Орбитальное кольцо
Орбитальное кольцо — это концепция искусственного кольца, помещенного вокруг тела и вращающегося с такой скоростью, что кажущаяся центробежная сила достаточно велика, чтобы противодействовать силе гравитации . Для Земли требуемая скорость составляет порядка 10 км/сек по сравнению с типичной скоростью на низкой околоземной орбите, равной 8 км/сек. Конструкция предназначена для использования в качестве космической станции или планетарного транспортного средства для сверхскоростной транспортировки или запуска в космос .
Поскольку кабель вращается быстрее орбитальной скорости, существует чистая внешняя сила, которой противодействует внутреннее натяжение внутри кабеля. Это препятствует любым попыткам согнуть его и позволяет выдерживать нагрузки. В типичных концепциях моторизованная платформа размещается на тросе, идущем в противоположном направлении со скоростью, благодаря которой она кажется неподвижной над землей. Над экватором Земли платформа, движущаяся со скоростью 9,5 км/сек в направлении, противоположном кабелю, будет казаться неподвижной и позволит опустить кабель, образуя космический лифт . Длина этого лифта составляет всего 500 километров (310 миль), и его можно построить из существующих материалов.
Требование построить на низкой околоземной орбите кабель размером с планету и разогнать его до скорости, превышающей орбитальную, является очевидной практической проблемой. Таким образом, были предложены другие архитектуры, которые по-разному используют активную поддержку и, таким образом, способны обойти некоторые из этих ограничений. Пусковая петля представляет собой частичное кольцо длиной около 2000 км, которое проходит между двумя наземными станциями, а не окружает земной шар. В кольце частиц используется серия отдельных объектов, которые можно запускать индивидуально, образуя совокупность, аналогичную сплошному кольцу, а затем управлять ими с помощью магнита, с тем недостатком, что они не имеют внутреннего напряжения, а подъемная сила определяется отдельно. Космический фонтан представляет собой вертикальную версию концепции кольца частиц, образующего космический лифт. Привязанное кольцо представляет собой динамическую структуру, в которой используется по крайней мере одно полное и непрерывное невращающееся кольцо диаметром меньше, чем у планетарного тела. Его можно построить на поверхности планеты, разогнать до рабочей скорости и поднять на очень большую высоту механически, натянув многочисленные тросы. [1] [2]
Концепция
[ редактировать ]Орбитальное кольцо чем-то похоже на «классическую» концепцию космического лифта . В традиционном космическом лифте большая станция размещается на геостационарной орбите (GEO) так, что она остается в одном месте над экватором Земли. Затем прокладывается кабель и опускается к Земле, в то время как второй кабель, обеспечивающий противовес, протягивается вверх от станции и остается на месте из-за приливных сил . Когда конструкция будет завершена, автомобили, похожие на лифты, смогут ездить по кабелю в космос. Основная проблема заключается в том, что ни одно известное вещество, которое можно производить в больших количествах, не обладает прочностью на разрыв, необходимой для растяжения от ГЗО до поверхности. Орбитальные кольца используют другой механизм.
В версии с орбитальным кольцом кинетическое кольцо движется по миру с более высокой скоростью, чем круговая орбитальная скорость. В результате возникает чистая внешняя сила, которой противодействует сила тяжести, действующая на неподвижные компоненты. построение системы на высоте более 500 километров (310 миль), чтобы избежать большей части атмосферы Этого можно добиться на любой высоте, хотя практическим требованием является . Затем кабель опускается с кольца на землю и используется так же, как традиционный космический лифт, с той разницей, что длина вертикального кабеля составляет всего 500 километров (310 миль) вместо 100 000 километров (62 000 миль). Такая длина находится в пределах возможностей нескольких известных материалов.
Чтобы поддерживать руль высоты, кольцо имеет не круглую, а слегка эллиптическую форму. Две или более станций размещаются на верхних концах траектории, но ниже точки, где обычно находится апогей орбиты. Станция сгибает кабель вниз при его прохождении, чтобы создать восходящую силу на станции. Получающаяся в результате орбита системы из двух станций больше похожа на американский футбол, чем на закругленный эллипс. Можно уменьшить натяжение орбитального кольца до любого необходимого уровня, увеличив подъемную силу, создаваемую изгибом троса. Основным недостатком является то, что трос лифта теперь подвешен в верхней точке системы, а не близко к земле.
