Запуск петли

Стартовая петля , или петля Лофстрома , — это предлагаемая система для запуска объектов на орбиту с использованием движущейся кабельной системы, расположенной внутри оболочки, прикрепленной к Земле двумя концами и подвешенной над атмосферой в середине. Концепция проекта была опубликована Кейтом Лофстромом и описывает активную структуру кабельной транспортной системы на магнитной подвеске , которая будет иметь длину около 2000 км (1240 миль) и поддерживаться на высоте до 80 км (50 миль). Стартовая петля будет удерживаться на этой высоте импульсом ремня , который циркулирует вокруг конструкции. Эта циркуляция, по сути, переносит вес конструкции на пару магнитных подшипников, по одному на каждом конце, которые ее поддерживают.

Пусковые петли предназначены для достижения неракетного космического запуска транспортных средств весом 5 метрических тонн путем их электромагнитного ускорения таким образом, чтобы они были выведены на околоземную орбиту или даже за ее пределы. Это будет достигнуто с помощью плоской части кабеля, которая образует дорожку ускорения над атмосферой. ^[1]

Система разработана для запуска людей в целях космического туризма , исследования космоса и колонизации космоса и обеспечивает относительно низкое ускорение 3 g . ^[2]

Стартовые петли были описаны Кейтом Лофстромом в ноябрьском бюллетене Форума читателей Американского астронавтического общества за 1981 год и в августовском выпуске новостей L5 News за 1982 год .

В 1982 году Пол Бирч опубликовал серию статей в журнале Британского межпланетного общества , в которых описал орбитальные кольца и описал форму, которую он назвал частичной орбитальной кольцевой системой (PORS). ^[3] Идея пусковой петли была более подробно проработана около 1983–1985 годов Лофстромом. ^{[2] [4]} Это расширенная версия PORS, специально организованная для формирования магнитной левитационной дорожки ускорения, подходящей для запуска людей в космос, но в то время как орбитальное кольцо использовало сверхпроводящую магнитную левитацию , пусковые петли используют электромагнитную подвеску (EMS).

Представьте себе большую пушку на острове, которая стреляет снарядом в высокие слои атмосферы. Снаряд будет следовать по примерно параболической траектории для начального полета, но сопротивление замедлит снаряд и заставит его вернуться на Землю по гораздо более вертикальной траектории. Можно сделать траекторию чисто баллистической, заключив прогнозируемую траекторию в трубу и удалив воздух. Подвешивание такой трубы было бы значительной проблемой в зависимости от длины пути. Однако можно использовать оболочку, чтобы обеспечить эту подъемную силу, по крайней мере временно. Если труба не находится точно вдоль траектории полета снаряда, а немного ниже ее, то, когда снаряд проходит через трубу, он будет вынужден опускаться вниз, тем самым создавая восходящую силу на трубе. Чтобы оставаться в воздухе, системе потребуется непрерывно стрелять снарядами.

Пусковая петля по сути является непрерывной версией этой концепции. Вместо пушки, стреляющей снарядом, массовый драйвер ускоряет кабель по аналогичной траектории. Кабель окружен вакуумной трубкой, которая удерживается наверху путем нажатия на кабель с помощью электромагнитов . Когда кабель падает обратно на Землю на другом конце траектории, он захватывается вторым массовым драйвером, изгибается на 180 градусов и отправляется обратно по противоположной траектории. Результатом является одна петля, которая непрерывно движется и удерживает трубку наверху.

Чтобы использовать систему в качестве космической ракеты-носителя, пусковая петля будет иметь длину около 2000 км и высоту 80 км. Петля будет иметь форму трубы, известной как оболочка . Внутри оболочки плавает другая непрерывная труба, известная как ротор, которая представляет собой своего рода ремень или цепь. Ротор представляет собой железную трубу диаметром около 5 см (2 дюйма), движущуюся по петле со скоростью 14 км/с (31 000 миль в час). Поддержание системы в воздухе требует значительной подъемной силы, и полученный путь гораздо более плоский, чем естественный баллистический путь ротора. ^[2]

Из-за вероятности обрыва петли и ее падения на Землю ее обычно рассматривают как проходящую между двумя островами вне маршрутов интенсивного судоходства.

