Космический лифт

Предлагаемый тип космической транспортной системы

Космический лифт задуман как трос, закрепленный на экваторе и достигающий космоса. Противовес на верхнем конце удерживает центр масс значительно выше уровня геостационарной орбиты. Это создает достаточную центробежную силу , направленную вверх от вращения Земли, чтобы полностью противостоять направленной вниз силе тяжести, удерживая трос в вертикальном положении и натянутым. Альпинисты переносят грузы вверх и вниз по тросу.

Космический лифт в движении, вращаясь вместе с Землей, вид сверху на Северный полюс. Свободно летящий спутник (зеленая точка) показан на геостационарной орбите немного позади кабеля.

Космический лифт , также называемый космическим мостом , звездной лестницей и орбитальным лифтом , — это предлагаемый тип транспортной системы «от планеты до космоса» ^[1] , часто изображаемый в научной фантастике. Основным компонентом будет трос (также называемый тросом ) , закрепленный на поверхности и простирающийся в космос. Космический лифт на Земле будет состоять из троса, один конец которого будет прикреплен к поверхности вблизи экватора, а другой конец — к противовесу в космосе за пределами геостационарной орбиты (высота 35 786 км). Конкурирующие силы гравитации, которые сильнее на нижнем конце, и восходящая центробежная сила, которая сильнее на верхнем конце, приведут к тому, что трос будет удерживаться под натяжением и неподвижным над одной позицией на Земле. При развернутом тросе альпинисты (гусеничные роботы) смогут многократно подниматься и спускаться по тросу с помощью механических средств, сбрасывая свой груз на орбиту и с нее. ^[2] Конструкция позволит транспортным средствам перемещаться непосредственно между поверхностью планеты, например, Земли, и орбитой, без использования больших ракет .

История

Ранняя концепция

Идея космического лифта, по-видимому, развивалась независимо в разное время и в разных местах. Самые ранние модели были созданы двумя русскими учеными в конце девятнадцатого века. В своем сборнике 1895 года « Сны о Земле и небе» [ ^3] Константин Циолковский представил себе огромную небесную лестницу, чтобы достичь звезд как способ преодолеть гравитацию. ^{[4] [5] [6]} Спустя десятилетия, в 1960 году, Юрий Арцутанов независимо разработал концепцию «Космической железной дороги», космического лифта, привязанного к орбитальному спутнику к якорю на экваторе, стремясь обеспечить более безопасную и эффективную альтернативу ракетам. ^{[7] [8] [9]} В 1966 году Айзекс и его коллеги представили концепцию «Небесного крюка», предложив спутник на геостационарной орбите с кабелем, тянущимся до Земли. ^[10]

Инновации и разработки

Концепция космического лифта достигла Америки в 1975 году, когда Джером Пирсон начал исследовать эту идею, вдохновленный речью Артура Кларка 1969 года перед Конгрессом. После работы инженером в НАСА и Исследовательской лаборатории ВВС, он разработал проект «Орбитальной башни», предназначенной для использования энергии вращения Земли для транспортировки грузов на низкую околоземную орбиту. В своей публикации в Acta Astronautica ^[11] трос будет самым толстым на геостационарной орбите, где натяжение наибольшее, и самым узким на концах, чтобы минимизировать вес на единицу площади. Он предложил удлинить противовес до 144 000 километров (89 000 миль), поскольку без большого противовеса верхний трос должен был бы быть длиннее из-за того, как гравитационные и центробежные силы изменяются с расстоянием от Земли. Его анализ включал гравитацию Луны, ветер и движущиеся полезные грузы. Строительство лифта потребовало бы тысяч полетов Space Shuttle , хотя материал можно было бы транспортировать, как только нить минимальной прочности достигнет земли, или изготавливать в космосе из астероидной или лунной руды . Выводы Пирсона, опубликованные в Acta Astronautica, привлекли внимание Кларка и привели к техническим консультациям для научно-фантастического романа Кларка «Фонтаны рая» (1979), ^[12] в котором есть космический лифт. ^{[13] [14]}

Первая встреча многочисленных экспертов, которые хотели исследовать эту альтернативу космическим полетам, состоялась в 1999 году на конференции NASA «Advanced Space Infrastructure Workshop on Geostationary Orbiting Tether Space Elevator Concepts» в Хантсвилле, штат Алабама. ^[4] Д. В. Смитерман-младший опубликовал результаты в августе 2000 года под заголовком « Космические лифты: передовая инфраструктура Земля-космос для нового тысячелетия» , сделав вывод, что космический лифт не может быть построен по крайней мере еще 50 лет из-за проблем с материалом кабеля, его развертыванием и обслуживанием. ^{[15] [ нужна страница ]}

Доктор BC Edwards предположил, что лента длиной 100 000 км (62 000 миль) толщиной с бумагу, использующая композитный материал из углеродных нанотрубок, может решить проблему троса из-за их высокой прочности на разрыв и малого веса ^[16] Предложенная форма поперечного сечения в виде широкой тонкой ленты вместо более ранних концепций круглого сечения увеличит выживаемость при ударах метеороидов. При поддержке Института передовых концепций NASA (NIAC) в его работе приняли участие более 20 учреждений и 50 участников. ^{[17] [ нужна страница ]} Заключительный отчет по фазе II космического лифта NIAC в сочетании с книгой «Космический лифт : революционная система транспортировки с Земли в космос» ( Эдвардс и Вестлинг, 2003) ^[18] суммировал все усилия по проектированию космического лифта ^{[17] [ нужна страница ]} включая сценарий развертывания, конструкцию альпиниста, систему подачи энергии, предотвращение попадания орбитального мусора , систему якорей, выживание в условиях атомарного кислорода , предотвращение молний и ураганов путем размещения якоря в западной экваториальной части Тихого океана, затраты на строительство, график строительства и экологические опасности. ^{[2] [15] [ нужна страница ] [19]} Кроме того, он исследовал структурную целостность и несущую способность кабелей космического лифта, подчеркивая их потребность в высокой прочности на разрыв и упругости. Его концепция космического лифта так и не достигла третьей фазы NIAC, что он приписал представлению своего окончательного предложения в течение недели после катастрофы космического челнока Columbia . ^[4]

достижения 21 века

Чтобы ускорить разработку космического лифта, сторонники организовали несколько конкурсов , похожих на Ansari X Prize , для соответствующих технологий. ^{[20] [21]} Среди них Elevator:2010 , который организовывал ежегодные соревнования для скалолазов, лент и систем передачи энергии с 2005 по 2009 год, соревнование по скалолазанию на ленте Space Elevator от Robogames, ^[22] а также программа NASA Centennial Challenges , которая в марте 2005 года объявила о партнерстве с Spaceward Foundation (оператором Elevator:2010), увеличив общую стоимость призов до 400 000 долларов США. ^{[23] [24]} Первый European Space Elevator Challenge (EuSEC) по созданию конструкции скалолаза состоялся в августе 2011 года. ^[25]

