0,0
рейтинг
5 мая 2014 в 13:03

Безракетный космический запуск из песочницы

image

Введение


Доброго времени суток уважаемые хабражители! Производство и эксплуатация ракет-носителей довольно дорогое и опасное занятие. В связи с этим высока и стоимость запуска полезного груза на орбиту. В этой статье мы рассмотрим альтернативные (безракетные) способы выведения космических аппаратов в космос. Если я вас заинтересовал, добро пожаловать под кат.

Космический лифт


image
Это уже можно назвать классикой жанра — подобная концепция описывалась не в одном научно-фантастическом фильме. Впервые подобную идею высказал К.Э.Циолковский в 1895 году. Космический лифт состоит из трех основных частей: основание, трос и противовес.

Основание представляет собой место на поверхности планеты, где прикреплен трос и начинается подъем груза. Оно может быть как подвижным (например быть размещенным на океанском судне), так и не подвижным. Преимущество подвижного основания вполне очевидно — есть возможность уходить от ураганов и бурь, которые могут повредить трос.

Трос представляет собой очень тонкую нить (относительно своей длины конечно же) из сверхпрочного материала, проведенную за геостационарную орбиту и удерживаемый в таком положении за счет центробежной силы. В настоящее время не представляется возможным создание подобного материала, однако согласно теории, подобным материалом могут стать углеродные нанотрубки. Увы, до их производства в промышленных масштабах еще очень далеко. Прочность космического троса должна быть порядка 65-120 гигапаскалей, в зависимости от высоты (для сравнения, прочность стали не превышает 1 ГПа).

Противовес служит для того, чтобы трос всегда находился в состоянии натяжения. Им может служить любой массивный объект, будь то астероид или космическая база (что более привлекательно). Противовес находится значительно выше геостационарной орбиты, следовательно при разрыве троса он вполне может улететь на околосолнечную орбиту. Поэтому если им будет служить космическая станция, то ее необходимо снабжать собственной двигательной установкой.

Грузы на орбиту поднимаются специальным подъемником (а может быть даже не одним), и согласно расчетам ученых, путь из конца в конец должен занять около 7 суток. Не быстро конечно, но зато очень дешево. В конце концов это гораздо быстрее, чем запуск с помощью ракет, подготовка которых занимает долгие месяцы. Само собой проект такого масштаба должен быть международным, ведь ни одно государство не осилит его в одиночку. А это в свою очередь вызывает целый ряд проблем и вопросов. Во-первых, на какой территории размещать подобное сооружение? Ведь из-за его исполинских размеров, не избежать нарушения воздушного пространства нескольких государств. Во-вторых, космический лифт необходимо защитить от террористических актов и военных конфликтов.

Плюсы:

  • Относительная дешевизна доставки грузов на геостационарную орбиту
  • Значительная экономия средств при запуске межпланетных космических аппаратов
  • Возможность реализации недорогих космических экскурсий
  • В отличии от ракет, в атмосферу не выбрасывается никаких токсичных веществ


Минусы:

  • Сложность реализации
  • Высокие затраты на строительство
  • Необходимость решения многих юридических и правовых вопросов

Орбитальный самолет


Менее фантастическая и уже достаточно осуществимая идея безракетного космического запуска. Под орбитальным самолетом я подразумеваю именно космолет, выводимый на орбиту исключительно с помощью собственных двигателей. Особенность подобных аппаратов заключается в том, что они могут взлетать и совершать посадку как обычные самолеты.

Вообще, идея космических самолетов не нова и уходит корнями в середину XX века. Первым детальным проектом автоматического космолета был нереализованный проект Зенгера, по созданию суборбитального боевого самолета-бомбардировщика «Зильберфогель» в Нацисткой Германии. Теоретическая высота полета должна была составлять 260 километров, что непременно выше Линии Кармана (100 км), официальной границы космоса.

image
Модель Silbervogel

Из-за высокой сложности двигательной и конструкционной технологий, ни один из проектов орбитальных самолетов так и не был реализован. В настоящее время компанией Reaction Engines ведется разработка многоразового одноступенчатого автоматического космолета Skylon. Отмечу, что он на начальном этапе будет взлетать как обычный самолет, и достигнув скорости в 5,5 Маха и высоты 26 км, переходить на питание кислородом из собственных баков. По оценкам экспертов, Skylon должен снизить затраты на доставку грузов в 15-20 раз.

image
Космолет Skylon. Находится на начальном этапе разработки.

