Искусственное кольцо вокруг Земли: концепции и перспективы

Введение

Концептуальное искусственное кольцо вокруг Земли – искусственная планета, охватывающая объект.

Орбитальное кольцо – это концепция искусственного кольца, размещенного вокруг небесного тела и вращающегося с такой скоростью, что кажущаяся центробежная сила достаточно велика, чтобы противодействовать силе гравитации. Для Земли требуемая скорость составляет около 10 км/с, по сравнению с типичной скоростью низкой околоземной орбиты в 8 км/с. Эта структура предназначена для использования в качестве космической станции или как планетарное транспортное средство для сверхскоростной транспортировки или запуска в космос. Поскольку кабель вращается быстрее орбитальной скорости, возникает результирующая внешняя сила, которая компенсируется внутренним напряжением в кабеле. Это сопротивляется любым попыткам его изгиба и позволяет ему нести нагрузку. В типичных конструкциях на кабель устанавливается моторизованная платформа, движущаяся в противоположном направлении со скоростью, при которой она кажется неподвижной относительно поверхности. Над экватором Земли платформа, движущаяся со скоростью 9,5 км/с в направлении, противоположном вращению кабеля, будет казаться неподвижной и позволит опустить кабель для создания космического лифта. Этот лифт может быть относительно небольшим по длине и построен из существующих материалов. Требование построить кабель планетарного масштаба на низкой околоземной орбите и разогнать его до скорости, превышающей орбитальную, представляет собой очевидную практическую проблему. Поэтому были предложены другие архитектуры, использующие активную поддержку различными способами и позволяющие обойти некоторые из этих ограничений. Пусковая петля – это частичное кольцо длиной, возможно, 2000 км, соединяющее две наземные станции вместо охвата всей планеты. Кольцо частиц использует серию отдельных объектов, которые могут быть запущены по отдельности для создания структуры, подобной сплошному кольцу, а затем контролироваться магнитным полем, с тем недостатком, что оно не имеет внутреннего напряжения, а подъемная сила обеспечивается отдельно. Космический фонтан – это вертикальная версия концепции кольца частиц, формирующая космический лифт. Несущее кольцо – это динамическая структура, использующая по крайней мере одно полное и непрерывное невращающееся кольцо диаметром меньше, чем диаметр планеты. Его можно построить на поверхности планеты, разогнать до рабочей скорости и механически поднять на большую высоту, натянув многочисленные тросы.

An orbital ring is a concept of an artificial ring placed around a body and set rotating at such a rate that the apparent centrifugal force is large enough to counteract the force of gravity. For the Earth, the required speed is on the order of 10 km/sec, compared to a typical low Earth orbit velocity of 8 km/sec. The structure is intended to be used as a space station or as a planetary vehicle for very high speed transportation or space launch. Because the cable is spinning faster than orbital velocity, there is a net outward force that is countered by internal tension within the cable. This resists any attempt to bend it and allows it to carry loads. In typical conceptions, a motorized platform is placed on the cable that runs in the opposite direction at the speed that makes it appear stationary above the ground. Above Earth's equator, a platform running at 9.5 km/sec in the direction opposite the cable will appear stationary and allow a cable to be lowered to form a space elevator. This elevator is only perhaps long, which can be built with existing materials. The requirement to construct a planet sized cable in low earth orbit and accelerate it to a faster than orbital velocity is an obvious practical problem. Other architectures have thus been proposed that use active support in different ways and are thus able to circumvent some of these limitations. The launch loop is a partial ring, perhaps 2000 km long, that runs between two ground stations instead of encircling the world. The particle ring uses a series of separate objects that can be launched individually to produce a collection similar to a solid ring and then controlled magnetically, with the disadvantage that they have no internal tension and lifting power is derived separately. The space fountain is a vertical version of the particle ring concept that forms a space elevator. The tethered ring is a dynamic structure that uses at least one complete and continuous non orbiting ring with a diameter that is smaller than that of the planetary body. It can be built on the planet’s surface, accelerated to operating speed, and raised to a very high altitude mechanically by tensioning its numerous tethers.

Концепция

Орбитальное кольцо в некоторой степени напоминает "классическую" концепцию космического лифта. В традиционном космическом лифте большая станция размещается на геостационарной орбите (GEO) таким образом, чтобы она оставалась в фиксированной точке над экватором Земли. Затем строится и опускается к Земле трос, а второй трос, служащий противовесом, строится вверх от станции и удерживается на месте благодаря силам притяжения. После завершения строительства по тросу в космос могут перемещаться лифтовые кабины. Основная проблема заключается в том, что ни одно из известных веществ, которое можно производить в больших количествах, не обладает необходимой прочностью на разрыв, чтобы выдержать натяжение от GEO до поверхности Земли. Орбитальные кольца используют иной механизм. В конструкции орбитального кольца кинетическое кольцо движется вокруг Земли со скоростью, превышающей первую космическую скорость. Это создает направленную наружу силу, которая уравновешивается гравитацией, действующей на неподвижные компоненты. Это возможно на любой высоте, хотя практической необходимостью является строительство системы выше, чтобы избежать большей части атмосферы. Затем трос опускается с кольца на землю и используется аналогично традиционному космическому лифту, с той лишь разницей, что вертикальный трос имеет длину не в , а . Эта длина находится в пределах возможностей нескольких известных материалов. Для поддержания троса кольцо не имеет круглой формы, а слегка эллиптическое. Две или более станции размещаются в верхних точках траектории, но ниже точки, где обычно располагается апогей орбиты. Станция изгибает трос вниз по мере его прохождения, создавая тем самым восходящую силу на станцию. В результате орбита для системы из двух станций больше напоминает американский футбольный мяч, чем округлый эллипс. Можно уменьшить напряжение в орбитальном кольце до любого требуемого уровня, увеличив подъемную силу, создаваемую изгибом троса. Основной недостаток заключается в том, что трос лифта теперь подвешен к верхней точке системы, а не находится близко к земле. Движущееся кольцо не обязательно должно быть цельным и не нуждается в сплошной оболочке. Вместо этого большое количество отдельных магнитных объектов можно разместить на желаемой орбите, а станции будут отклонять их траекторию с помощью магнитов по мере их прохождения. Эта версия кольца имеет преимущество в простоте конструкции, поскольку каждый элемент кольца полностью отделен и может быть запущен индивидуально, не требуя дальнейшей обработки после выхода в космос. Кроме того, оно не обязательно должно быть замкнутым кольцом; в зависимости от требуемой грузоподъемности общая масса объектов может быть значительно меньше, чем у даже самого тонкого троса, опоясывающего Землю. Основной недостаток заключается в том, что процесс обмена импульсом приводит к случайному изменению их скорости, поэтому требуется другая система для возврата объектов на правильные орбиты.