В 2005 году « группа компаний по производству космических лифтов LiftPort объявила, что построит завод по производству углеродных нанотрубок в Милвилле, штат Нью-Джерси , чтобы снабжать различные компании по производству стекла, пластика и металла этими прочными материалами. Хотя LiftPort надеется в конечном итоге использовать углеродные нанотрубки при строительстве космического лифта длиной 100 000 км (62 000 миль), этот шаг позволит ей заработать деньги в краткосрочной перспективе и провести исследования и разработки новых методов производства». ^[26] Их объявленной целью был запуск космического лифта в 2010 году. 13 февраля 2006 года группа LiftPort объявила, что ранее в том же месяце они испытали милю «троса космического лифта», сделанного из композитных струн из углеродного волокна и стекловолоконной ленты шириной 5 см (2,0 дюйма) и толщиной 1 мм (0,039 дюйма) (примерно 13 листов бумаги), поднятого с помощью воздушных шаров. ^[27] В апреле 2019 года генеральный директор Liftport Майкл Лейн признал, что в реализации амбициозных планов компании по созданию космического лифта был достигнут лишь незначительный прогресс, даже после получения более 200 000 долларов начального финансирования. Завод по производству углеродных нанотрубок, о котором Liftport объявила в 2005 году, так и не был построен. ^[28]

В 2007 году Elevator:2010 провел игры Space Elevator 2007, в которых были разыграны призы в размере 500 000 долларов США за каждое из двух соревнований (всего 1 000 000 долларов США), а также дополнительные 4 000 000 долларов США, которые будут вручены в течение следующих пяти лет за технологии, связанные с космическими лифтами. ^[29] Ни одна из команд не выиграла соревнование, но команда из Массачусетского технологического института представила первую заявку на участие в соревновании с 2-граммовой (0,07 унции) 100-процентной углеродной нанотрубкой. ^[30] В ноябре 2008 года Япония провела международную конференцию, чтобы составить график строительства лифта. ^[31]

В 2012 году корпорация Obayashi объявила, что к 2050 году она может построить космический лифт с использованием технологии углеродных нанотрубок. ^[32] Пассажирский подъемник этой конструкции сможет достичь уровня ГСО за 8 дней полета. ^[33] Более подробная информация была опубликована в 2016 году . ^[34]

В 2013 году Международная академия астронавтики опубликовала оценку технологической осуществимости, в которой сделан вывод о том, что критически важным улучшением возможностей был материал троса, который, как предполагалось, достигнет необходимой удельной прочности в течение 20 лет. Четырехлетнее исследование рассматривало многие аспекты разработки космического лифта, включая миссии, графики разработки, финансовые инвестиции, поток доходов и выгоды. Сообщалось, что можно будет эксплуатировать пережить меньшие столкновения и избежать более крупных столкновений с метеоритами и космическим мусором, и что предполагаемая стоимость подъема килограмма полезного груза на ГСО и далее составит 500 долларов. ^{[35] : 10–11, 207–208  [36] [ нужна страница ]}

В 2014 году группа Google X's Rapid Evaluation R&D начала проектирование космического лифта, в конечном итоге обнаружив, что никто еще не изготовил идеально сформированную нить углеродной нанотрубки длиной более метра. Таким образом, они поместили проект в «глубокую заморозку» и также следят за любыми достижениями в области углеродных нанотрубок. ^[37]

В 2018 году исследователи из японского Университета Сидзуока запустили STARS-Me — два кубсата , соединенных тросом, по которым будет перемещаться мини-лифт. ^{[38] [39]} Эксперимент был запущен в качестве испытательного стенда для более крупной конструкции. ^[40]

В 2019 году Международная академия астронавтики опубликовала «Дорога в эпоху космических лифтов» ^[41] , отчет об исследовании, обобщающий оценку космического лифта по состоянию на лето 2018 года. Суть в том, что большая группа специалистов по космосу собралась и оценила состояние разработки космического лифта, каждый из которых внес свой вклад в экспертизу и пришел к схожим выводам: (a) космические лифты на Земле кажутся осуществимыми, что подтверждает вывод исследования IAA 2013 года (b) начало разработки космического лифта ближе, чем думает большинство. Этот последний вывод основан на потенциальном процессе производства макромасштабного монокристаллического графена ^[42] с более высокой удельной прочностью, чем у углеродных нанотрубок .

Материалы

Значительной трудностью при создании космического лифта для Земли является прочность материалов. Поскольку конструкция должна выдерживать собственный вес в дополнение к полезной нагрузке, которую она может нести, отношение прочности к весу, или Удельная прочность , материала, из которого она сделана, должна быть чрезвычайно высокой.

С 1959 года большинство идей для космических лифтов были сосредоточены на чисто растяжимых конструкциях, где вес системы удерживается сверху центробежными силами. В растяжимых концепциях космический трос тянется от большой массы (противовеса) за пределами геостационарной орбиты к земле. Эта конструкция удерживается в натяжении между Землей и противовесом, как перевернутый отвес . Толщина кабеля сужается в зависимости от натяжения; она имеет максимум на геостационарной орбите и минимум на земле.

Эта концепция применима к другим планетам и небесным телам . Для мест в Солнечной системе с более слабой гравитацией, чем на Земле (например, Луна или Марс ), требования прочности к плотности для материалов троса не столь проблематичны. Доступные в настоящее время материалы (например, кевлар ) достаточно прочны и легки, чтобы их можно было использовать в качестве материала троса для лифтов там. ^[43]

Имеющиеся материалы недостаточно прочны и легки, чтобы сделать космический лифт на Земле практичным. ^{[44] [45] [46]} Некоторые источники ожидают, что будущие достижения в области углеродных нанотрубок (УНТ) могут привести к практическому проектированию. ^{[2] [15] [ нужна страница ] [26]} Другие источники полагают, что УНТ никогда не будут достаточно прочными. ^{[47] [48] [49]} Возможные будущие альтернативы включают нанотрубки нитрида бора , алмазные нанонити ^{[50] [51]} и макромасштабный монокристаллический графен . ^[42]

В художественной литературе

В 1979 году космические лифты были представлены более широкой аудитории с одновременной публикацией романа Артура Кларка «Фонтаны рая », в котором инженеры строят космический лифт на вершине горной вершины в вымышленной островной стране «Тапробане» (вольно основанной на Шри-Ланке , хотя и перенесенной на юг к экватору), и первого романа Чарльза Шеффилда «Сеть между мирами» , также показывающего строительство космического лифта. Три года спустя, в романе Роберта А. Хайнлайна 1982 года «Пятница », главная героиня упоминает катастрофу на «Кито Скай Хук» и использует «Найробийский бобовый стебель» в ходе своих путешествий. В романе Кима Стэнли Робинсона 1993 года « Красный Марс » колонисты строят на Марсе космический лифт, который позволяет как прибывать большему количеству колонистов, так и отправлять добываемые там природные ресурсы на Землю. В книге Ларри Нивена «Радуга Марса» описывается космический лифт, построенный на Марсе. В романе Дэвида Герролда 2000 года «Прыжок с планеты » семейная экскурсия на эквадорский «бобовый стебель» на самом деле является похищением ребенка с целью опеки. В книге Герролда также рассматриваются некоторые промышленные применения зрелой технологии лифтов. Концепция космического лифта, называемого « Бобовый стебель » , также изображена в романе Джона Скальци 2005 года « Война старика» . В биологической версии роман Джоан Слончевски 2011 года «Высший рубеж» изображает студента колледжа, поднимающегося по космическому лифту, построенному из самовосстанавливающихся кабелей бацилл сибирской язвы. Сконструированные бактерии могут восстанавливать кабели, если они повреждены космическим мусором.

