Введение
Тип космического троса
Трос для обмена импульсом – это вид космического троса, который теоретически может использоваться в качестве системы запуска или для изменения орбит космических аппаратов. Тросы для обмена импульсом создают управляемое усилие на концевых массах системы за счет псевдосилы, известной как центробежная сила. Пока система троса вращается, объекты на обоих концах троса будут испытывать непрерывное ускорение; величина ускорения зависит от длины троса и скорости вращения. Обмен импульсом происходит при высвобождении концевого тела во время вращения. Передача импульса высвобожденному объекту приведет к потере энергии вращающимся тросом, и, следовательно, к потере скорости и высоты. Однако, используя электродинамическую тягу или ионную двигательную установку, система может затем восстановить свою энергию с минимальным или полным отсутствием расхода топлива. Не вращающийся трос – это вращающийся трос, который совершает ровно один оборот за орбиту, сохраняя вертикальную ориентацию относительно центрального тела. Космический аппарат, прибывающий к нижнему концу троса или отстыковывающийся от верхнего, будет забирать импульс у троса, в то время как космический аппарат, отстыковывающийся от нижнего конца троса или прибывающий к верхнему, будет передавать импульс тросу. В некоторых случаях системы обмена импульсом предназначены для работы как сбалансированные транспортные схемы, где прибывающий космический аппарат или груз обмениваются с отбывающим, имеющим ту же скорость и массу, и тогда не происходит чистого изменения импульса или углового момента.
A momentum exchange tether is a kind of space tether that could theoretically be used as a launch system, or to change spacecraft orbits. Momentum exchange tethers create a controlled force on the end masses of the system due to the pseudo force known as centrifugal force. While the tether system rotates, the objects on either end of the tether will experience continuous acceleration; the magnitude of the acceleration depends on the length of the tether and the rotation rate. Momentum exchange occurs when an end body is released during the rotation. The transfer of momentum to the released object will cause the rotating tether to lose energy, and thus lose velocity and altitude. However, using electrodynamic tether thrusting, or ion propulsion the system can then re boost itself with little or no expenditure of consumable reaction mass. A non rotating tether is a rotating tether that rotates exactly once per orbit so that it always has a vertical orientation relative to the parent body. A spacecraft arriving at the lower end of this tether, or departing from the upper end, will take momentum from the tether, while a spacecraft departing from the lower end of the tether, or arriving at the upper end, will add momentum to the tether. In some cases momentum exchange systems are intended to run as balanced transportation schemes where an arriving spacecraft or payload is exchanged with one leaving with the same speed and mass, and then no net change in momentum or angular momentum occurs.
Стабилизация прилива и отлива
Стабилизация гравитационного градиента, также называемая "гравитационной стабилизацией" и "приливной стабилизацией", — это простой и надежный метод управления ориентацией спутника, не требующий электронных систем управления, ракетных двигателей или топлива. Этот тип системы управления ориентацией использует трос с небольшой массой на одном конце и спутником на другом. Приливные силы растягивают трос между этими двумя массами. Существует два способа объяснения действия приливных сил. В одном из них верхняя масса системы движется быстрее орбитальной скорости для своей высоты, поэтому центробежная сила стремится увеличить её удаление от планеты, вокруг которой она вращается. Одновременно нижняя масса системы движется медленнее орбитальной скорости для своей высоты, стремясь приблизиться к планете. В результате трос находится под постоянным натяжением и стремится занять вертикальное положение. Простые спутники часто стабилизировались таким образом – либо с помощью тросов, либо за счет распределения массы внутри самого спутника. Как и любой свободно подвешенный объект, он может быть подвержен возмущениям и начать колебаться. Поскольку в космосе отсутствует атмосферное сопротивление, способное замедлить эти колебания, на борту космического аппарата может быть установлен небольшой резервуар с жидкостью и перегородками для демпфирования колебаний, подобных маятнику, за счет вязкого трения жидкости.
