Конструкция безопорного космического лифта: практическая альтернатива космическому фалу

Б.М. Квин, Р.К. Сет и З.Х. Жу

Кафедра науки о Земле и космосе и машиностроения, университет Йорка, улица Кил 4700, Торонто, Онтарио, Канада.

Кафедра физики и астрономии, университет Йорка, улица Кил 4700, Торонто, Онтарио, Канада

Краткое изложение

Космические фалы широко исследованы как средство обеспечения легкого доступа в космос. Однако внешний вид и конструкция такого устройства заключает в себе важные нерешенные технологические задачи. Мы предлагаем альтернативный подход к строительству космического лифта, который использует безопорную внутреннюю конструкцию, чтобы обеспечить доступ в области околоземного пространства и снизить стоимость запуска в космос. Конструкция содержит наполняемый газом отсек, который активно контролируется и стабилизируется, чтобы сбалансировать внешние возмущения и поддержать конструкцию. Такой подход избегает проблем, связанных с космическим фалом, включая ограничения по прочности материала, необходимость построения из космоса, производство кабеля длиной как минимум 50000 км и эффекты старения и повреждения метеоритами, связанные с тонким фалом или кабелем на низкой околоземной орбите. Описан пример конструкции, построенный на высоте 5 км и простирающийся до 20 км над уровнем моря. Обсуждаются устойчивость и управление конструкцией, методы строительства и его использование для запуска в космос и другие применения.

Ключевые слова: космический лифт, консольная балка, пневматическая конструкция.

1. Введение

Чтобы получить доступ в космос или околоземное пространство, полезная нагрузка должна получить значительную потенциальную и кинетическую энергию. Традиционно области выше высоты полёта самолётов достигаются при помощи ракетной техники, где масса вытесняется с высокой скоростью, для того чтобы добиться тягового усилия в противоположном направлении. Этот процесс крайне неэффективен, так как ракеты должны противодействовать гравитационной силе в течение полёта за счёт транспортировки массы как движущей силы и должны преодолеть сопротивление атмосферы. Напротив, если полезная нагрузка, по крайней мере, частично поднимается в космос или околоземное пространство при помощи системы лифта, затраченная работа значительно ниже, так как отсутствует выбрасываемая масса, которая должна нестись, чтобы совершить работу против силы притяжения, и меньше скорости подъёма в атмосфере, что может фактически исключить сопротивление атмосферы. Тележки лифта могут также приводиться в движение удалённо при помощи электрических или индуктивных средств, исключая необходимость нести некоторое количество топлива. Могут появиться станции, которые неподвижно закреплены в космосе и, следовательно, они не только пользуются преимуществами геостационарной орбиты, но и преимуществом их месторасположения ближе и физической соединённости с поверхностью Земли. В этой статье мы описываем принцип построения космического лифта, основанный на самоподдерживающейся внутренней конструкции, в которой пневматически создаётся повышенное давление и которая активно управляется, для того чтобы поддерживать вес конструкции и погашать внешние возмущающие силы.

2. История вопроса

Впервые это было предложено, как широко известно, Артуром К. Кларком в его романе 1978-го года «Райские фонтаны», в котором космический лифт мог быть построен, используя кабель и систему противовеса [1]. Учитывая земное притяжение и быстроту вращения, такое решение требует кабель как минимум 35000 км длины и противовес, подобный малому астероиду. Такая система могла бы быть построена путём запуска кабеля в космос или производства его на месте и спуска его до контакта с Землёй. Однако, технологические препятствия, которые могут быть преодолены, включая строительство кабеля с пригодными прочностными характеристиками или строительство аппарата в космосе, не позволяют реализовать проект с тех пор, когда Кларк популяризовал идею. Известные материалы просто недостаточно прочны, даже чтобы дать возможность строительства кабеля такой длины, который был бы ещё способен поддерживать свой собственный вес.