Физика

Видимое гравитационное поле

Трос космического лифта Земли вращается вместе с вращением Земли. Поэтому трос и прикрепленные к нему объекты будут испытывать направленную вверх центробежную силу в направлении, противоположном направленной вниз силе тяготения. Чем выше по тросу расположен объект, тем меньше гравитационное притяжение Земли и тем сильнее направленная вверх центробежная сила из-за вращения, так что большая центробежная сила противостоит меньшей гравитации. Центробежная сила и гравитация уравновешены на геосинхронной экваториальной орбите (ГСО). Выше ГСО центробежная сила сильнее гравитации, заставляя прикрепленные к тросу объекты тянуть его вверх . Поскольку противовес выше ГСО вращается вокруг Земли быстрее естественной орбитальной скорости для этой высоты, он оказывает центробежное притяжение на трос и таким образом удерживает всю систему наверху.

Чистая сила для объектов, прикрепленных к кабелю, называется кажущимся гравитационным полем . Видимое гравитационное поле для прикрепленных объектов — это (нисходящая) гравитация за вычетом (восходящей) центробежной силы. Кажущаяся гравитация, испытываемая объектом на кабеле, равна нулю на GEO, направлена ​​вниз ниже GEO и вверх выше GEO.

Видимое гравитационное поле можно представить следующим образом: ^{[52] : Таблица 1}

Нисходящая сила фактической гравитации уменьшается с высотой: ${\displaystyle g_{r}=-GM/r^{2}}$

Центробежная сила , направленная вверх из- за вращения планеты, увеличивается с высотой: ${\displaystyle a=\omega ^{2}r}$

Вместе кажущееся гравитационное поле представляет собой сумму двух:

${\displaystyle g=-{\frac {GM}{r^{2}}}+\omega ^{2}r}$

где

g — ускорение кажущейся силы тяжести, направленное вниз (отрицательное) или вверх (положительное) вдоль вертикального кабеля (мс ⁻² ),

g _r — ускорение свободного падения, вызванное притяжением Земли, направленное вниз (отрицательно) (мс ⁻² ),

a — центробежное ускорение, направленное вверх (положительное) вдоль вертикального кабеля (мс ⁻² ),

G — гравитационная постоянная (м ³ с ⁻² кг ⁻¹ )

M — масса Земли (кг)

r — расстояние от этой точки до центра Земли (м),

ω — скорость вращения Земли (радиан/с).

В некоторой точке на тросе два термина (нисходящая гравитация и восходящая центробежная сила) равны и противоположны. Объекты, закрепленные на тросе в этой точке, не оказывают на трос никакого веса. Эта высота (r ₁ ) зависит от массы планеты и скорости ее вращения. Приравнивая фактическую гравитацию к центробежному ускорению, получаем: ^{[52] : стр. 126}

${\displaystyle r_{1}=\left({\frac {GM}{\omega ^{2}}}\right)^{\frac {1}{3}}}$

Это 35 786 км (22 236 миль) над поверхностью Земли, высота геостационарной орбиты. ^{[52] : Таблица 1}

На кабеле ниже геостационарной орбиты нисходящая гравитация будет больше, чем восходящая центробежная сила, поэтому кажущаяся гравитация будет тянуть объекты, прикрепленные к кабелю, вниз. Любой объект, отпущенный с кабеля ниже этого уровня, сначала будет ускоряться вниз по кабелю. Затем он постепенно будет отклоняться на восток от кабеля. На кабеле выше уровня стационарной орбиты восходящая центробежная сила будет больше, чем нисходящая гравитация, поэтому кажущаяся гравитация будет тянуть объекты, прикрепленные к кабелю, вверх . Любой объект, отпущенный с кабеля выше геосинхронного уровня, сначала будет ускоряться вверх по кабелю. Затем он постепенно будет отклоняться на запад от кабеля.

Сечение кабеля

Исторически основной технической проблемой считалась способность кабеля удерживать с натяжением собственный вес ниже любой заданной точки. Наибольшее натяжение на кабеле космического лифта возникает в точке геостационарной орбиты, 35 786 км (22 236 миль) над экватором Земли. Это означает, что материал кабеля в сочетании с его конструкцией должен быть достаточно прочным, чтобы удерживать собственный вес от поверхности до 35 786 км (22 236 миль). Кабель, который толще в поперечном сечении на этой высоте, чем на поверхности, может лучше удерживать собственный вес на большей длине. То, как площадь поперечного сечения сужается от максимума на 35 786 км (22 236 миль) до минимума на поверхности, является, таким образом, важным фактором проектирования кабеля космического лифта.

Чтобы максимизировать полезную избыточную прочность для заданного количества материала кабеля, площадь поперечного сечения кабеля должна быть спроектирована по большей части таким образом, чтобы напряжение ( т. е. натяжение на единицу площади поперечного сечения) было постоянным по всей длине кабеля. ^{[52] [53]} Критерий постоянного напряжения является отправной точкой при проектировании площади поперечного сечения кабеля, поскольку она изменяется с высотой. Другие факторы, рассматриваемые в более подробных проектах, включают утолщение на высотах, где присутствует больше космического мусора, учет точечных напряжений, создаваемых альпинистами, и использование различных материалов. ^[54] Чтобы учесть эти и другие факторы, современные детальные проекты стремятся достичь наибольшего возможного запаса прочности с как можно меньшими изменениями по высоте и времени. ^[54] В простых проектах с начальной точкой это равносильно постоянному напряжению.

Для кабеля постоянного напряжения без запаса прочности площадь поперечного сечения как функция расстояния от центра Земли определяется следующим уравнением: ^[52]

${\displaystyle A(r)=A_{s}\exp \left[{\frac {\rho gR^{2}}{T}}\left({\frac {1}{R}}+{\frac {R^{2}}{2R_{g}^{3}}}-{\frac {1}{r}}-{\frac {r^{2}}{2R_{g}^{3}}}\right)\right]}$

где

g — ускорение свободного падения на поверхности Земли (м·с ⁻² ),

${\displaystyle A_{s}}$- площадь поперечного сечения кабеля на поверхности Земли (м ² ),

ρ — плотность материала, используемого для кабеля (кг·м ⁻³ ),

R — экваториальный радиус Земли,

${\displaystyle R_{g}}$- радиус геосинхронной орбиты,

T — напряжение, которое может выдержать площадь поперечного сечения без деформации (Н·м ⁻² ), предел его упругости.

Запас прочности можно рассчитать, разделив T на желаемый коэффициент прочности. ^[52]

Материалы кабеля

Используя приведенную выше формулу, можно рассчитать соотношение между поперечным сечением на геостационарной орбите и поперечным сечением на поверхности Земли, известное как коэффициент конусности: ^{[примечание 1]}

${\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho }{T}}\times 4.85\times 10^{7}\right]}$

Коэффициент конусности как функция удельной прочности

Коэффициент конусности становится очень большим, если удельная прочность используемого материала не приближается к 48 (МПа)/(кг/м ³ ). Материалы с низкой удельной прочностью требуют очень больших коэффициентов конусности, что эквивалентно большой (или астрономической) общей массе кабеля с соответствующими большими или невозможными затратами.

Структура

Одна из концепций космического лифта предполагает его привязку к мобильной морской платформе.

Существует множество конструкций космических лифтов, предложенных для многих планетарных тел. Почти каждая конструкция включает в себя базовую станцию, трос, альпинистов и противовес. Для земного космического лифта вращение Земли создает направленную вверх центробежную силу на противовесе. Противовес удерживается тросом, в то время как трос удерживается и натягивается противовесом. Базовая станция закрепляет всю систему на поверхности Земли. Альпинисты поднимаются и спускаются по тросу с грузом.

