Система запуска в орбиту: Замкнутый ускоритель Лофстрома

Введение

Предлагаемая система запуска объектов на орбиту

Лансировочная петля, или петля Лофстрома, – это предлагаемая система запуска объектов на орбиту, использующая движущуюся кабельную систему, расположенную внутри оболочки, прикреплённой к Земле на двух концах и подвешенной над атмосферой в средней части. Концепция была опубликована Китом Лофстромом и описывает активную кабельную систему транспортировки на магнитной подвеске, длиной около 2000 км (1240 миль) и поддерживаемую на высоте до 80 км (50 миль). Лансировочная петля удерживается на этой высоте за счёт импульса движущегося контура, циркулирующего вокруг конструкции. Эта циркуляция, по сути, передаёт вес конструкции на пару магнитных подшипников, по одному на каждом конце, которые обеспечивают её поддержку. Лансировочные петли предназначены для неракетного космического запуска аппаратов массой 5 метрических тонн посредством электромагнитного ускорения, позволяющего вывести их на околоземную орбиту и даже за её пределы. Это достигается за счёт плоской части кабеля, формирующей трассу ускорения над атмосферой. Система разработана для запуска людей в целях космического туризма, исследования космоса и колонизации, обеспечивая относительно низкое ускорение в 3g. Идея лансировочной петли была более детально проработана Лофстромом примерно в 1983–1985 годах. Это развитая версия PORS, специально адаптированная для создания трассы ускорения на магнитной подвеске, подходящей для запуска людей в космос; однако, в то время как орбитальное кольцо использует сверхпроводящую магнитную левитацию, лансировочные петли используют электромагнитную подвеску (EMS).

Описание

Представьте себе большую пушку на острове, стреляющую снарядом в верхние слои атмосферы. Снаряд поначалу будет двигаться по приблизительно параболической траектории, но сопротивление воздуха замедлит его и заставит вернуться на Землю по более крутой траектории. Можно добиться чисто баллистической траектории, поместив предполагаемый путь снаряда в трубу и откачав из нее воздух. Подвешивание такой трубы, в зависимости от длины траектории, станет серьезной проблемой. Однако, можно использовать сам снаряд для создания подъемной силы, по крайней мере, временно. Если труба расположена не точно по траектории снаряда, а немного ниже, то при прохождении снаряда через трубу он будет принудительно опущен вниз, тем самым создавая направленную вверх силу, поддерживающую трубу. Для поддержания системы в воздухе потребуется непрерывная стрельба снарядами. Пусковая петля – это, по сути, непрерывная версия этой концепции. Вместо пушки, стреляющей снарядом, массовый ускоритель разгоняет кабель по аналогичной траектории. Кабель окружен эвакуированной трубой, которая удерживается в воздухе за счет прижимания к кабелю электромагнитами. Когда кабель возвращается на Землю на другом конце траектории, он захватывается вторым массовым ускорителем, поворачивается на 180 градусов и отправляется обратно по противоположной траектории. В результате получается единая петля, непрерывно движущаяся и поддерживающая трубу в воздухе. Для использования системы в качестве космического стартера пусковая петля должна быть длиной около 2000 км и высотой 80 км. Петля будет иметь форму трубы, известной как оболочка. Внутри оболочки свободно перемещается еще одна непрерывная труба, известная как ротор, представляющая собой своего рода ленту или цепь. Ротор – это железная труба диаметром около 5 см, движущаяся по петле со скоростью 14 км/с. Для поддержания системы в воздухе требуется значительная подъемная сила, поэтому результирующая траектория намного более плоская, чем естественная баллистическая траектория ротора. Метод использования вихревых токов компактен, легок и мощен, но неэффективен. При каждом запуске температура ротора повышается на 80 кельвинов из-за потерь энергии. Если запуски проводить слишком часто, температура ротора может приблизиться к 770 °C (1043 K), при которой железный ротор теряет свои ферромагнитные свойства, и ротор перестает удерживаться в системе.

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.

Преимущества пусковых петлей

По сравнению с космическими лифтами, не требуется разработка новых материалов с высокой прочностью на растяжение, поскольку конструкция сопротивляется гравитации Земли, поддерживая собственный вес за счет кинетической энергии движущейся петли, а не прочности на растяжение. Ожидается, что пусковые петли Лофстрома будут осуществлять запуски с высокой частотой (много запусков в час, независимо от погодных условий) и не являются по своей природе источником загрязнения. Ракеты создают загрязнения, такие как нитраты в выхлопных газах из-за высокой температуры выхлопа, и могут выделять парниковые газы в зависимости от выбранного топлива. Пусковые петли, как форма электрической тяги, могут быть экологически чистыми и работать на геотермальной, ядерной, ветровой, солнечной или любом другом источнике энергии, даже на непостоянных, поскольку система обладает огромной встроенной емкостью для хранения энергии. В отличие от космических лифтов, которым потребовалось бы несколько дней для прохождения через пояса Ван Аллена, пассажиры пусковой петли могут быть выведены на низкую околоземную орбиту, находящуюся ниже поясов, или пройти через них за несколько часов. Это будет аналогичная ситуация с астронавтами программы "Аполлон", которые получили дозу радиации, составляющую около 0,5% от той, которую мог бы обеспечить космический лифт. В отличие от космических лифтов, подверженных риску столкновения с космическим мусором и метеоритами на протяжении всей своей длины, пусковые петли должны располагаться на высоте, где орбиты нестабильны из-за сопротивления воздуха. Поскольку обломки не сохраняются, у них есть только один шанс столкнуться с конструкцией. В то время как период разрушения космических лифтов, как ожидается, исчисляется годами, повреждение или разрушение петли таким образом представляется маловероятным. Кроме того, сами пусковые петли не являются значительным источником космического мусора, даже в случае аварии. Все образующиеся обломки имеют перигей, пересекающий атмосферу, или достигают второй космической скорости. Пусковые петли предназначены для транспортировки людей, обеспечивая безопасное ускорение в 3g, которое большинство людей смогут хорошо переносить. Например, проект Лофстрома предусматривает компенсационные стыки между 1,5-метровыми железными плитами. Их скорости (под воздействием гравитации и трения) могут различаться, и Болонкин утверждает, что они могут заклинить в трубе; а сила и трение в разворотных участках диаметром 28 км на земле огромны. В 2008 году Болонкин предложил простую вращающуюся замкнутую петлю для запуска космических аппаратов способом, подходящим для современных технологий. Другой проект, космический кабель, представляет собой меньшую конструкцию Джона Кнапмана, предназначенную для помощи в запуске обычных ракет и суборбитального туризма. Конструкция космического кабеля использует отдельные болты, а не непрерывный ротор, как в архитектуре пусковой петли. Кнапман также математически доказал, что меандрирующую неустойчивость можно контролировать. Skyhook – это еще одна концепция системы запуска. Skyhook может быть как вращающимся, так и невращающимся. Невращающийся Skyhook подвешен с низкой околоземной орбиты до уровня чуть выше земной атмосферы (кабель Skyhook не прикреплен к Земле). Вращающийся Skyhook изменяет эту конструкцию для уменьшения скорости нижнего конца; весь кабель вращается вокруг своего центра тяжести. Преимущество этого заключается в еще большем снижении скорости для ракеты-носителя, летящей к нижнему концу вращающегося Skyhook, что обеспечивает большую полезную нагрузку и более низкую стоимость запуска. Два недостатка этого: значительно сокращенное время, доступное для прибывающего ракетного аппарата для стыковки с нижним концом вращающегося Skyhook (примерно от 3 до 5 секунд), и отсутствие выбора относительно целевой орбиты.

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.