Орбитаға шығару жүйесі: Қозғалатын кабельдік шеңбер
Launch loop
Жер орбитасына шығару үшін ұсынылған инновациялық «іске қосу тізбегі» жүйесі. 80 км биіктіктегі магниттік жолмен 5 тонналық жүктерді ғарышқа шығару мүмкіндігі.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Объектілерді орбитаға шығаруға арналған ұсынылған жүйе
Proposed system for launching objects into orbit
Ұшыру орамасы немесе Лофстром орамасы – екі шеті Жерге бекітілген және ортасы атмосферадан жоғары созылған, қозғалатын кабель жүйесі арқылы объектілерді орбитаға шығарудың ұсынылған жүйесі. Дизайн тұжырымдамасын Кит Лофстром жариялаған, ол шамамен 2000 км (1240 миль) ұзындығы бар және 80 км (50 миль) биіктікте ұсталатын белсенді құрылымдық магниттік кабельдік көлік жүйесін сипаттайды. Осы биіктікте Ұшыру орамасын құрылымның айналасында айналатын белдіктің инерциясы ұстап тұрады. Бұл айналым құрылымның салмағын екі магниттік подшипникке – әр шетіндегі бір-бір подшипникке – жүктеу арқылы қолдайды. Ұшыру орамалары 5 тонна салмақты көлік құралдарын ракетасыз ғарышқа шығаруға арналған, оларды электромагниттік үдеу арқылы Жер орбитасына немесе одан да алысқа жіберуге болады. Бұл атмосфераның үстінде үдеуге арналған жолды құрайтын кабельдің жалпақ бөлігі арқылы жүзеге асырылады. Жүйе ғарыш туризмі, ғарыш зерттеулері және ғарыш колонизациясы үшін адамдарды ұшыруға ыңғайлы, сондай-ақ салыстырмалы түрде төмен, 3g үдеуді қамтамасыз етеді. Лофстром 1983–1985 жылдары Ұшыру орамасы идеясымен егжей-тегжейлі жұмыс істеді. Бұл PORS-тің дамытылған нұсқасы, ол адамдарды ғарышқа ұшыруға жарамды магниттік левитация жолын құру үшін арнайы жасалған; бірақ орбиталық сақина суперөткізгіш магниттік левитацияны пайдаланса, Ұшыру орамалары электромагниттік серпіліс (EMS) жүйесін қолданады.
A launch loop, or Lofstrom loop, is a proposed system for launching objects into orbit using a moving cable like system situated inside a sheath attached to the Earth at two ends and suspended above the atmosphere in the middle. The design concept was published by Keith Lofstrom and describes an active structure maglev cable transport system that would be around 2,000 km (1,240 mi) long and maintained at an altitude of up to 80 km (50 mi). A launch loop would be held up at this altitude by the momentum of a belt that circulates around the structure. This circulation, in effect, transfers the weight of the structure onto a pair of magnetic bearings, one at each end, which support it. Launch loops are intended to achieve non rocket spacelaunch of vehicles weighing 5 metric tons by electromagnetically accelerating them so that they are projected into Earth orbit or even beyond. This would be achieved by the flat part of the cable which forms an acceleration track above the atmosphere. The system is designed to be suitable for launching humans for space tourism, space exploration and space colonization, and provides a relatively low 3g acceleration. The launch loop idea was worked on in more detail around 1983–1985 by Lofstrom. It is a fleshed out version of PORS specifically arranged to form a mag lev acceleration track suitable for launching humans into space; but whereas the orbital ring used superconducting magnetic levitation, launch loops use electromagnetic suspension (EMS).
