Низкоорбитальный Космический Лифт

["Ди"]

Про орбитальные лифты, полагаю, все в курсе, однако кроме традиционной геостационарной модели имеется, вроде как, следующая версия из 2047 года в линии времени "Ускоренного Мира"

Гермесов Трос же построен по более реалистичной схеме «низкоорбитального космического лифта».

— Низкоорбитального…

— Фундаментально, принцип его работы ничем не отличается. Отличается масштаб. Центральная станция Гермесова Троса расположена гораздо ниже геостационарной орбиты, в двух тысячах километров от поверхности Земли… впрочем, это все равно за пределами атмосферы.

— Э-э… если геостационарная орбита это 36 тысяч километров… н-ничего себе расстояние сократили!

— Да, эта станция гораздо ближе. А значит, и кабель гораздо короче и легче, никаких астероидов для работы лифта не нужно.

— А-а… понятно… — Харуюки кивнул, а затем задал очевидный вопрос, — Тогда… почему идею низкоорбитального лифта не предложили с самого начала?

— Потому что свои проблемы есть и у этой модели. На низкоорбитальные спутники, то есть на те, что расположены в 1500-2000 километрах от Земли, сила тяжести действует гораздо сильнее, чем на те, что расположены на геостационарной орбите. Для того, чтобы компенсировать ее центробежной силой, станция должна вращаться гораздо быстрее Земли. Поскольку геостационарная станция вращается со скоростью Земли, нижний конец кабеля можно просто прикрепить к Земле. С низкоорбитальным лифтом так не получится.

Параллельно с этими словами Черноснежка нарисовала неподалеку от Земли новую метку.

— Пусть это будет центральная станция Гермесова Троса, расположенная в 2000 километрах от Земли. От нее тянется кабель из CNT, углеродных нанотрубок, верхний конец которого соединен с верхней станцией, служащей противовесом, а нижний конец — с нижней станцией.

От метки протянулось две линии, нижняя из которых остановилась, немного не дойдя до поверхности Земли. Черноснежка постучала пальцам по этому разрыву и продолжила:

— Нижняя станция находится в 150 километрах от Земли. Если разместить ее еще ниже, то трение атмосферы слишком сильно натянет кабель, и вся эта система грохнется.

— Эх… — Харуюки вздохнул и повел пятачком, а затем, собираясь с мыслями, проговорил, — Короче говоря… э-э… Гермесов Трос — это система из трех космических станций, соединенных CNT-кабелем. Другими словами… это искусственный спутник Земли длиной в 4000 километров? Который вращается вокруг планеты гораздо быстрее, чем планета вращается сама?..

— Именно так. Относительная скорость вращения нижней станции относительно поверхности Земли более чем в 10 раз превышает скорость звука. Поэтому низкоорбитальные космические лифты еще называют «сверхзвуковыми небесными крюками».

— Но, тогда… что именно построено на Острове Рождества в Тихом океане? Я помню, что в те времена рассказывалось о том, что там был построен огромный искусственный остров… я думал, там будут строить высокую башню…

— На этом острове расположен космодром, откуда космолеты летают до нижней станции Гермесова Троса. Они взлетают, поднимаются на 150-километровую высоту, встречаются там со станцией и передают людей и грузы на станцию. Затем люди и грузы поднимаются по лифту на верхнюю станцию, орбита которой находится в 4000 километрах от Земли. На этой станции расположены шаттлы, по которым людей и грузы доставляют либо на геостационарную станцию, либо на Международную Лунную Базу. Кстати, геостационарная станция висит как раз над тем же самым космодромом, так что, в какой-то степени, Гермесов Трос действительно расположен в Тихом океане.

— Ух… — в очередной раз вздохнул Харуюки и еще раз осмотрел диаграмму.

Так вот, хотел бы узнать, насколько рабочая и эффективна ли данная идея?

Edited 28 Aug 2022 by "Ди"

[Daniil]

по более реалистичной схеме ... кабель из CNT, углеродных нанотрубок

Эхе-хе... Коллега, вам самому не смешно?

центральная станция Гермесова Троса, расположенная в 2000 километрах от Земли

т.е., уже в поясе Ван-Аллена. Верхняя станция - в глубине внутреннего пояса, где как раз самый hardcore. Я пока ещё лично в пояс Ван-Аллена не ходил, но матёрые космолётчики мне баяли, шо кубсат, даже с с радиационно-стойкими микросхемами, помираэ там дней за 10.

