Цикл запуска - Launch loop

Запустить цикл (не в масштабе). Красная линия - это сама подвижная петля, синие линии - стационарные кабели.

Запуск цикл или цикл Лефзотрет , является предлагаемой системой для запуска объектов на орбиту с помощью двигающегося кабеля , как системы , расположенных внутри оболочки , прикрепленной к Земле на два концов и подвешенной над атмосферой в середине. Концепция дизайна была опубликована Keith Лефзотрет и описывает структуру активной магнитная подвеска кабеля транспортной системы , которая была бы около 2000 км (1240 миль) в длину и поддерживаются на высоту до 80 км (50 миль). Пусковая петля будет удерживаться на этой высоте за счет импульса ленты, которая циркулирует вокруг конструкции. Эта циркуляция, по сути, переносит вес конструкции на пару магнитных подшипников, по одному на каждом конце, которые поддерживают ее.

Петли запуска предназначены для достижения безракетного космического запуска с транспортными средствами весом 5 тонн по электромагнитно ускоряя их так , чтобы они проецируются в земной орбиту или даже за ее пределы. Этого можно достичь с помощью плоской части кабеля, которая образует дорожку ускорения над атмосферой.

Система предназначена для запуска людей в космический туризм , освоение космоса и освоение космоса и обеспечивает относительно низкое ускорение в 3 g .

История

Циклы запуска были описаны Китом Лофстремом в ноябре 1981 г. на Читательском форуме Американского астронавтического общества и в августовском выпуске L5 News за 1982 г ..

В 1982 году Пол Берч опубликовал серию статей в журнале Британского межпланетного общества, в которых описывались орбитальные кольца и описывалась форма, которую он назвал системой частичных орбитальных колец (PORS). Идея стартовой петли была проработана более подробно примерно в 1983–1985 годах Лофстремом. Это усовершенствованная версия PORS, специально предназначенная для формирования траектории магнитного ускорения, подходящей для запуска людей в космос; но в то время как орбитальное кольцо использовало сверхпроводящую магнитную левитацию , в пусковых контурах используется электромагнитная подвеска (EMS).

Описание

Секция ускорителя пускового контура (обратный кабель не показан).

Представьте себе большую пушку на острове, которая стреляет снарядом в высокие атмосферы. Снаряд будет следовать примерно по параболической траектории для начального полета, но сопротивление замедлит снаряд и заставит его вернуться на Землю по гораздо более вертикальному пути. Можно было бы сделать траекторию чисто баллистической, заключив предсказанную траекторию в трубу и удалив воздух. Подвешивание такой трубы было бы значительной проблемой в зависимости от длины пути. Однако можно использовать оболочку для обеспечения этой подъемной силы, по крайней мере, временно. Если труба проходит не точно по траектории полета оболочки, а немного ниже ее, то при прохождении оболочки через нее оболочка будет вынуждена опускаться, тем самым создавая силу, направленную вверх на трубу. Чтобы оставаться в воздухе, системе требовалось, чтобы снаряды стреляли постоянно.

Цикл запуска - это, по сути, непрерывная версия этой концепции. Вместо пушки, стреляющей снарядом, массовый водитель разгоняет кабель по аналогичной траектории. Кабель окружен вакуумированной трубкой, которая удерживается наверху за счет надавливания на кабель с помощью электромагнитов . Когда кабель падает обратно на Землю на другом конце траектории, он захватывается вторым массовым двигателем, изгибается на 180 градусов и отправляется обратно по противоположной траектории. В результате получается одна петля, которая постоянно перемещается и удерживает трубку в воздухе.

Для использования системы в качестве космической пусковой установки длина стартовой петли должна составлять около 2000 км, а высота - 80 км. Петля будет иметь форму трубки, известной как оболочка . Внутри оболочки плавает еще одна непрерывная труба, известная как ротор, которая представляет собой своего рода ремень или цепь. Ротор представляет собой железную трубку диаметром примерно 5 см (2 дюйма), движущуюся по контуру со скоростью 14 км / с (31 000 миль в час). Поддержание системы в воздухе требует значительного подъема, и результирующий путь намного более пологий, чем естественный баллистический путь ротора.

Из-за возможности выхода из строя петли и ее падения на Землю, обычно считается, что она проходит между двумя островами за пределами маршрутов тяжелых судов.

Возможность оставаться на высоте

В состоянии покоя петля находится на уровне земли. Затем ротор разгоняется до скорости. По мере увеличения скорости ротора он изгибается, образуя дугу. Конструкция поддерживается силой ротора, который пытается следовать по параболической траектории. Наземные якоря заставляют его идти параллельно земле при достижении высоты 80 километров. После поднятия конструкции требуется постоянная мощность для преодоления рассеиваемой энергии. Дополнительная энергия потребуется для питания любых запускаемых транспортных средств.