Плюсы:

  • Отсутствие необходимости в специальных стартовых сооружениях, подойдут обычные аэродромы
  • В отличии от космического лифта, имеется возможность выбора высоты орбиты
  • Практическая осуществимость в ближайшие десятилетия


Минусы:

  • Необходимость создания более совершенных многоразовых двигателей
  • Большой расход топлива
Никита Берсенев @bersenev-98
карма
3,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (42)

  • 0
    Вопрос про лифт: трос будут тянуть до станции или спускать до земли? Есть на эту тему мысли или решения?
    • 0
      Лично я считаю, что из-за большой массы троса, его невозможно вывести на орбиту на космическом корабле. Поэтому остается только один вариант — тянуть с Земли.
      • 0
        Хотя если учесть что космический лифт будет строится только лет через 50-100, то возможно трос и сверху будут спускать.
      • 0
        Трос как минимум может быть модульным, так что его можно будет поднимать по частям.
      • 0
        Почему космический лифт подразумевает трос с поверхности Земли?

        Можно сделать подземный космодром.
        Роется глубокая шахта. На современном уровне развития вполне можно сделать до 10 км (вертикальное метро).
        В пределах этой шахты использовать любые способы разгона ракеты — электромагнитный (рельсотрон), подача топлива по шлангам до момента поднятия над поверхностью земли, вытягивание тросом (катапульта) и т. д.
      • +1
        Единственный способ — спускать из космоса же.
        Строительство ведётся с геостационарной станции. Это единственное место, где может причалить космический аппарат. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, — в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть подняты на геостационарную орбиту традиционным способом, независимо от места назначения груза. То есть стоимость подъёма всего космического лифта на геостационарную орбиту — минимальная цена проекта.
        • 0
          > То есть стоимость подъёма всего космического лифта на геостационарную орбиту — минимальная цена проекта.

          Или стоимость подъема только сборочной фабрики. Материалы можно из астероидов выковыривать, что имхо дешевле будет и проще.
          • 0
            Тогда ещё прибавляйте стоимость нахождения подходящих астероидов, стоимость вывода на орбиту всех буксиров, которые притащат астероиды, и стоимость вывода топлива для этих буксиров.
            • 0
              И все равно, полагаю, будет дешевле, чем те же десятки-сотни тысяч тонн с Земли тащить. Плюсом — попутное развитие околоземной инфраструктуры.
              PS:
              насчет топлива для буксиров — тут вполне можно использовать ионники.
    • 0
      Сначала скинут со станции нить, а потом с помощью нее затянут на станцию трос.
      • +7
        Еще можно сделать из троса лассо и заарканить станцию
    • 0
      Единственный вариант — спускать трос сверху с геостационарной орбиты, одновременно наращивая противовес.

      У Артура Кларка про строительство орбитального лифта был знаменитый роман «Фонтаны рая», в нем все эти вопросы разжеваны (не считая того, что это просто хорошая книга).
  • +6
    Маловато будет. Продолжайте!
  • +1
    Насколько я помню, Skylon уже далеко не на начальном этапе. Вроде, год назад они уже провели полностью успешные испытания самой главной и сомнительной части — устройства предварительного охлаждения воздуха.
    • 0
      Так ведь это и есть начальный этап. Теперь Reaction Engines ищет спонсоров для дальнейшей работы.
  • 0
    Ещё не могу голосовать за статью, поэтому пишу в комментариях. Никита, обязательно пишите на эту тему ещё, очень интересно и познавательно.
    • +1
      Спасибо, завтра напишу продолжение.
  • +1
    на какой территории размещать подобное сооружение?

