Трос с обменом импульсом — это разновидность космического троса , который теоретически может использоваться в качестве системы запуска или для изменения орбит космических аппаратов. Тросы с обменом импульсом создают контролируемую силу на конечных массах системы из- за псевдосилы, известной как центробежная сила . Пока система троса вращается, объекты на обоих концах троса будут испытывать непрерывное ускорение; величина ускорения зависит от длины троса и скорости вращения. Обмен импульсом происходит, когда конечное тело освобождается во время вращения. Передача импульса освобожденному объекту приведет к тому, что вращающийся трос потеряет энергию и, таким образом, потеряет скорость и высоту. Однако, используя электродинамическую тягу троса или ионный двигатель, система может затем снова разогнать себя с небольшими или нулевыми затратами расходуемой реактивной массы. [ необходима цитата ]
Невращающийся трос — это вращающийся трос, который вращается ровно один раз за орбиту, так что он всегда имеет вертикальную ориентацию относительно родительского тела. Космический аппарат, прибывающий на нижний конец этого троса или отбывающий с верхнего конца, будет получать импульс от троса, в то время как космический аппарат, отбывающий с нижнего конца троса или прибывающий на верхний конец, будет добавлять импульс тросу.
В некоторых случаях системы обмена импульсом предназначены для работы в качестве сбалансированных транспортных схем, где прибывающий космический корабль или полезная нагрузка обмениваются с убывающим с той же скоростью и массой, и затем не происходит никакого чистого изменения импульса или углового момента.
Гравитационно-градиентная стабилизация, также называемая «гравитационной стабилизацией» и «приливной стабилизацией», представляет собой простой и надежный метод управления ориентацией спутника, не требующий электронных систем управления, ракетных двигателей или топлива.
Этот тип троса управления ориентацией имеет небольшую массу на одном конце и спутник на другом. Приливные силы растягивают трос между двумя массами. Есть два способа объяснить приливные силы. В одном случае верхняя конечная масса системы движется быстрее орбитальной скорости для своей высоты, поэтому центробежная сила заставляет ее стремиться отдалиться от планеты, на которой она вращается. В то же время нижняя конечная масса системы движется со скоростью, меньшей орбитальной скорости для своей высоты, поэтому она стремится приблизиться к планете. Конечным результатом является то, что трос находится под постоянным натяжением и хочет висеть в вертикальной ориентации. Простые спутники часто стабилизировались таким образом: либо с помощью тросов, либо с помощью того, как масса распределяется внутри спутника.
Как и любой свободно висящий объект, его можно потревожить и заставить качаться. Поскольку в космосе нет атмосферного сопротивления, замедляющего качание, в космическом корабле можно установить небольшую бутылочку с жидкостью с перегородками, чтобы гасить колебания маятника за счет вязкого трения жидкости.
В сильном планетарном магнитном поле, таком как вокруг Земли, проводящий трос может быть сконфигурирован как электродинамический трос . Он может быть использован либо как динамо для генерации энергии для спутника за счет замедления его орбитальной скорости, либо его можно использовать для увеличения орбитальной скорости спутника путем подачи энергии в трос из энергосистемы спутника. Таким образом, трос может быть использован либо для ускорения, либо для замедления орбитального космического корабля без использования ракетного топлива. [1]
При использовании этой техники с вращающимся тросом ток через трос должен меняться по фазе со скоростью вращения троса, чтобы создавать либо постоянную замедляющую силу, либо постоянную ускоряющую силу.
Независимо от того, замедляет ли спутник или ускоряет его, электродинамический трос оказывает давление на магнитное поле планеты, и, таким образом, приобретаемый или теряемый импульс в конечном итоге исходит от планеты.
Sky-hook — это теоретический класс орбитальных тросовых движителей, предназначенных для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. [2] [3] [4] [5] [6] Простые небесные крюки по сути являются частичными лифтами, простирающимися на некоторое расстояние ниже орбиты базовой станции и позволяющими осуществлять орбитальное введение путем подъема груза. Большинство предложений вращают трос таким образом, что его угловой момент также обеспечивает энергией груз, ускоряя его до орбитальной скорости или выше, одновременно замедляя трос. Затем к тросу применяется некоторая форма движителя для восстановления углового момента. [7]
Боло, или вращающийся трос, — это трос, который вращается более одного раза за орбиту и конечные точки которого имеют значительную скорость кончика (~ 1–3 км/с или 2200–6700 миль/ч или 3600–10 800 км/ч). Максимальная скорость конечных точек ограничена прочностью материала троса, конусностью и коэффициентом безопасности, на который он рассчитан.