Базовая станция

Современные концепции базовой станции/якоря обычно представляют собой мобильные станции, большие океанские суда или другие мобильные платформы. Мобильные базовые станции будут иметь преимущество перед более ранними стационарными концепциями (с наземными якорями), поскольку смогут маневрировать, чтобы избегать сильных ветров, штормов и космического мусора . Океанические якорные точки также обычно находятся в международных водах , что упрощает и снижает стоимость переговоров об использовании территории для базовой станции. ^[2]

Стационарные наземные платформы имели бы более простой и менее затратный логистический доступ к базе. Они также имели бы преимущество в том, что могли бы находиться на больших высотах, например, на вершинах гор. В альтернативной концепции базовая станция могла бы быть башней, образуя космический лифт, который включает как компрессионную башню вблизи поверхности, так и тросовую структуру на больших высотах. ^[6] Объединение компрессионной структуры с натяжной структурой уменьшило бы нагрузки от атмосферы на земном конце троса и уменьшило бы расстояние в гравитационном поле Земли, которое должен протянуть кабель, и, таким образом, снизило бы критические требования к прочности и плотности для материала кабеля, при всех прочих равных факторах проектирования.

Кабель

Углеродные нанотрубки являются одним из кандидатов на роль материала для кабеля. ^[32]

Морская якорная станция также могла бы выполнять функции глубоководного морского порта .

Космический лифтовый трос должен был бы выдерживать собственный вес, а также дополнительный вес альпинистов. Требуемая прочность троса будет меняться по его длине. Это связано с тем, что в разных точках он должен был бы выдерживать вес троса внизу или обеспечивать направленную вниз силу для удержания троса и противовеса наверху. Максимальное натяжение троса космического лифта было бы на геосинхронной высоте, поэтому трос должен был бы быть там самым толстым и сужаться по мере приближения к Земле. Любая потенциальная конструкция троса может быть охарактеризована коэффициентом конусности — соотношением радиуса троса на геосинхронной высоте и на поверхности Земли. ^[55]

Трос должен быть изготовлен из материала с высоким отношением прочности на разрыв/плотности . Например, конструкция космического лифта Эдвардса предполагает материал кабеля с прочностью на разрыв не менее 100 гигапаскалей . ^[2] Поскольку Эдвардс последовательно предполагал, что плотность его кабеля из углеродных нанотрубок составляет 1300 кг/м ³ , ^[16] это подразумевает удельную прочность 77 мегапаскалей/(кг/м ³ ). Это значение учитывает весь вес космического лифта. Для неконусного кабеля космического лифта потребуется материал, способный выдержать длину 4960 километров (3080 миль) собственного веса на уровне моря , чтобы достичь геостационарной высоты 35 786 км (22 236 миль) без деформации. ^[56] Следовательно, необходим материал с очень высокой прочностью и легкостью.

Для сравнения, такие металлы, как титан, сталь или алюминиевые сплавы, имеют разрывную длину всего 20–30 км (0,2–0,3 МПа/(кг/м ³ )). Современные волокнистые материалы, такие как кевлар , стекловолокно и углеродное/графитовое волокно, имеют разрывную длину 100–400 км (1,0–4,0 МПа/(кг/м ³ )). Нанотехнологические материалы, такие как углеродные нанотрубки и, недавно обнаруженные, графеновые ленты (идеальные двумерные листы углерода), как ожидается, будут иметь разрывную длину 5000–6000 км (50–60 МПа/(кг/м ³ )), а также способны проводить электроэнергию. ^{[ необходима ссылка ]}

Для космического лифта на Земле, с ее сравнительно высокой гравитацией, материал кабеля должен быть прочнее и легче, чем имеющиеся в настоящее время материалы. ^[57] По этой причине основное внимание уделяется разработке новых материалов, которые отвечают жестким требованиям удельной прочности. Для высокой удельной прочности углерод имеет преимущества, поскольку он является только шестым элементом в периодической таблице . Углерод имеет сравнительно мало протонов и нейтронов , которые вносят большую часть собственного веса любого материала. Большая часть межатомных сил связи любого элемента вносится только внешними несколькими электронами. Для углерода прочность и стабильность этих связей высоки по сравнению с массой атома. Проблема использования углеродных нанотрубок остается в том, чтобы расширить до макроскопических размеров производство такого материала, который все еще будет идеальным в микроскопическом масштабе (поскольку микроскопические дефекты в основном ответственны за слабость материала). ^{[57] [58] [59]} По состоянию на 2014 год технология углеродных нанотрубок позволила выращивать трубки длиной до нескольких десятых метров. ^[60]

В 2014 году были впервые синтезированы алмазные нанонити . ^[50] Поскольку они обладают прочностными свойствами, аналогичными углеродным нанотрубкам, алмазные нанонити быстро стали рассматриваться в качестве потенциального материала для кабеля. ^[51]

Альпинисты

Концептуальный рисунок космического лифта, поднимающегося сквозь облака.

Космический лифт не может быть лифтом в типичном смысле (с движущимися кабелями) из-за необходимости, чтобы кабель был значительно шире в центре, чем на концах. Хотя были предложены различные конструкции с использованием движущихся кабелей, большинство конструкций кабелей требуют, чтобы «лифт» поднимался по неподвижному кабелю.

Альпинисты охватывают широкий спектр конструкций. В конструкциях лифтов, тросы которых представляют собой плоские ленты, большинство предлагает использовать пары роликов для удержания троса трением.

Альпинистов нужно будет запускать в оптимальном темпе, чтобы минимизировать напряжение и колебания кабеля и максимизировать пропускную способность. Более легкие альпинисты могли бы отправляться чаще, причем несколько человек могли бы подниматься одновременно. Это несколько увеличило бы пропускную способность, но уменьшило бы массу каждого отдельного груза. ^[61]

Когда автомобиль поднимается, трос слегка наклоняется из-за силы Кориолиса. Верх троса движется быстрее, чем низ. Альпинист ускоряется горизонтально, когда он поднимается, силой Кориолиса, которая передается углами троса. Показанный угол наклона преувеличен.

Горизонтальная скорость, т. е. из-за орбитального вращения, каждой части кабеля увеличивается с высотой, пропорционально расстоянию от центра Земли, достигая низкой орбитальной скорости в точке, составляющей приблизительно 66 процентов высоты между поверхностью и геостационарной орбитой, или на высоте около 23 400 км. Полезная нагрузка, выпущенная в этой точке, перейдет на сильно эксцентричную эллиптическую орбиту, оставаясь едва в стороне от атмосферного входа, с перицентром на той же высоте, что и LEO, и апоцентром на высоте выпуска. С увеличением высоты выпуска орбита станет менее эксцентричной, поскольку и перицентр, и апоцентр увеличиваются, становясь круговой на геостационарном уровне. ^{[62] [63]}

Когда груз достигает GEO, горизонтальная скорость в точности равна скорости круговой орбиты на этом уровне, так что если его отпустить, он останется рядом с этой точкой на тросе. Груз также может продолжать подниматься дальше по тросу за пределы GEO, что позволяет ему получить более высокую скорость при сбросе. Если груз отпустить с высоты 100 000 км, у него будет достаточно скорости, чтобы достичь пояса астероидов. ^[54]

Когда полезный груз поднимается на космическом лифте, он приобретает не только высоту, но и горизонтальную скорость (угловой момент). Угловой момент берется из вращения Земли. Когда альпинист поднимается, он изначально движется медленнее, чем каждая последующая часть троса, по которой он движется. Это сила Кориолиса : альпинист «тянет» (на запад) трос, когда он поднимается, и немного уменьшает скорость вращения Земли. Противоположный процесс будет происходить для спускаемых полезных грузов: трос наклоняется на восток, таким образом немного увеличивая скорость вращения Земли.