    На экваторе не так много подходящих мест, поэтому выбор невелик.
    Судя по ru.wikipedia.org/wiki/Экватор — годятся Кения, Индонезия, остров Бейкер.

    Ведь из-за его исполинских размеров, не избежать нарушения воздушного пространства многих государств.

    Лифт свешивается с орбиты вертикально.
    Горизонтальные колебания относительно скромные, особенно в атмосфере.
    Т.е. государство будет всего одно.
  • –12
    Все прекрасно понимают, что технологический прогресс в мире тормозится по причине, того, что кому то это просто не выгодно. Я думаю тот же трос будет не выгоден в первую очередь для России, если конечно он не будет его собственностью.
    • +8
      Что-то я сомневаюсь в способностях России тормознуть мировой технический прогресс.
  • +2
    Из всех увиденных мной проектов безракетного запуска самым перспективым, на мой взгляд, выглядит пусковая петля, как наиболее компактное сооружение. Кстати, несложный расчет показывает возможность уменьшить размер петли в несколько раз(2-5), пожертвовав запуском людей и хрупких грузов, и, несколько, надежностью.

    У лифта же недостатков слишком много, даже без учета невозможности его постройки)
    • +2
      В частности — обслуживание. Сервис и ремонт троса введенного в эксплуатацию будет очень дорогим и сложным (если вообще возможным).
    • 0
      Расскажите, что можно использовать как движущийся сердечник в этом самом перспективном способе? Но это конечно не единственный вопрос.
      • 0
        В сети есть не менее двух вариантов: железный сердечник и сверхпроводящий сердечник. Первый вариант дешевле, второй — дороже и надежнее
        • +1
          Я интересовался этой темой и насколько помню железо не выдержит нагрузок. Плюс скорость, которую должен развивать сердечник, люди ещё нигде не достигли.
          • 0
            Да, скорость сердечника должна превышать первую космическую, или даже вторую. На Земле такую скорость движения макроскопических объектов вроде не достигали(подозреваю, что не нужно было).

            Продольная механическая нагрузка на сердечник будет не велика (максимум десятки тонн, распределенных на участке несколько метров).

            Проблема есть с возможностью дестабилизации сердечника и касания стенок камеры, что на требуемых скоростях будет очень разрушительно. Здесь нужно строить упрощенный прототип и пробовать управлять сердечником на высоких скоростях.

            А может не надо разгонять аппарат до первой космической? Все равно двигатель ставить на запускаемый аппарат, хватит и 2-3 км/с, что бы заменить первую ступень и запускать уже с готовыми разгонными блоками. Тогда скорость ротора больше 8-9 км/с будет не нужна. Также сокращаются требования к охлаждению сердечника, длине конструкции. Если грубо прикинуть, то длину прямого участка экспериментальной петли петли можно сократить до 100 км. 3$ за кг груза не будет. Но будет возможность обкатать технологии.
            • +1
              Почему это продольная нагрузка маленькая? Вы же разгоняете сердечник в петле в двух местах с нулевой скорости до десятка км/с — его просто порвёт. Такую скорость не достигали потому что сложно. Даже в рельсотронах и прочих гаусс-пушках она ниже необходимой, а лучших способов я не знаю. Кстати, Вояджер — один из самых (если не самый) быстрых изделий рук человека и летит он со скоростью 17км/с (вроде примерно столько надо для оригинального проекта), но это после хорошего ускорения и нескольких гравитационных манёвров. В общем не, не получится из петли ничего.
              • 0
                Вы не поняли) Значимая продольная нагрузка возникает при запуске КА, который посредством постоянного магнитного поля взаимодействует с сердечником, а не при запуске петли. При запуске петли мы можем сколько-угодно плавно раскручивать сердечник — в камере, где он находится откачан воздух, поэтому потери будут минимальные(но будут) и верхний предел скорости будет достаточно высок.

