the use of mass efficient (high specific impulse), low thrust drives such as ion drives which otherwise cannot land on the Moon. Since the docking port would be connected to the cable in a microgravity environment, these and other drives can reach the cable from low Earth orbit (LEO) with minimal launched fuel from Earth. With conventional rockets, the fuel needed to reach the lunar surface from LEO is many times the landed mass, thus the elevator can reduce launch costs for payloads bound for the lunar surface by a similar factor.
Орналасқан жері
Асқыну портының тұрақты, ай синхронды орнын сақтауға болатын екі нүкте бар: Жер-Ай Лагранж нүктелері және Ай орбитасының 0,055 эксцентриктігі осы нүктелердің Ай бетіне қатысты өзгермейтін екенін көрсетеді: Жерден Айдың бетін бұратын жағына (ай экваторында) 56 315 км ± 3 183 км, ал Айдың арт жағының ортасынан қарама-қарсы бағытта 62 851 км ± 3 539 км. Осы нүктелерде Айдың гравитациялық күші мен лифт жүйесінің синхронды, қатаң дене айналысынан туындайтын центробегтік күш бір-бірін жояды. Лагранж нүктелері – бұл тұрақсыз гравитациялық тепе-теңдік нүктелері, яғни онда орналасқан кез келген нысан Ай бетіне қатысты қозғалмай тұруын қамтамасыз ету үшін шағын инерциялық түзетулер қажет. Бұл екі позиция да Жерден геостационарлық орбитаға дейінгі 36 000 км-ден әлдеқайда алыс. Сонымен қатар, Айға дейін созылатын кабель жүйесінің салмағы жоғары созылатын кабельмен теңестірілуі керек, ал Айдың баяу айналуы жоғарғы бөлігінің Жердегі жүйеге қарағанда әлдеқайда ұзын болуын немесе одан әлдеқайда ауыр қарсы салмақпен жабдырылуын білдіреді. Ай бетінен бір килограмм кабельді немесе жүк көтеру үшін 1000 кг қарсы салмақ қажет, ол 26 000 км артық болуы керек (Мысалы, ұзын кабельде кішірек қарсы салмақ, 230 000 км қашықтықта 100 кг – Жерге дейінгі арақашықтықтың жартысынан астам – бірдей тепе-теңдік әсерін береді). Жердің гравитациясы болмаса, кабельдің ең төменгі килограмына Айдан 120 000 км қашықтықта 1000 кг қарсы салмақ қажет болар еді. Жер мен Айдың арақашықтығы 384 400 км. Әдетте, ғарыш лифтісінің бекіткіш нүктесі экваторда деп есептеледі. Алайда, Айдың полюстерінің бірінде Ай базасын орналастыруға болатын бірнеше мүмкіндік бар: мәңгілік жарықтың шыңындағы база, мысалы, дерлік үздірілмейтін күн энергиясынан пайдалануы мүмкін, немесе судың шағын мөлшері мен басқа ұшқыш заттар тұрақты көлеңкелі кратерлердің түбінде сақталуы мүмкін. Ғарыш лифтісін Ай полюсіне жақын, бірақ тікелей оған емес, бекітуге болады. Кабельдің қалған бөлігін полюске жеткізу үшін трамвай қолданылуы мүмкін, Айдың төмен гравитациясы Жердегіден гөрі әлдеқайда биік тіреу мұнаралары мен олардың арасындағы кең аралықтарға мүмкіндік береді.
There are two points in space where an elevator's docking port could maintain a stable, lunar synchronous position: the Earth Moon Lagrange points and The 0.055 eccentricity of the lunar orbit means that these points are not fixed relative to the lunar surface : the is 56,315 km +/ 3,183 km away from the Earth facing side of the Moon (at the lunar equator) and is 62,851 km +/ 3,539 km from the center of the Moon's far side, in the opposite direction. At these points, the effect of the Moon's gravity and the effect of the centrifugal force resulting from the elevator system's synchronous, rigid body rotation cancel each other out. The Lagrangian points and are points of unstable gravitational equilibrium, meaning that small inertial adjustments will be needed to ensure any object positioned there can remain stationary relative to the lunar surface. Both of these positions are substantially farther up than the 36,000 km from Earth to geostationary orbit. Furthermore, the weight of the limb of the cable system extending down to the Moon would have to be balanced by the cable extending further up, and the Moon's slow rotation means the upper limb would have to be much longer than for an Earth based system, or be topped by a much more massive counterweight. To suspend a kilogram of cable or payload just above the surface of the Moon would require 1,000 kg of counterweight, 26,000 km beyond (A smaller counterweight on a longer cable, e. g., 100 kg at a distance of 230,000 km — more than halfway to Earth — would have the same balancing effect.) Without the Earth's gravity to attract it, an cable's lowest kilogram would require 1,000 kg of counterweight at a distance of 120,000 km from the Moon. The average Earth Moon distance is 384,400 km. The anchor point of a space elevator is normally considered to be at the equator. However, there are several possible cases to be made for locating a lunar base at one of the Moon's poles; a base on a peak of eternal light could take advantage of near continuous solar power, for example, or small quantities of water and other volatiles may be trapped in permanently shaded crater bottoms. A space elevator could be anchored near a lunar pole, though not directly at it. A tramway could be used to bring the cable the rest of the way to the pole, with the Moon's low gravity allowing much taller support towers and wider spans between them than would be possible on Earth.
