Обменный привязь Momentum
Трос обмена импульсом — это своего рода космический трос , который теоретически можно использовать в качестве системы запуска или для изменения орбит космических кораблей. Тросы обмена импульсом создают контролируемую силу на конечных массах системы за счет псевдосилы, известной как центробежная сила . Пока тросовая система вращается, объекты на обоих концах троса будут испытывать постоянное ускорение; Величина ускорения зависит от длины троса и скорости вращения. Обмен импульсом происходит, когда концевое тело высвобождается во время вращения. Передача импульса выпущенному объекту приведет к тому, что вращающийся трос потеряет энергию и, следовательно, потеряет скорость и высоту. Однако, используя электродинамическое движение троса или ионное движение, система может затем повторно разогнаться с небольшими затратами расходуемой реакционной массы или вообще без нее. [ нужна ссылка ]
Невращающийся трос — это вращающийся трос, который вращается ровно один раз за виток, поэтому он всегда имеет вертикальную ориентацию относительно родительского тела. Космический корабль, прибывающий к нижнему концу этого троса или вылетающий из верхнего конца, получит импульс от троса, тогда как космический корабль, вылетающий из нижнего конца троса или прибывающий к верхнему концу, добавит импульс тросу. .
В некоторых случаях системы обмена импульсом предназначены для работы в качестве сбалансированных транспортных схем, в которых прибывающий космический корабль или полезная нагрузка заменяется уходящим с той же скоростью и массой, и тогда не происходит никакого чистого изменения импульса или углового момента.
Привязные системы
[ редактировать ]Приливная стабилизация
[ редактировать ]
Гравитационно-градиентная стабилизация, также называемая «гравитационной стабилизацией» и «приливной стабилизацией», представляет собой простой и надежный метод управления положением спутника, который не требует никаких электронных систем управления, ракетных двигателей или топлива.
Этот тип троса управления ориентацией имеет небольшую массу на одном конце и спутник на другом. Приливные силы натягивают связь между двумя массами. Есть два способа объяснения приливных сил. В одном из них верхняя конечная масса системы движется быстрее, чем орбитальная скорость для ее высоты, поэтому центробежная сила заставляет ее двигаться дальше от планеты, вокруг которой она вращается. В то же время нижняя конечная масса системы движется со скоростью, меньшей орбитальной для ее высоты, поэтому она хочет приблизиться к планете. Конечным результатом является то, что трос находится под постоянным натяжением и хочет висеть в вертикальном положении. Простые спутники часто стабилизировались таким образом; либо с помощью тросов, либо с тем, как масса распределяется внутри спутника.
Как и любой свободно висящий предмет, его можно потревожить и начать раскачиваться. Поскольку в космосе нет сопротивления атмосферы, замедляющего раскачивание, на космическом корабле можно установить небольшую бутылку с жидкостью с перегородками, чтобы гасить колебания маятника за счет вязкого трения жидкости.
Электродинамические тросы
[ редактировать ]
В сильном планетарном магнитном поле, например, вокруг Земли, проводящий трос можно сконфигурировать как электродинамический трос . Его можно использовать либо как динамо-машину для выработки энергии для спутника за счет замедления его орбитальной скорости, либо его можно использовать для увеличения орбитальной скорости спутника путем подачи энергии на трос из энергосистемы спутника. Таким образом, трос можно использовать для ускорения или замедления орбитального космического корабля без использования ракетного топлива. [1]
При использовании этой техники с вращающимся тросом ток через трос должен чередоваться по фазе со скоростью вращения троса, чтобы создать либо постоянную замедляющую силу, либо постоянную ускоряющую силу.
Замедляя или ускоряя спутник, электродинамический трос давит на магнитное поле планеты, и, таким образом, полученный или потерянный импульс в конечном итоге исходит от планеты.
Скай-хуки
[ редактировать ]Небесный крюк — это теоретический класс орбитальной тросовой двигательной установки, предназначенный для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. [2] [3] [4] [5] [6] Простые небесные крюки, по сути, представляют собой частичные лифты, выступающие на некоторое расстояние ниже орбиты базовой станции и позволяющие выводить на орбиту подъем груза. Большинство предложений вращают трос так, что его угловой момент также обеспечивает энергию грузу, ускоряя его до орбитальной скорости или выше, одновременно замедляя трос. Затем к тросу применяется некоторая форма движения, чтобы восстановить угловой момент. [7]
Это было
[ редактировать ]Боло, или вращающийся трос, представляет собой трос, который вращается более одного раза за виток и конечные точки которого имеют значительную скорость (~ 1–3 км/с или 2200–6700 миль в час или 3600–10 800 км/ч). Максимальная скорость конечных точек ограничена прочностью материала кабеля, конусностью и коэффициентом безопасности, на который он рассчитан.
Цель Боло - либо ускорить, либо замедлить стыкующийся с ним космический корабль без использования какого-либо бортового топлива космического корабля, а также изменить орбитальную траекторию полета космического корабля. По сути, «Боло» действует как верхняя ступень многоразового использования для любого космического корабля, который с ним стыкуется.
Импульс, сообщаемый космическому кораблю Боло, не является бесплатным. Боло Точно так же, как Боло изменяет импульс и направление движения космического корабля, орбитальный момент и вращательный момент также изменяются, и это требует энергии , которую необходимо заменить. Идея состоит в том, что замещающая энергия будет поступать из более эффективного и дешевого источника, чем химический ракетный двигатель. Двумя возможными более дешевыми источниками этой замещающей энергии являются ионная двигательная установка или электродинамическая тросовая двигательная установка, которая будет частью Боло. По сути, бесплатным источником замещающей энергии является импульс, полученный от полезной нагрузки для ускорения в другом направлении, что позволяет предположить, что потребность в добавлении энергии от двигательных систем будет совершенно минимальной при сбалансированной, двусторонней космической торговле. [ нужна ссылка ]
Ротатор
[ редактировать ]
Ротоваторы представляют собой вращающиеся тросы с таким направлением вращения, что нижняя конечная точка троса движется медленнее, чем орбитальная скорость троса, а верхняя конечная точка движется быстрее. [8] Это слово представляет собой производное от слов «ротор» и «лифт» .
Если трос достаточно длинный и скорость вращения достаточно высока, нижняя конечная точка может полностью отменить орбитальную скорость троса, так что нижняя конечная точка будет стационарной по отношению к поверхности планеты, по орбите которой вращается трос. Как описывает Моравец, [9] [10] это «спутник, который вращается как колесо». Кончик троса движется примерно по циклоиде , в которой он на мгновение неподвижен относительно земли. В этом случае полезная нагрузка, «захваченная» механизмом захвата на вращающемся тросе в момент, когда она неподвижна, будет подхвачена и поднята на орбиту; и потенциально может быть выпущен в верхней точке вращения, в этот момент он движется со скоростью, значительно превышающей скорость убегания, и, таким образом, может быть выпущен на межпланетную траекторию. (Как и в случае с боло, о котором говорилось выше, импульс и энергия, переданные полезной нагрузке, должны быть восполнены либо высокоэффективным ракетным двигателем, либо импульсом, полученным от полезной нагрузки, движущейся в другом направлении.)
На телах с атмосферой, таких как Земля, кончик троса должен оставаться над плотной атмосферой. На телах с достаточно низкой орбитальной скоростью (таких как Луна и, возможно, Марс ) ротоватор на низкой орбите потенциально может касаться земли, обеспечивая тем самым дешевый наземный транспорт, а также запуск материалов в окололунное пространство . В январе 2000 года компания Boeing завершила исследование тросовых систем запуска, включая двухступенчатые тросы , которые были заказаны Институтом перспективных концепций НАСА . [7]
Боло для помощи при запуске на Землю
[ редактировать ]К сожалению, ротоватор Земля-орбита не может быть построен из доступных в настоящее время материалов, поскольку толщина и масса троса, способные выдерживать нагрузки на ротоваторе, были бы неэкономично велики. Однако «разбавленный» ротоватор со скоростью вращения, равной двум третям скорости вращения, вдвое уменьшит напряжения центростремительного ускорения.
Следовательно, еще один трюк для достижения более низких напряжений заключается в том, что вместо того, чтобы поднимать груз с земли на нулевой скорости, ротоватор может поднять движущийся аппарат и вывести его на орбиту. Например, ротоватор мог бы поднять со скоростью 12 Маха из верхних слоев атмосферы Земли самолет и вывести его на орбиту без использования ракет, а также мог бы поймать такой аппарат и вывести его в атмосферный полет. Ракете легче достичь более низкой концевой скорости, поэтому была предложена «одноступенчатая привязная система». [11] Один из них называется «Гиперзвуковой самолет с орбитальным запуском на космическом тросе» (HASTOL). [7] Дыхание воздухом или привязка ракеты могли бы сэкономить много топлива за полет и позволили бы использовать как более простое транспортное средство, так и больше груза.
Компания Tethers Unlimited, Inc. (основана Робертом Форвардом и Робертом П. Хойтом ) [12] назвал этот подход «Tether Launch Assist». [13] Его также называют космическим боласом . [14] Однако цели компании сместились к модулям помощи при сходе с орбиты и морским тросам, как и в 2020 году. [15] [16]
Исследование концепции «Tether Launch Assist», проведенное в 2013 году, показало, что эта концепция может стать незначительно экономичной в ближайшем будущем, как только будут разработаны ротоваторы с достаточно высоким (~ 10 Вт / кг) соотношением мощности к массе. [17]
Космический лифт
[ редактировать ]
Космический лифт — это космический трос, прикрепленный к планетарному телу. Например, на Земле космический лифт отправился бы от экватора на значительно выше геостационарной орбиты.
Космический лифт не нуждается в питании, как ротоватор, поскольку необходимый угловой момент он получает от тела планеты. Недостаток в том, что он намного длиннее, и для многих планет невозможно построить космический лифт из известных материалов. Космический лифт на Земле потребует прочности материала, превышающей нынешние технологические пределы (2014 г.). [18] [19] [20] Однако марсианские и лунные космические лифты можно построить из современных материалов. [21] Также предлагался космический лифт на Фобосе. [22]
Космические лифты также обладают большим количеством потенциальной энергии, чем ротоваторы, и если тяжелые части (например, «упавший гаечный ключ») упадут, они снова войдут в него под крутым углом и ударятся о поверхность на околоорбитальных скоростях. В большинстве ожидаемых конструкций, если сам компонент кабеля упадет, он сгорит, прежде чем упадет на землю.
Цислунная транспортная система
[ редактировать ]
Хотя можно подумать, что это требует постоянного ввода энергии, на самом деле можно показать, что энергетически выгодно поднять груз с поверхности Луны и сбросить его на более низкую околоземную орбиту, и, таким образом, этого можно достичь без какого-либо значительного использования. топлива, поскольку поверхность Луны находится в состоянии сравнительно более высокой потенциальной энергии. Также эта система может быть построена с общей массой, менее чем в 28 раз превышающей массу полезной нагрузки. [23] [24]
Таким образом, ротоваторы могут заряжаться путем обмена импульсом . Импульсная зарядка использует вращатель для перемещения массы из места, которое находится «выше» в гравитационном поле , в место, которое «ниже». Для этого используется эффект Оберта , при котором высвобождение полезной нагрузки, когда трос движется с более высокой линейной скоростью, при более низком гравитационном потенциале, дает больше удельной энергии и, в конечном итоге, большую скорость, чем энергия, потерянная при подъеме полезной нагрузки при более высокой гравитации. потенциал, даже если скорость вращения одинакова. можно использовать систему из двух или трёх ротоваторов Например, для осуществления торговли между Луной и Землей . Ротоваторы заряжаются лунной массой (грязью, если экспорт недоступен), сброшенной на Землю или рядом с ней, и могут использовать полученный таким образом импульс для доставки земных товаров на Луну. Обмен импульсом и энергией может быть сбалансирован равными потоками в любом направлении или может увеличиваться с течением времени.
Подобные системы ротоваторов теоретически могли бы открыть недорогую транспортировку по всей Солнечной системе .
Тросовая катапультная система
[ редактировать ]Тросовая катапульта — это система, в которой два или более длинных проводящих троса жестко удерживаются по прямой линии и прикреплены к тяжелой массе. Энергия подается на тросы и принимается транспортным средством, оснащенным двигателями с линейными магнитами, которые он использует, чтобы толкать себя по длине троса. Ближе к концу троса транспортное средство освобождает полезную нагрузку, замедляется и останавливается, а полезная нагрузка продолжает двигаться с очень высокой скоростью. Расчетная максимальная скорость для этой системы чрезвычайно высока: она более чем в 30 раз превышает скорость звука в кабеле; и скорость более 30 км/с (67 000 миль в час; 110 000 км/ч) кажется возможной. [25]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ НАСА , Справочник по привязям в космосе , под редакцией М. Л. Космо и Э. К. Лоренцини, третье издание, декабрь 1997 г. (по состоянию на 20 октября 2010 г.); см. также версию NASA MSFC, заархивированную 27 октября 2011 г. на Wayback Machine ; доступно на Scribd
- ^ Х. Моравец, «Несинхронный орбитальный небесный крюк». Журнал астронавтических наук , том. 25, нет. 4, стр. 307–322, 1977.
- ^ Г. Коломбо, Е. М. Гапошкин, М. Д. Гросси и Г. К. Вайффенбах, «Небесный крюк: шаттл-инструмент для исследований на низкой орбите», Meccanica, vol. 10, нет. 1, стр. 3–20, 1975.
- ^ .ML Cosmo и EC Lorenzini, Справочник по привязям в космосе, Центр космических полетов имени Маршалла НАСА, Хантсвилл, штат Алабама, США, 3-е издание, 1997.
- ^ Джонсон, Л.; Гилкрист, Б.; Эстес, РД; Лоренцини, Э. (1999). «Обзор будущих приложений НАСА по привязи». Достижения в космических исследованиях . 24 (8): 1055–1063. Бибкод : 1999AdSpR..24.1055J . дои : 10.1016/S0273-1177(99)00553-0 . hdl : 2060/19980237034 . ISSN 0273-1177 . S2CID 120245496 .
- ^ Кроутер, Ричард (ноябрь 2007 г.). «Динамический анализ космических полетов». Аэронавигационный журнал . 111 (1125): 750. дои : 10.1017/S0001924000087042 . S2CID 113463850 .
- ^ Jump up to: а б с Богар, Томас Дж.; Бангэм, Майкл Э.; Нападающий, Роберт Л .; Льюис, Марк Дж. (7 января 2000 г.). «Система орбитального запуска космического троса гиперзвукового самолета» (PDF) . Исследовательский грант № 07600-018l Итоговый отчет фазы I. Институт перспективных концепций НАСА . Проверено 20 марта 2014 г.
- ^ Нападающий, Роберт Л. (1995). «Бобовые стебли». Неотличимо от магии . п. 79. ИСБН 0-671-87686-4 .
- ↑ Ганс Моравец, «Орбитальные мосты» (1986) (по состоянию на 10 октября 2010 г.)
- ^ Ханс Моравец, «Несинхронные орбитальные небесные крюки для Луны и Марса с обычными материалами» (мысли Ганса Моравца о небесных крюках, привязях, ротаваторах и т. д. по состоянию на 1987 г.) (по состоянию на 10 октября 2010 г.)
- ^ Олдсон, Джон; Кэрролл, Джозеф (10–12 июля 1995 г.). Потенциальная экономия затрат на запуск привязного транспортного средства . 31-я совместная конференция и выставка по двигательной технике. Сан-Диего, Калифорния, США. дои : 10.2514/6.1995-2895 . АИАА95-2895.
- ^ Бойс, Нелл (16 апреля 2007 г.). «Космические привязи: перемещение объектов на орбиту?» . ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР .
- ^ «Tethers Unlimited Inc, «Помощь при запуске Tether» » . Архивировано из оригинала 16 ноября 2017 г. Проверено 31 марта 2011 г.
- ^ Терри Пратчетт ; Ян Стюарт ; Джек Коэн (1999). Наука Плоского мира . Случайный дом. п. 369. ИСБН 1448176670 .
- ^ «Модуль схода с орбиты Terminator Tape™» . Архивировано из оригинала 2 марта 2020 г. Проверено 02 марта 2020 г.
- ^ «Услуги по развертыванию и намотке оптического троса» . Архивировано из оригинала 2 марта 2020 г. Проверено 02 марта 2020 г.
- ^ Нижник, Олег (2013). «Пример проектирования космического полета с использованием боло LEO» . Аэрокосмическая промышленность . 1 (1): 31–51. Бибкод : 2013Аэрос...1...31Н . doi : 10.3390/aerospace1010031 .
- ^ Дворский, Георгий (13 февраля 2013 г.). «Почему мы, вероятно, никогда не построим космический лифт» . ио9 .
- ^ Фельтман, Рэйчел (7 марта 2013 г.). «Почему у нас нет космических лифтов?» . Популярная механика .
- ^ Шарр, Джиллиан (29 мая 2013 г.). «Космические лифты приостановлены, по крайней мере, до тех пор, пока не появятся более прочные материалы, говорят эксперты» . Хаффингтон Пост .
- ^ «Космический лифт. Глава 7: Пункты назначения» . Архивировано из оригинала 25 октября 2007 г.
- ^ Вайнштейн, Леонард М. «Колонизация космоса с использованием космических лифтов с Фобоса» (PDF) .
- ^ « Тросовой транспорт с НОО на поверхность Луны», RL Forward, документ AIAA 91-2322, 27-я Совместная конференция по двигательной активности, 1991 г.» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 мая 2011 г. Проверено 31 марта 2011 г.
- ^ «АРХИТЕКТУРА ПРИЛУННОЙ ПРИВЯЗНОЙ ТРАНСПОРТНОЙ СИСТЕМЫ, Роберт П. Хойт, Tethers Unlimited, Inc» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 17 мая 2011 г. Проверено 31 марта 2011 г.
- ^ Патент США 6290186.
| Основные статьи |  | |
|---|---|---|
| Технологии | ||
| Связанные понятия | ||
| Соревнования | ||
| Люди | ||
| Организации | ||