Орбитальное кольцо — это концепция искусственного кольца, размещенного вокруг тела и вращающегося с такой скоростью, что кажущаяся центробежная сила достаточно велика, чтобы противодействовать силе тяжести . Для Земли необходимая скорость составляет порядка 10 км/сек, по сравнению с типичной скоростью низкой околоземной орбиты 8 км/сек. Конструкция предназначена для использования в качестве космической станции или планетарного транспортного средства для очень высокоскоростной транспортировки или запуска в космос .
Поскольку кабель вращается быстрее орбитальной скорости, существует чистая внешняя сила, которой противостоит внутреннее натяжение внутри кабеля. Это препятствует любой попытке согнуть его и позволяет ему переносить грузы. В типичных концепциях на кабель помещается моторизованная платформа, которая движется в противоположном направлении со скоростью, которая заставляет его казаться неподвижным над землей. Над экватором Земли платформа, движущаяся со скоростью 9,5 км/с в направлении, противоположном кабелю, будет казаться неподвижной и позволит опустить кабель, чтобы сформировать космический лифт . Этот лифт имеет длину всего около 500 километров (310 миль), и его можно построить из существующих материалов.
Требование построить кабель размером с планету на низкой околоземной орбите и разогнать его до скорости, превышающей орбитальную, является очевидной практической проблемой. Таким образом, были предложены другие архитектуры, которые используют активную поддержку различными способами и, таким образом, способны обойти некоторые из этих ограничений. Пусковая петля представляет собой частичное кольцо, возможно, длиной 2000 км, которое проходит между двумя наземными станциями, а не окружает мир. Кольцо частиц использует ряд отдельных объектов, которые могут быть запущены по отдельности для создания коллекции, похожей на сплошное кольцо, а затем управляться магнитно, с недостатком, что они не имеют внутреннего натяжения, а подъемная сила получается отдельно. Космический фонтан представляет собой вертикальную версию концепции кольца частиц, которая образует космический лифт. Привязное кольцо представляет собой динамическую структуру, которая использует по крайней мере одно полное и непрерывное неорбитальное кольцо с диаметром, который меньше диаметра планетарного тела. Его можно построить на поверхности планеты, разогнать до рабочей скорости и поднять на очень большую высоту механическим способом, натянув его многочисленные тросы. [1] [2]
Орбитальное кольцо чем-то похоже на концепцию «классического» космического лифта . В традиционном космическом лифте большая станция размещается на геостационарной орбите (ГСО) так, чтобы она оставалась в одном месте над экватором Земли. Затем строится трос и опускается к Земле, в то время как второй трос, обеспечивающий противовес, строится вверх от станции и остается на месте из-за приливных сил . Когда конструкция будет завершена, лифтоподобные автомобили могут ездить по тросу в космос. Основная проблема заключается в том, что ни одно известное вещество, которое можно производить в больших количествах, не имеет прочности на разрыв, необходимой для растяжения от ГСО до поверхности. Орбитальные кольца используют другой механизм.
В версии орбитального кольца кинетическое кольцо движется вокруг света со скоростью, превышающей круговую орбитальную скорость. Это приводит к чистой внешней силе, которая уравновешивается гравитацией, действующей на неподвижные компоненты. Это может быть достигнуто на любой высоте, хотя построение системы выше 500 километров (310 миль) для того, чтобы избежать большей части атмосферы, является практическим требованием. Затем трос опускается с кольца на землю и используется таким же образом, как традиционный космический лифт, с той разницей, что вертикальный трос имеет длину всего 500 километров (310 миль) вместо 100 000 километров (62 000 миль). Такая длина находится в пределах возможностей нескольких известных материалов.
Для поддержки лифта кольцо не круглое, а слегка эллиптическое. Две или более станций размещаются на высоких концах пути, но ниже точки, где обычно находится апогей орбиты. Станция изгибает трос вниз, когда он проходит через нее, чтобы создать восходящую силу на станции. Результирующая орбита для системы из двух станций больше похожа на американский футбол, чем на округлый эллипс. Можно уменьшить величину натяжения в орбитальном кольце до любого необходимого уровня, увеличив величину подъемной силы, создаваемой изгибом троса. Главным недостатком является то, что трос лифта теперь подвешен к верхней точке системы, а не находится близко к земле.
