Пусковая 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 посередине. Концепция проекта была опубликована Китом Лофстромом и описывает систему кабельного транспорта на магнитной подвеске с активной структурой , длина которой составит около 2000 км (1240 миль) и будет поддерживаться на высоте до 80 км (50 миль). Пусковая петля будет удерживаться на этой высоте за счет импульса ремня , циркулирующего вокруг конструкции. Эта циркуляция, по сути, переносит вес конструкции на пару магнитных подшипников, по одному на каждом конце, которые поддерживают ее.
Пусковые петли предназначены для безракетного запуска космических аппаратов массой 5 тонн путем электромагнитного ускорения их так, чтобы они были выведены на околоземную орбиту или даже за ее пределы. Это будет достигнуто за счет плоской части кабеля, образующей ускорительную дорожку над атмосферой. [1]
Система предназначена для запуска людей в целях космического туризма , исследования космоса и колонизации космоса и обеспечивает относительно небольшое ускорение в 3 g . [2]
Петли запуска были описаны Китом Лофстромом в информационном бюллетене Читательского форума Американского астронавтического общества в ноябре 1981 года и в журнале L5 News в августе 1982 года .
В 1982 году Пол Берч опубликовал в Журнале Британского межпланетного общества серию статей , в которых описывались орбитальные кольца и описывалась форма, которую он назвал системой частичных орбитальных колец (PORS). [3] Идея стартовой петли была более подробно разработана Лофстромом примерно в 1983–1985 годах. [2] [4] Это усовершенствованная версия PORS, специально предназначенная для формирования траектории ускорения на магнитной подвеске, подходящей для запуска людей в космос; но в то время как в орбитальном кольце использовалась сверхпроводящая магнитная левитация , в пусковых петлях используется электромагнитная подвеска (ЭМС).
Представьте себе большую пушку на острове, стреляющую снарядом в высокие слои атмосферы. При начальном полете снаряд будет двигаться примерно по параболической траектории, но сопротивление замедлит снаряд и заставит его вернуться на Землю по гораздо более вертикальной траектории. Можно сделать траекторию чисто баллистической, заключив прогнозируемую траекторию в трубку и удалив воздух. Подвешивание такой трубки было бы существенной проблемой в зависимости от длины пути. Однако можно использовать оболочку для обеспечения этой подъемной силы, по крайней мере временно. Если трубка находится не точно вдоль траектории полета снаряда, а немного ниже нее, то при прохождении снаряда через трубку она будет сбрасываться вниз, создавая тем самым восходящую силу на трубке. Чтобы оставаться в воздухе, системе потребуется непрерывный выстрел снарядами.
Цикл запуска, по сути, представляет собой непрерывную версию этой концепции. Вместо пушки, стреляющей снарядом, массовый драйвер ускоряет кабель по аналогичной траектории. Кабель окружен вакуумной трубкой, которая удерживается в воздухе за счет давления 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 вверх по противоположной траектории. В результате получается одна петля, которая постоянно движется и удерживает трубку в воздухе.
Чтобы использовать систему в качестве космической ракеты-носителя, пусковая петля должна иметь длину около 2000 км и высоту 80 км. Петля будет иметь форму трубки, известной как оболочка . Внутри оболочки плавает еще одна непрерывная трубка, известная как ротор , которая представляет собой своего рода ремень или цепь. Ротор представляет собой железную трубку диаметром примерно 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 полученная траектория намного более плоская, чем естественная баллистическая траектория ротора. [2]
Из-за возможности выхода петли из строя и падения на Землю ее обычно считают проходящей между двумя островами за пределами тяжелых морских маршрутов.