                Рельсотроны и вояджер здесь не совсем к месту. В первом случае больше 1-2 км/с разгонять смысла нет — снаряд, если не испарится, то очень быстро замедлится до тех же 1-2 км/с и ниже. В случае вояджера — он имеет ограниченный запас топлива и потолок его скорости определяется формулой Циолковского. В случае с нашей петлей — этих двух ограничений нет.
  • +4
    "… Если вы будете запускать по несколько миллионов ракет в год, десятки тысяч ракет в день, вы мгновенно исчерпаете ваши топливные ресурсы и угробите окружающую среду.ваши топливные ресурсы и угробите окружающую среду. Нормальные цивилизации на ракетах в космос не ездят."

    — «А на чем они ездят?» — спросил Левшов.

    — «Разумеется на трамвае, на чем же еще! Дешево и экологично!»

    В космос - на трамвае (А. Лазаревич, "Технокосм")
    — «Простите, в каком смысле на трамвае? В космос рельсы не проложены!»

    — " Так проложите. Поставьте эстакаду повыше, так чтобы основная часть ее полотна проходила за пределами земной атмосферы — вам необходимо избежать сопротивления воздуха. В вашем случае потребуется высота километров 60-70. Проложите рельсы, подведите электричество — и готово! Полезный груз, не отяжеленный никакими двигателями и топливом, кладется на тележку с двигателем, работающим от электричества, которое поступает через токосъемник. Тележка разгоняется по рельсам до первой комической скорости, освобождает полезный груз и тот уходит на орбиту. Пустая разогнанная тележка теперь может принять какой-нибудь полезный груз, возвращающийся с орбиты и тоже движущийся с первой космической скоростью. И на нисходящей ветви эстакады она вместе с этим полезным грузом будет тормозиться с помощью электромагнитных тормозов, возвращающих энергию обратно в систему. Таким образом, систему достаточно накачать энергией один раз, а после этого вы только восполняете потери на трение. То есть вы выводите грузы в космос практически без затрат энергии. Длина эстакады больше тысячи километров, так что по ней одновременно могут двигаться десятки тележек. Одна эстакада может обеспечить несколько тысяч пусков в день! Каждый пуск — несколько десятков пассажиров. Только так вы сможете реально колонизировать солнечную систему."

    — «Но эстакада высотой 60 километров… Нагрузка на пилоны…»

    — «Нагрузки гораздо меньше, чем в так называемом „космическом лифте“, который предлагают строить некоторые ваши умники.»

    — «Но в космическом лифте конструкция будет работать на растяжение, а здесь на сжатие, это гораздо сложнее.»

    — «Вообще-то нижняя часть пилона, погруженная в плотные слои атмосферы, тоже будет работать на растяжение, поскольку вдоль высоты пилона будут навешены понтонные аэростаты. А что касается верхней части пилона, выходящей за пределы атмосферы, то тут совсем просто — например, берете…»