Подвижное кольцо не обязательно должно быть цельным и не обязательно должно быть полностью заключено в твердую оболочку. Вместо этого на желаемую орбиту можно вывести большое количество отдельных магнитных объектов, а станции будут отклонять свой путь с помощью магнитов при прохождении мимо них. Преимущество этой версии кольца состоит в том, что его гораздо проще построить, поскольку каждый элемент кольца полностью отдельный, может запускаться индивидуально и не требует дальнейшей работы в космосе. [а] Это также не обязательно должно быть полное кольцо; в зависимости от желаемой подъемной силы общая масса объектов может быть намного меньше, чем даже самый тонкий кабель, вращающийся вокруг Земли. Основным недостатком является то, что процесс обмена импульсом рандомизирует их скорость, поэтому требуется какая-то другая система, чтобы вернуть объекты на правильные орбиты.
История
[ редактировать ]![[икона]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1c/Wiki_letter_w_cropped.svg/20px-Wiki_letter_w_cropped.svg.png){kind=small} | Этот раздел нуждается в расширении . Вы можете помочь, добавив к нему . ( август 2009 г. ) |
Подробное описание концепции было предложено и проанализировано Полом Берчем в 1982 году, предложив создать массивное кольцо, которое будет окружать земной шар на низкой орбите, от которого к поверхности Земли свисают кабели. [3] [4] [5]
В 1982 году советский изобретатель Анатолий Юницкий также предложил электромагнитную дорожку, опоясывающую Землю, которую он назвал «колесом в космос». [6] (позже «Струнная транспортная система»). Когда скорость струны превышает 10 км/сек, центробежные силы отрывают струну от поверхности Земли и поднимают кольцо в космос.
Эндрю Мюленберг и его ученики в период с 2008 по 2011 год представили и опубликовали ряд статей, основанных на типах и применении низкоорбитальных колец в качестве «ступенек для человечества в космос». В обзоре упоминаются четыре применения орбитальных колец: связь через оптоволоконное кольцо, транспорт между поверхностью и орбитой с помощью системы «стропа на кольце», солнечная энергетика космического базирования и смягчение последствий изменения климата с помощью космического солнцезащитного козырька . «Праща на кольце» будет включать в себя вращающиеся стропы (сделанные из огромной углеродной трубки ), прикрепленные к орбитальному кольцу, которое погружается в атмосферу. Кончик данной стропы в самом низком состоянии достигнет высоты 13–15 км, а ее вращение приведет к тому, что она будет иметь почти нулевую тангенциальную скорость относительно поверхности Земли внизу. Следовательно, ремень мог бы подобрать полезную нагрузку от обычного самолета, летящего на этой высоте, а затем поднять эту полезную нагрузку на орбитальное кольцо. [7]
Модель Бёрча
[ редактировать ]Пол Берч опубликовал серию из трех статей в Журнале Британского межпланетного общества в 1982 году, в которых изложены математические основы кольцевых систем. [3] [4] [5]
В простейшей конструкции орбитальной кольцевой системы вращающийся трос или, возможно, надувная космическая конструкция размещается на низкой околоземной орбите над экватором. Не на орбите, а по этому кольцу, электромагнитно поддерживаемые сверхпроводящими магнитами , находятся кольцевые станции, которые остаются в одном месте над определенной точкой на Земле. С этих кольцевых станций свисают короткие лифтовые кабели, изготовленные из материалов с высоким соотношением прочности к массе.
можно намеренно заставить орбитальное кольцо прецессировать вокруг Земли Хотя эта простая модель лучше всего работает над экватором, Пол Берч подсчитал, что, поскольку кольцевая станция может использоваться для ускорения орбитального кольца на восток, а также для удержания троса, следовательно, вместо этого . оставаться неподвижным в космосе, пока Земля вращается под ним. Прецессируя кольцо каждые 24 часа, Орбитальное кольцо будет зависать над любым выбранным меридианом на поверхности Земли. Кабели, свисающие с кольца, теперь являются геостационарными, без необходимости достигать геостационарной высоты или размещаться в экваториальной плоскости. Это означает, что, используя концепцию орбитального кольца, одну или несколько пар станций можно расположить над любой желаемой точкой на Земле или переместить в любую точку земного шара. Таким образом, любую точку Земли можно обслужить космическим лифтом. Также может быть построена целая сеть орбитальных колец, которая, пересекая полюса, могла бы охватить всю планету и быть способна принять на себя большую часть грузового и пассажирского транспорта. С помощью множества лифтов и нескольких геостационарных кольцевых станций материал астероидов или Луны можно принимать и аккуратно сбрасывать туда, где необходимо засыпать землю. Электрическая энергия, вырабатываемая в этом процессе, будет оплачивать расширение системы и, в конечном итоге, может проложить путь для терраформирования и астроинженерной деятельности всей Солнечной системы на разумной экономической основе.
