Кіріспе

Ғарыш арқандарының түрі. Импульстік алмасу арқандары – теориялық тұрғыда ұшыру жүйесі ретінде немесе ғарыш кемелерінің орбиталарын өзгерту үшін қолданылуы мүмкін ғарыш арқандарының бір түрі. Импульстік алмасу арқандары, орталықтан тепкіш күш деп аталатын нақты емес күштің әсерінен жүйенің соңғы массаларына бақыланатын күш түсіреді. Арқан жүйесі айналғанда, арқанның екі шетіндегі денелер үздіксіз үдеуді сезінеді; үдеудің шамасы арқанның ұзындығына және айналу жылдамдығына байланысты. Импульстік алмасу, арқан айналып тұрғанда бір шеткі дене босатылғанда пайда болады. Босатылған денге импульс беру арқанның айналу энергиясын төмендетіп, осылайша жылдамдығы мен биіктігін азайтады. Дегенмен, электродинамикалық арқанның итеру күшін немесе иондық қозғалтқышты пайдалану арқылы жүйе жағылмайтын реакциялық массаны аз немесе мүлдем жұмсамай өзін қайта жылдамдата алады. Айналмайтын арқан – бұл орбита бойына дәл бір рет айналатын арқан, сондықтан ол бауыр денесіне қатысты әрқашан тік бағытта болады. Бұл арқанның төменгі жағына келетін немесе жоғарғы жағынан кететін ғарыш кемесі арқаннан импульс алады, ал арқанның төменгі жағынан кететін немесе жоғарғы жағына келетін ғарыш кемесі арқанға импульс береді. Кейбір жағдайларда импульстік алмасу жүйелері теңгерімді тасымалдау схемалары ретінде жұмыс істеуге арналған, онда келіп жеткен ғарыш кемесі немесе жүгі бірдей жылдамдықпен және массамен кететін біреумен алмастырылады, содан кейін импульс немесе бұрыштық импульс бойынша ешқандай өзгеріс болмайды.

Кеме ағынын тұрақтандыру

Гравитациялық градиенттік тұрақтандыру, сондай-ақ "гравитациялық тұрақтандыру" және "теңіздік тұрақтандыру" деп аталады, электрондық басқару жүйелерін, реактивтік қозғалтқыштарды немесе отынды қажет етпейтін спутниктің бағытын басқарудың қарапайым және сенімді әдісі. Бұл типтегі бағытты басқару арқанының бір шетінде кішкентай масса, ал екінші шетінде спутник орналасады. Теңіз күштері екі массаның арасын созады. Теңіз күштерін түсіндірудің екі жолы бар. Біреуінде жүйенің жоғарғы массасы оның биіктігі үшін орбиталық жылдамдықтан тезірек қозғалады, сондықтан центробектік күш оны айналып өтетін планетадан әрі қашықтатуға тырысады. Сонымен қатар, жүйенің төменгі массасы оның биіктігі үшін орбиталық жылдамдықтан баяу қозғалады, сондықтан ол планетаға жақындауға ұмтылады. Нәтижесінде арқан тұрақты тартылыста болады және тік бағытта ілуге бейім. Қарапайым спутниктер көбінесе осылай тұрақтандырылады; арқандармен немесе спутник ішіндегі масса таралуымен. Кез келген бос ілінген нысан сияқты, оны да бұзуға болады және тербеліс басталуы мүмкін. Ғарышта тербелісті баяулату үшін атмосфералық кедергі болмағандықтан, ғарыш аппаратына сұйықтықтың тұтқырлығы арқылы маятниктің тербелісін азайту үшін баффлдары бар кішкентай сұйықтық бөтелкесі орнатылуы мүмкін.

Электродинамикалық тіректер

Күшті планеталық магнит өрісінде, мысалы Жердің айналасында, өткізгіш тірек электродинамикалық тірек ретінде құрастырылуы мүмкін. Оны спутниктің орбиталық жылдамдығын баяулату есебінен қуат өндіруге арналған генератор ретінде пайдалануға болады, немесе спутниктің қуат жүйесінен тізбекке қуат беру арқылы оның орбиталық жылдамдығын арттыруға болады. Осылайша, тіректі қандай да бір ракеталық отынды пайдаланбастан, орбитадағы ғарыш кемесін жылдамдатуға немесе баяулатуға болады. Бұл техниканы айналмалы тірекпен қолданғанда, тірек арқылы өтетін ток, тұрақты баяулату күшін немесе тұрақты жылдамдату күшін тудыру үшін тіректің айналу жиілігімен фазалық түрде үйлесуі керек. Спутникті баяулатса немесе жылдамдатса да, электродинамикалық тірек планетаның магнит өрісіне қарсы әрекет етеді, демек, алынған немесе жоғалған импульс ақырында планетадан шығады.