Өндiру
Айдың тартылысы төмен және атмосферасы болмауы себепті, айлық лифтте жердегі кабельге қарағанда кабельді құрайтын материалдың созу беріктігіне қойылатын талаптар азырақ болады. Жердегі лифт үшін теориялық тұрғыдан мүмкін болғанымен, әзірге тәжірибеде жасалмаған материалдар (мысалы, көміртек нанотүтікшелер) қажет, олардың салмағына қатысты беріктігі жоғары болуы тиіс. Ал айлық лифт коммерциялық түрде көптеп өндірілетін жоғары берікті пара-арамидтік талшықтар (мысалы, Кевлар және М5) немесе өте жоғары молекулалық салмақты полиэтилен талшықтарынан жасалуы мүмкін. Жердегі ғарыш лифтімен салыстырғанда, жер бетіндегі байланыс орнына географиялық және саяси шектеулер аз болады. Айлық лифттың қосылу нүктесі міндетті түрде оның ауырлық орталығының тікелей астында орналаспауы мүмкін, тіпті полюстерге жақын да болуы мүмкін, ондағы терең кратерлерде күн сәулесі түспейтін мұздатылған судың бар екеніне дәлелдер бар; егер осылай болса, оны жинап алып, ракета отынына айналдыруға болады.
Because of the Moon's lower gravity and lack of atmosphere, a lunar elevator would have less stringent requirements for the tensile strength of the material making up its cable than an Earth tethered cable. An Earth based elevator would require high strength to weight materials that are theoretically possible, but not yet fabricated in practice (e. g., carbon nanotubes). A lunar elevator, however, could be constructed using commercially available mass produced high strength para aramid fibres (such as Kevlar and M5) or ultra high molecular weight polyethylene fibre. Compared to an Earth space elevator, there would be fewer geographic and political restrictions on the location of the surface connection. The connection point of a lunar elevator would not necessarily have to be directly under its center of gravity, and could even be near the poles, where evidence suggests there might be frozen water in deep craters that never see sunlight; if so, this might be collected and converted into rocket fuel.
Көлденең қима профилі
Жердегі ғарыш лифтілерінің жобаларында тіреудің конус тәрізді пішіні жиі қолданылады, ол бірқалыпты кернеу профилін қамтамасыз етеді, бірыңғай қиманы емес. Айға арналған ғарыш лифтісіне қажетті күш Жердегі ғарыш лифтісіне қарағанда әлдеқайда төмен болғандықтан, Ай лифтісі үшін бірыңғай қима қолдану мүмкін. НАСА-ның Жоғары Дамыған Ұғымдар Институты үшін жасалған зерттеуде: «Қазіргі композиттердің биіктігі бірнеше жүз шақырымды құрайды, бұл Марс үшін шамамен 6, Ай үшін 4, ал Жер үшін 6000-ға жуық конус коэффициентін талап етеді. Айдың массасы жеткілікті түрде кішкентай болғандықтан, конуссыз, бірыңғай қималы Ай ғарыш лифтін салуға болады». НАСА техникалық тәуекелдер мен қаражаттың жетіспеуіне байланысты бұл идеяны қолдамады. 1975 жылы Джером Пирсон тәуелсіз түрде ғарыш лифті тұжырымдамасын жасап, Acta Astronautica журналында жариялады. Осылайша, ғарыш лифті туралы кеңістік саласы алғаш рет білді. Оның мақаласы сэр Артур Кларкты «Жәннаттың бұлақтары» романын жазуға шабыттандырды (1979 жылы Чарльз Шеффилдтің осы тақырыптағы «Әлемдер арасындағы торы» романымен бірдей уақытта жарық көрді). 1978 жылы Пирсон өз теориясын Айға қатысты кеңейтіп, геостационарлық орбитада орналастырудың орнына Лагранж нүктелерін пайдалануға көшті. 