Ориентировочная стоимость
[ редактировать ]Если бы система была построена путем запуска необходимых материалов с Земли, стоимость системы, по оценкам Берча в 1980-х годах, составила бы около 31 миллиарда долларов (для «начальной» системы, предназначенной для увеличения в 1000 раз своего первоначального размера в течение следующего года, что в противном случае стоило бы 31 триллион долларов) в случае запуска с использованием оборудования, созданного на основе шаттлов, тогда как при использовании космического производства эта сумма может упасть до 15 миллиардов долларов, при условии, что будет доступен крупный орбитальный производственный комплекс, способный обеспечить первоначальные 180 000 тонн стали, алюминия и шлака по низкой цене. , и еще ниже с орбитальными кольцами вокруг Луны. Стоимость килограмма системы для разгона полезной нагрузки до низкой околоземной орбитальной скорости составит около 0,05 доллара США в долларах США 1975 года, при условии, что потребность в энергии составит 9 кВтч/кг (приблизительно точно) и желаемая стоимость электроэнергии, обеспечиваемая солнечной энергией космического базирования. , 0,005 доллара США за кВтч. [8]
Типы орбитальных колец
[ редактировать ]Самый простой тип — это круговое орбитальное кольцо на НОО .
Два других типа также были определены Полом Берчем:
- Эксцентрические орбитальные кольцевые системы – это кольца, имеющие замкнутую форму с изменяющейся высотой.
- Частичные орбитальные кольцевые системы [3] – по сути, это цикл запуска
Кроме того, он предложил концепцию «надземных миров», таких как надюпитерианские и надзвездные «планеты». Это искусственные планеты, которые будут поддерживаться сеткой орбитальных колец, расположенных над планетой, сверхгигантом или даже звездой. [9]
Орбитальные кольца в художественной литературе
[ редактировать ]Распечатать
[ редактировать ]В конце « Райских фонтанов» Артура Кларка (1979) упоминается орбитальное кольцо, прикрепленное в далеком будущем к космическому лифту, который является основой романа.
В фильме Артура Кларка «3001: Последняя одиссея» (1997) показано орбитальное кольцо, удерживаемое четырьмя огромными обитаемыми башнями (предположительно преемниками космических лифтов) на экваторе.
В манге «Боевой ангел Алита» (1990–1995) заметно заметно слегка поврежденное орбитальное кольцо.
« Звездный путь» В романе «Кольцо вокруг неба» изображен дряхлый кольцевой мир на орбите над планетой Харж'улла, соединенный с серией космических лифтов поверхностью .
Орбитальные кольца широко используются на совместном художественном , посвященном построению мира веб-сайте Orion's Arm . [10]
В третьей части Нила Стивенсона « книги Севеневс» 2015 года рассказывается об орбитальном кольце вокруг безлунной Земли.
Визуальные медиа и игры
[ редактировать ]В фильме «Звездный десант» показано орбитальное кольцо, окружающее Луну.
Вторая версия аниме- сериала «Теккаман» представляет собой полноценное кольцо, хотя и заброшенное и находящееся в аварийном состоянии из-за войны, и без наземных привязей.
В аниме- сериале Kiddy Grade орбитальные кольца также используются в качестве стартовой и стыковочной площадки для космических кораблей. Эти кольца соединены с большими башнями, простирающимися от поверхности планеты.
В аниме Mobile Suit Gundam 00 также заметно присутствует орбитальное кольцо, состоящее в основном из связанных солнечных панелей. Кольцо соединено с землей тремя космическими лифтами. Это кольцо эффективно обеспечивает Землю практически неограниченной энергией. Позже в сериале на кольце также изображены космические станции, установленные на его поверхности.
Первая битва 6-го сезона 1-го эпизода «Звездных войн: Войн клонов » происходит на кольцеобразной космической станции «Ринго Винда», окружающей планету Ринго Винда.