Это я уж не вспоминаю про игольчатое облако, ЮАМА, обломочные потоки, и про то что такая система "отменит" все спутники ДЗЗ и прочие низкоорбитальные решения...

это искусственный спутник Земли длиной в 4000 километров

Предел Роша - не, не слышали? С такими размерами и градиентом скоростей вам никакие нанотрубки не помогут.

 

Короче, следует быть устойчивее к анимешным девочкам.

Edited 30 Aug 2022 by Daniil

[Владимир Станкович]

Описание -почти реальный  проект "Орбитальный крюк" 

[Daniil]

Описание -почти реальный проект "Орбитальный крюк"

Не совсем так. В Skyhook не было никаких лифтов - это была гигантская "катапульта" на орбите, запуливавшая полезную нагрузку за счёт своего собственного вращения.

Upd: Невращающийся skyhook тоже возможен, но возле планет с меньшей гравитацией, типа Луны.

Edited 30 Aug 2022 by Daniil

[prostak_1982]

Разве вращение компонентов, находящихся на разной высоте, будет синхронным?

[Daniil]

Разве вращение компонентов, находящихся на разной высоте, будет синхронным?

Разумеется нет. В том и проблема - расчёт идёт на то что у нас будет достаточно прочный материал, способный удержать грузы на концах фермы-"гантели".

Skyhook, чтобы обеспечивать вывод, должен или вращаться сам (как гигантское колесо обозрения), или быть, грубо говоря, трубой с лифтом ведущим на высокую орбиту. На небольших масштабах (при длине фермы десятки, ну сотни километров) или в неглубоких гравитационных колодцах (у Цереры, Европы, Луны) - это ещё может заработать (и то, экономическая эффективность его сомнительна в большинстве случаев).

У Земли - уже нет, его порвёт приливными и центробежными силами, приложенными поперёк фермы.

Edited 30 Aug 2022 by Daniil

[Serafim]

Станции по краям лишние, достаточно крюков. 

[Каппа]

Таких материалов нет и наверное не будет

[sanitareugen]

Разве вращение компонентов, находящихся на разной высоте, будет синхронным?

Будет. Как только сравняется их высота. А если трос прежде не оборвётся - это случится довольно быстро.

[prostak_1982]

Будет. Как только сравняется их высота. А если трос прежде не оборвётся - это случится довольно быстро.

Так тогда пропадает условие разности высот.

[sanitareugen]

Совершенно верно. Высоты очень быстро выровняются.

[Magnum]

Все равно никто читать не будет, но ссылку дам: 

http://www.lib.ru/KLARK/fontany.txt_Contents

[sanitareugen]

Разумеется нет. В том и проблема - расчёт идёт на то что у нас будет достаточно прочный материал, способный удержать грузы на концах фермы-"гантели".

Тут основная проблема не в прочности материала. Верхний спутник имеет меньшую скорость, чем нижний. То есть тянет назад, и на трос действует пара сил, поворачивающая его, пока он не станет горизонтален, а спутники  не окажутся на одной высоте.

[Daniil]

Тут основная проблема не в прочности материала. Верхний спутник имеет меньшую скорость, чем нижний. То есть тянет назад, и на трос действует пара сил, поворачивающая его, пока он не станет горизонтален, а спутники не окажутся на одной высоте.

Именно в прочности. Система стремится повернуться вокруг центра тяжести, т.к., спутники тянут её равномерно один вперёд, а другой назад. Т.е., орбитальная скорость центра тяжести всей конструкции меньше чем у нижнего но больше чем у верхнего. В результате, начинает меняться скорость висящих на концах спутников. Нижний стремится замедлиться, но связь ему не даёт, т.к., второй спутник, за счёт замедления первого, стремится ускориться. Казалось бы, это должно привести к тому эффекту, о котором говорите вы, но орбитальная механика будет вызывать, для верхнего спутника, увод на всё более и более эксцентрическую траекторию увеличивая его апоапсис, а для нижнего - переход на так же эксцентрическую, но уменьшая его периапсис. В результате на конструкцию, связывающую два спутника, будут действовать, фактически, не растягивающие, а "боковые" (сдвиговые?) усилия. Величина усилия будет представлять собой интеграл, пропорциональный косинусам полётного угла на первую космическую скорость в каждой точке плеча, помноженные на массу каждого спутника плюс массу каждого "плеча". Усилия будут такие что никакой материал их не выдержит, особенно продолжительное время. После нескольких качаний, конструкция просто треснет по середине, а затем начнётся лавинообразное разрушение разломившихся обломков на всё более и более мелкие части, пока обломки не достигнут предела длины обеспечиваемого прочностью материалов. Для современных конструкционных материалов и LEO я точно не помню, но это что-то в пределах 1-5 км.

