antihydrogen: |Psi(r1,r2)|^2 (|Psi|^2)
[personal profile] antihydrogen
Наша традиционная рубрика «листая страницы старых отчетов»*. Проект космического ротоватора Skyhook, 2001г. (pdf, 6МБ, англ.яз.)

Skyhook (англ. расов. «небесный крюк») – это космический лифт на минималках. Большой спутник на низкой околоземной слабоэллиптической орбите с прикрепленным длинным тросом (с зацепом на конце).
Система вращается в плоскости своей орбиты. В результате, в момент, когда зацеп находится в наинизшей точке, его скорость вращения относительно центра масс системы вычитается из орбитальной, а когда в наивысшей – добавляется.

Предельная линейная скорость вращения конца троса определяется его способностью противостоять центробежной силе и зависит исключительно от плотности и прочности материала троса (толщина троса в оптимальном случае должна быть переменной). Для самых прочных и легких промышленно выпускаемых материалов (некоторые марки высокомолекулярного полиэтилена) эта скорость составляет около 3 км/сек.

То есть с поверхности Луны такая штука может поднять груз напрямую и разогнать до скорости больше лунной второй космической. Эта идея была использована в одном современном НФ романе про освоение Луны, откуда я про нее и узнал.

Для Земли, рассчитанный авторами отчета вариант системы выглядит так:

общая масса системы (трос + спутник-противовес) – 380 тонн;
длина троса – 630 км;
высота перигея центра масс – 580 км;
полезная нагрузка, которую система может закинуть за раз – 5 тонн;
скорость кончика троса – 2.5 км/с (меньше предельно возможной, для того, чтобы обеспечить трехкратный резерв по прочности троса);
горизонтальная скорость, до которой должен быть разогнан груз до подхвата – 5 км/с (при старте с экватора);
высота, на которой происходит подхват – 150 км;
наивысшая орбита, на которую может быть выведен груз после сброса – высокоэллиптическая с высотой апогея 144 тыс.км (а также орбиты с любым меньшим апогеем, поскольку конечная скорость груза регулируется углом поворота троса в момент сброса).

Высота подхвата ограничивается снизу тем, что на малой высоте трос начинает перегреваться из-за трения о земную атмосферу (и даже на высоте 150км будет серьезная проблема из-за коррозии атомарным кислородом). Длина троса определяется тем, какое ускорение будет испытывать груз, закрепленный на конце троса. При вышеописанных параметрах, это ускорение будет равно 1.5g.

Разгонять груз до 5 км/с и поднимать его на 150 км вверх авторы предполагали (в 2001г) с помощью гипотетического гиперзвукового самолета с прямоточным двигателем. Сейчас ясно, что реалистичней использовать для этого одноступенчатую многоразовую ракету. Перевешивание груза с ракеты на зацеп требует точного выравнивания координат, скоростей и ускорений ракеты с концом троса (собственно, время на операцию перевешивания определяется временем, в течении которого ракета сможет поддерживать ускорение 1.5g). Но это не сильно сложнее, чем посадка ракеты на плот (а возможно даже и проще – ветер не дует, волны не качают).

У этой системы есть множество серьезных преимуществ перед космическим лифтом: много меньшие масштабы и масса, возможность постройки из промышленно выпускаемых материалов. Но есть и серьезный недостаток. Космический лифт черпает энергию и импульс для разгона полезной нагрузки фактически из вращения Земли (энергия нужна только для подъема груза вверх). Ротоватор же разгоняет груз, передавая ему энергию и импульс своего орбитального обращения. В результате, после каждого запуска груза апогей орбиты центра масс ротаватора будет понижаться.

В промежутках между запусками апогей придеться поднимать с помощью каких-нибудь движителей. Авторы предлагают использовать для создания тяги электродинамический метод: взаимодействие тока, пропускаемого сквозь трос, с магнитным полем Земли.
Энергию для поддержания тока предполагается получать от солнечных батарей, установленных на спутнике-противовесе, а электроны для замыкания цепи – черпать из ионосферы. Если предполагаются запуски раз в месяц, то потребная средняя мощность разгона – 76 кВт. С учетом КПД электродинамического метода – 250 кВт. С учетом того, что на низкой околоземной орбите батареи освещены только половину времени – нужно 500 кВт установленной мощности.

При этом, электродинамический метод, даже при наличии неограниченной энергии, имеет принципиальное ограничение по мощности тяги: из-за низкой плотности зарядов в ионосфере большой ток создать невозможно (авторы в своих оценках закладывались на ток в 5 ампер).

Поэтому для случая больших грузопотоков авторы предлагают, кхм, интересную альтернативу: поддерживать орбиту ротаватора, замедляя им груз, оправляемый с Луны.

Работа системы в целом будет выглядеть так: после запуска полезного груза ротоватором с околоземной орбиты, с Луны к Земле отправляется лунный грунт. Он захватывается зацепом ротоватора в наивысшей точке поворота. В низшей точке он отцепляется от троса, падает в земную атмосферу и сгорает где-нибудь над Тихим Океаном.

Таким образом, мы внезапно возвращаемся к теме предыдущего поста. У Луны есть реально ценный экспортный ресурс – это просто булыжники. Если человечеству вздумается, например, строить солнечные электростанции на геостационарной орбите – это ресурс понадобится в объемах десятков тысяч тонн. Учитывая, что использование ротоватора позволяет раза в два снизить характеристическую скорость, требующуюся для достижения геопереходной орбиты, а размеры и стоимость ракеты зависят от характеристической скорости экспоненциально – лунные булыжники реально ценнее золота (в смысле, что каждый отправленный с Луны булыжник позволит сэкономить средства, соизмеримые со стоимостью золотого слитка того же веса).

Авторы скромно обходят молчанием вопрос, как поднимать грунт с Луны. Кажется логичным использование для этой цели воспетого в фантастических романах окололунного ротаватора, который, как уже было сказано выше, может забрать груз напрямую с поверхности Луны. Однако, для поддержания ротоватора на орбите Луны нельзя использовать электродинамический метод, так как у Луны нет магнитного поля. Можно для этого использовать ионные двигатели (вот тут то и может пригодиться ртуть). По сути, такой ротаватор будет работать как аккумулятор, накапливающий энергию и импульс от маломощных ионников.  Но ионники будут жрать энергию в количествах, в десятки/сотни раз превышающих затраты на собственно разгон грузов. Так что, по моему мнению, наиболее бюджетным вариантом является использование для перевозки грунта ракеты, заправляемой водородом и кислородом из воды на полюсах Луны.

*) Есть такая апокрифическая народная мудрость, якобы ходящая среди коренных научных сотрудников Заокраинного Запада: «Любую интересную идею еще 50 лет назад предложил какой-то русский математик». В пандан можно сформулировать мудрость: «По поводу любой безумной идеи обязательно существует отчет 30 летней давности на сайте какого-нибудь американского правительственного ведомства».  Подтверждения: 1, 2

P.S. Пост про реальные эксперименты с тросовыми системами на орбите. Рекорд на сегодняшний момент - два спутника, связанные тросом длиной 32 км (эксперимент YES2) . Электродинамический метод тоже пытались испытывать, но эксперимент HTV-KITE провалился по не зависящим от электродинамического метода причинам.

This account has disabled anonymous posting.
If you don't have an account you can create one now.
HTML doesn't work in the subject.
More info about formatting
Page generated Jul. 10th, 2025 11:31 am
Powered by Dreamwidth Studios