  • 0
    Рельсотрон, вполне тоже может запустить без реактивной тяги :) При 100км длинны пути и подъеме 10км относительно уровня земли, 1я космическая вполне достижима.
    • 0
      Да, но это будет не полноценный выход на орбиту, так как рельсотрон является частью траектории, а орбита представляет из себя замкнутую траекторию. Поэтому доставляемый груз необходимо оснащать собственными двигателями.
    • 0
      А теперь если посчитать, какие перегрузки там будут, чтобы с помощью рельсотрона достигнуть хотя бы первой космической, то я не уверен, что тонкая электроника выживет, не говоря про что-то органическое. А поведение органики в космосе на данный момент едва ли не самое важное, что нам собственно требуется знать для дальнейшей экспансии…
  • +1
    У космического лифта мега-минус это высокая уязвимость.
  • +1
    В качестве КДПВ:
    image
  • +1
    Мне интересно, почему никто всерьез е обсуждает следующую идею, которая мне кажется наиболее реалистичной. Я бы назвал её «космической пращей», хотя этим словом сейчас обычно называют кое-что другое. Представьте себе трос длиной несколько сотен километров (что на два порядка меньше, чем требуется для космического лифта). Одним концом он закреплен за вращающееся в горизонтальной плоскости плечо, которое находится на неком возвышении (гора, башня или аэростат). На другом конце троса закреплен противовес аэродинамической формы. Соответственно этот конец описывает в горизонтальной плоскости окружность радиусом примерно равную длине троса. При угловой скорости вращения порядка одного оборота в несколько минут линейная скорость противовеса будет близка к первой космической. В натяжение троса обеспечивает центробежная сила. Желательно также, чтобы конец троса с противовесом находился как можно выше от поверхности земли. Чем до менее плотных слоев атмосферы поднимется противовес, тем меньше будут потери на преодоление сопротивления воздуха. Такому подъему должны способствовать несколько факторов: А) центробежная сила стремится прижать трос к плоскости, проходящей через ось вращения Б) т.к. Земля круглая, то чем дальше мы по этой плоскости удаляемся от точки крепления троса, тем дальше эта плоскость от земли. В) на противовес также действует аэродинамическая подъемная сила, причем разряженность воздуха компенсируется высокой скоростью.
    Запуск на орбиту будет производиться следующим образом. Сначала космический корабль цепляется за трос около точки его крепления. Затем он двигается вдоль троса и постепенно ускоряется (на это расходуется момент импульса противовеса). Добравшись до противовеса, космический корабль отцепляется. Далее при необходимости (если скорость еще меньше первой космической или же надо скорректировать орбиту) корабль включает собственные двигатели. После запуска противовес постепенно восстанавливает свой момент инерции за счет дополнительного вращательного ускорения.
    Обратите внимание, что можно гибко учитывать предельные технические возможности создания троса. Если из имеющихся материалов невозможно пока еще создать трос, обеспечивающий вращение на космический скорости, можно сделать более короткий вариант и использовать его при запуске как «первую ступень». Если в первое время пропускная способность системы будет превышать потребность в космических запусках, она может «подрабатывать» на баллистических запусках «земля-земля».
    В отличие от «пусковой петли» противовес и трос в описанной системе испытывают постоянное (при этом не слишком большое) ускорение. Кроме того, здесь нет потребности в сверхпроводниках во длине троса.
    • 0
      Вариант выглядит интересно, но увы он нежизнеспособен.

      Если предположить что трос будет строго по касательной к земле, то чтобы поднять груз на высоту порядка 100км (если ниже — или груз или сам трос сгорят в воздухе), придется сделать трос длиной больше 1000 км.

      Но в этом случае первая космическая скорость даст нам угловую частоту вращения, около 0,0007 рад/с. А это значит что на килограмм груза будет действовать центробежная сила всего около 0,05 ньютонов. При силе тяжести 9,8Н (на 1 кг) — трос от вертикали отклониться хорошо если на пару градусов… Что конечно ставит крест на идее.
      • 0
        Во-первых рассчет неверный. Если взять первую космическую скорость равной 8000м/с, то 1 радиан (т.е. 1000км) будет пройден за 125с, что соответствует угловой скорости 0,008 рад/с, т.е. ошибка на порядок. При этом центростремительное ускорение (которое обеспечивается силой натяжения троса) будет равно 8000м/с * 8000м/с / 1000000м = 64м/с*с, т.е. примерно 6,5g. Это соответствует углу между плоскостью вращения и тросом примерно 9 градусов, т.е. конец будет провисать на 150 км, что разумеется все равно слишком много, но (см ниже)