1977 жылы советтік ғарышкер Фридрих Зандердің 1910 жылы ойлап тапқан Ай ғарыш мұнарасы туралы жазылған еңбектері қайтыс болғаннан кейін жарияланды. 2005 жылы Джером Пирсон НАСА-ның Жоғары Дамыған Ұғымдар Институты үшін зерттеуді аяқтады, онда бұл тұжырымдаманың қазіргі технологиялық деңгейде қолданылатын материалдармен техникалық тұрғыдан жүзеге асырылуы мүмкін екені көрсетілді. 2011 жылдың қазан айында LiftPort веб-сайтында Майкл Лэйн LiftPort-тың Жердегі лифтке кіріспес бұрын, Ай ғарыш лифтісін аралық мақсат ретінде жүзеге асыруды жоспарлап отырғанын мәлімдеді. 2011 жылғы Айды зерттеуді талдау тобының (LEAG) жылдық жиналысында LiftPort бас технологиялық директоры Маршалл Юбанкс Лейнмен бірлесіп жазған Ай лифті прототипі туралы баяндама жасады. 2012 жылдың тамызында Liftport жобаның 2020 жылға жуық уақытта басталуы мүмкін екенін хабарлады. 2019 жылдың сәуірінде LiftPort бас директоры Майкл Лэйн Ай лифті компаниясының тұжырымдамалық жобасынан басқа ешқандай прогресс болмағанын мәлімдеді.
Space elevator designs for Earth typically have a taper of the tether that provides a uniform stress profile rather than a uniform cross section. Because the strength requirement of a lunar space elevator is much lower than that of an Earth space elevator, a uniform cross section is possible for the lunar space elevator. The study done for NASA's Institute of Advanced Concepts states "Current composites have characteristic heights of a few hundred kilometers, which would require taper ratios of about 6 for Mars, 4 for the Moon, and about 6000 for the Earth. The mass of the Moon is small enough that a uniform cross section lunar space elevator could be constructed, without any taper at all." NASA responded negatively to the idea citing technical risk and lack of funds. In 1975, Jerome Pearson independently came up with the Space elevator concept and published it in Acta Astronautica. That made the aerospace community at large aware of the space elevator for the first time. His article inspired Sir Arthur Clarke to write the novel The Fountains of Paradise (published in 1979, almost simultaneously with Charles Sheffield's novel on the same topic, The Web Between the Worlds). In 1978 Pearson extended his theory to the moon and changed to using the Lagrangian points instead of having it in geostationary orbit. In 1977, some papers of Soviet space pioneer Friedrich Zander were posthumously published, revealing that he conceived of a lunar space tower in 1910. In 2005 Jerome Pearson completed a study for NASA Institute of Advanced Concepts which showed the concept is technically feasible within the prevailing state of the art using existing commercially available materials. In October 2011 on the LiftPort website Michael Laine announced that LiftPort is pursuing a Lunar space elevator as an interim goal before attempting a terrestrial elevator. At the 2011 Annual Meeting of the Lunar Exploration Analysis Group (LEAG), LiftPort CTO Marshall Eubanks presented a paper on the prototype Lunar Elevator co authored by Laine. In August 2012, Liftport announced that the project could actually start near 2020. In April 2019, LiftPort CEO Michael Laine reported no progress beyond the lunar elevator company's conceptualized design.