The orbital ring is somewhat similar to the "classic" space elevator concept. In the traditional space elevator, a large station is placed in geostationary orbit (GEO) so that it remains in a single location above the equator of Earth. A cable is then built and lowered towards Earth while a second cable, providing a counterweight, is built upward from the station and remains in place due to tidal forces. When the structure is complete, elevator like cars can ride the cable into space. The main problem is that no known substance that can be manufactured in large quantities has the tensile strength needed to stretch from GEO to the surface. Orbital rings use a different mechanism. In the orbital ring version, a kinetic ring is moving around the world at a higher speed than circular orbital velocity. This results in a net outward force that is countered by gravity acting on the stationary components. This can be accomplished at any altitude, although building the system above in order to avoid most of the atmosphere is a practical requirement. A cable is then lowered from the ring to the ground and used in the same fashion as a traditional space elevator, with the difference being that the vertical cable is only instead of long. This length is within the capabilities of several known materials. In order to support the elevator, the ring is not circular but slightly elliptical. Two or more stations are placed at the high ends of the path, but below the point where the orbit's apogee would be normally. The station bends the cable downward as it passes through in order to produce an upward force on the station. The resulting orbit for a two station system looks something more akin to an American football than a rounded ellipse. One can reduce the amount of tension in the orbiting ring to any required level by increasing the amount of lift generated by bending the cable. The main downside is that the elevator cable is now suspended from the high point of the system, rather than being close to the ground. The moving ring does not need to be solid and does not need to be entirely encased by a solid sheath. Instead, a large number of individual magnetic objects can be placed in the desired orbit, and the stations deflect their path using magnets as they pass by. This version of the ring has the advantage of being much simpler to construct, as each element in the ring is completely separate and can be launched individually and requires no further working once in space. It also does not have to be a complete ring; depending on the desired lifting power the total mass of objects might be much smaller than even the thinnest cable circling Earth. The main disadvantage is that the process of momentum exchange randomizes their velocity so some other system is required to shepherd the objects back into the correct orbits.

История

Пол Бирч предложил и проанализировал подробное описание концепции в 1982 году, предложив массивное кольцо, которое окружает земной шар на низкой орбите, от которого свисают кабели к поверхности Земли. В 1982 году советский изобретатель Анатолий Юницкий также предложил электромагнитную трассу, опоясывающую Землю, которую он назвал "колесом в космос" (позже – "Струнная транспортная система"). Когда скорость струны превышает 10 км/с, центробежные силы отрывают струну от поверхности Земли и поднимают кольцо в космос. Эндрю Мюленберг и его студенты с 2008 по 2011 год представили и опубликовали ряд работ, основанных на типах и применениях низких околоземных орбитальных колец как "ступеней к космосу" для человечества. В обзоре упоминаются четыре применения орбитальных колец: связь посредством волоконно-оптического кольца, транспортировка с поверхности на орбиту с помощью системы "праща на кольце", космическая солнечная энергетика и смягчение последствий изменения климата с помощью космического солнцезащитного экрана. Система "праща на кольце" предполагает вращающиеся пращи (состоящие из колоссальных углеродных труб), прикреплённые к орбитальному кольцу и опускающиеся в атмосферу. Кончик пращи достигает высоты 13–15 км в самой низкой точке, а её вращение обеспечивает почти нулевую тангенциальную скорость относительно поверхности Земли внизу. Следовательно, праща может забрать полезную нагрузку с обычного самолета, летящего на этой высоте, и затем поднять её к орбитальному кольцу.

Модель Бирча

Пол Бирч опубликовал серию из трех статей в журнале Британского межпланетного общества в 1982 году, в которых была изложена математическая основа систем колец.

Печать

В конце книги Артура Кларка "Фонтаны рая" (1979) делается упоминание об орбитальном кольце, прикрепленном в далеком будущем к космическому лифту, лежащему в основе романа. В романе Артура Кларка "3001: Последняя одиссея" (1997) представлено орбитальное кольцо, удерживаемое в воздухе четырьмя огромными обитаемыми башнями (предполагаемыми преемниками космических лифтов) на экваторе. В манге "Ангел битвы Алита" (1990–1995) заметно изображено слегка обветшалое орбитальное кольцо. В романе по вселенной "Звездный путь" под названием "Кольцо вокруг неба" описывается обветшалый кольцевой мир на орбите над планетой Харжулла, соединенный с поверхностью серией космических лифтов. Орбитальные кольца широко используются в совместном проекте по созданию вымышленного мира на сайте "Рука Ориона". Третья часть книги Нила Стивенсона "Seveneves" (2015) описывает орбитальное кольцо вокруг Луны, меньшей по размеру, чем Земля.