Пирсон (1975) разработал физическую основу для строительства такого устройства [2]. Наряду с Кларком, он делал вывод, что башня может быть построена от геостационарной орбиты в обоих направлениях, для того чтобы держать конструкцию в гравитационном равновесии. Используя производные сил, он посчитал, что башня или кабель должны быть как минимум 144000 км длины, для того чтобы быть в равновесии с общим весом, равным нулю, и параметрами: радиусом Земли, гравитацией у поверхности и периодом вращения. Он предлагал отношение площадей сечений для конструкции , где - это радиус Земли, а - это специальная силовая или характерная высота, на которой башня постоянного диаметра может быть построена в одном поле тяготения. Подходящие материалы могут классифицироваться по отношению , где - это максимальное допускаемое напряжение материала, а - сила тяжести на поверхности. Пирсон предлагал графитовые кристаллы с напряжением материала в 46,5 ГПа и плотностью для полученного решения с и коническим отношением 10 без учёта коэффициентов запаса. Такая конструкция, конечно, давала бы существенную выгоду; полезная нагрузка, поднимаясь к вершине конструкции, могла бы даже быть выведена на орбиты ухода без использования ракетной техники. Однако, строительство устройства, требуя нововведений в материалах и в космической промышленности, а также как минимум 24000 полётов модифицированного космического челнока с геостационарной способностью, чтобы поднимать строительный материал, накладывает строгие ограничения с практической точки зрения.

Эдвардс (2000) аргументирует, что противовес, содержащий использованные верхние ступени ракет (3440 кг/ступень), снизил бы длину кабеля до 117000 км и предлагает лентоподобную конструкцию, содержащую 1,5-микронные ленты, каждая массой 5000 кг [3]. Принятие конструкции, включающей углеродные нанотрубки (плотностью и пределом прочности 130 ГПа) с сечениями, содержащими композитный материал на основе эпоксидной смолы, затем четыре запуска Титана IV/Центавр потребуются, чтобы доставить на геостационарную орбиту Земли первоначальные ленты. Они будут способны поддерживать поднимающегося робота массой 528 кг с коэффициентом запаса 2. Подъёмники доставят и прикрепят с помощью эпоксидного клея дальнейшие ленты нанотрубок, каждая обеспечит 7,96 кг к грузоподъёмной способности кабеля, и использует среднюю электрическую мощность в 42 кВт, посланную к подъёмнику при помощи микроволны в 4 ГВт или наземным лазером. После 250 восхождений кабель будет способен поднимать 13000 кг полезной нагрузки каждые пять дней. Эта идея кажется намного более практичной, чем пирсоновский подход в виде орбитального строительства. Однако, как устанавливает Эдвардс, существуют другие инженерные сложности, которые, как может показаться, накладывают строгие ограничения, относящиеся к практичности такого устройства:

1. Метеоритное повреждение уничтожит кабели, поднимающиеся с Земли в космос, размером менее нескольких сантиметров в течение недель. Строительство является по этой причине гонкой со временем, и завершённый кабель потребует постоянного поддержания и ремонта. Подъёмники потребуют возможности подниматься в условиях значительных участков частично повреждённого кабеля без вызова дальнейшего разрушения. Основываясь на ширине ленты, Эдвардс оценивает вероятность метеорного повреждения одного или более первоначальных кабелей как 0,4 в год. Однако, изучение, как оказалось, предполагает, что метеоры ударят кабель перпендикулярно к поперечному размеру, а не под некоторым острым углом, который позволит большему числу более мелких метеоритов вызвать повреждение ленты.

2. Кабель низкой околоземной орбиты сталкивается с естественными и искусственными спутниками 10 см или более, что, как ожидается, будет происходить с частотой 1 столкновение в год. Следовательно, потребуется механизм, чтобы перемещать кабель (может быть, путём перемещения точки закрепления), и программа высокоточного радара отслеживания, которая будет необходима, чтобы точно зафиксировать орбитальные траектории объектов, пересекающиеся с кабелем.

3. Повреждение атомарным кислородом удаляет эпоксидный клей / материал нанотрубок с быстротой приблизительно 1 мкм в месяц. Следовательно, потребуется покрытие поверхности, чтобы защитить кабель на высотах с большими концентрациями атомарного кислорода. Требующееся покрытие будет сопротивляться механическому истиранию (от подъёмников) и также потребуется его восстановление в течение жизненного цикла устройства.

4. Удары молнии представят собой существенную угрозу целостности кабеля. Строительство точки закрепления на большой высоте снизит вероятность попадания; однако, вероятность ближнего удара оценивается как 1 удар каждые 13 лет, основываясь на данных, собранных на Аляске. Оказывается, эта картина показывает намного больше, если учесть, что одиночный удар, вероятно, перебьёт кабель полностью. Более того, данные по молнии не посчитаны для роста частоты ударов из-за присутствия самого кабеля, и, следовательно, действительная угроза совершенно неясна. Кажется маловероятным, что эта проблема может быть легко решена.