Сипаттама
Аралдағы үлкен зеңбірек атмосфераға снаряд атып жібереді. Снаряддың бастапқы ұшу траекториясы шамамен парабола тәрізді болады, бірақ ауа кедергісі оны баяулатып, Жерге әлдеқайда тік траекториямен қайтаруға мәжбүр етеді. Егер болжамды траекторияны түтікшеге жауып, ауаны шығарып тастаса, траекторияны толығымен баллистикалық етуге болады. Мұндай түтікшені ілу, траектория ұзындығына байланысты қиындық тудыруы мүмкін. Дегенмен, көтергіш күшін қамтамасыз ету үшін снарядты уақытша пайдалануға болады. Егер түтікше снарядтың ұшу жолымен тура бірге болмаса, бірақ одан сәл төмен болса, снаряд түтікше арқылы өтетін кезде төмен қарай итеріледі, соның нәтижесінде түтікшеге жоғары бағытталған күш түседі. Жүйені ауада ұстап тұру үшін снарядтарды үнемі ату қажет. Ұшыру тізбегі – бұл тұжырымдаманың үздіксіз нұсқасы. Зеңбірекпен снаряд атудың орнына, масса жетектегіші кабельді ұқсас траекторияға жылдамдатады. Кабельді электр магниттерімен төмен басып, жоғарыда ұстап тұратын, вакуумдалған түтікшемен қоршап алады. Кабель траекторияның екінші ұшында Жерге түскен кезде, екінші масса жетектегіші оны ұстап алады, 180 градусқа бұрып, кері траекторияға қайта жібереді. Нәтижесінде, үздіксіз қозғалыста болып, түтікшені ауада ұстап тұратын бір тізбек пайда болады. Жүйені ғарышқа ұшыру құралы ретінде пайдалану үшін Ұшыру тізбегінің ұзындығы 2000 км, ал биіктігі 80 км болуы керек. Тізбек түтікше түрінде болады, ол қаптама деп аталады. Қаптаманың ішінде тағы бір үздіксіз түтікше орналасқан, ол ротор деп аталады, ол белдік немесе тізбек сияқты болады. Ротор – диаметрі шамамен 5 см (2 дюйм) темір түтік, ол тізбек бойымен 14 км/с (сағатына 31,000 миль) жылдамдықпен қозғалады. Жүйені ауада ұстап тұру үшін үлкен көтергіш күш қажет, ал нәтижесіндегі траектория ротордың табиғи баллистикалық траекториясынан әлдеқайда жазық болады. Эдди тогының әдісі ықшам, жеңіл және қуатты, бірақ тиімсіз. Әрбір ұшыру кезінде ротор температурасы қуаттың таралуына байланысты 80 кельвинге дейін көтеріледі. Егер ұшырулар тым жақын аралықта болса, ротор температурасы 770 °C (1043 K) дейін жетеді, онда темір ротор өзінің ферромагниттік қасиеттерін жоғалтады және роторды ұстап тұру мүмкін болмайды.
Consider a large cannon on an island that shoots a shell into the high atmosphere. The shell will follow a roughly parabolic path for the initial flight, but drag will slow the shell and cause it to return to Earth in a much more vertical path. One could make the path purely ballistic by enclosing the predicted path in a tube and removing the air. Suspending such a tube would be a significant problem depending on the length of the path. However, one can use the shell to provide this lift force, at least temporarily. If the tube is not exactly along the flight path of the shell, but slightly below it, as the shell passes through the tube, it will be forced downward, thereby producing an upward force on the tube. To stay aloft, the system would require the shells to be fired continually. The launch loop is essentially a continuous version of this concept. Instead of a cannon firing a shell, a mass driver accelerates a cable into a similar trajectory. The cable is surrounded by an evacuated tube, which is held aloft by pushing down on the cable using electromagnets. When the cable falls back to Earth at the other end of the trajectory, it is captured by a second mass driver, bent through 180 degrees, and sent back up on the opposite trajectory. The result is a single loop that is continually travelling and keeping the tube aloft. To use the system as a space launcher, a launch loop would be about 2,000 km long and 80 km high. The loop would be in the form of a tube, known as the sheath. Floating within the sheath is another continuous tube, known as the rotor which is a sort of belt or chain. The rotor is an iron tube approximately 5 cm (2 inches) in diameter, moving around the loop at 14 km/s (31,000 miles per hour). Keeping the system aloft requires a significant amount of lift, and the resulting path is much flatter than the natural ballistic path of the rotor. The eddy current technique is compact, lightweight and powerful, but inefficient. With each launch the rotor temperature increases by 80 kelvins due to power dissipation. If launches are spaced too close together, the rotor temperature can approach 770 °C (1043 K), at which point the iron rotor loses its ferromagnetic properties and rotor containment is lost.
