?

Log in

No account? Create an account

Previous Entry | Next Entry

Небесная удочка

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.

Comments

( 44 comments — Leave a comment )
Page 1 of 2
<<[1] [2] >>
livejournal
Mar. 18th, 2018 03:37 pm (UTC)
Здравствуйте! Ваша запись попала в топ-25 популярных записей LiveJournal волжского региона. Подробнее о рейтинге читайте в Справке.
shkslj
Mar. 18th, 2018 04:54 pm (UTC)
Вспомнились космические яйца и пылесос для забоа атмосферы.
komprendre
Mar. 18th, 2018 05:42 pm (UTC)
Спутник на 400 тонн...
А если мы такой трос с грузом к мкс прицепим, то космонавтов там сильно будет бултыхать?
antihydrogen
Mar. 18th, 2018 06:02 pm (UTC)
Это по большей части масса троса (320 тонн), масса спутника-противовеса - 60 тонн.

На конце троса будет 1.5g, а на спутнике-противовесе - 0.7g. Вполне комфортная искусственная гравитация, но конкретно МКС такое не выдержит.
(no subject) - komprendre - Mar. 18th, 2018 07:38 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 01:13 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Андрей Гаврилов - Mar. 19th, 2018 03:14 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 03:28 pm (UTC) - Expand
komprendre
Mar. 18th, 2018 05:45 pm (UTC)
И еще непонятен вопрос момента вращения. Откуда он берется вначале, на сколько гасится после каждого «заброса» и как востанавливается
antihydrogen
Mar. 18th, 2018 06:22 pm (UTC)
Раскручивать систему можно с помощью того же электродинамического метода. Чтобы разгонять центр масс системы, нужен медленно переменный ток с периодом, равным периоду вращения системы вокруг ЦМ (этот период у раскрученной системы равен 1100 сек). Если сделать тягу на разных фазах вращения разной, система, помимо увеличения поступательной скорости, будет раскручиваться из-за ненулевого момента сил, действующих на провод с током.

Ну а в схеме с лунным грунтом, раскручивание будет происходить при движении лунного грунта вниз. При спуске на 1260 км потенциальная энергия килограмма грунта уменьшится на 10 мегаджоулей. Вся эта энергия перейдет в увеличение скорости вращения системы.
(no subject) - lithovore - Mar. 19th, 2018 08:39 am (UTC) - Expand
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 01:32 pm (UTC) - Expand
komprendre
Mar. 18th, 2018 07:40 pm (UTC)
Осталось понять в чем же подвох. Ну 20-50 миллиардов на строительство, но оно бы окупилось же. Почему схема никому не известна даже?
antihydrogen
Mar. 19th, 2018 01:46 pm (UTC)
Почему неизвестно, вполне себе известна https://en.wikipedia.org/wiki/Space_tether

А подвохов несколько.

Во-первых, система может запускать спутники только в плоскости ее орбиты. То есть она не универсальна, и ее строительство экономически осмысленно только в том случае, если предполагается большой грузопоток на какую-то конкретную орбиту (например геостационарную).

Во-вторых, в комплект к системе нужна довольно специфическая одноступенчатая ракета, способная набрать 5 км/с. Это возможно, вторые ступени современных ракет набирают приблизительно столько же. Но вот первые ступени сейчас рассчитаны на набор всего 3-3.5 км/с, то есть просто взять первую ступень какой-то существующей ракеты не получится.

Ну и в-третьих, описанная в посте проблема восстановления орбиты системы после каждого использования. Электродинамический метод разгона еще никто не пробовал, а использование вместо него традиционных ионных двигатель потребует огромной мощности от бортовой электростанции.
(no subject) - komprendre - Mar. 19th, 2018 02:47 pm (UTC) - Expand
(no subject) - komprendre - Mar. 19th, 2018 02:50 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 03:23 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 03:10 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 03:15 pm (UTC) - Expand
egh0st
Mar. 19th, 2018 01:12 am (UTC)
схема древняя, известная, но толку в ней особо нет.


просто разгон до 5кмс да еще и на высоту 150км -- сам по себе та еще задача.

Насколько большая разница по энергии эти дополнительные 3кмс?

С тактической точки зрения экономить надо как раз первые кмс, там ракета довольно сливающая получается (можно сравнить тягу и массу топлива первой и второй ступеней РН, например). Потому например думают про воздушный старт и т.д. Если уж ракету разогнали до хотя бы 1кмс и вывели за пределы тропосферы (идеально за 20км высоты) то там и тяга ракетных движков выше, и аэродинамика особо не мешает.
antihydrogen
Mar. 19th, 2018 02:19 pm (UTC)
Не 3, а 5 км/сек (удвоенная скорость конца троса) и плюс еще подъем на 1260 км.

Если например нам нужен вывод на геопереходную орбиту, то традиционный способ требует 9.3 км/с до НОО + 2.5 от с НОО на ГПО = 11.8 км/с.



Разгон до 5 км/с и подъем до 150 км потребует характеристической скорости около 7 км/с. Пусть удельный импульс сравниваемых ракет = 4.5 км/с (пара водород/кислород). Тогда второй ракете потребуется в 3 раза меньше топлива, чем первой, для запуска того же груза.