Аспанға ілінген ілгектер

Аспан ілгегі – жоғары биіктікке және жылдамдыққа жүктерді жеткізуге арналған орбиталық тіреудің теориялық класы. Қарапайым аспан ілгектері негізінен жартылай лифттер болып табылады, олар базалық станция орбитасынан белгілі бір қашықтыққа төмен созылады және жүкті көтеру арқылы орбитаға енгізуге мүмкіндік береді. Көптеген ұсыныстар тіреуді айналдырады, осылайша оның бұрыштық импульсі жүкке энергия береді, оны орбиталық жылдамдыққа немесе одан да жоғары жылдамдыққа дейін үдетеді, ал тіреудің айналуын баяулатады. Бұрыштық импульсті қайта қалпына келтіру үшін тіреуге кейіннен қандай да бір қозғалтқыш қолданылады. Бұл сөз «ротор» және «лифт» сөздерінің қосындысынан жасалған. Егер тіреу жеткілікті ұзын болса және айналу жылдамдығы жеткілікті жоғары болса, төменгі нүкте тіреудің орбиталық жылдамдығын толығымен жоюы мүмкін, нәтижесінде төменгі нүкте тіреу айналып тұрған планета бетіне қатысты қозғалмайды. Моравектің айтуынша, бұл «дөңгелектей айналатын спутник». Тіреудің ұшы шамамен циклоида бойынша қозғалады, онда ол қысқа уақытқа жерге қатысты тоқтатылады. Осы жағдайда, айналу кезінде тоқтаған сәтте айналатын тіреудегі ұстау механизмімен «ұсталған» жүк орбитаға көтеріледі және әлдеқашан айналудың ең жоғары нүктесінде босатылуы мүмкін, онда ол қашқыш жылдамдықтан әлдеқайда жоғары жылдамдықпен қозғалады және осылайша планетаралық траекторияға жіберілуі мүмкін. (Жоғарыда талқыланған «боло» сияқты, жүкке берілген импульс пен энергияны жоғары тиімділіктегі ракеталық қозғалтқышпен немесе кері бағытта қозғалатын жүктерден жиналған импульспен өтеу керек.) Атмосферасы бар денелерде, мысалы Жерде, тіреудің ұшы тығыз атмосферадан жоғары болуы керек. Ықшам орбиталық жылдамдығы бар денелерде (мысалы, Ай және мүмкін Марста) төмен орбитадағы ротоватор жер бетіне тиіп, арзан жер үсті көлігін қамтамасыз ете алады, сондай-ақ цислундық кеңістікке материалдарды жіберуге мүмкіндік береді. 2000 жылдың қаңтар айында Boeing компаниясы NASA Advanced Concepts институтының тапсырысы бойынша екі сатылы тіреулерді қоса алғанда, тіреуді іске қосу жүйелерін зерттеуді аяқтады.

Жерге ұшыруға көмек көрсету

Өкінішке қарай, Жерді орбитаға айналдыруға арналған ротоваторды қазіргі қолданыстағы материалдардан жасау мүмкін емес, себебі ротоватордағы жүктемелерді көтере алу үшін қалыңдығы мен тіреу массасы тым үлкен болып, экономикалық тұрғыдан тиімсіз болар еді. Айналу жылдамдығы үштен екі есеге төмендетілген "әлсіздетілген" ротоватор орталықтан тығырылу күштерін екі есеге азайтады. Сондықтан, күштерді азайтудың тағы бір тәсілі – ротоватордың жерден нөлдік жылдамдықпен жүк алмай, жылжып бара жатқан көлікті алып, оны орбитаға шығаруы. Мысалы, ротоватор Жердің жоғарғы атмосферасынан 12 Мах жылдамдығымен ұшатын ұшақты ракета қолданбастан орбитаға көшіре алады, сондай-ақ осындай ұшақты ұстап, атмосфераға түсіре алады. Ракетаға төменгі ұштық жылдамдыққа жету оңайырақ болғандықтан, "бір сатылы тірек" ұсынылған. Олардың бірі – Гипердыбыстық Ұшақ Космостық Тірек Орбиталық Ұшыру (HASTOL). Бұл тәсіл "Тірекпен Ұшыруға Көмек" деп аталды. Оны сондай-ақ ғарыш лассосы деп те атайды. Компанияның мақсаттары 2020 жылға қарай орбитадан түсіруге көмектесетін модульдерге және теңіз тіректеріне қарай өзгерді. 2013 жылы "Тірекпен Ұшыруға Көмек" концепцияларын зерттеу, жеткілікті қуатқа (~10 Вт/кг) ие ротоваторлар жасалған жағдайда, бұл концепция жақын арада аздап экономикалық болатынын көрсетті.