Также во вселенной «Звездных войн» верфи Куата — еще одно орбитальное кольцо вокруг мира Куат. В Star Wars: Legends на Даке, родном мире кальмаров и куарренов, есть огромная орбитальная верфь, окружающая их океаническую планету.
Во Warhammer 40,000 вселенной Марс имеет большое орбитальное кольцо, называемое Железным Кольцом. В основном он используется как верфь для межзвездных кораблей. Это крупнейшее рукотворное сооружение в галактике. На планете Медуза также есть такое кольцо, называемое Тельстаракс, родом из Темной Эры Технологий, но оно в значительной степени разграблено и разрушено.
В игре X3 Terran Conflict есть свободно плавающее орбитальное кольцо вокруг Земли, которое разрушено взрывом и впоследствии свернуто с орбиты в X3: Albion Prelude.
В игре Xenoblade Chronicles 2 есть гигантское дерево, выросшее вокруг основания Орбитального кольца.
В Escape Velocity: Nova Earth больше нет луны, вращающейся вокруг нее, потому что ее добывали на протяжении веков и теперь она существует как орбитальное кольцо вокруг планеты. Более половины из них принадлежит корпорации Sigma Shipyard.
В игре Stellaris вокруг колонизированных планет можно строить орбитальные кольца. Они могут действовать как обычные космические станции или увеличивать производство на своих планетах с помощью зданий и модулей.
Примечания
[ редактировать ]- ^ В отличие от аналогичного запуска полного кольца, для которого потребовалось бы соединение частей после выхода на орбиту.
См. также
[ редактировать ]- Мегамасштабное проектирование
- Неракетный космический запуск
- Кольцо Нивена (в романе « Мир-Кольцо »): орбитальное кольцо вокруг звезды.
- Космический трос
- Скайхук
- Гравитационный лифт
Ссылки
[ редактировать ]- ^ США 11014692B2 , выдан 25 мая 2021 г.
- ^ Лебедь, Филип (2023). «Технико-экономическая жизнеспособность активно поддерживаемых структур для наземного транзита и космических запусков» . Аэрокосмическая конференция IEEE 2023 . стр. 1–20. дои : 10.1109/AERO55745.2023.10115896 . ISBN 978-1-6654-9032-0 . Проверено 12 декабря 2023 г.
- ^ Jump up to: а б с Пол Берч, «Системы орбитальных колец и лестницы Иакова - I», Журнал Британского межпланетного общества , Vol. 35, 1982, стр. 475–497. (см. pdf ) (по состоянию на 6 апреля 2016 г.).
- ^ Jump up to: а б Пол Берч, «Системы орбитальных колец и лестницы Иакова - II», Журнал Британского межпланетного общества , Vol. 36, 1982, 115. ( pdf ).
- ^ Jump up to: а б Пол Берч, «Системы орбитальных колец и лестницы Иакова - III», Журнал Британского межпланетного общества , Vol. 36, 1982, 231. ( pdf ).
- ^ Анатолий Юницкий, «В космос на колесе» («В космос на колесе»), Техника-молодежи («Техническая молодежь»), № 6, июнь 1982 г., ISSN 0320-331X, стр. 34–37 и задняя обложка. ( pdf (альтернативный источник: pdf. Архивировано 5 мая 2015 г. в Wayback Machine ) (по состоянию на 25 июля 2019 г.).
- ^ Меуленберг, Эндрю; Картик Баладжи, PS (2011). «Архипелаг LEO: система земляных колец для связи, массового транспорта в космос, солнечной энергии и контроля глобального потепления» . Акта Астронавтика . 68 (11–12): 1931–1946. arXiv : 1009.4043 . Бибкод : 2011AcAau..68.1931M . дои : 10.1016/j.actaastro.2010.12.002 . S2CID 119271804 .
- ^ «Системы орбитальных колец и лестницы Иакова - II, раздел 3.3» .
- ^ Пол Берч, «Надземные планеты», Журнал Британского межпланетного общества, Том. 44, 1991, 169.
- ^ Космические фонтаны и орбитальные кольца , Рукав Ориона.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Видео: MegaStructures 01: орбитальные кольца и космические лифты
- Лучше более свежее видео: Орбитальные кольца
- Веб-архив Пола Берча в Orion's Arm
- Струнные транспортные системы: на Земле и в космосе (книга Анатолия Юницкого)
СМИ, связанные с Орбитальным кольцом, на Викискладе?