        Во-вторых я согласен, что одного эффекта центробежной силы мало. Но я же специально еще упомянул, что надо учитывать подъемную силу, возникающую при движении противовеса в атмосфере. Предположим для простоты, что противовес имеет вид треугольной призмы, боковые грани которой параллельны тросу. Пусть та из граней, которая встречает набегающий поток воздуха, имеет наклон 45 градусов. Т.к. в рассматриваемой ситуации скорость объекта много больше скорости звука и скорости движения молекул воздуха, ролью давления в подъемной силе можно пренебречь. Будем считать, что молекулы воздуха сталкиваются с фронтальной гранью призмы и отскакивают (в системе координат призмы) горизонтально вниз, т.е. с точки зрения призмы их горизонтальная скорость (равная примерно 8000м/с) полностью переходит в вертикальную. В этой ситуация подъемная сила будет возникать из-за передачи вертикального импульса молекул воздуха призме. Пусть задняя грань призмы перпендикулярна вектору скорости и её площадь S. ширина верхней грани L. Тогда объем призмы равен 0.5 * S * L. В случае железной призмы это означает массу примерно 4 * S*L тонны. Значит для полного (хотя благодаря центробежному эффекту достаточно и неполного) уравновешения ускорения свободного падения необходима подъемная сила в 9.8 * 4000 * S*L ~= 40000 *S*L H. Напомним, подъемная сила у нас равна изменению вертикального импульса воздуха. Если скорость столкновения призмы с воздухом 8000м/с, то в секунду необходимо отбрасывать 40000*S*L / 8000 = 5*S*L кг воздуха. При этом за эту секунда призма заметает объем 8000*S кубометров. Таким образом достаточно плотности воздуха в 5*S*L / 8000*S ~= 0,0006*L кг. Т.е. при L = 1м это почти в 2000 раз меньше, чем плотность у поверхности земли и соответствует примерно плотности на высоте 55 км. Конечно надо учитывать, что в приведенной схеме будет возникать такая же по величине тормозящая сила. Однако её эффект может быть компенсирован постоянным вращательным усилием у основания троса.

        • 0
          Вы правы, в расчетах я действительно ошибся.

          Однако в ваших выкладках тоже есть скрытая проблема. Вы пишите:
          Однако её эффект может быть компенсирован постоянным вращательным усилием у основания троса.
          — Но если просто прицепить трос на ось и начать эту ось крутить — груз не начнет летать, трос будет просто наматываться на ось.
          Чтобы груз натягивал трос — нужно чтобы при повороте оси на некоторый угол, за счет изменения угла приложения силы к грузу (за счет толщины оси), груз получал достаточно энергии чтобы описать соответствующую часть окружности.

          Для примера представьте что вам нужно раскрутить груз на 10-метровом шнуре, закрепив его на оси толщиной 1 см. Очевидно что это будет крайне сложно сделать, не слишком повысив частоту вращения (1000 километровый шнур будет делать 1 оборот за 13 минут...).

          Конечно можно посчитать варианты когда грузов на тросе будет несколько, и каждый последующий будет сильно меньше предыдущего… Но тут уже нужно строить модель и серьезно считать возможности. Подозреваю, что как и с большинством подобных проектов, в жизни все окажется гораздо хуже чем хотелось бы.
          • 0
            Все правильно. Но, обратите внимание, я выше писал, что трос крепится не непосредственно на ось вращения, а на некое плечо, вращающееся вокруг оси. Ну или если хотите, это просто ось толстая. Возможно, длина этого плеча должна составлять несколько километров (что не выглядит совсем нереальным). Соответственно трос в каждый момент времени не будет параллелен радиусу, а будет отклоняться назад. При этом сила реакции троса будет раскладываться на радиальную составляющую (которая будет обеспечивать центростремительное ускорение) и тангенсальную (которая будет ускорять вращение и компенсировать сопротивление воздуха).

            Другое дело, длину плеча надо подбирать так, им удобно было развивать требуемое усилие. Тут система работает как рычаг, т.е. чем длиннее плечо (ну или шире ось), тем меньшую силу необходимо приложить на ближайшем к оси конце троса, чтобы обеспечить нужную тангенсальную силу противоположном конце. Однако при этом и путь, пройденный ближним концом троса будет больше. А значит работа в единицу времени, т.е. потребляемая мощность не будет зависеть от длины плеча.

            Для примера представьте что вам нужно раскрутить груз на 10-метровом шнуре, закрепив его на оси толщиной 1 см. Очевидно что это будет крайне сложно сделать, не слишком повысив частоту вращения

            И в чем проблема? Окружность вращения будет тем шире, чем больше центростремительное ускорение по сравнению с ускорением свободного падения g. Оно равно V*V/R = w*w*R. Т.е. чем больше радиус, тем меньшей угловой скорости w будет достаточно.
  • +2
    А может лучше большую рагатку сделать между двумя горами?
    • +4
      И запускать больших птиц в больших свиней?
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.