Запуск полезных нагрузок

Для запуска машины поднимаются на «лифтовом» тросе, который свисает с погрузочной площадки Западной станции на расстоянии 80 км, и помещаются на рельсы. Полезная нагрузка создает магнитное поле, которое генерирует вихревые токи в быстро движущемся роторе. Это не только отводит полезную нагрузку от кабеля, но и вытягивает полезную нагрузку с ускорением 3 g (30 м / с²). Затем полезный груз движется по ротору, пока не достигнет необходимой орбитальной скорости , и покидает путь.

Если необходима устойчивая или круговая орбита, как только полезная нагрузка достигает наивысшей части своей траектории, тогда требуется бортовой ракетный двигатель («толкающий двигатель») или другие средства для обеспечения циркуляции траектории к соответствующей околоземной орбите.

Вихретоковая техника компактна, легка и мощна, но неэффективна. С каждым запуском температура ротора увеличивается на 80 кельвинов из-за рассеивания мощности. Если запуски расположены слишком близко друг к другу, температура ротора может приблизиться к 770 ° C (1043 K), в этот момент железный ротор теряет свои ферромагнитные свойства, и ротор теряется.

Емкость и возможности

Замкнутые орбиты с перигеем 80 км довольно быстро распадаются и возвращаются, но в дополнение к таким орбитам сам по себе цикл запуска также будет способен напрямую выводить полезные нагрузки на орбиты ухода , траектории с гравитационной поддержкой мимо Луны и другие, не связанные с этим орбиты. закрытые орбиты, например, близкие к троянским точкам .

Чтобы получить доступ к круговым орбитам с использованием стартовой петли, необходимо запустить относительно небольшой «толкающий двигатель» с полезной нагрузкой, которая запускалась бы в апогее и делала бы орбиту круговой. Для вставки GEO это должно обеспечить дельта-v около 1,6 км / с, для LEO для циркулярной циркуляции на 500 км потребуется дельта-v всего 120 м / с. Обычным ракетам требуется дельта-vs примерно 14 и 10 км / с для достижения GEO и LEO соответственно.

Стартовые петли в конструкции Лофстрома расположены близко к экватору и могут иметь прямой доступ только к экваториальным орбитам. Однако другие орбитальные плоскости могут быть достигнуты с помощью изменения высотной плоскости, лунных возмущений или аэродинамических методов.

Пропускная способность пускового контура в конечном итоге ограничена температурой и скоростью охлаждения ротора до 80 в час, но для этого потребуется электростанция мощностью 17 ГВт ; более скромной электростанции на 500 МВт хватит на 35 пусков в сутки.

Экономика

Для того, чтобы цикл запуска был экономически жизнеспособным, потребовались бы заказчики с достаточно большими требованиями к запуску полезной нагрузки.

По оценкам Лофстрома, начальный цикл стоимостью около 10 миллиардов долларов с годовой окупаемостью может запускать 40 000 метрических тонн в год и сократить затраты на запуск до 300 долларов за кг. За 30 миллиардов долларов при большей мощности по выработке электроэнергии петля будет способна запускать 6 миллионов метрических тонн в год, а с учетом пятилетнего периода окупаемости затраты на доступ в космос с помощью пусковой петли могут составить всего 3 доллара за штуку. кг.

Сравнения

Преимущества пусковых шлейфов

По сравнению с космическими лифтами, не требуется разрабатывать новые материалы с высокой прочностью на разрыв, поскольку конструкция противостоит земному притяжению, поддерживая собственный вес за счет кинетической энергии движущейся петли, а не за счет прочности на разрыв.

Ожидается, что пусковые цепи Lofstrom будут запускаться с высокой скоростью (много запусков в час, независимо от погоды) и по своей сути не загрязняют окружающую среду. Ракеты создают в выхлопных газах такие загрязнения, как нитраты, из-за высокой температуры выхлопных газов, а также могут выделять парниковые газы в зависимости от выбора топлива. Пусковые контуры как форма электрической тяги могут быть чистыми и могут работать от геотермальных, ядерных, ветряных, солнечных или любых других источников энергии, даже прерывистых, поскольку система имеет огромную встроенную емкость накопления энергии.

В отличие от космических лифтов, которые должны были пройти через пояса Ван Аллена в течение нескольких дней, пассажиры пусковой петли могут быть отправлены на низкую околоземную орбиту, которая находится ниже поясов, или через них за несколько часов. Это будет похоже на ситуацию, с которой столкнулись астронавты "Аполлона", получившие дозы облучения около 0,5% от дозы космического лифта.

В отличие от космических лифтов, которые подвержены риску попадания космического мусора и метеоритов по всей своей длине, пусковые контуры должны располагаться на высоте, на которой орбиты нестабильны из-за сопротивления воздуха. Поскольку мусор не сохраняется, у него есть только один шанс ударить по конструкции. В то время как период разрушения космических лифтов, как ожидается, будет длиться несколько лет, повреждение или разрушение петель таким образом ожидается редко. Кроме того, сами пусковые петли не являются значительным источником космического мусора даже в случае аварии. Весь образующийся мусор имеет перигей, который пересекает атмосферу или движется со скоростью убегания.