Электродинамические привязки
В сильном планетарном магнитном поле, таком как поле Земли, проводящий трос может быть сконфигурирован как электродинамический трос. Его можно использовать как динамо для выработки энергии для спутника, замедляя при этом его орбитальную скорость, или для увеличения орбитальной скорости спутника, подавая энергию из энергосистемы спутника в трос. Таким образом, трос может использоваться для ускорения или замедления орбитального космического аппарата без использования ракетного топлива. При использовании этой техники с вращающимся тросом, ток, протекающий по тросу, должен меняться в фазе со скоростью вращения троса, чтобы создавать либо постоянную силу торможения, либо постоянную силу ускорения. Независимо от того, замедляет или ускоряет ли спутник, электродинамический трос взаимодействует с магнитным полем планеты, и, следовательно, приобретенный или потерянный импульс в конечном итоге берется от планеты.
Крючки для поднятия
Небесный крюк – это теоретический класс орбитальных тросовых двигательных установок, предназначенных для подъема полезных нагрузок на большую высоту и скорости. Простые небесные крюки по сути являются неполными лифтами, простирающимися на некоторое расстояние ниже орбиты базовой станции и обеспечивающими выход на орбиту путем подъема груза. Большинство предложений предусматривают вращение троса таким образом, чтобы его угловой момент также передавал энергию грузу, ускоряя его до орбитальной скорости или выше, при этом замедляя сам трос. Затем к тросу применяется какое-либо движение для восстановления углового момента. Это слово – гибрид, образованный от слов "ротор" и "лифт". Если трос достаточно длинный, а скорость вращения достаточно высока, нижняя точка троса может полностью компенсировать свою орбитальную скорость, так что нижняя точка будет неподвижна относительно поверхности планеты, вокруг которой вращается трос. Как описал Моравец, это "спутник, вращающийся как колесо". Конец троса движется приблизительно по циклоиде, в которой он на мгновение неподвижен относительно земли. В этом случае полезная нагрузка, "захваченная" захватным механизмом на вращающемся тросе в момент его неподвижности, будет поднята на орбиту и потенциально может быть выпущена в верхней точке вращения, где она будет двигаться со скоростью, значительно превышающей первую космическую, и, следовательно, может быть отправлена на межпланетную траекторию. (Как и в случае с "боло", описанным выше, импульс и энергия, переданные полезной нагрузке, должны быть компенсированы либо высокоэффективным ракетным двигателем, либо импульсом, полученным от полезной нагрузки, движущейся в противоположном направлении.) На телах, имеющих атмосферу, таких как Земля, конец троса должен оставаться выше плотных слоев атмосферы. На телах с относительно низкой орбитальной скоростью (таких как Луна и, возможно, Марс), ротоватор на низкой орбите потенциально может касаться поверхности, обеспечивая тем самым дешевый наземный транспорт, а также вывод материалов в окололунное пространство. В январе 2000 года компания Boeing завершила исследование систем запуска с использованием тросов, включая двухступенчатые тросы, заказанное Институтом перспективных концепций NASA.
Земля старт помощь bolo
К сожалению, ротоватор для вывода на орбиту Земли невозможно построить из имеющихся в настоящее время материалов, поскольку требуемая толщина и масса троса для выдерживания нагрузок были бы экономически невыгодными. Однако "ослабленный" ротоватор с двумя третями скорости вращения уменьшит центростремительные напряжения вдвое. Другой способ снизить напряжения – вместо захвата груза с земли с нулевой скоростью, ротоватор может захватывать движущийся аппарат и выводить его на орбиту. Например, ротоватор может поднять самолет, летящий со скоростью 12 Махов, из верхних слоев атмосферы Земли и вывести его на орбиту без использования ракет, а также может перехватывать такие аппараты и спускать их обратно в атмосферу. Ракетам проще достичь меньшей скорости на конце троса, поэтому была предложена схема "одноступенчатого вывода с использованием троса". Один из таких проектов называется "Гиперзвуковой самолет для орбитального запуска с использованием троса" (HASTOL). Эта концепция также известна как "Tether Launch Assist" (помощь при запуске тросом) или "космическая бола". Однако к 2020 году цели компании сместились в сторону модулей для схода с орбиты и морских тросов. Исследования концепций "Tether Launch Assist", проведенные в 2013 году, показали, что эта концепция может стать экономически целесообразной в ближайшем будущем, как только будут разработаны ротоваторы с достаточно высоким отношением мощности к массе (~10 Вт/кг).