Движущееся кольцо не обязательно должно быть сплошным и не обязательно должно быть полностью заключено в сплошную оболочку. Вместо этого на желаемую орбиту можно поместить большое количество отдельных магнитных объектов, а станции отклоняют свой путь с помощью магнитов, когда они проходят мимо. Эта версия кольца имеет то преимущество, что ее гораздо проще построить, так как каждый элемент в кольце полностью отделен и может быть запущен индивидуально и не требует дальнейшей работы после попадания в космос. [a] Оно также не обязательно должно быть полным кольцом; в зависимости от желаемой подъемной силы общая масса объектов может быть намного меньше, чем даже самый тонкий трос, опоясывающий Землю. Главным недостатком является то, что процесс обмена импульсом рандомизирует их скорость, поэтому требуется какая-то другая система, чтобы направить объекты обратно на правильные орбиты.
Подробное описание концепции было предложено и проанализировано Полом Бирчем в 1982 году. Он предложил массивное кольцо, которое опоясывало бы земной шар на низкой орбите, с которого свисали бы кабели до поверхности Земли. [3] [4] [5]
В 1982 году советский изобретатель Анатолий Юницкий также предложил электромагнитную дорожку, опоясывающую Землю, которую он назвал «колесом в космос» [6] (позже «Струнная транспортная система»). Когда скорость струны превышает 10 км/сек, центробежные силы отрывают струну от поверхности Земли и поднимают кольцо в космос.
Эндрю Мейленберг и его студенты с 2008 по 2011 год представили и опубликовали ряд статей, основанных на типах и применении низкоорбитальных колец как «ступеней в космос» человечества. В обзоре упоминаются четыре применения орбитальных колец: связь через волоконно -оптическое кольцо, транспорт с поверхности на орбиту с помощью системы «sling-on-a-ring», солнечная энергия космического базирования и смягчение последствий изменения климата с помощью космического солнцезащитного козырька . «Sling-on-a-ring» будет включать вращающиеся стропы (изготовленные из колоссальной углеродной трубы ), прикрепленные к орбитальному кольцу, которые погружаются в атмосферу. Кончик данной стропы достигнет высоты 13–15 км в самой низкой точке, и ее вращение приведет к тому, что она будет иметь близкую к нулю тангенциальную скорость относительно поверхности Земли ниже. Следовательно, стропа может поднять полезный груз с обычного самолета, летящего на этой высоте, а затем поднять этот полезный груз на орбитальное кольцо. [7]
Пол Бирч опубликовал серию из трех статей в журнале Британского межпланетного общества в 1982 году, в которых изложил математическую основу кольцевых систем. [3] [4] [5]
В простейшей конструкции орбитальной кольцевой системы вращающийся трос или, возможно, надувная космическая конструкция размещается на низкой околоземной орбите над экватором. Не на орбите, а на этом кольце, поддерживаемом электромагнитно сверхпроводящими магнитами , находятся кольцевые станции, которые остаются в одном месте над некоторой заданной точкой на Земле. С этих кольцевых станций свисают короткие лифтовые тросы, изготовленные из материалов с высоким отношением прочности на разрыв к массе.
Хотя эта простая модель лучше всего работала бы над экватором, Пол Бирч подсчитал, что поскольку кольцевая станция может использоваться для ускорения орбитального кольца на восток, а также для удержания троса, следовательно, можно намеренно заставить орбитальное кольцо прецессировать вокруг Земли вместо того, чтобы оставаться неподвижным в пространстве, пока Земля вращается под ним. Прецессируя кольцо раз в 24 часа, Орбитальное кольцо будет висеть над любым меридианом, выбранным на поверхности Земли. Кабели, которые свисают с кольца, теперь являются геостационарными без необходимости достигать геостационарной высоты или размещаться в экваториальной плоскости. Это означает, что с помощью концепции Орбитального кольца одна или несколько пар станций могут быть расположены над любыми желаемыми точками на Земле или могут быть перемещены в любую точку земного шара. Таким образом, любая точка на Земле может обслуживаться космическим лифтом. Кроме того, может быть построена целая сеть орбитальных колец, которые, пересекая полюса, могли бы покрыть всю планету и были бы способны взять на себя большую часть грузовых и пассажирских перевозок. С помощью ряда лифтов и нескольких геостационарных кольцевых станций астероидный или лунный материал может быть получен и аккуратно помещен туда, где необходимы свалки. Электроэнергия, вырабатываемая в этом процессе, окупит расширение системы и в конечном итоге может проложить путь для терраформирования и астроинженерной деятельности в масштабах всей солнечной системы на прочной экономической основе.