Ұшыру циклдерінің артықшылықтары
Ғарыш лифтілерімен салыстырғанда, жаңа, жоғары кернеулі материалдарды жасау қажет емес, себебі құрылым өз салмағын қозғалатын циклдің кинетикалық энергиясымен көтеріп, Жердің тартылысына қарсы тұрады, кернеулік беріктігімен емес. Лофстромның ұшыру циклдарының жоғары қарқынмен жұмыс істеуі (сағатына көптеген ұшырулар, ауа райына тәуелсіз) күтілуде және олар табиғатты ластамайды. Ракеталар өз құрамындағы жоғары температурадан туындаған нитраттар сияқты зиянды заттарды бөліп шығарады, ал жанар майына қарай парниктік газдардың да көзі болуы мүмкін. Электрлік жетегінің түрі ретінде ұшыру циклдары экологиялық таза болуы мүмкін және геотермалдық, ядролық, жел, күн немесе кез келген басқа энергия көзімен, тіпті үздіріліссіз энергиямен де жұмыс істей алады, себебі жүйеде үлкен қуат жинақтау мүмкіндігі бар. Ғарыш лифтілері Ван Аллен белдеулері арқылы бірнеше күн бойы өтуі керек болса, ұшыру циклдары жолаушыларды белдеулердің астындағы Жердің төменгі орбитасына немесе бірнеше сағат ішінде олардан өтуге мүмкіндік береді. Бұл Аполлон бағдарламасының астронавттарының сезінген жағдайға ұқсас, олар ғарыш лифтісімен салыстырғанда шамамен 0,5% сәулелену дозасын алды. Ғарыш лифтілері бүкіл ұзындығы бойында ғарыш қалдықтары мен метеориттердің қаупіне ұшыраса, ұшыру циклдары ауа кедергісінен орбиталардың тұрақсыз болатын биіктікте орналасуы керек. Қалдықтар ұзақ сақталмайтындықтан, құрылымға соқтығысудың тек бір мүмкіндігі бар. Ғарыш лифтілерінің құлау кезеңі жылдарға созылуы күтілсе, осындай жағдайда циклдардың зақымдануы немесе құлауы сирек болады деп күтілуде. Сонымен қатар, ұшыру циклдарының өзі, тіпті апат болған жағдайда да, ғарыш қалдықтарының маңызды көзі емес. Барлық қалдықтардың перигейі атмосферамен қиылысады немесе қашу жылдамдығына жетеді. Ұшыру циклдары адамдарды тасымалдауға арналған, адамдардың көпшілігі жақсы көтере алатын қауіпсіз 3g үдеуді қамтамасыз етеді. Мысалы, Лофстром жобасында 1,5 метрлік темір пластиналар арасында кеңейту буындары бар. Олардың жылдамдықтары (гравитация, үйкеліс астында) әртүрлі болуы мүмкін және Болонкин олардың түтікте қисылып қалуы мүмкін екенін айтады; ал жердің 28 км диаметріндегі айналу бөлімдеріндегі күш пен үйкеліс өте зор. 2008 жылы Болонкин ғарыш аппаратын қазіргі технологияға сәйкес іске қосуға арналған қарапайым айналмалы жақын циклды кабельді ұсынды. Тағы бір жоба – ғарыш кабелі – Джон Кнапманның кішірек дизайны, ол дәстүрлі ракеталарды іске қосуға және суборбиталды туризмге көмектесуге арналған. Ғарыш кабелінің дизайны ұшыру циклдары архитектурасындағы сияқты үздіксіз ротордың орнына дискретті бұрандаларды пайдаланады. Кнапман сонымен қатар математикалық тұрғыдан меандр тұрақсыздығын бақылауға болатынын көрсетті. Skyhook – тағы бір ұшыру жүйесінің тұжырымы. Skyhook айналмалы немесе айналмайтын болуы мүмкін. Айналмайтын Skyhook Жердің төменгі орбитасынан Жер атмосферасының үстіне дейін ілінеді (Skyhook кабелі Жерге бекітілмейді). Айналмалы Skyhook төменгі шетінің жылдамдығын азайту үшін бұл дизайнды өзгертеді; бүкіл кабель өзінің ауырлық орталығының айналасында айналады. Бұл ұшыру машинасының жылдамдығын одан да төмендетуге мүмкіндік береді, айналмалы Skyhook-тың төменгі жағына ұшып, одан да үлкен жүк көлемін және төменгі ұшыру құнын қамтамасыз етеді. Бұл екі кемшілігі бар: келетін ұшыру машинасының айналмалы Skyhook-тың төменгі жағына қосылу үшін қол жетімді уақыттың қысқаруы (шамамен 3-тен 5 секундқа дейін) және мақсатты орбитаға қатысты таңдаудың болмауы.