Общий эффект центробежной силы, действующей на трос, заставит его постоянно пытаться вернуться в энергетически выгодную вертикальную ориентацию, поэтому после того, как объект будет поднят на тросе, противовес будет качаться обратно к вертикали, немного как маятник. ^[61] Космические лифты и их грузы будут спроектированы так, чтобы центр масс всегда находился достаточно высоко над уровнем геостационарной орбиты ^[64], чтобы удерживать всю систему. Операции по подъему и спуску должны быть тщательно спланированы, чтобы держать маятниковое движение противовеса вокруг точки крепления под контролем. ^[65]

Скорость альпиниста будет ограничена силой Кориолиса, доступной мощностью и необходимостью гарантировать, что ускоряющая сила альпиниста не порвет трос. Альпинисты также должны будут поддерживать минимальную среднюю скорость, чтобы перемещать материал вверх и вниз экономично и быстро. ^[66] При скорости очень быстрого автомобиля или поезда в 300 км/ч (190 миль/ч) потребуется около 5 дней, чтобы подняться на геосинхронную орбиту. ^[67]

Энергия для альпинистов

Для альпинистов важными вопросами являются мощность и энергия — альпинистам необходимо как можно быстрее накопить большой объем потенциальной энергии, чтобы освободить трос для следующего груза.

Были предложены различные методы обеспечения альпиниста энергией:

• Передавайте энергию альпинисту с помощью беспроводной передачи энергии во время его восхождения.
• Передавайте энергию альпинисту через какую-либо материальную структуру во время его восхождения.
• Запасайте энергию в альпинисте до его старта — для этого требуется чрезвычайно высокая удельная энергия, например, ядерная энергия.
• Солнечная энергия – После первых 40 км можно использовать солнечную энергию для питания альпиниста ^[68]

Беспроводная передача энергии, такая как лазерное излучение мощности, в настоящее время считается наиболее вероятным методом, использующим мегаваттные лазеры на свободных электронах или твердотельные лазеры в сочетании с адаптивными зеркалами шириной приблизительно 10 м (33 фута) и фотоэлектрической решеткой на альпинисте, настроенной на частоту лазера для эффективности. ^[2] Для конструкций альпинистов, работающих от лазерного излучения мощности, эта эффективность является важной целью проектирования. Неиспользованную энергию необходимо будет повторно излучать с помощью систем рассеивания тепла, которые увеличивают вес.

Ёсио Аоки, профессор точного машиностроения в Университете Нихон и директор Японской ассоциации космических лифтов, предложил включить второй кабель и использовать проводимость углеродных нанотрубок для подачи питания. ^[31]

Противовес

Космический лифт с космической станцией

В качестве противовеса было предложено несколько решений:

• тяжелый, захваченный астероид ^{[5] [69]}
• космический док , космическая станция или космодром, расположенный за геостационарной орбитой
• дальнейшее удлинение самого кабеля вверх, так что чистая тяга вверх будет такой же, как у эквивалентного противовеса
• припаркованные отработанные альпинисты, которые использовались для утолщения троса во время строительства, другой мусор и материалы поднимали трос с целью увеличения противовеса. ^[54]

Преимуществом удлинения троса является некоторая простота задачи и тот факт, что полезный груз, который идет к концу противовесного троса, приобретает значительную скорость относительно Земли, что позволяет вывести его в межпланетное пространство. Недостатком является необходимость производства большего количества материала троса, а не использование всего, что есть под рукой и имеет массу.

Приложения

Запуск в дальний космос

Объект, прикрепленный к космическому лифту в радиусе приблизительно 53 100 км, будет иметь скорость убегания при освобождении. Переходные орбиты к точкам Лагранжа L1 и L2 могут быть достигнуты при освобождении на высоте 50 630 и 51 240 км соответственно, а переход на лунную орбиту — с 50 960 км. ^[70]

На конце кабеля Пирсона длиной 144 000 км (89 000 миль) тангенциальная скорость составляет 10,93 километра в секунду (6,79 миль/с). Этого более чем достаточно, чтобы вырваться из гравитационного поля Земли и отправить зонды по крайней мере на такое расстояние, как Юпитер . Оказавшись на Юпитере, гравитационный маневр может позволить достичь скорости выхода за пределы Солнца. ^[52]

Внеземные лифты

Космический лифт можно построить и на других планетах, астероидах и лунах.

Марсианский трос может быть намного короче земного. Поверхностная гравитация Марса составляет 38 процентов от земной, а его вращение вокруг своей оси примерно за то же время, что и у Земли. Из-за этого стационарная орбита Марса находится гораздо ближе к поверхности, и, следовательно, лифт может быть намного короче. Современные материалы уже достаточно прочны, чтобы построить такой лифт. ^[71] Строительство марсианского лифта будет осложнено марсианским спутником Фобосом , который находится на низкой орбите и регулярно пересекает экватор (дважды за каждый орбитальный период в 11 ч 6 мин). Фобос и Деймос могут помешать ареостационарному космическому лифту; с другой стороны, они могут внести полезные ресурсы в проект. Прогнозируется, что Фобос будет содержать большое количество углерода. Если углеродные нанотрубки станут пригодными для материала троса, то вблизи Марса будет изобилие углерода. Это может обеспечить легкодоступные ресурсы для будущей колонизации Марса.

Космический лифт Фобос

Гравитация Земли , Марса и Луны на высоте

Фобос приливно -отливной : одна сторона всегда обращена к его главной планете, Марсу. Лифт, простирающийся на 6000 км от этой внутренней стороны, закончится примерно в 28 километрах над поверхностью Марса , прямо за пределами более плотных частей атмосферы Марса . Похожий трос, простирающийся на 6000 км в противоположном направлении, уравновесит первый, поэтому центр масс этой системы останется в Фобосе. В общей сложности космический лифт простирался бы более чем на 12000 км, что будет ниже ареостационарной орбиты Марса (17032 км). Запуск ракеты все равно был бы необходим, чтобы доставить ракету и груз к началу космического лифта в 28 км над поверхностью. Поверхность Марса вращается со скоростью 0,25 км/с на экваторе, а нижняя часть космического лифта будет вращаться вокруг Марса со скоростью 0,77 км/с, поэтому для того, чтобы добраться до космического лифта, понадобится всего 0,52 км/с (1872 км/ч) Delta-v . Фобос вращается со скоростью 2,15 км/с, а самая внешняя часть космического лифта будет вращаться вокруг Марса со скоростью 3,52 км/с. ^{[72] [73]}

Луна Земли является потенциальным местом для лунного космического лифта , особенно потому, что удельная прочность, необходимая для троса, достаточно низка, чтобы использовать имеющиеся в настоящее время материалы. Луна вращается недостаточно быстро, чтобы лифт мог поддерживаться центробежной силой (близость Земли означает, что нет эффективной лунно-стационарной орбиты), но дифференциальные силы гравитации означают, что лифт может быть построен через точки Лагранжа . Лифт ближней стороны будет проходить через точку L1 Земля-Луна от точки крепления вблизи центра видимой части Луны Земли: длина такого лифта должна превышать максимальную высоту L1 в 59 548 км и будет значительно длиннее, чтобы уменьшить массу требуемого противовеса вершины. ^[74] Лунный лифт дальней стороны будет проходить через точку Лагранжа L2 и должен быть длиннее, чем на ближней стороне; опять же, длина троса зависит от выбранной массы якоря вершины, но она также может быть изготовлена ​​из существующих инженерных материалов. ^[74]

16 Концепция космического лифта Психеи — поверхностная гравитация составляет менее 2% от земной на ~0,144 м/с ^{2 [75]}

Концепция космического лифта Цереры –
Поверхностная гравитация

• 0,284 м/с ^{2 [76]}
• 0,029 г

менее 3% от земного

Быстро вращающиеся астероиды или луны могли бы использовать кабели для выброса материалов в удобные точки, такие как орбиты Земли; ^[77] или наоборот, для выброса материалов для отправки части массы астероида или луны на орбиту Земли или в точку Лагранжа . Фримен Дайсон , физик и математик, предложил ^{[ требуется ссылка ]} использовать такие меньшие системы, как генераторы энергии в точках, удаленных от Солнца, где солнечная энергия неэкономична.

По словам Фрэнсиса Грэма из Университета штата Кент, космический лифт с использованием имеющихся в настоящее время инженерных материалов может быть построен между взаимно приливно заблокированными мирами, такими как Плутон и Харон или компоненты бинарного астероида 90 Антиопа , без разъединения терминалов. ^[78] Однако из-за эллиптичности орбит необходимо использовать намотанные кабели переменной длины.

Строительство

Строительство космического лифта потребует снижения некоторых технических рисков. Требуются некоторые достижения в области инженерии, производства и физических технологий. ^[2] После того, как первый космический лифт будет построен, второй и все остальные будут использовать предыдущие для помощи в строительстве, что значительно снизит их стоимость. Такие последующие космические лифты также выиграют от значительного снижения технических рисков, достигнутого при строительстве первого космического лифта. ^[2]

До работы Эдвардса в 2000 году ^[16] большинство концепций по строительству космического лифта предполагали изготовление троса в космосе. Считалось, что это необходимо для такого большого и длинного объекта и для такого большого противовеса. Изготовление троса в космосе в принципе осуществлялось бы с использованием астероида или околоземного объекта в качестве исходного материала. ^{[15] [79]} Эти более ранние концепции по строительству требовали большой уже существующей космической инфраструктуры для маневрирования астероида на его необходимую орбиту вокруг Земли. Они также требовали разработки технологий для производства в космосе больших количеств точных материалов. ^{[35] : 326}

С 2001 года большая часть работы была сосредоточена на более простых методах строительства, требующих гораздо меньших космических инфраструктур. Они предполагают запуск длинного кабеля на большой катушке с последующим развертыванием его в космосе. ^{[2] [16] [35] : 326} Катушка изначально будет припаркована на геостационарной орбите над запланированной точкой привязки. Длинный кабель будет сброшен «вниз» (к Земле) и будет уравновешен массой, сброшенной «вверх» (от Земли), чтобы вся система оставалась на геосинхронной орбите. Более ранние проекты предполагали, что уравновешивающая масса будет другим кабелем (с противовесом), простирающимся вверх, при этом основная катушка останется на исходном уровне геосинхронной орбиты. Большинство современных проектов поднимают саму катушку по мере того, как основной кабель разматывается, что является более простым процессом. Когда нижний конец кабеля станет достаточно длинным, чтобы достичь поверхности Земли (на экваторе), он будет закреплен. После закрепления центр масс будет поднят еще выше (добавлением массы на верхнем конце или вытягиванием большего количества троса). Это добавит больше натяжения всему тросу, который затем можно будет использовать в качестве лифтового троса.

Один из планов строительства использует обычные ракеты для размещения начального кабеля «минимального размера» весом всего 19 800 кг. ^[2] Эта первая очень маленькая лента будет достаточной для поддержки первого альпиниста весом 619 кг. Первые 207 альпинистов поднимут и прикрепят больше кабеля к исходному, увеличив площадь его поперечного сечения и расширив начальную ленту примерно до 160 мм в самой широкой точке. Результатом будет 750-тонный кабель с грузоподъемностью 20 тонн на альпиниста.

Вопросы безопасности и проблемы строительства

Для ранних систем время перехода от поверхности до уровня геосинхронной орбиты составляло около пяти дней. На этих ранних системах время, потраченное на перемещение через радиационные пояса Ван Аллена, было бы достаточным, чтобы пассажиры были защищены от радиации экранированием, что увеличило бы массу альпиниста и уменьшило бы полезную нагрузку. ^[80]

Космический лифт будет представлять навигационную опасность как для самолетов, так и для космических кораблей. Самолеты могут быть отклонены ограничениями управления воздушным движением . Все объекты на стабильных орбитах, перигей которых ниже максимальной высоты троса, которые не синхронизированы с тросом, в конечном итоге столкнутся с тросом, если не будут предприняты меры по его предотвращению. Одним из возможных решений, предложенных Эдвардсом, является использование подвижного якоря (морского якоря), чтобы трос мог «уклоняться» от любого космического мусора, достаточно большого для отслеживания. ^[2]

Удары космических объектов, таких как метеороиды, микрометеориты и орбитальный искусственный мусор, создают еще одно ограничение конструкции кабеля. Кабель должен быть спроектирован так, чтобы уходить от мусора или поглощать удары небольшого мусора без разрыва. ^{[ необходима цитата ]}

Экономика

С космическим лифтом материалы могут быть отправлены на орбиту за часть текущей стоимости. По состоянию на 2022 год обычные конструкции ракет стоят около 12 125 долларов США за килограмм (5 500 долларов США за фунт ) для перевода на геостационарную орбиту. ^[81] Текущие предложения по космическому лифту предусматривают цены на полезную нагрузку, начиная с 220 долларов США за килограмм (100 долларов США за фунт ), ^[82] аналогичные оценкам в 5–300 долларов США/кг для Launch loop , но выше, чем 310 долларов США/тонна на орбиту 500 км, предложенные доктору Джерри Пурнеллу для орбитальной системы дирижаблей. ^[83]

Филип Раган, соавтор книги « Покинув планету на космическом лифте », утверждает, что «страна, которая первой запустит космический лифт, будет иметь 95-процентное преимущество в стоимости и потенциально сможет контролировать всю космическую деятельность». ^[84]

Международный консорциум по космическим лифтам (ISEC)

Международный консорциум по космическим лифтам (ISEC) — американская некоммерческая корпорация 501(c)(3) ^[85], созданная для содействия разработке, строительству и эксплуатации космического лифта как «революционного и эффективного пути в космос для всего человечества». ^[86] Он был создан после конференции по космическим лифтам в Редмонде, штат Вашингтон, в июле 2008 года и стал дочерней организацией Национального космического общества ^[87] в августе 2013 года. ^[86] ISEC проводит ежегодную конференцию по космическим лифтам в Сиэтлском музее авиации . ^{[88] [89] [90]}

ISEC координирует свою деятельность с двумя другими крупными обществами, занимающимися космическими лифтами: Японской ассоциацией космических лифтов ^[91] и EuroSpaceward. ^[92] ISEC ежегодно поддерживает симпозиумы и презентации в Международной академии астронавтики ^[93] и Конгрессе Международной астронавтической федерации ^{[94] .}

Связанные концепции

Традиционная современная концепция «Космического лифта» эволюционировала от статической сжимающей конструкции, достигающей уровня ГСО, к современной базовой идее статической растяжимой конструкции, закрепленной на земле и простирающейся значительно выше уровня ГСО. В современном использовании практиками (и в этой статье) «Космический лифт» означает тип Циолковского-Арцутанова-Пирсона, рассматриваемый Международным консорциумом космических лифтов. Этот традиционный тип представляет собой статическую конструкцию, закрепленную на земле и простирающуюся в космос достаточно высоко, чтобы груз мог подняться по конструкции с земли на уровень, где простое освобождение выведет груз на орбиту . ^[95]

Некоторые концепции, связанные с этой современной базовой линией, обычно не называются «Космическим лифтом», но в некотором роде похожи и иногда называются «Космическим лифтом» их сторонниками. Например, Ганс Моравец опубликовал статью в 1977 году под названием «Несинхронный орбитальный Skyhook », описывающую концепцию с использованием вращающегося кабеля. ^[96] Скорость вращения будет точно соответствовать орбитальной скорости таким образом, что скорость кончика в самой нижней точке будет равна нулю по сравнению с объектом, который будет «поднят». Он будет динамически захватывать и затем «поднимать» высоко летящие объекты на орбиту или низко орбитальные объекты на более высокую орбиту.

Первоначальная концепция, задуманная Циолковским, представляла собой компрессионную конструкцию, похожую на воздушную мачту . Хотя такие конструкции могут достигать космоса (100 км, 62 мили), они вряд ли достигнут геостационарной орбиты. Была предложена концепция башни Циолковского в сочетании с классическим кабелем космического лифта (выходящим выше уровня ГСО). ^[6] Другие идеи используют очень высокие компрессионные башни для снижения требований к ракетам-носителям. ^[97] Ракета «поднимается» вверх по башне, которая может возвышаться до уровня атмосферы , и запускается сверху. Такая высокая башня для доступа к высотам околоземного космоса в 20 км (12 миль) была предложена различными исследователями. ^{[97] [98] [99]}

Аэроватор — это концепция, придуманная Yahoo Group, обсуждающей космические лифты, и включенная в книгу 2009 года о космических лифтах. Он будет состоять из ленты длиной >1000 км, простирающейся по диагонали вверх от наземного узла, а затем выравнивающейся, чтобы стать горизонтальной. Самолет будет тянуть ленту, летая по кругу, заставляя ленту вращаться вокруг узла один раз каждые 13 минут, а ее кончик будет двигаться со скоростью 8 км/с. Лента будет оставаться в воздухе за счет сочетания аэродинамической подъемной силы и центробежной силы. Полезные грузы будут подниматься по ленте, а затем запускаться с быстро движущегося кончика на орбиту. ^[100]

Другие концепции неракетного космического запуска, связанные с космическим лифтом (или частями космического лифта), включают орбитальное кольцо , космический фонтан , пусковую петлю , небесный крюк , космический трос и плавучий «SpaceShaft». ^[101]

Примечания

1. Конкретные замены, используемые для получения фактора4,85 × 10 ⁷ :
   ${\displaystyle A(R_{g})/A_{s}=\exp \left[{\frac {\rho \times 9.81\times (6.378\times 10^{6})^{2}}{T}}\left({\frac {1}{6.378\times 10^{6}}}+{\frac {(6.378\times 10^{6})^{2}}{2(4.2164\times 10^{7})^{3}}}-{\frac {1}{4.2164\times 10^{7}}}-{\frac {(4.2164\times 10^{7})^{2}}{2(4.2164\times 10^{7})^{3}}}\right)\right]}$