Если бы система была построена путем запуска необходимых материалов с Земли, стоимость системы, оцененная Бирчем в деньгах 1980-х годов, составила бы около 31 миллиарда долларов (для системы «bootstrap», которая должна была расшириться в 1000 раз от первоначального размера в течение следующего года, что в противном случае стоило бы 31 триллион долларов) при запуске с использованием оборудования, полученного от Шаттла, тогда как она могла бы упасть до 15 миллиардов долларов при космическом производстве, предполагая, что большой орбитальный производственный объект доступен для обеспечения начальных 180 000 тонн стали, алюминия и шлака по низкой стоимости, и даже ниже с орбитальными кольцами вокруг Луны. Стоимость системы за килограмм для ускорения полезных грузов до низкой скорости на околоземной орбите составила бы около 0,05 доллара США в долларах США 1975 года, предполагая, что потребность в энергии составляет 9 кВт·ч/кг (примерно точно) и желаемая стоимость электроэнергии, обеспечиваемой космической солнечной энергией , 0,005 доллара США за кВт·ч. [8]
Самым простым типом будет круговое орбитальное кольцо на низкой околоземной орбите .
Пол Бирч также выделил два других типа:
Кроме того, он предложил концепцию «надземных миров», таких как надъюпитерианские и надзвездные «планеты». Это искусственные планеты, которые будут поддерживаться сеткой орбитальных колец, которые будут располагаться над планетой, сверхгигантом или даже звездой. [9]
В финале романа Артура Кларка «Фонтаны рая» (1979) упоминается орбитальное кольцо, прикрепленное в далеком будущем к космическому лифту, который является основой романа.
В фильме Артура Кларка «3001: Последняя одиссея» (1997) показано орбитальное кольцо, удерживаемое четырьмя огромными обитаемыми башнями (предполагаемыми преемниками космических лифтов) на экваторе.
В манге «Боевой ангел Алита» (1990-1995) заметно, что орбитальное кольцо немного изношено.
В романе « Звездный путь» «Кольцо вокруг неба» описывается ветхий кольцевой мир на орбите над планетой Харж'улла, соединенный с поверхностью серией космических лифтов .
Орбитальные кольца широко используются в совместном фантастическом веб-сайте по созданию мира Orion's Arm . [10]
В третьей части книги Нила Стивенсона « Семиевие» (2015) описывается орбитальное кольцо вокруг Земли, лишенной Луны.
В фильме «Звездный десант» показано орбитальное кольцо, окружающее Луну.
Во второй версии аниме -сериала «Теккаман» представлено полноценное кольцо, однако заброшенное и находящееся в упадке из-за войны, а также без внешних привязей.
Аниме - сериал Kiddy Grade также использует орбитальные кольца в качестве стартового и стыковочного отсека для космических кораблей. Эти кольца соединены с большими башнями, выступающими из поверхности планет.
В аниме Mobile Suit Gundam 00 также заметно орбитальное кольцо, которое в основном состоит из связанных солнечных панелей. Кольцо соединено с Землей через три космических лифта. Это кольцо эффективно обеспечивает Землю практически неограниченной энергией. Позже в сериале кольцо также показывает космические станции, установленные на его поверхности.
Первая битва 6-го сезона мультсериала «Звездные войны: Войны клонов » происходит на кольцевой космической станции Ринго-Винда, окружающей планету Ринго-Винда.
Также во вселенной Звездных войн верфи Куата — еще одно орбитальное кольцо вокруг мира Куата. В Star Wars: Legends Дак, родной мир Каламари и Куарренов, имеет огромную орбитальную верфь, которая окружает их океаническую планету.
Во вселенной Warhammer 40,000 у Марса есть большое орбитальное кольцо, называемое Кольцом Железа. Оно в основном используется как верфь для межзвездных кораблей. Это крупнейшее рукотворное сооружение в галактике. У планеты Медуза также есть такое кольцо, называемое Телстаракс, родом из Темной Эры Технологий, но оно в значительной степени разграблено и разрушено.
В игре X3 Terran Conflict есть свободно парящее орбитальное кольцо вокруг Земли, которое было разрушено взрывом и впоследствии сведено с орбиты в X3: Albion Prelude.
В игре Xenoblade Chronicles 2 есть гигантское дерево, выросшее вокруг основания Орбитального кольца.
В Escape Velocity: Nova у Земли больше нет луны, вращающейся вокруг нее, потому что она была вырыта и добыта в течение столетий и теперь существует как орбитальное кольцо вокруг планеты. Более половины ее принадлежит корпорации Sigma Shipyard.
В игре Stellaris орбитальные кольца могут быть построены вокруг колонизированных планет. Они могут действовать как обычные космические станции или могут повышать производство своих планет с помощью зданий и модулей.
Медиа, связанные с Орбитальное кольцо на Wikimedia Commons