Пускова петля

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Пускова петля (не масштабувати). Червона лінія — сама петля, блакитні лінії — стабілізаційні троси.

Пускова петля чи петля Лофстрома — опублікований проект системи кабельного транспорту, призначеного для виведення вантажів на навколоземну орбіту.

В основі проекту лежить закільцьований шнур (петля), що безперервно рухається з величезною швидкістю (12-14 км / сек) всередині вакуумної труби. Щоб шнур не контактував зі стінками труби, вони розділені між собою магнітною підвіскою, аналогічно тому, як це зроблено в магнітоплані. У цілому цей пристрій є грандіозною спорудою довжиною близько 2000 км, а сама петля повинна підніматися на висоту до 80 км і триматися на ній за рахунок моменту інерції обертового шнура. Обертання шнура по суті переносить вагу всієї споруди на пару магнітних підшипників, які його підтримують, по одному на кожному кінці. Пускова петля призначена для неракетних запусків космічних апаратів вагою до 5 тонн з використанням електромагнітного прискорення, як на навколоземну орбіту, так і за її межі. Розгін здійснюється на рівній ділянці кабелю, який знаходиться за межами щільної атмосфери .[1]

Опублікований кошторис витрат на працездатну пускову петлю виявився значно нижче, ніж на космічний ліфт, при цьому пропонована система має велику продуктивність запусків, нижчу собівартість і таку ж або навіть більш високу вантажопідйомність (корисне навантаження), ніж аналог.[2] На відміну від космічного ліфта, для неї не потрібно розробка ніяких нових матеріалів.[3]

Система спроектована так, щоб забезпечити запуски космічних туристів, а також має на меті освоєння космосу і космічну колонізацію, забезпечуючи відносно м'який рівень перевантаження, рівний 3g.

Історія[ред.ред. код]

Пускова петля вперше описана Кейтом Лофстромом в листопаді 1981 р. в Форумі читачів американського Товариства астронавтики і в серпні 1982 р. в новинах Товариства L5. Детальніше опрацювання ідеї зроблене Лофстромом в 1983—1985 рр.. [3]

У 1982 році Пол Берч опублікував ряд статей у журналі Британського міжпланетного товариства, в яких описав орбітальні кільця, а також конструкцію, яку він назвав «системою часткових орбітальних кілець» (СЧОК). [4] У проробленої версії СЧОК орбітальні кільця впорядковані так, щоб запускається об'єкт прискорювався електромагнітним полем по траєкторії, що підходить для запуску людей у космос. Але якщо в орбітальному кільці використовується надпровідна магнітна левітація, то у пусковий петлі застосовується електромагнітне підвішування.

Опис[ред.ред. код]

Прискорювальна секція космічної петлі (поворотний кабель не показаний).

Пускова петля являє собою конструкцію розміром близько 2000 км. Сама петля піднімається від поверхні землі до висоти 80 км, проходить на цій висоті 2000 км, знову опускається до поверхні землі, розвертається і потім повторює весь шлях назад до вихідної точки. Петля має форму трубки, пуста усередині і називається оболонкою. Всередині оболонки підвішена інша суцільна трубка, звана ротором, який являє собою шнур або ланцюг. Ротор зроблений із заліза і має діаметр приблизно 5 см. Він рухається по колу всередині петлі зі швидкістю 14 км/с.

Хоча петля дуже довга, приблизно 4000 км, ротор сам по собі досить тонкий, близько 5 см в діаметрі, а оболонка не набагато більшого розміру. Ротор виконаний з феромагнітного заліза у вигляді шнура або трубки, з поздовжніми компенсаторами через кожен метр або близько того. Ротор відокремлений від оболонки серво-стабілізуючими магнітними підшипниками. Оболонка герметична, з підтриманням вакууму, щоб звести до мінімуму опір, який чиниться на ротор.

У стані спокою петля буде перебувати на рівні землі. Потім ротор почне прискорюватися лінійним двигуном, який споживатиме кілька сот мегават потужності. При наростанні швидкості ротор буде викривлятися та набувати форми дуги. Оболонка змусить його прийняти форму кривої крутіше, ніж балістична крива. У свою чергу ротор буде передавати відцентрову силу на оболонку, тримаючи її в повітрі. Петля прийме потрібну форму і отримає обмеження по максимальній висоті ≈ 80 км за рахунок кріплення кабелю до землі. При використанні генератора потужністю 300 МВт буде потрібно близько двох місяців для досягнення повної швидкості. Після повної розкрутки ротор буде робити один оборот приблизно за п'ять хвилин. Після підняття конструкції потрібно постійне поповнення її енергії, щоб компенсувати дисипацію енергії в магнітних підшипниках, для стабілізації структури, а також для поповнення втрат через недосконалість вакуумної оболонки. На все це потрібно близько 200 Мвт потужності. Це не рахуючи додаткової енергії для запуску космічних транспортних засобів. [3]

Запуск корисного вантажу[ред.ред. код]

Щоб здійснити запуск, транспортний засіб піднімають на «ліфтовому кабелі», який звисає з західної вантажної станції з висоти 80 км, і розміщують на напрямних рейках розгінного ділянки. Розгінний блок створює магнітне поле, завдяки якому у швидко рухаючомуся роторі виникають вихрові струми.Вони піднімають корисний вантаж над кабелем і штовхають його вперед з прискоренням 3g (30 м / с ²).Корисний вантаж розганяється ротором до тих пір, поки не досягне необхідної орбітальної швидкості, після чого він залишає розгінну ділянку. Якщо необхідна стабільна або кругова орбіта, то в момент досягнення корисним вантажем самої верхньої точки траєкторії потрібно включити бортовий ракетний двигун («прискорювач») або інший засіб, необхідний для направлення траєкторії на відповідну орбіту навколо Землі. [3] Метод вихрових струмів є компактним, легким і потужним, але неефективним. При кожному запуску через розсіювання потужності температура ротора підвищується на 80 градусів. Якщо вантажі що запускаються розташовані дуже близько один до одного, температура ротора може наблизитися до 770 °C (1043 K), після чого матеріал ротора втратить феромагнітні властивості, і його герметичність буде порушена.

Можливості запуску і продуктивність[ред.ред. код]

Близькі орбіти з перигеєм 80 км досить швидко розходяться і сходяться знову, але, на додаток до таких орбітах, пускова петля сама по собі здатна безпосередньо закидати корисні вантажі на орбіти, що вимагають швидкості вище швидкості втечі, здійснювати гравітаційний маневр навколо Місяця і потрапляти на інші віддалені орбіти, у тому числі найближчі до троянським точкам. Щоб забезпечити запуск на кругові орбіти з пускової петлі, потрібно відносно невеликий прискорювальний двигун, який буде включатися в точці апогею і коригувати орбіту. Для потрапляння на геосинхронну орбіту (ГСО) необхідно буде збільшити швидкість на величину близько 1,6 км / с, а для досягнення низької орбіти (НО) на висоті 500 км потрібно добавка до швидкості всього 120 м / с .Звичайні ракети потребують додавання до швидкості приблизно 10 і 14 км / с для досягнення НО та ГСО, відповідно. [3] Пускова петля конструкції Лофстрома знаходиться близько до екватора і може забезпечити запуск тільки на екваторіальні орбіти. Однак, можуть бути досягнуті і інших орбітальні площині за допомогою розвороту на висоті, гравітації місяця або за допомогою аеродинамічних методів. Максимальний темп запусків пусковий петлі становить близько 80 за годину, і обмежується температурою і часом охолодження ротора, але для цього буде потрібно потужність порядку 17 ГВт. Скромніша потужність в 500 МВт буде достатньою для 35 пусків на добу. [3]

Економіка[ред.ред. код]

Щоб пускова петля була економічно доцільною, потрібно поява клієнтів з досить великими вимогами щодо вантажопідйомності запусків. За оцінками Лофстрома, щоб первісна вартість петлі, яка становить близько $ 10 млрд, окупилася протягом одного року, буде потрібно запускати 40 тис. тонн вантажів на рік, при цьому вартість виведення на орбіту буде близько $ 300/кг. Якщо початкові вкладення збільшити до $ 30 млрд (для побудови потужнішої петлі), петля зможе запускати 6 млн тонн вантажів на рік, і, з урахуванням п'ятирічного строку окупності, вартість виведення в космос може скласти менше $ 3/кг. [5]

Порівняння[ред.ред. код]

Переваги[ред.ред. код]

Очікується, що пускова петля забезпечить високий темп запусків (кілька пусків за годину, поза залежності від погоди), і ця система практично не забруднює навколишнє середовище. При ракетному запуску утворюються забруднення у вигляді нітратів через високу температуру вихлопних газів, і в залежності від виду палива можуть виділятися парникові гази. Пускова петля, як різновид електричної силової установки, є екологічно чистою, вона може працювати від будь-якого джерела енергії: геотермального, ядерної, сонячного, вітрового або будь-якого іншого, навіть непостійного типу, так як система має величезний вбудований накопичувач енергії. На відміну від космічного ліфта, який повинен проходити через радіаційний пояс протягом декількох днів, пасажири пусковий петлі можуть бути запущені на низьку навколоземну орбіту, яка нижче радіаційного поясу, або ж пройти через нього за кілька годин. Ця ситуація аналогічна тій, з якою стикаються астронавти Аполлона, для яких дози радіації в 200 разів нижче, ніж може дати космічний ліфт. [6]

На відміну від космічного ліфта, який схильний до ризику зіткнення з космічним сміттям і метеоритами по всій його довжині, пускова петля розташовується на висотах, де орбіти нестабільні через опір повітря. Космічне сміття там довго не зберігається, шанс зіткнення його з установкою досить малий. У той час як період існування космічного ліфта складає порядку декількох років, пошкодження або руйнування пускової петлі можуть трапитися порівняно рідко. Крім того, пускова петля сама по собі не є значним джерелом космічного сміття, навіть у разі аварії. Всі її можливі уламки будуть мати перигей, перетинається з атмосферою, або їх швидкості будуть нижче першої космічної. Пускова петля орієнтована на перевезення людей, тому що в ній максимальне прискорення 3g є безпечним, переважна більшість людей здатні його витримати. [3] Крім того, вона дає набагато швидший спосіб досягнення космічного простору, ніж космічний ліфт. Пускова петля буде працювати тихо, на відміну від ракет вона не буде надавати ніякого шумового впливу. Нарешті, низька вартість виведення на орбіту корисного навантаження робить її придатною для великомасштабного комерційного космічного туризму і навіть колонізації космосу.

Труднощі[ред.ред. код]

Розкручена петля буде запасати величезна кількість енергії у вигляді імпульсу. Оскільки система магнітної підвіски буде володіти великою надмірністю, збій на невеликій ділянці не вплине на працездатність системи. Але якщо станеться значне руйнування конструкції, відбудеться виділення всієї збереженої енергії (1.5 × 10 15 джоулів або 1.5 петаджоуля), яка еквівалентна вибуху атомної бомби, потужністю 350 кілотонн в тротиловому еквіваленті (правда, без випромінювання радіації). Хоча це величезна кількість енергії, малоймовірно, що станеться знищення всієї конструкції через її дуже великі розміри, а також тому що при виявленні несправності більша частина енергії буде спрямована в спеціально передбачене місце. Можливо, доведеться вжити заходів для зниження кабелю з висоти 80 км з мінімальними пошкодженнями, наприклад, передбачити парашути. Тому для забезпечення безпеки і через астродинамічні причини, пускову петлю потрібно буде встановлювати над океаном в районі екватора, далеко від населених пунктів. Опублікований проект пусковий петлі вимагає електронного управління магнітної левітації для зведення до мінімуму розсіюваної потужності та стабілізації загасань кабелю, викликаних іншими причинами. Нестійкість буде виникати в першу чергу в поворотних секціях, а також у кабелі. Поворотні секції потенційно нестійкі, оскільки рух ротора у напрямку від магнітів призводить до зменшення магнітного тяжіння, тоді як рух у бік магнітів створює підвищення тяжіння. У будь-якому випадку виникає нестійкість. Ця проблема вирішується за допомогою систем сервокерування, які управляють силою магнітів. Хоча надійність сервоприводів на високій швидкості обертання ротора є предметом дослідження, для стримування ротора в разі збою системи буде втрачено дуже багато послідовних секцій сервоприводів. Секції кабелю також розділять цю потенційну долю, хоча сили тут набагато менше. Проте, існує ще одна потенційна нестабільність, яка полягає в тому, що кабель / оболонка / ротор може піддатися меандруванню (як ланцюг Ларіата), причому, амплітуда коливань цього процесу може наростати без обмежень (резонанс) .Лофстром вважає, що цією нестійкістю також можна управляти в режимі реального часу за допомогою сервомеханізмів, хоча поки що ніхто цього не робив.

Аналогічні проекти[ред.ред. код]

У працях Олександра Болонкіна [7][8][9] стверджується, що проект Лофстрома має безліч невирішених проблем, і що він дуже далекий від сучасних технологій. Наприклад, у проекті Лофстрома є стики розширення між півтораметровими сталевими пластинами. Їхні швидкості (під дією гравітації, тертя) будуть різними, і Болонкін стверджує, що будуть відбуватися їх заклинювання в трубках. А сили тертя при радіусі розвороту 28 км будуть гігантськими. У 2008 р. Болонкін запропонував простий закритий обертаючийся кабель для запуску апаратів в космос способом, вкладається в сучасні технології.[10] Ще в одному, скромнішим, проекткосмічного кабелю пропонуються шляхи удосконалення для запуску в космос звичайних ракет для цілей космічного туризму.[11]

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Роберт Форвард, не відрізнити від магії, глава 4 (англ.)
  2. LaunchLoop? action = AttachFile & do = view & target = isdc2002loop.pdf Слайди до конференції з пускової петлі (англ.)
  3. а б в г д е ж PDF версія опису пусковий петлі Лофстрома, публікація 1985 р. (конференція AIAA) (англ.)
  4. Пол Берч, Орбітальні кільця (англ.)
  5. Name=autogenerated1> Слайди з пускових петлі для конференції ISDC2002 (англ.)
  6. floor-deadly-radiation.html Перший рівень смертельної радіації (англ.)
  7. Олександр Болонкін (англ.)
  8. Болонкін A. A. Безракетний космічний запуск і політ, Elsevier, 2006, 488 с. (англ.)
  9. Болонкін A., доповідь IAC-2- IAA-1.3.03 на Всесвітньому космічному конгресі — 10-12 жовтня 2002, Х'юстон, США.
  10. Болонкін AA, Нові концепції, ідеї та інновації в аеронавтиці, технологіях і гуманітарних науках, NOVA, 2008, 400 с. (англ.)
  11. .org.uk / Stability% 20IAC.pdf Космічний кабель (англ.)

Посилання[ред.ред. код]