Целью Bolo является ускорение или замедление космического корабля, который стыкуется с ним, без использования какого-либо бортового топлива космического корабля, а также изменение траектории орбитального полета космического корабля. По сути, Bolo действует как многоразовая верхняя ступень для любого космического корабля, который стыкуется с ним.
Импульс, сообщаемый космическому кораблю Боло, не является бесплатным. Точно так же, как Боло изменяет импульс и направление движения космического корабля, орбитальный и вращательный импульс Боло также изменяются, и это стоит энергии , которую необходимо заменить. Идея заключается в том, что замещающая энергия будет поступать из более эффективного и дешевого источника, чем химический ракетный двигатель. Два возможных более дешевых источника для этой замещающей энергии — это ионная двигательная система или электродинамическая тросовая двигательная система, которая будет частью Боло. По сути, бесплатным источником замещающей энергии является импульс, собранный с полезных грузов для ускорения в другом направлении, что предполагает, что потребность в добавлении энергии от двигательных систем будет совершенно минимальной при сбалансированной двусторонней космической торговле. [ необходима цитата ]
Ротоваторы — это вращающиеся тросы с таким направлением вращения, что нижняя конечная точка троса движется медленнее орбитальной скорости троса, а верхняя конечная точка движется быстрее. [8] Слово является гибридом , образованным от слов «rotor» (ротор) и «lift» (элеватор) .
Если трос достаточно длинный, а скорость вращения достаточно высокая, нижняя конечная точка может полностью нейтрализовать орбитальную скорость троса, так что нижняя конечная точка будет неподвижна относительно поверхности планеты, вокруг которой движется трос. Как описывает Моравек, [9] [10] это «спутник, вращающийся как колесо». Кончик троса движется примерно по циклоиде , в которой он на мгновение неподвижен относительно земли. В этом случае полезный груз, который «захвачен» механизмом захвата на вращающемся тросе в момент, когда он неподвижен, будет подхвачен и поднят на орбиту; и потенциально может быть освобожден в верхней точке вращения, в этой точке он движется со скоростью, значительно превышающей скорость убегания, и, таким образом, может быть освобожден на межпланетной траектории. (Как и в случае с боло, о котором говорилось выше, импульс и энергия, передаваемые полезной нагрузке, должны быть компенсированы либо высокоэффективным ракетным двигателем, либо импульсом, полученным от полезной нагрузки, движущейся в другом направлении.)
На телах с атмосферой, таких как Земля, конец троса должен оставаться выше плотной атмосферы. На телах с достаточно низкой орбитальной скоростью (таких как Луна и , возможно, Марс ) ротоватор на низкой орбите может потенциально касаться земли, тем самым обеспечивая дешевый наземный транспорт, а также запуск материалов в окололунное пространство . В январе 2000 года компания Boeing завершила исследование систем запуска троса, включая двухступенчатые тросы, которые были заказаны Институтом передовых концепций НАСА . [7]
К сожалению, ротоватор Земля-орбита не может быть построен из имеющихся в настоящее время материалов, поскольку толщина и масса троса, необходимые для выдерживания нагрузок на ротоваторе, будут неэкономично большими. Однако «разбавленный» ротоватор с двумя третями скорости вращения вдвое уменьшит центростремительные напряжения ускорения.
Поэтому еще один трюк для достижения более низких напряжений заключается в том, что вместо того, чтобы поднимать груз с земли на нулевой скорости, ротоватор может подхватить движущееся транспортное средство и вывести его на орбиту. Например, ротоватор может подхватить самолет со скоростью 12 Махов из верхних слоев атмосферы Земли и вывести его на орбиту без использования ракет, а также может поймать такое транспортное средство и спустить его в атмосферный полет. Ракете легче достичь более низкой скорости конца, поэтому была предложена «одноступенчатая привязь». [11] Одна из таких систем называется Hyper-sonic Airplane Space Tether Orbital Launch (HASTOL). [7] Как воздушное дыхание, так и ракета для привязи могут сэкономить много топлива за полет и позволят использовать как более простое транспортное средство, так и больше груза.
Компания Tethers Unlimited, Inc. (основанная Робертом Форвардом и Робертом П. Хойтом ) [12] назвала этот подход «Tether Launch Assist». [13] Его также называют космическим боласом . [14] Однако цели компании сместились в сторону модулей помощи при сходе с орбиты и морских привязей, как и в 2020 году. [15] [16]
Исследование концепции «Tether Launch Assist» в 2013 году показало, что эта концепция может стать относительно экономичной в ближайшем будущем, как только будут разработаны роторные двигатели с достаточно высоким (~10 Вт/кг) отношением мощности к массе. [17]
Космический лифт — это космический трос, который прикреплен к планетарному телу. Например, на Земле космический лифт будет идти от экватора до орбиты, значительно превышающей геосинхронную.
Космический лифт не нуждается в питании, как ротоватор, потому что он получает любой необходимый угловой момент от планетарного тела. Недостатком является то, что он намного длиннее, и для многих планет космический лифт не может быть построен из известных материалов. Космический лифт на Земле потребует прочности материалов за пределами текущих технологических пределов (2014). [18] [19] [20] Однако марсианские и лунные космические лифты могут быть построены из современных материалов. [21] Также был предложен космический лифт на Фобосе. [22]
Космические лифты также имеют большее количество потенциальной энергии, чем ротоватор, и если тяжелые детали (например, «упавший гаечный ключ») упадут, они войдут под крутым углом и ударятся о поверхность на почти орбитальной скорости. В большинстве ожидаемых конструкций, если упадет сам компонент кабеля, он сгорит до того, как упадет на землю.
Хотя можно подумать, что это требует постоянного энергозатрат, на самом деле можно показать, что энергетически выгодно поднимать груз с поверхности Луны и сбрасывать его на более низкую околоземную орбиту, и, таким образом, это может быть достигнуто без какого-либо значительного использования топлива, поскольку поверхность Луны находится в сравнительно более высоком потенциальном энергетическом состоянии. Кроме того, эта система может быть построена с общей массой менее чем в 28 раз превышающей массу полезной нагрузки. [23] [24]
Таким образом, ротоваторы могут заряжаться посредством обмена импульсом . Зарядка импульсом использует ротоватор для перемещения массы из места, которое находится «выше» в гравитационном поле , в место, которое находится «ниже». Техника для этого использует эффект Оберта , где освобождение полезной нагрузки, когда трос движется с более высокой линейной скоростью, с более низким гравитационным потенциалом, дает большую удельную энергию и, в конечном счете, большую скорость, чем энергия, потерянная при подъеме полезной нагрузки при более высоком гравитационном потенциале, даже если скорость вращения одинакова. Например, можно использовать систему из двух или трех ротоваторов для осуществления торговли между Луной и Землей . Ротоваторы заряжаются лунной массой (землей, если экспорт невозможен), сброшенной на Землю или около нее, и могут использовать полученный таким образом импульс для доставки земных товаров на Луну. Импульс и обмен энергией могут быть сбалансированы с равными потоками в любом направлении или могут увеличиваться со временем.
Подобные системы ротоваторов теоретически могли бы открыть возможность недорогого транспорта по всей Солнечной системе .
Система катапульты с тросом — это система, в которой два или более длинных проводящих троса жестко удерживаются на прямой линии, прикрепленные к тяжелой массе. Энергия подается на тросы и подхватывается транспортным средством, имеющим линейные магнитные двигатели на нем, которые оно использует, чтобы толкать себя вдоль длины троса. Ближе к концу троса транспортное средство отпускает полезный груз, замедляется и останавливается, а полезный груз продолжает движение с очень высокой скоростью. Расчетная максимальная скорость для этой системы чрезвычайно высока, более чем в 30 раз превышая скорость звука в тросе; и скорости более 30 км/с (67 000 миль/ч; 110 000 км/ч) кажутся возможными. [25]