С тех пор, как оригинальная идея была популяризована, предлагались некоторые альтернативные концепции лифта. В 2000 году Бойд и Томас предложили конструкцию космического лифта, который поднимает полезную нагрузку между положениями, находящимися на точно зафиксированных орбитальных расстояниях до Земли [4]. Устройство включает в себя систему кабелей, способную транспортировать полезную нагрузку между орбитальными положениями, используя энергию подъёмного устройства, которое поднимает фал. Так как устройство не имеет элемента, прикреплённого к поверхности Земли, вторичное средство должно использоваться, чтобы сначала прикреплять полезную нагрузку к лифту.

В 2004 году Демпси предложил систему и метод для космического лифта, включающего в себя гибкую натяжную конструкцию, развёрнутую вверх и вниз от геосинхронной высоты [5]. В противоположность традиционной концепции фала, Демпси предложил использовать транспортный фал, имеющий форму в виде двойной цепи, причём одна цепь ниже высоты синхронной орбиты, а вторая цепь выше высоты синхронной орбиты. Конфигурация фала формирует гармонический осциллятор, используя комбинацию гравитационных и центростремительных сил с нулём, пересекающим гармонический осциллятор на высоте приблизительно половины высоты синхронной орбиты прикреплённого лифта. Один конец фала прочно прикреплён к положению экваториальной поверхности, давая возможность транспортирования с поверхности. Другой конец фала прикреплён к противовесу на орбите выше геосинхронной высоты. Фал сконфигурирован таким образом, что он простирается вниз от геосинхронной орбиты до положения около поверхности, делает петлю назад вверх до геосинхронной высоты и окончательно делает петлю назад вниз до точки закрепления к поверхности. Дополнительный фал, прикреплённый к поверхности, используется, чтобы стабилизировать спускающуюся петлю и для управления лифтом. Полезная нагрузка может подниматься, используя центробежную силу эффективным с точки зрения энергии методом без необходимости дополнительных источников энергии; однако, метод требует кабеля, существенно более длинного, чем в оригинальной идее Кларка и, следовательно, является объектом даже больших инженерных трудностей в производстве пригодного фала.

Все такие конструкции полагаются на развитие материалов для строительства кабелей огромной прочности. Самым распространённым подходом является применение углеродных нанотрубок; однако, Пугно (2006) показал, что присутствие только одних микроскопических дефектов помешает производству кабеля с достаточным пределом прочности, даже если теоретический предел прочности может реализоваться в макроскопическом кабеле [6]. Пугно делает вывод, что геосинхронный космический фал, если будет построен, как сконструировано сегодня, конечно, сломается.

Другим интригующим предложением для космического лифта является космический фонтан. В этой идее кабелеподобная конструкция строится, затем управляется высокоскоростным массовым потоком в вакуумной закрытой петле, обычно при помощи сверхпроводящих магнитов. Кабель поддерживается при помощи обмена импульсом с массовым потоком. Установленная на земле станция переускоряет массовый поток, чтобы компенсировать потери. Космическая станция закреплена на вершине кабеля, который поддерживает геостационарное положение без необходимости в геосинхронной орбите.

Лофстром (1985) описывает пусковую петлю – 2000-километровая кабельная конструкция, замкнутая с двух концов и на интервалах вдоль своей длины, которая простирается на 80 км вертикально [7]. Конструкция поддерживается при помощи энергии и обмена импульсом с движущейся лентой массой , которая ускорена до внутри кабеля. Лента также используется для ускорения полезной нагрузки. Мы оцениваем массу конструкции в по предоставленным данным и предполагая одноленточную систему. Главным недостатком метода обмена массой является итог поломки системы управления. Лофстром оценил, что поломка ленты освободит , достаточной для кипячения воды. Так как катастрофический по мнению автора отказ устройства может ожидаться время от времени, 2000-километровая конструкция не может быть сконструирована вблизи населённых областей. Сдерживание металлической ленты, движущейся со сверхзвуковой скоростью, должно быть когда-нибудь показано в любом масштабе. Если эта технология может быть реализована, она, вероятно, найдёт первое применения, как метод накопления энергии.