Материалдар
Жерге бекітілген ғарыш лифтілерінен өзгеше, Айға арналған ғарыш лифтілеріне қажетті материалдар аса мықты болуы шарт емес. Ай лифтілерін бүгінгі күнгі материалдармен жасауға болады. Құрылыс үшін көміртек нанотұрпақтар қажет емес. Бұл лифтті одан да ертерек салуға мүмкіндік береді, себебі жеткілікті көлемдегі көміртек нанотұрпақ материалдары әлі де бірнеше жылдап қолжетімді болмайды. М5 талшығы үлкен әлеуетке ие материалдың бірі. Бұл кевлар мен Спектрадан жеңіл синтетикалық талшық. Пирсон, Левин, Олдсон және Уайкс «Ай ғарыш лифтісі» мақаласында M5 лентасының ені 30 мм, қалыңдығы 0,023 мм болса, Ай бетінде 2000 кг салмақты көтере алатынын жазған (2005). Сонымен қатар, лифтінің бойымен тең аралықта орналасқан, әрқайсысы 580 кг салмақты 100 жүк көлігін сыйдыра алады. «(Ай) топырағында ракеталық отынға немесе тыныс алуға қажетті ауаға айналдыруға болатын шикізаттар бар». Мысалы, ұсынылған Ares V ауыр көтеру ракета жүйесі шикізатты Жерден док станциясына (Ай лифтісіне қарсы салмақ ретінде қосылған) тиімді жеткізе алады, онда болашақ ғарыш кемелері құрастырылып, ұшырылуы мүмкін, ал алынған Ай ресурстары лифтінің тіреу нүктесіне жақын Ай бетіндегі базадан жеткізілуі мүмкін. Егер лифт Айдың солтүстік полюсіне жақын салынған Ай базасына қосылса, жұмысшылар сол жерде кездесетін су мұздарын да қазып ала алады, бұл лифт док станциясындағы экипажға жеңіл қолжетімді судың мол көзін қамтамасыз етеді. Сонымен қатар, Ай мен Марс арасындағы транзитке қажетті энергия Жер мен Марс арасындағы энергиядан әлдеқайда аз болғандықтан, бұл тұжырым адамдарды Марсқа жіберудегі кейбір инженерлік қиындықтарды азайтуы мүмкін. Ай лифтісі Ай бетінен Жер орбитасына және керісінше материалдарды тасымалдау үшін де пайдаланылуы мүмкін. Джером Пирсонның сөзіне сүйенсек, Айдың көптеген материалдық ресурстарын Жер бетінен ұшырудан гөрі Жер орбитасына шығару оңайырақ. Мысалы, Айдың реголиті ғарыш станцияларын немесе ұзақ миссиялардағы экипажмен жүретін ғарыш кемелерін күн сәулесінен, Ван Аллен сәулесінен және басқа да ғарыш сәулелерінен қорғау үшін үлкен материал ретінде қолданылуы мүмкін. Айдың табиғи металдарын мен минералдарын қазып алып, құрылысқа пайдалануға болады. Айдағы кремний кен орындары, олар ғарыштағы күн электр станцияларына арналған күн батареяларын жасау үшін қолданылуы мүмкін, әсіресе перспективалы көрінеді. Ай лифтісінің бір кемшілігі – көтерілетін көліктердің жылдамдығы адам тасымалы үшін тиімді болуы мүмкін емес. Жердегі лифттен өзгеше, док станциясынан Ай бетіне дейінгі қашықтық ұзақ болғандықтан, кез келген «лифт вагоны» экипажды мақсатына жеткенше бірнеше күн, тіпті апталар бойы қамтамасыз етуі керек.
Unlike earth anchored space elevators, the materials for lunar space elevators will not require a lot of strength. Lunar elevators can be made with materials available today. Carbon nanotubes aren’t required to build the structure. This would make it possible to build the elevator much sooner, since available carbon nanotube materials in sufficient quantities are still years away. One material that has great potential is M5 fiber. This is a synthetic fiber that is lighter than Kevlar or Spectra. According to Pearson, Levin, Oldson, and Wykes in their article The Lunar Space Elevator, an M5 ribbon 30 mm wide and 0.023 mm thick, would be able to support 2000 kg on the lunar surface (2005). It would also be able to hold 100 cargo vehicles, each with a mass of 580 kg, evenly spaced along the length of the elevator. "(Lunar) soil contains raw materials that might be harvested and processed into rocket fuel or breathable air." For example, the proposed Ares V heavy lift rocket system could cost effectively deliver raw materials from Earth to a docking station, (connected to the lunar elevator as a counterweight,) where future spacecraft could be built and launched, while extracted lunar resources could be shipped up from a base on the Moon's surface, near the elevator's anchoring point. If the elevator was connected somehow to a lunar base built near the Moon's north pole, then workers could also mine the water ice which is known to exist there, providing an ample source of readily accessible water for the crew at the elevator's docking station. Also, since the total energy needed for transit between the Moon and Mars is considerably less than for between Earth and Mars, this concept could lower some of the engineering obstacles to sending humans to Mars. The lunar elevator could also be used to transport supplies and materials from the surface of the moon into the Earth's orbit and vice versa. According to Jerome Pearson, many of the Moon's material resources can be extracted and sent into Earth orbit more easily than if they were launched from the Earth's surface. For example, lunar regolith itself could be used as massive material to shield space stations or crewed spacecraft on long missions from solar flares, Van Allen radiation, and other kinds of cosmic radiation. The Moon's naturally occurring metals and minerals could be mined and used for construction. Lunar deposits of silicon, which could be used to build solar panels for massive satellite solar power stations, seem particularly promising. One disadvantage of the lunar elevator is that the speed of the climbing vehicles may be too slow to efficiently serve as a human transportation system. In contrast to an Earth based elevator, the longer distance from the docking station to the lunar surface would mean that any "elevator car" would need to be able to sustain a crew for several days, even weeks, before it reached its destination.