Compared to space elevators, no new high tensile strength materials have to be developed, since the structure resists Earth's gravity by supporting its own weight with the kinetic energy of the moving loop, and not by tensile strength. Lofstrom's launch loops are expected to launch at high rates (many launches per hour, independent of weather), and are not inherently polluting. Rockets create pollution such as nitrates in their exhausts due to high exhaust temperature, and can create greenhouse gases depending on propellant choices. Launch loops as a form of electric propulsion can be clean, and can be run on geothermal, nuclear, wind, solar or any other power source, even intermittent ones, as the system has huge built in power storage capacity. Unlike space elevators which would have to travel through the Van Allen belts over several days, launch loop passengers can be launched to low Earth orbit, which is below the belts, or through them in a few hours. This would be a similar situation to that faced by the Apollo astronauts, who had radiation doses about 0.5% of what the space elevator would give. Unlike space elevators which are subjected to the risks of space debris and meteorites along their whole length, launch loops are to be situated at an altitude where orbits are unstable due to air drag. Since debris does not persist, it only has one chance to impact the structure. Whereas the collapse period of space elevators is expected to be of the order of years, damage or collapse of loops in this way is expected to be rare. In addition, launch loops themselves are not a significant source of space debris, even in an accident. All debris generated has a perigee that intersects the atmosphere or is at escape velocity. Launch loops are intended for human transportation, to give a safe 3g acceleration which the vast majority of people would be capable of tolerating well, For example, the Lofstrom project has expansion joints between 1.5 meter iron plates. Their speeds (under gravitation, friction) can be different and Bolonkin claims that they could wedge in the tube; and the force and friction in the ground 28 km diameter turnaround sections are gigantic. In 2008, Bolonkin proposed a simple rotated close loop cable to launch the space apparatus in a way suitable for current technology. Another project, the space cable, is a smaller design by John Knapman that is intended for launch assist for conventional rockets and suborbital tourism. The space cable design uses discrete bolts rather than a continuous rotor, as with the launch loop architecture. Knapman has also mathematically shown that the meander instability can be tamed. The skyhook is another launch system concept. Skyhook could be either rotating or non rotating. The non rotating skyhook hangs from a low Earth orbit down to just above the Earth's atmosphere (skyhook cable is not attached to Earth). The rotating skyhook changes this design to decrease the speed of the lower end; the entire cable rotates around its center of gravity. The advantage of this is an even greater velocity reduction for the launch vehicle flying to the bottom end of the rotating skyhook which makes for an even larger payload and a lower launch cost. The two disadvantages of this are: the greatly reduced time available for the arriving launch vehicle to hook up at the lower end of the rotating skyhook (approximately 3 to 5 seconds), and the lack of choice regarding the destination orbit.