Причем именно между 9.3 км/с и 7 км/с лежит качественный порог: в первом случае одноступенчатая ракета почти невозможна, а во втором - реальна (вторые ступени F9 как раз около 7 км/с и набирают).
gans2
Mar. 19th, 2018 01:35 am (UTC)
Роза и Червь
>>Эта идея была использована в одном современном НФ романе про освоение Луны, откуда я про нее и узнал.

Ну у Ибатуллина с Луны сбежала правительница как раз на таком ротаваторе.
А в первой редакции и у Земли её поймали таким ротоватором.

egh0st
Mar. 19th, 2018 01:54 am (UTC)
кто-то?
Re: Роза и Червь - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 02:29 pm (UTC) - Expand
Re: Роза и Червь - phdnk - Mar. 19th, 2018 02:51 pm (UTC) - Expand
Re: Роза и Червь - gans2 - Mar. 19th, 2018 03:31 pm (UTC) - Expand
phdnk
Mar. 19th, 2018 07:58 am (UTC)
MXER Tether
antihydrogen
Mar. 19th, 2018 02:37 pm (UTC)
Re: MXER Tether
Спасибо!
phdnk
Mar. 19th, 2018 08:02 am (UTC)
On Skyhooks
three_l1
Mar. 19th, 2018 09:32 am (UTC)
Трос не пойдет же. Жесткое что-то нужно для передачи тангенциальной составляющей.
antihydrogen
Mar. 19th, 2018 02:30 pm (UTC)
Тангенциальная скорость в ходе запуска не меняется https://antihydrogen.livejournal.com/49084.html?thread=557500#t557500
Андрей Гаврилов
Mar. 19th, 2018 03:27 pm (UTC)
читал какого-то дяденьку, кажется белорусского, который отыгрывал Кассандру ("без устали безумная девица/ Кричала "Вижу Трою, павшей в прах") на счет как раз такой (ЕМНИП) схемы.

Упоминания он тут достоин (кроме библиографических/ краеведческих целей) потому, что у него лунный участок схемы содержал, внезапно, горизонтальный налунный ротоватор, нужный для передачи груза орбитальному прилунному ротоватору.

Тогда в его расчеты/ схему не вникал. Даже не помню подробностей про эту налунную байду, и даже не очень понимаю сходу, возможно ли такое (или такое удобное) "на канатах", без постройки какого-то кольца налунного маглева (что немного обесценивало бы затею для начальных этапов; кстати, где ресурс для маглева - там ресурс и для электромагнитной катапульты).

Edited at 2018-03-19 03:27 pm (UTC)
antihydrogen
Mar. 19th, 2018 03:50 pm (UTC)
Задумался над идеей горизонтального ротоватора. Типа так: поставить на какой-то высокой лунной горе вертикальную ось, и прикрепить к ней трос, соединенный со спутником на орбите. Чтобы получилось, нужно чтобы любая точка орбиты была в прямой видимости с вершины горы. Сходу не могу оценить, реализуемо ли это для орбиты ниже расстояния до точки L1, то есть имеет ли эта идея какое-то преимущество по сравнению с лунным космическим лифтом.
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 04:03 pm (UTC) - Expand
(no subject) - antihydrogen - Mar. 19th, 2018 04:13 pm (UTC) - Expand
(no subject) - Дмитрий Маркозов - Apr. 5th, 2018 01:46 pm (UTC) - Expand
Дмитрий Маркозов
Apr. 5th, 2018 01:57 pm (UTC)
Изумительная конструкция
Правильно ли я понял, что в предельном случае можно обмениваться грузами между двумя космическими телами вообще без затрат энергии? Если грузопоток в обе стороны одинаковый? Ротоваторм на одной планете разгоняем груз (опуская орбиту ротоватора), ротоватором на другой ловим (поднимая орбиту). В обратную сторону - наоборот. Полный феньшуй...
vashu11
Apr. 9th, 2018 12:07 am (UTC)
// общая масса системы (трос + спутник-противовес) – 380 тонн;
// полезная нагрузка, которую система может закинуть за раз – 5 тонн;
// предполагаются запуски раз в месяц

6 лет на то чтобы поднять свою собственную массу.
pavin_au
May. 22nd, 2018 02:58 am (UTC)
Все время удивляет как народ легко говорит про воду на Луне и топливо из этой воды. Луна - СУХАЯ! И лед на ее полюсах - самое ценное, что там есть, что ее еще на "луц" переводить. Комбинированный реактивный двигатель - шашка из магниево-алюминиевой прессованной пудры и баллон с жидким кислородом. И того и другого и третьего на Луне с избытком
rastol_k0_vskij
Jun. 24th, 2018 08:16 pm (UTC)
Может Вам уже пора замахнуться на ОРБИТООБМЕН Вильяма
У меня в хронике на вашего, наверно, авторитетного суждения уже два дня ждёт наш наш знаменитый фантаст Сергей Лукяненко:

Сергей Лукьяненко · 2 общих друга
Я в принципе понимаю, что это бред, но с удовольствием послушаю более образованных товарищей. А так хорошо. С пращи на Луну.

https://www.facebook.com/permalink.php?story_fbid=1828298797232322&id=100001566581128&comment_id=1859279754134226¬if_id=1529672719802548¬if_t=feed_comment
Page 1 of 2
<<[1] [2] >>
( 44 comments — Leave a comment )