Ғарыш лифтісі

Ғарыш лифті – планеталық денеге бекітілген ғарыш арқаны. Мысалы, Жерде ғарыш лифті экватордан геосинхронды орбитадан әлдеқайда жоғары көтеріледі. Ғарыш лифтісіне ротоватор сияқты қуат берудің қажеті жоқ, себебі ол планеталық дененің қажетті бұрыштық импульсын алады. Оның кемшілігі – ол өте ұзын, және көптеген планеталар үшін ғарыш лифтісі белгілі материалдардан жасалуы мүмкін емес. Жердегі ғарыш лифтісіне қазіргі технологиялық мүмкіндіктерден асып түсетін материалдық беріктік қажет (2014). Дегенмен, Марс және Ай ғарыш лифтілерін қазіргі заманғы материалдармен салуға болады. Фобоста ғарыш лифтісін салу да ұсынылған. Ғарыш лифтілері ротоваторға қарағанда әлдеқайда көп потенциалдық энергияға ие, сондықтан ауыр бөліктер ("құлап түскен кілт") құлап кетсе, тік бұрышпен атмосфераға қайта кіріп, орбиталық жылдамдыққа жуық жылдамдықпен жер бетіне шағылысады. Көптеген жобаларда кабель құрауышы құлап кетсе, ол жерге тимей-ақ жанып кетеді.

Айдағы көлік жүйесі

Бұл тұрақты энергияны қажет етеді деп ойласа да, шын мәнінде Айдың бетінен жүкті көтеру және оны төменгі Жер орбитасына түсіру энергетикалық тұрғыдан тиімді екені дәлелденуі мүмкін, сондықтан айдың беті салыстырмалы түрде жоғары потенциалды энергия күйінде болғандықтан, қозғалтқыштың көп мөлшерін қолданбай-ақ оны іске асыруға болады. Бұл жүйе жалпы массасы пайдалы жүктердің массасынан 28 еседен кем болуы мүмкін. Осылайша, ротоваторларды импульс алмасу арқылы зарядтауға болады. Импульспен зарядтау ротоваторды гравитациялық өрісте "жоғары" жатқан жерден "төмен" жатқан жерге массаны жылжыту үшін пайдаланады. Бұл әдіс Оберт эффектісін қолданады, мұнда арқан жоғары сызықтық жылдамдықпен қозғалғанда, гравитациялық потенциалы төмен болған кезде пайдалы жүктемені босату арқылы көбірек энергия алынады, тіпті айналу жылдамдығы бірдей болса да, жоғары гравитациялық потенциалда пайдалы жүктемені алуға кеткен энергиядан гөрі жоғары жылдамдыққа қол жеткізіледі. Мысалы, Ай мен Жер арасындағы тауар айналымын жүзеге асыру үшін екі немесе үш ротоватор жүйесін пайдалануға болады. Ротоваторлар Жерге немесе оның маңына тасталған Айдың массасымен (экспорт мүмкін болмаса, топырақ) зарядталады және осылай алынған импульсті Жердегі тауарларды Айға жеткізу үшін пайдалана алады. Импульс және энергия алмасу екі бағытта тең ағыммен теңестірілуі немесе уақыт өте келе артуы мүмкін. Ротоваторлардың ұқсас жүйелері теориялық тұрғыдан Күн жүйесінде арзан тасымалдықтарды ұйымдастыруға мүмкіндік береді.

Тейтерлі кабельді катапульттік жүйе

Тендерлі кабельді катапульттік жүйе – екі немесе одан көп ұзын өткізгіш тізбектерді ауыр массаға бекітіп, тік сызықта қатаң ұстайтын жүйе. Жүйеге қуат тізбектер арқылы беріледі және сызықтық магнит моторлары бар көлік құралы осы қуатты қабылдап, кабельдің бойымен өзін итеруге пайдаланады. Кабельдің соңына жақындағанда көлік құралы жүктеп әкелген затты босатып, өзі тоқтап, баяулайды, ал жүктеп әкелген зат өте жоғары жылдамдықпен қанағаттануда. Бұл жүйенің есептелген максималды жылдамдығы өте жоғары, кабельдегі дыбыс жылдамдығынан 30 есе асып түседі; сондай-ақ, одан да жоғары жылдамдықтарға қол жеткізу мүмкін көрінеді.