Космический лифт
Космический лифт — это космическая трость, прикреплённая к планетарному телу. Например, на Земле космический лифт простирался бы от экватора далеко за геосинхронную орбиту. Космическому лифту не требуется питание, как ротоватору, поскольку он получает необходимый угловой момент от планетарного тела. Недостаток заключается в том, что он значительно длиннее, и для многих планет космический лифт невозможно построить из известных материалов. Для космического лифта на Земле потребуются материалы с прочностью, превышающей современные технологические возможности (2014). Однако космические лифты на Марсе и Луне можно построить из современных материалов. Также было предложено построить космический лифт на Фобосе. Космические лифты обладают большим запасом потенциальной энергии, чем ротоватор, и если тяжёлые предметы (например, "упавший гаечный ключ") упадут, они войдут в атмосферу под острым углом и столкнутся с поверхностью на околоорбитальной скорости. В большинстве предполагаемых конструкций, если бы сам трос упал, он бы сгорел в атмосфере до достижения земли.
Транспортная система Cislunar
Хотя может показаться, что для этого требуется постоянная подача энергии, на самом деле можно показать, что энергетически выгодно поднимать грузы с поверхности Луны и сбрасывать их на более низкую околоземную орбиту, и таким образом это может быть достигнуто без значительного расхода топлива, поскольку поверхность Луны находится в сравнительно более высоком состоянии потенциальной энергии. Кроме того, эта система может быть построена с общей массой, не превышающей 28 масс перевозимых грузов. Таким образом, ротоваторы могут заряжаться за счет обмена импульсом. Импульсная зарядка использует ротоватор для перемещения массы из точки, находящейся "выше" в гравитационном поле, в точку, находящуюся "ниже". Для этого используется эффект Оберта, при котором высвобождение груза, когда трос движется с большей линейной скоростью в более низкой точке гравитационного потенциала, дает большую удельную энергию и, в конечном итоге, большую скорость, чем энергия, затраченная на подъем груза в более высокой точке гравитационного потенциала, даже если скорость вращения остается прежней. Например, можно использовать систему из двух или трех ротоваторов для организации грузообмена между Луной и Землей. Ротоваторы заряжаются лунным материалом (реголитом, если экспорт недоступен), сбрасываемым на Землю или вблизи нее, и могут использовать полученный импульс для доставки земных грузов на Луну. Обмен импульсом и энергией может быть сбалансирован равными потоками в обоих направлениях или может увеличиваться со временем. Подобные системы ротоваторов теоретически могут открыть доступ к недорогой транспортировке по всей Солнечной системе.
Система катапультирования кабелей
Катапультная система с использованием тросов-привязок – это система, в которой два или более длинных проводящих троса жестко удерживаются в прямой линии и прикреплены к тяжелой массе. Энергия подается на тросы и принимается транспортным средством, оснащенным линейными магнитными двигателями, которые используются для разгона вдоль троса. Вблизи конца троса транспортное средство высвобождает полезную нагрузку, замедляется и останавливается, а полезная нагрузка продолжает движение с очень высокой скоростью. Расчетная максимальная скорость для этой системы чрезвычайно высока, более чем в 30 раз превышающая скорость звука в тросе, и представляется возможным достижение скоростей еще выше.