В состоянии покоя петля находится на уровне земли. Затем ротор разгоняется до скорости. По мере увеличения скорости ротора он изгибается, образуя дугу. Конструкция удерживается силой от ротора, который пытается следовать параболической траектории. Наземные анкеры заставляют ее двигаться параллельно земле по достижении высоты 80 километров. После подъема конструкция требует постоянной мощности для преодоления рассеиваемой энергии. Дополнительная энергия потребуется для питания любых запускаемых транспортных средств. ^[2]

Для запуска транспортные средства поднимаются на тросе «лифта», который свисает с погрузочной платформы Западной станции на высоте 80 км, и размещаются на трассе. Полезная нагрузка применяет магнитное поле, которое генерирует вихревые токи в быстро движущемся роторе. Это одновременно поднимает полезную нагрузку от троса, а также тянет ее вместе с ускорением 3 g (30 м/с²). Затем полезная нагрузка движется по ротору, пока не достигнет необходимой орбитальной скорости , и покидает трассу. ^[2]

Если необходима стабильная или круговая орбита, то после того, как полезная нагрузка достигнет самой высокой части своей траектории, необходим бортовой ракетный двигатель («толчковый двигатель») или другие средства для закругления траектории до соответствующей околоземной орбиты. ^[2]

Метод вихревых токов компактен, легок и мощен, но неэффективен. С каждым запуском температура ротора увеличивается на 80 кельвинов из-за рассеивания мощности. Если запуски расположены слишком близко друг к другу, температура ротора может приблизиться к 770 °C (1043 K), и в этот момент железный ротор теряет свои ферромагнитные свойства и теряется удержание ротора. ^[2]

Замкнутые орбиты с перигеем 80 км довольно быстро сходятся и возвращаются, но в дополнение к таким орбитам, пусковая петля сама по себе также могла бы напрямую выводить полезные грузы на орбиты ухода , гравитационные траектории мимо Луны и другие незамкнутые орбиты, например, близкие к троянским точкам .

Для доступа к круговым орбитам с использованием пусковой петли необходимо запустить относительно небольшой «толчковый двигатель» с полезной нагрузкой, который будет работать в апогее и сделает орбиту круговой. Для выхода на ГСО это должно обеспечить дельта-v около 1,6 км/с, для выхода на НОО круговой орбиты на 500 км потребуется дельта-v всего 120 м/с. Обычным ракетам требуется дельта-v около 14 и 10 км/с для достижения ГСО и НОО соответственно. ^[2]

Пусковые петли в конструкции Лофстрома расположены близко к экватору ^[2] и могут напрямую достигать только экваториальных орбит. Однако другие орбитальные плоскости могут быть достигнуты посредством изменения плоскости на большой высоте, лунных возмущений или аэродинамических методов.

Мощность запуска пусковой петли в конечном итоге ограничена температурой и скоростью охлаждения ротора до 80 в час, но для этого потребуется электростанция мощностью 17 ГВт ; более скромной электростанции мощностью 500 МВт достаточно для 35 запусков в день. ^[2]

Для того чтобы пусковой контур был экономически жизнеспособным, потребуются заказчики с достаточно большими требованиями к запуску полезной нагрузки.

Лофстром оценивает, что первоначальная петля стоимостью около 10 миллиардов долларов с окупаемостью в один год могла бы запускать 40 000 метрических тонн в год и сократить стоимость запуска до 300 долларов за кг. За 30 миллиардов долларов, с большей мощностью генерации электроэнергии, петля могла бы запускать 6 миллионов метрических тонн в год, а с учетом пятилетнего периода окупаемости затраты на доступ в космос с помощью пусковой петли могли бы составить всего 3 доллара за кг. ^[5]

По сравнению с космическими лифтами не требуется разрабатывать новые высокопрочные материалы, поскольку конструкция противостоит гравитации Земли, поддерживая собственный вес за счет кинетической энергии движущейся петли, а не за счет прочности на разрыв.

Ожидается, что стартовые петли Лофстрома будут запускаться с высокой частотой (множество запусков в час, независимо от погоды) и по своей сути не загрязняют окружающую среду. Ракеты создают загрязнения, такие как нитраты в своих выхлопах из-за высокой температуры выхлопных газов, и могут создавать парниковые газы в зависимости от выбора топлива. Стартовые петли как форма электрического движения могут быть чистыми и могут работать на геотермальном, ядерном, ветровом, солнечном или любом другом источнике энергии, даже прерывистом, поскольку система имеет огромную встроенную емкость хранения энергии.

В отличие от космических лифтов, которые должны были бы проходить через пояса Ван Аллена в течение нескольких дней, пассажиры пусковой петли могут быть запущены на низкую околоземную орбиту, которая находится ниже поясов, или через них за несколько часов. Это была бы похожая ситуация, с которой столкнулись астронавты Аполлона, которые получили дозы радиации около 0,5% от того, что мог бы дать космический лифт. ^[6]

В отличие от космических лифтов, которые подвергаются рискам космического мусора и метеоритов по всей своей длине, пусковые петли должны располагаться на высоте, где орбиты нестабильны из-за сопротивления воздуха. Поскольку мусор не сохраняется, у него есть только один шанс ударить по конструкции. В то время как период разрушения космических лифтов, как ожидается, составит порядка лет, повреждение или разрушение петель таким образом, как ожидается, будет редким. Кроме того, сами пусковые петли не являются значительным источником космического мусора, даже в случае аварии. Весь образующийся мусор имеет перигей, который пересекает атмосферу или находится на второй космической скорости.