В состоянии покоя петля находится на уровне земли. Затем ротор разгоняется до заданной скорости. По мере увеличения скорости ротора он изгибается, образуя дугу. Конструкция удерживается силой ротора, который пытается следовать по параболической траектории. Наземные якоря заставляют его идти параллельно земле при достижении высоты 80 километров. После поднятия конструкции требуется непрерывная мощность для преодоления рассеиваемой энергии. Для питания любых запускаемых транспортных средств потребуется дополнительная энергия. [2]
Для запуска машины поднимаются на тросе «лифта», который свисает с погрузочной платформы Западной станции на высоте 80 км, и размещаются на пути. Полезная нагрузка создает магнитное поле, которое генерирует вихревые токи в быстродвижущемся роторе. Это одновременно отрывает полезную нагрузку от троса и тянет ее 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 как только полезная нагрузка достигнет высшей части своей траектории, потребуется бортовой ракетный двигатель («киповый двигатель») или другие средства для перевода траектории на соответствующую околоземную орбиту. [2]
Метод вихревых токов компактен, легок и эффективен, но неэффективен. При каждом запуске температура ротора увеличивается на 80 Кельвинов из-за рассеиваемой мощности. Если запуски происходят слишком близко друг к другу, температура ротора может приблизиться к 770 ° C (1043 К), после чего железный ротор теряет свои ферромагнитные свойства, и герметичность ротора теряется. [2]
Замкнутые орбиты с перигеем в 80 км довольно быстро распадаются и повторно выходят на поверхность, но в дополнение к таким орбитам пусковая петля сама по себе также была бы способна напрямую выводить полезную нагрузку на запасные орбиты , гравитационные траектории мимо Луны и другие ненужные орбиты. закрытые орбиты, например, вблизи троянских точек .
Для доступа к круговым орбитам с использованием контура запуска необходимо будет запустить относительно небольшой «ударный двигатель» с полезной нагрузкой, которая сработает в апогее и сделает орбиту круговой. Для вывода на ГСО потребуется обеспечить дельта-v около 1,6 км/с, а для кругового движения НОО на высоте 500 км потребуется дельта-v всего 120 м/с. Обычным ракетам для достижения ГСО и НОО требуется разница скорости примерно 14 и 10 км/с соответственно. [2]
Пусковые петли в конструкции Лофстрома расположены близко к экватору [2] и могут напрямую выходить только на экваториальные орбиты. Однако другие орбитальные плоскости могут быть достигнуты с помощью смены самолетов на большой высоте, лунных возмущений или аэродинамических методов.
Производительность 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 пусков в сутки. [2]
Чтобы петля запуска была экономически жизнеспособной, потребуются клиенты с достаточно большими требованиями к запуску полезной нагрузки.
По оценкам Лофстрома, первоначальный цикл стоимостью примерно 10 миллиардов долларов с окупаемостью в течение одного года может обеспечить запуск 40 000 метрических тонн в год и сократить затраты на запуск до 300 долларов за килограмм. За 30 миллиардов долларов, при большей мощности по выработке электроэнергии, контур будет способен запускать 6 миллионов метрических тонн в год, а с учетом пятилетнего периода окупаемости затраты на доступ в космос с помощью контура запуска могут составить всего лишь 3 доллара в год. кг. [5]
По сравнению с космическими лифтами не требуется разрабатывать новые материалы с высокой прочностью на разрыв, поскольку конструкция противостоит гравитации Земли, поддерживая собственный вес за счет кинетической энергии движущейся петли, а не за счет прочности на растяжение.
Ожидается, что контуры запуска Лофстрома будут запускаться с высокой скоростью (много запусков в час, независимо от погоды) и по своей сути не будут загрязнять 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. Пусковые контуры как вид электродвижения могут быть экологически 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, которым придется путешествовать через пояса Ван Аллена в течение нескольких дней, пассажиров стартовой петли можно вывести на низкую околоземную орбиту, которая находится ниже поясов, или через них за несколько часов. Это была бы ситуация, аналогичная той, с которой столкнулись астронавты Аполлона, у которых дозы радиации составляли около 0,5% от той, которую мог бы дать космический лифт. [6]
В отличие от космических лифтов, которые подвергаются риску космического мусора и метеоритов по всей своей длине, стартовые контуры должны располагаться на высоте, где орбиты нестабильны из-за сопротивления воздуха. Поскольку обломки не сохраняются, у них есть только один шанс повлиять на конструкцию. Хотя период разрушения космических лифтов, как ожидается, будет составлять порядка нескольких лет, повреждение или разрушение контуров таким образом, как ожидается, будут редкими. Кроме того, сами по себе пусковые петли не являются значительным источником космического мусора даже в случае аварии. Весь образовавшийся мусор имеет перигей, пересекающий атмосферу или имеющий скорость убегания.
Стартовые петли предназначены для транспортировки людей, чтобы обеспечить безопасное ускорение в 3 g , которое подавляющее большинство людей способно хорошо переносить [2] , и это будет гораздо более быстрый способ достижения космоса, чем космические лифты.