[sanitareugen]

Опять повторю тезис о трёх уровнях невозможности. Невозможно в принципе, нереализуемо технически, нерентабельно экономически.

Вот построение системы из пары спутников, синхронно летящих на разных высотах, невозможно в принципе. Даже если канат нужной прочности вдруг окажется технически реализуем. А что нереализуем - это "вторая линия обороны".

 

[Zenitchik]

Фигня. Надо именно вращающуюся. Чтобы нижний конец за счёт скорости вращения имел меньшую скорость относительно поверхности Земли. В идеале - соизмеримую со скоростями самолётов.

[Serafim]

Фигня. Надо именно вращающуюся. Чтобы нижний конец за счёт скорости вращения имел меньшую скорость относительно поверхности Земли. В идеале - соизмеримую со скоростями самолётов.

Это тоже фигня. Если делать вращающимся то колесо, что бы в каждый момент времени кто нибудь в атмосфере мог зацепиться и уехать в космос. 

[Vasilisk]

Если делать вращающимся то колесо, что бы в каждый момент времени кто нибудь в атмосфере мог зацепиться и уехать в космос. 

Колесо Юницкого

[Serafim]

Колесо Юницкого

Слишком масштабно. Я думал о тонком кольце на высоте в 6К километров которое "катится" по атмосфере. Нижняя точка опускается до 12-15 км и двигается со скорость 800-1200 км/ч относительно поверхности. Ускорения в верхней точке достаточно что бы покинуть систему Земля-Луна. 

[чукча]

думал о тонком кольце на высоте в 6К километров которое "катится" по атмосфере. Нижняя точка опускается до 12-15 км и двигается со скорость 800-1200 км/ч относительно поверхности. Ускорения в верхней точке достаточно что бы покинуть систему Земля-Луна. 

А не порвёт ли его, случаем, на хрен?

[Serafim]

А не порвёт ли его, случаем, на хрен?

Еще как!
Считать надо. Конструкция типа колеса велосипеда - множество спиц перекрестно поддерживают обод, в центре цилиндр Стэнфорда или тор О'Нила с обслуживающим персоналом. В теории это проще чем лифт, и значительно быстрее. Вторая космическая набирается за пару часов, пропускная способность гораздо выше, и, если грамотно регулировать грузопоток, работает бесплатно. Кольца есть у Земли, Луны, Венеры и Марса. Они формируют независимую и нейтральную Транспортную Федерацию. Раз в пять лет в ТФ выбирают главнюка который носит титул Властелина Колец. (строго говоря это скорее колеса, но Влателин Колес звучит не так круто)

[prostak_1982]

(строго говоря это скорее колеса, но Влателин Колес звучит не так круто)

["Ди"]

Коллега, вам самому не смешно?

А должно? Теоретически это возможно, насчет практики - покажет время.

 

т.е., уже в поясе Ван-Аллена.

???

• внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;
• внешний радиационный пояс на высоте ≈ 17 000 км, состоящий преимущественно из электронов с энергией в десятки кэВ.

Скорее на самой границе нижнего и то, речь о конечной станции.

 

С такими размерами и градиентом скоростей вам никакие нанотрубки не помогут.

Согласно англо-вики, про основу этой идеи под названием "Небесный Крюк", такая система вполне возможна на практике

 

Так тогда пропадает условие разности высот.

Может это - Гравитационно-градиентная стабилизация

(также известная как «приливная стабилизация») - это метод стабилизации искусственных спутников или космических тросов в фиксированной ориентации с использованием только распределения массы орбитального тела и гравитационного поля. Основным преимуществом перед использованием активной стабилизации с порохами , гироскопами или реактивными колесами является низкое использование мощности и ресурсов. Это также может снизить или предотвратить риск загрязнения топливом чувствительных компонентов. ^[1]

Идея состоит в том, чтобы использовать гравитационное поле Земли и приливные силы , чтобы удерживать космический корабль в нужной ориентации. Гравитация Земли уменьшается по закону обратных квадратов , и за счет удлинения длинной оси перпендикулярно орбите «нижняя» часть орбитальной конструкции будет больше притягиваться к Земле. Эффект состоит в том, что спутник будет стремиться выровнять свою ось минимального момента инерции вертикально.

Первая экспериментальная попытка использовать эту технику в космическом полете человека была предпринята 13 сентября 1966 года в рамках миссии US Gemini 11 , когда космический корабль Gemini был прикреплен к его транспортному средству- мишени Agena с помощью 100-футового (30-метрового) троса. Попытка потерпела неудачу, так как был создан недостаточный градиент, чтобы трос оставался натянутым. ^[2]

Этот метод был впервые успешно использован на окологеосинхронной орбите на спутнике Министерства обороны США для проведения гравитационных экспериментов (DODGE) в июле 1967 года. ^[3]

Впервые он был использован на низкой околоземной орбите и безуспешно испытан на геосинхронной орбите в спутниках прикладных технологий ATS-2 , ^ATS -4 и ^ATS -5 с 1966 по 1969 год ^.

Лунный орбитальный аппарат Explorer 49 , запущенный в 1973 году, был ориентирован по гравитационному градиенту (ось Z параллельна местной вертикали). ^[4]

Средство длительной выдержки (LDEF) использовало этот метод для стабилизации по 3 осям; стабилизировалось рыскание относительно вертикальной оси. ^{[5] : 7}

Пример стабилизации гравитационного градиента был предпринят во время миссии НАСА TSS-1 в июле 1992 года. Проект провалился из-за проблем с развертыванием троса. ^[6] В 1996 году была предпринята попытка еще одной миссии, TSS-1R, но она потерпела неудачу, когда трос оборвался. Непосредственно перед разъединением троса натяжение троса составляло около 65 Н (14,6 фунта). ^[7]

 

к анимешным девочкам

Для того и спрашивал, что не поверил на слово:) Исходя же из обсуждения и поискам сведений - принципиально вполне рабочая система, хотя и не обязательно именно в таком виде.

 

Колесо Юницкого

Интересно.

[Daniil]

А должно?

По идее да. Лично у меня повторённая в 1001-й раз комбинация слов "углеродные (о)нанотрубки и орбитальный лифт" вызывает истерический смех.

 

Теоретически это возможно, насчет практики - покажет время.

Теоретически возможен Skyhook, а не использование (о)нанотрубок в таких задачах.

 

внутренний радиационный пояс на высоте ≈ 4000 км, состоящий преимущественно из протонов с энергией в десятки МэВ;

4000 - это самая "стремнина", коллега. Толщина пояса примерно 6000 км, радиационный "поток" начинается примерно от 1000 км. В некоторых местах, например, в районе ЮАМА (южно-атлантической магнитной аномалии) может внушительно "хлестать" и на ~650 км. Кроме того, космос, на самом деле, "дышит". Пояса, бывает, "штормит". В "ветренные" периоды, когда идут выбросы коронарной массы и пояса "набиваются" частицами, повышенный фон может быть и на 200 км.

 

Согласно англо-вики

Коллега, читайте внимательнее. В реальных расчётах и экспериментах (HASTOL) осётр был урезан раз в 10 (длина "связки" была не 4000 км, а всего 600+ - что тоже много, но теоретически достижимо с использованием сверхтехнологичных материалов). Однако, я продолжаю утверждать, что для разгона коммерческих грузов такая хрень будет невыгодна т.к.:

1. Цена запуска уменьшится не настолько чтобы заморочиваться с такой "колбасой".
2. Монтаж подобной конструкции на орбите создаёт угрозу и ей самой и спутниковой группировке
3. Конструкция работает только в том случае если есть обратный грузопоток сравнимой массы.
4. Конструкция не позволяет запускать аппараты на орбиту с произвольным наклонением.
5. Конструкция не выдержит запуска массивной (100 т.+) полезной нагрузки.

 

Для того и спрашивал, что не поверил на слово:) Исходя же из обсуждения и поискам сведений - принципиально вполне рабочая система, хотя и не обязательно именно в таком виде.

Теоретически - рабочая. Принципиально - не вполне. Практически - не нужная.