Пусковые петли предназначены для транспортировки людей, чтобы обеспечить безопасное ускорение в 3 g , которое подавляющее большинство людей способно переносить без проблем ^[2], и это будет гораздо более быстрым способом достичь космоса, чем космические лифты.

Пусковые петли будут работать бесшумно и не будут создавать никакого звукового загрязнения, в отличие от ракет.

Наконец, их низкая стоимость полезной нагрузки совместима с крупномасштабным коммерческим космическим туризмом и даже колонизацией космоса .

Работающая петля будет иметь чрезвычайно большое количество энергии в своем линейном импульсе. В то время как система магнитной подвески будет крайне избыточной, а отказы небольших секций не будут иметь по существу никакого эффекта, если произойдет крупный отказ, энергия в петле (1,5×10 ¹⁵ джоулей или 1,5 петаджоулей) приблизится к тому же общему выделению энергии, что и взрыв ядерной бомбы (350 килотонн тротилового эквивалента ), хотя и не испуская ядерное излучение.

Хотя это и значительное количество энергии, маловероятно, что это разрушит большую часть конструкции из-за ее очень большого размера, и потому что большая часть энергии будет намеренно сброшена в заранее выбранных местах, когда будет обнаружен отказ. Возможно, придется предпринять шаги, чтобы спустить кабель с высоты 80 км с минимальным ущербом, например, с помощью парашютов.

Поэтому по соображениям безопасности и астродинамики пусковые петли планируется устанавливать над океаном вблизи экватора, вдали от населенных пунктов.

Опубликованная конструкция пусковой петли требует электронного управления магнитной левитацией для минимизации рассеивания мощности и стабилизации кабеля, который в противном случае был бы недостаточно затухающим.

Две основные точки нестабильности — это поворотные участки и кабель.

Секции поворота потенциально нестабильны, поскольку перемещение ротора от магнитов приводит к уменьшению магнитного притяжения, тогда как перемещение ближе приводит к увеличению притяжения. В любом случае возникает нестабильность. ^[2] Эта проблема обычно решается с помощью существующих систем сервоуправления, которые изменяют силу магнитов. Хотя надежность сервопривода является потенциальной проблемой, при высокой скорости ротора для потери герметичности ротора необходимо, чтобы многие последовательные секции вышли из строя. ^[2]

Секции кабеля также разделяют эту потенциальную проблему, хотя силы намного ниже. ^[2] Однако дополнительная нестабильность присутствует в том, что кабель/оболочка/ротор могут подвергаться извилистым режимам (похожим на цепь Лариата ), которые растут в амплитуде без ограничений. Лофстром считает, что эта нестабильность также может контролироваться в реальном времени с помощью сервомеханизмов, хотя это никогда не было предпринято.

В работах Александра Болонкина предполагается, что проект Лофстрома имеет много нерешенных проблем и что он очень далек от современных технологий. ^{[7] [8] [9]} Например, проект Лофстрома имеет компенсаторы между 1,5-метровыми железными пластинами. Их скорости (под действием гравитации, трения) могут быть разными, и Болонкин утверждает, что они могут заклинивать в трубе; ^{[ требуется ссылка ]} а сила и трение в земле диаметром 28 км поворотные секции гигантские. В 2008 году ^[10] Болонкин предложил простой вращающийся кабель замкнутого контура для запуска космического аппарата способом, подходящим для современных технологий.

Другой проект, космический кабель, представляет собой меньшую конструкцию Джона Кнапмана, которая предназначена для помощи при запуске обычных ракет и суборбитального туризма. Конструкция космического кабеля использует дискретные болты, а не непрерывный ротор, как в архитектуре пусковой петли. Кнапман также математически показал, что неустойчивость меандра можно укротить. ^{[11] [12]}

Skyhook — это еще одна концепция системы запуска. Skyhook может быть как вращающимся, так и невращающимся. Невращающийся skyhook висит с низкой околоземной орбиты до уровня чуть выше атмосферы Земли (кабель skyhook не прикреплен к Земле). ^[13] Вращающийся skyhook изменяет эту конструкцию, чтобы уменьшить скорость нижнего конца; весь кабель вращается вокруг своего центра тяжести. Преимущество этого заключается в еще большем снижении скорости ракеты-носителя, летящей к нижнему концу вращающегося skyhook, что обеспечивает еще большую полезную нагрузку и более низкую стоимость запуска. Двумя недостатками этого являются: значительно сокращенное время, доступное для прибывающей ракеты-носителя, чтобы прикрепиться к нижнему концу вращающегося skyhook (примерно от 3 до 5 секунд), и отсутствие выбора относительно орбиты назначения.

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Пусковая петля» .

• www.launchloop.com
• SpaceCable Еще одна похожая идея для помощи при запуске/поездок на короткие расстояния/развлекательных полетов на экстремально большой высоте.
• Космический лифт, ступень 1: сквозь стратосферу, Джон Кнапман, Кит Лофстром, презентация в конференц-центре Microsoft, август 2011 г.