Пусковые петли предназначены для транспортировки людей, чтобы обеспечить безопасное ускорение 3 g, которое подавляющее большинство людей могло бы хорошо выдержать, и было бы гораздо более быстрым способом достижения космоса, чем космические лифты.

Пусковые петли будут работать тихо и не будут вызывать какого-либо звукового загрязнения, в отличие от ракет.

Наконец, их низкая стоимость полезной нагрузки совместима с крупномасштабным коммерческим космическим туризмом и даже космической колонизацией .

Трудности пусковых шлейфов

У бегущей петли будет чрезвычайно большое количество энергии в ее линейном импульсе. В то время как система магнитной подвески была бы в значительной степени избыточной, с отказами небольших секций, которые практически не влияли бы, если бы серьезный отказ действительно произошел, энергия в контуре (1,5 × 10 15 джоулей или 1,5 петаджоулей) приблизилась бы к тому же общему выделению энергии, что и взрыв ядерной бомбы (350 килотонн в тротиловом эквиваленте ), но без ядерной радиации.

Хотя это большое количество энергии, маловероятно, что это приведет к разрушению большей части конструкции из-за ее очень большого размера, а также потому, что большая часть энергии будет намеренно сбрасываться в заранее выбранных местах при обнаружении отказа. Возможно, потребуется принять меры для спуска троса с высоты 80 км с минимальными повреждениями, например, с помощью парашютов.

Следовательно, по соображениям безопасности и астродинамики пусковые петли предназначены для установки над океаном недалеко от экватора, вдали от жилья.

Опубликованная конструкция пускового контура требует электронного управления магнитной левитацией для минимизации рассеиваемой мощности и стабилизации кабеля с недостаточным демпфированием в противном случае.

Двумя основными причинами нестабильности являются поворотные участки и кабель.

Поворотные секции потенциально нестабильны, так как перемещение ротора от магнитов снижает магнитное притяжение, а движение ближе к нему дает повышенное притяжение. В любом случае возникает нестабильность. Эта проблема обычно решается с помощью существующих систем сервоуправления, которые изменяют силу магнитов. Хотя надежность сервопривода является потенциальной проблемой, при высокой скорости вращения ротора очень много последовательных секций должны выйти из строя, чтобы защитная оболочка ротора была потеряна.

Кабельные секции также имеют эту потенциальную проблему, хотя силы намного ниже. Однако присутствует дополнительная нестабильность, заключающаяся в том, что кабель / оболочка / ротор могут подвергаться режимам меандрирования (аналогично цепи Лариата ), амплитуда которых неограниченно растет. Лофстрем считает, что эту нестабильность также можно контролировать в реальном времени с помощью сервомеханизмов, хотя это никогда не предпринималось.

Конкурирующие и аналогичные конструкции

В работах Александра Болонкина высказывается предположение, что в проекте Лофстрема много нерешенных проблем и что он очень далек от современной технологии. Например, в проекте Lofstrom есть компенсаторы между 1,5-метровыми железными пластинами. Их скорости (при гравитации, трении) могут быть разными, и Болонкин утверждает, что они могли вклиниться в трубу; сила и трение в грунте диаметром 28 км огромны. В 2008 году Болонкин предложил простой вращающийся кабель с замкнутым контуром для запуска космического аппарата способом, подходящим для современных технологий.

Другой проект, космический кабель , представляет собой меньшую конструкцию Джона Кнапмана , предназначенную для помощи при запуске обычных ракет и суборбитального туризма. В конструкции космического кабеля используются отдельные болты, а не непрерывный ротор, как в архитектуре пускового контура. Джон Кнапман также математически показал, что неустойчивость меандра можно приручить.

Skyhook еще одна концепция системы запуска. Skyhook мог быть как вращающимся, так и не вращающимся. Невращающийся небесный крюк свисает с низкой околоземной орбиты чуть выше атмосферы Земли (кабель небесного крюка не прикреплен к Земле). Вращающийся скайхук изменяет эту конструкцию, уменьшая скорость нижнего конца; весь трос вращается вокруг своего центра тяжести. Преимущество этого заключается в еще большем снижении скорости ракеты-носителя, летящей к нижнему концу вращающегося небесного крюка, что обеспечивает еще большую полезную нагрузку и более низкую стоимость запуска. У этого есть два недостатка: значительно сокращенное время, доступное для прибывающей ракеты-носителя, чтобы подключиться к нижнему концу вращающегося небесного крюка (примерно 3-5 секунд), и отсутствие выбора в отношении орбиты назначения.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки