Скайхук (структура)
Skyhook трос для — это предлагаемый обмена импульсом , целью которого является снижение стоимости вывода полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту . Тяжелая орбитальная станция подключена к кабелю, который тянется к верхним слоям атмосферы. Полезные нагрузки, которые намного легче станции, прикрепляются к концу кабеля при его прохождении, а затем выбрасываются на орбиту за счет вращения кабеля вокруг центра масс. Затем станцию можно вернуть на исходную высоту с помощью электромагнитной тяги , ракетной тяги или путем спуска с орбиты другого объекта с той же кинетической энергией, которая передана полезной нагрузке.
Скайхук отличается от космического лифта на геостационарной орбите тем, что скайхук будет намного короче и не будет соприкасаться с поверхностью Земли. Скайхук потребует суборбитальной ракеты-носителя, чтобы достичь его нижнего конца, а космический лифт - нет.
История
[ редактировать ]Были предложены различные концепции и версии синхронных невращающихся орбитальных небесных крюков, начиная с Айзекса в 1966 году. [1] [2] Арцутанов в 1967 году, [3] [4] Пирсон [5] и Коломбо в 1975 году, [6] Каллаган в 1978 году [7] и Брагинский в 1985 году. [8] Версии с лучшим потенциалом включают гораздо более короткий трос на низкой околоземной орбите , который вращается в своей орбитальной плоскости и концы которого касаются верхних слоев атмосферы Земли, при этом вращательное движение нейтрализует орбитальное движение на уровне земли. Эти «вращающиеся» версии скайхука были предложены Моравецом в 1976 году. [9] [10] и Сармонт в 1994 году. [11] [12]
В результате была создана тросовая система на базе «Шаттла»: миссия TSS-1R, запущенная 22 февраля 1996 года на STS-75 , целью которой было определение основных характеристик космического троса и физики космической плазмы . [13] Итальянский спутник был развернут на расстоянии 19,7 км (12,2 мили) от космического корабля "Шаттл". [13]
В 1994 году один инженер предположил, что скайхук может конкурировать по цене с тем, что реально можно было бы достичь с помощью космического лифта. [11]
В 2000 и 2001 годах компания Boeing Phantom Works с помощью гранта Института передовых концепций НАСА провела детальное исследование инженерной и коммерческой осуществимости различных конструкций скайхуков. Они подробно изучили конкретный вариант этой концепции, получивший название «Гиперзвуковая система орбитального запуска космического троса для самолетов» или HASTOL. Эта конструкция предусматривала гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель или самолет с прямоточным воздушно-реактивным двигателем для перехвата вращающегося крюка во время полета на скорости 10 Маха . [14]
Хотя ни один скайхук еще не построен, было несколько [ количественно ] летных экспериментов, исследующих различные аспекты концепции космического троса в целом. [15]
Вращающийся скайхук
[ редактировать ]
Вращая трос вокруг орбитального центра масс в направлении, противоположном орбитальному движению, можно уменьшить скорость крюка относительно земли. Это снижает требуемую прочность троса и облегчает соединение.
Вращение троса можно сделать таким, чтобы оно точно соответствовало орбитальной скорости (около 7–8 км/с). В этой конфигурации крючок будет отслеживать путь, аналогичный кардиоиде . С точки зрения земли казалось, что крюк опускается почти вертикально, останавливается, а затем снова поднимается. Такая конфигурация сводит к минимуму аэродинамическое сопротивление и, таким образом, позволяет крюку опускаться глубоко в атмосферу. [1] [15] Однако, согласно исследованию HASTOL, такой небесный крюк на околоземной орбите потребует очень большого противовеса, примерно в 1000–2000 раз превышающего массу полезной нагрузки, а трос необходимо будет механически наматывать после сбора каждого полезной нагрузки для поддержания синхронизации между вращением троса и его орбитой. [14]
На первом этапе исследования орбитального запуска гиперзвукового самолета в космосе ( HASTOL ), опубликованного в 2000 году, был предложен трос длиной 600 км на экваториальной орбите на высоте 610–700 км, вращающийся с начальной скоростью 3,5 км/с. Это дало бы наконечнику путевую скорость 3,6 км/с (10 Маха), что соответствовало бы скорости гиперзвукового самолета с модулем полезной нагрузки с переброской на высоте 100 км. Трос будет изготовлен из существующих коммерчески доступных материалов: в основном Spectra 2000 (разновидность полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы ), за исключением внешних 20 км, которые будут изготовлены из термостойкого Zylon PBO. При номинальной массе полезной нагрузки 14 тонн трос Spectra/Zylon будет весить 1300 тонн, что в 90 раз превышает массу полезной нагрузки. Авторы заявили:
Основное послание, которое мы хотим донести до читателя: «Нам не нужны волшебные материалы вроде «углеродных нанотрубок Бакминстера-Фуллера», чтобы создать космический трос для системы HASTOL. Подойдут и существующие материалы». [14]
Вторая фаза исследования HASTOL, опубликованная в 2001 году, предлагала увеличить скорость перехвата до 15–17 Маха и увеличить высоту перехвата до 150 км, что позволило бы уменьшить необходимую массу троса в три раза. Более высокая скорость будет достигнута за счет использования многоразовой ступени ракеты вместо чисто воздушно-реактивного самолета. Исследование пришло к выводу, что, хотя «фундаментальных технических препятствий» не существует, потребуются существенные улучшения в технологиях. В частности, существовали опасения, что оголенный трос Spectra 2000 будет быстро разрушен атомарным кислородом; этому компоненту присвоен уровень технологической готовности 2. [16]
Похожие концепции
[ редактировать ]Ободок захвата-выбрасывателя представляет собой вариант, состоящий из конструкции в форме обода или кольца. Подобно вращающемуся небесному крюку, он будет вращаться в направлении, противоположном его орбитальному движению, позволяя космическому кораблю на суборбитальной скорости прикрепиться к его нижней части, а затем вывести на орбиту из его верхней части. Космическому кораблю было бы легче прикрепиться к нижней части обода захвата-эжектора, чем к концу небесного крюка (который будет направлен вниз только на короткий период времени). [17]
См. также
[ редактировать ]- Массовый драйвер
- Орбитальное кольцо
- Рейлган
- Космический лифт
- Космические миссии
- Обменный привязь Momentum
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Айзекс, доктор юридических наук; Вайн, переменный ток; Брэднер, Х; Бахус, GE (1966). «Удлинение спутника в настоящий «небесный хук» ». Наука . 151 (3711): 682–3. Бибкод : 1966Sci...151..682I . дои : 10.1126/science.151.3711.682 . ПМИД 17813792 . S2CID 32226322 .
- ↑ См. также: письмо в Science 152:800, 6 мая 1966 г.
- ^ Artsutanov, Y. V Kosmos na Elektrovoze (Into Space by Funicular Railway). Komsomolskaya Pravda (Young Communist Pravda), July 31, 1960. Contents described in Lvov, Science 158:946, November 17, 1967.
- ^ Арсутанов, Ю.В. Космос без ракеты (В космос без ракет). Znanije-Sile (Знание - сила) 1969 (7): 25 июля 1969 г.
- ^ Пирсон, Дж (1975). «Орбитальная башня: пусковая установка космического корабля, использующая энергию вращения Земли». Акта Астронавтика . 2 (9–10): 785–799. Бибкод : 1975AcAau...2..785P . CiteSeerX 10.1.1.530.3120 . дои : 10.1016/0094-5765(75)90021-1 .
- ^ Коломбо, Г., Гапошкин, Э.М., Гросси, доктор медицинских наук, и Вайффенбах, Г.К., «Скайхук»: шаттл-инструмент для исследований на низкой орбитальной высоте», Meccanica , Vol. 10, № 1, март 1975 г.
- ^ Калаган П., Арнольд Д.А., Коломбо Г., Гросси М., Киршнер Л.Р. и Орринджер О., «Исследование динамики привязанной спутниковой системы (Skyhook)», Контракт НАСА NAS8-32199 , Заключительный отчет SAO, март 1978 г.
- ^ В. Б. Брагинский и К. С. Торн, «Детектор гравитационных волн Скайхук», Москва.Государственный университет, Москва, СССР и Калифорнийский технологический институт, 1985 г.
- ^ Моравец, Ганс (1976). «Предложение Скайхука» .
- ^ Моравец, HP (1977). «Несинхронный орбитальный Skyhook». Журнал астронавтических наук . 25 : 307–322. Бибкод : 1977JAnSc..25..307M . Представлено на 23-м заседании AIAA «Индустриализация космоса», Сан-Франциско, Калифорния. 18–20 октября 1977 г.
- ^ Jump up to: а б Сармонт, Игл (1994). «Как трос, вращающийся вокруг Земли, делает возможной доступную космическую транспортную систему Земля-Луна». Серия технических документов SAE . Том. 942120. дои : 10.4271/942120 .
- ^ Моравец, Ганс (1981). «Предложение Скайхука» .
- ^ Jump up to: а б Космо, М.; Лоренцини, Э. (декабрь 1997 г.). Справочник по привязям в космосе (PDF) (Третье изд.). Смитсоновская астрофизическая обсерватория. Архивировано из оригинала (PDF) 6 октября 2007 г. Проверено 18 апреля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с Богар, Томас Дж.; Бангэм, Майкл Э.; Нападающий, Роберт Л.; Льюис, Марк Дж. (7 января 2000 г.). Орбитальная система запуска гиперзвукового самолета Space Tether, исследовательский грант № 07600-018, окончательный отчет фазы I (PDF) . Институт перспективных концепций НАСА . Проверено 7 июля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б Чен, Йи; Хуан, Руи; Рен, Сяньлинь; Он, Липинг; Он, Йе (2013). «История концепции Tether и миссий Tether: обзор» . ISRN Астрономия и астрофизика . 2013 (502973): 502973. Бибкод : 2013ISRAA2013E...2C . дои : 10.1155/2013/502973 .
- ^ «Исследование архитектуры орбитального запуска гиперзвукового самолета с космическим тросом (HASTOL). Фаза II: Итоговый отчет» (PDF) . Проверено 18 октября 2015 г.
- ^ Макконочи, ИО; Элдред, Швейцария; Мартин, Дж. А. (1 октября 1983 г.). « Спутники захвата-эжектора ». Технический меморандум НАСА 85686