Пусковые петли будут работать бесшумно и не будут вызывать звукового загрязнения, в отличие от ракет.
Наконец, их низкая стоимость полезной нагрузки совместима с крупномасштабным коммерческим космическим туризмом и даже с колонизацией космоса . [ нужна цитата ]
Движущийся контур будет иметь чрезвычайно большое количество энергии в своем линейном импульсе. Хотя система магнитной подвески была бы в значительной степени избыточной, а отказы небольших секций по существу не имели бы никакого эффекта, в случае серьезного отказа энергия в контуре (1,5×10 15 джоулей или 1,5 петаджоулей) будет приближаться к тому же общему энерговыделению, что и при взрыв ядерной бомбы (350 килотонн тротилового эквивалента ), хотя и не выделяющей ядерного излучения.
Хотя это значительное количество энергии, маловероятно, что это разрушит большую часть конструкции из-за ее очень большого размера, а также потому, что большая часть энергии будет намеренно сбрасываться в заранее выбранные места при обнаружении отказа. Возможно, потребуется принять меры для спуска кабеля с высоты 80 км с минимальным ущербом, например, с помощью парашютов.
Поэтому по соображениям безопасности и астродинамики пусковые петли предназначены для установки над океаном вблизи экватора, вдали от жилья.
Опубликованная конструкция пусковой петли требует электронного управления магнитной левитацией, чтобы минимизировать рассеивание мощности и стабилизировать кабель с недостаточным демпфированием.
Двумя основными точками нестабильности являются поворотные участки и трос.
Секции поворота потенциально нестабильны, поскольку перемещение ротора в сторону от магнитов приводит к уменьшению магнитного притяжения, тогда как перемещение ближе приводит к увеличению притяжения. В любом случае возникает нестабильность. [2] Эту проблему обычно решают с помощью существующих систем сервоуправления, которые изменяют силу магнитов. Хотя надежность сервопривода является потенциальной проблемой, при высокой скорости ротора многие последовательные секции должны выйти из строя, чтобы защитная оболочка ротора была потеряна. [2]
Секции кабеля также разделяют эту потенциальную проблему, хотя силы гораздо ниже. [2] Однако существует дополнительная нестабильность, заключающаяся в том, что кабель/оболочка/ротор могут подвергаться извилистым режимам (аналогично цепи Лариата ), амплитуда которых растет без ограничений. Лофстром считает, что этой нестабильностью также можно управлять в реальном времени с помощью сервомеханизмов, хотя попыток этого никогда не предпринималось.
В работах Александра Болонкина высказывается предположение, что проект Лофстрема имеет множество нерешенных проблем и очень далек от современной технологии. [7] [8] [9] Например, в проекте Лофстрем имеются компенсационные швы между 1,5-метровыми железными пластинами. Их скорости (при гравитации, трении) могут быть разными и Болонкин утверждает, что они могли заклинивать в трубе; [ нужна ссылка ] , а сила и трение на участках разворота диаметром 28 км в грунте гигантские. В 2008 году [10] Болонкин предложил простой вращающийся трос с замкнутым контуром для запуска космического аппарата способом, подходящим для современных технологий.
Другой проект, космический кабель, представляет собой меньшую конструкцию Джона Кнапмана, предназначенную для помощи при запуске обычных ракет и суборбитального туризма. В конструкции космического кабеля используются отдельные болты, а не непрерывный ротор, как в архитектуре пусковой петли. Кнапман также математически показал, что нестабильность меандра можно обуздать. [11] [12]
Скайхук — еще одна концепция системы запуска. Skyhook мог быть как вращающимся, так и неповоротным. Невращающийся небесный крюк подвешивается с низкой околоземной орбиты прямо над земной атмосферой (кабель небесного крюка не прикреплен к Земле). [13] Вращающийся скайхук меняет эту конструкцию, чтобы уменьшить скорость нижнего конца; весь трос вращается вокруг своего центра тяжести. Преимуществом этого является еще большее снижение скорости ракеты-носителя, летящей к нижнему концу вращающегося скайхука, что обеспечивает еще большую полезную нагрузку и более низкую стоимость запуска. Двумя недостатками этого являются: значительно сокращенное время, необходимое для присоединения прибывающей ракеты-носителя к нижнему концу вращающегося небесного крюка (примерно 3–5 секунд), и отсутствие выбора орбиты назначения.