Смотрите также

• Космический портал
• Научный портал

• Гравитационный лифт
• Орбитальное кольцо

Ссылки

1. «Что такое космический лифт?». Международный консорциум по космическим лифтам. 2014. Получено 22 августа 2020 г.
2. Эдвардс, Брэдли Карл. Программа космического лифта NIAC (отчет). Институт передовых концепций НАСА. Архивировано из оригинала 12 мая 2008 г. Получено 24 ноября 2007 г.{{cite report}}: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)
3. Циолковский, Константин (2004). Сны о Земле и Небе . Athena Books. ISBN 9781414701639.
4. Дерек Дж. Пирсон (2022). «Крутой подъем на низкую околоземную орбиту: история битвы сообщества космических лифтов против ракетной парадигмы».
5. "The Audacious Space Elevator". NASA Science News. Архивировано из оригинала 19 сентября 2008 года . Получено 27 сентября 2008 года .
6. Landis, Geoffrey A. & Cafarelli, Craig (1999). "The Tsiolkovski Tower Reexamined". Журнал Британского межпланетного общества . 52. Представлено в виде статьи IAF-95-V.4.07, 46-й конгресс Международной федерации астронавтики, Осло, Норвегия, 2-6 октября 1995 г.: 175–180. Bibcode : 1999JBIS...52..175L.
7. Арцутанов, Ю. В. Космос на Электровозе (В космос на фуникулере). Комсомольская правда (Молодая коммунистическая правда), 31 июля 1960 г. Содержание описано в Львове, Science 158:946, 17 ноября 1967 г.
8. Львов, Владимир (17 ноября 1967 г.). «Sky-Hook: Old Idea». Science . 158 (3803): 946–947. Bibcode :1967Sci...158..946L. doi :10.1126/science.158.3803.946. ISSN  0036-8075. PMID  17753605.
9. Арцутанов, Ю. (1960). «В космос на электричке» (PDF) . liftport.com . Young Person's Pravda. Архивировано из оригинала (PDF) 6 мая 2006 года . Получено 5 марта 2006 года .
10. Айзекс, Дж. Д.; Вайн, А. К.; Брэднер, Х.; Бахус, Г. Э. (1966). «Удлинение спутника в настоящий «небесный крюк»". Наука . 151 (3711): 682–683. Bibcode :1966Sci...151..682I. doi :10.1126/science.151.3711.682. PMID  17813792. S2CID  32226322.
11. Пирсон, Дж. (1975). «Орбитальная башня: пусковая установка космического корабля, использующая энергию вращения Земли» (PDF) . Acta Astronautica . 2 (9–10): 785–799. Bibcode :1975AcAau...2..785P. CiteSeerX 10.1.1.530.3120 . doi :10.1016/0094-5765(75)90021-1. 
12. Кларк, Артур С. (1979). Фонтаны рая. Харкорт Брейс Йованович . Харкорт Брейс Йованович. ISBN 9780151327737.
13. Буше, Марк (8 апреля 2013 г.). «Космический лифт: «мысленный эксперимент» или ключ ко Вселенной?». SpaceRef . Получено 30 мая 2024 г.
14. Эдвардс, Брэдли К. (2004). «Стратегия исследования на основе космического лифта». Труды конференции AIP . 699. AIP: 854–862. Bibcode : 2004AIPC..699..854E. doi : 10.1063/1.1649650.
15. Smitherman, Jr., DV, ed. (август 2000 г.). Космические лифты: передовая инфраструктура Земля-космос для нового тысячелетия (PDF) (отчет). NASA . Архивировано (PDF) из оригинала 28 марта 2015 г.
16. Брэдли С. Эдвардс , «Космический лифт».
17. Эдвардс, Брэдли С. (1 марта 2003 г.). Космический лифт: NIAC Phase II Final Report (PDF) (Отчет). Eureka Scientific.
18. Брэдли С. Эдвардс; Эрик А. Вестлинг (2003). Космический лифт: революционная система транспортировки с Земли в космос . BC Edwards. ISBN 9780974651712.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
19. Science @ NASA, «Смелые и возмутительные: космические лифты». Архивировано 19 сентября 2008 г. на Wayback Machine , сентябрь 2000 г.
20. Бойл, Алан (27 августа 2004 г.). «Предложен конкурс космических лифтов». NBC News. Архивировано из оригинала 14 декабря 2013 г.
21. "The Space Elevator – Elevator:2010". Архивировано из оригинала 6 января 2007 года . Получено 5 марта 2006 года .
22. "Правила соревнований роботов-альпинистов Space Elevator Ribbon". Архивировано из оригинала 6 февраля 2005 г. Получено 5 марта 2006 г.
23. "NASA Announces First Centennial Challenges' Prizes". 2005. Архивировано из оригинала 8 июня 2005 года . Получено 5 марта 2006 года .
24. Бритт, Роберт Рой (24 марта 2005 г.). «NASA Details Cash Prizes for Space Privatization» (НАСА детализирует денежные призы за приватизацию космоса). Space.com . Получено 5 марта 2006 г.
25. "Что такое European Space Elevator Challenge?". European Space Elevator Challenge. Архивировано из оригинала 15 августа 2011 года . Получено 21 апреля 2011 года .
26. Cain, Fraser (27 апреля 2005 г.). "Space Elevator Group to Manufacture Nanotubes". Universe Today . Получено 5 марта 2006 г.
27. Грошонг, Кимм (15 февраля 2006 г.). «Космический лифт поднимается на милю». New Scientist . Получено 5 марта 2006 г.
28. «Если бы космический лифт когда-либо появился, он мог бы появиться в Нью-Джерси. Вот как все пошло не так». NJ.com. 28 марта 2019 г. Получено 11 мая 2019 г.
29. Лифт:2010 – Испытание космического лифта. spaceward.org.
30. Spaceward Games 2007. Фонд Spaceward.
31. Льюис, Лео (22 сентября 2008 г.). «Япония надеется превратить научную фантастику в реальность с помощью лифта к звездам». The Times . Лондон, Англия . Получено 23 мая 2010 г.Льюис, Лео; News International Group; доступ получен 22 сентября 2008 г.
32. "Подъем: японский строитель присматривается к космическому лифту". Phys.org . 22 февраля 2012 г.
33. Дейли, Джейсон (5 сентября 2018 г.). «Япония делает крошечный первый шаг к космическому лифту». Smithsonian Magazine .
34. Ishikawa, Y. (2016). «Концепция строительства космического лифта корпорации Obayashi». Журнал Британского межпланетного общества . 69 : 227–239. Bibcode : 2016JBIS...69..227I . Получено 5 января 2021 г.
35. Свон, Питер А.; Райтт, Дэвид И.; Свон, Кэти У.; Пенни, Роберт Э.; Кнапман, Джон М., ред. (2013). Космические лифты: оценка технологической осуществимости и пути вперед (PDF) . Международная академия астронавтики . ISBN 9782917761311. Архивировано (PDF) из оригинала 16 мая 2014 года.
36. Свон, Питер; Пенни, Роберт «Скип»; Свон, Кэти, ред. (2010). Выживаемость космических лифтов, борьба с космическим мусором (PDF) (Отчет). Международный консорциум по космическим лифтам.^{[ самостоятельно опубликованный источник ]}
37. Гаёмали, Крис (15 апреля 2014 г.). «Google X подтверждает слухи: он действительно пытался разработать космический лифт». Fast Company . Получено 17 апреля 2014 г.
38. Сноуден, Скотт (2 октября 2018 г.). «Колоссальный лифт в космос может появиться раньше, чем вы когда-либо могли себе представить». NBC News .
39. Барбер, Меган (12 сентября 2018 г.). «Япония пытается построить лифт в космос». Curbed.com . Получено 18 сентября 2018 г. .
40. "Япония испытывает миниатюрный космический лифт рядом с Международной космической станцией". 4 сентября 2018 г.
41. Свон П.А., Райт Д.И., Кнапман Дж.М., Цучида А., Фицджеральд М.А., Исикава Ю. (30 мая 2019 г.). Дорога в эпоху космических лифтов. Международная академия космонавтики. ISBN 978-0-9913370-3-3.
42. «Технология космического лифта и графен: интервью с Эдрианом Никсоном». 23 июля 2018 г.
43. Моравец, Ганс (1978). Несинхронные орбитальные «небесные крючки» для Луны и Марса с использованием обычных материалов. Университет Карнеги-Меллона. frc.ri.cmu.edu.
44. Флеминг, Ник (15 февраля 2015 г.). «Стоит ли нам отказаться от мечты о космических лифтах?». BBC . Получено 4 января 2021 г.«Это чрезвычайно сложно. Я не думаю, что создание космического лифта действительно реалистично», — заявил Илон Маск на конференции в Массачусетском технологическом институте, добавив, что было бы проще «иметь мост из Лос-Анджелеса в Токио», чем лифт, который мог бы доставлять материалы в космос.
45. Донахью, Мишель З. (21 января 2016 г.). «Люди все еще пытаются построить космический лифт». Smithsonian Magazine . Получено 4 января 2020 г. .«Мы понимаем, что это сложный проект», — говорит Ёдзи Ишикава. «Наши технологии очень низкие. Если нам нужно быть на уровне 100, чтобы построить лифт, то сейчас мы на уровне 1 или 2. Но мы не можем сказать, что этот проект невозможен».
46. "Почему мир все еще ждет свой первый космический лифт". The Economist. 30 января 2018 г. Получено 4 января 2020 г. Главное препятствие заключается в том, что ни один известный материал не обладает необходимым сочетанием легкости и прочности, необходимым для кабеля, который должен выдерживать собственный вес. Углеродные нанотрубки часто рекламируются как возможность, но они имеют лишь около одной десятой необходимого соотношения прочности к весу и не могут быть превращены в нити длиной более нескольких сантиметров, не говоря уже о тысячах километров. Алмазные нанонити, еще одна экзотическая форма углерода, могут быть прочнее, но их свойства все еще плохо изучены.
47. Арон, Джейкоб (13 июня 2016 г.). «Углеродные нанотрубки слишком слабы, чтобы поднять космический лифт в воздух». New Scientist . Получено 3 января 2020 г. Фэн Дин из Гонконгского политехнического университета и его коллеги смоделировали УНТ с одним атомом не на своем месте, превратив два шестиугольника в пятиугольник и семиугольник и создав перегиб в трубке. Они обнаружили, что этого простого изменения было достаточно, чтобы снизить идеальную прочность УНТ до 40 ГПа, причем эффект был еще более серьезным, когда они увеличили количество смещенных атомов... Это плохие новости для людей, которые хотят построить космический лифт, кабель между Землей и орбитальным спутником, который обеспечил бы легкий доступ в космос. Оценки показывают, что такой кабель должен иметь прочность на разрыв 50 ГПа, поэтому УНТ были многообещающим решением, но исследования Дина показывают, что они не будут работать.
48. Кристенсен, Биллн (2 июня 2006 г.). «Нанотрубки могут не иметь нужного материала». Space.com . Получено 3 января 2020 г. . Недавние расчеты Николы Пуньо из Политехнического института Турина, Италия, показывают, что кабели из углеродных нанотрубок не будут работать... Согласно их расчетам, кабель должен быть в два раза прочнее, чем любой существующий материал, включая графит, кварц и алмаз.
49. Уиттакер, Клей (15 июня 2016 г.). «Углеродные нанотрубки не справятся с космическим лифтом». Popular Science . Получено 3 января 2020 г. . Итак, планы по созданию космического лифта возвращаются к исходной точке, ребята. Углеродные нанотрубки, вероятно, не станут нашим материальным решением для космического лифта, потому что, по-видимому, даже крошечный (читай: атомный) изъян в конструкции резко снижает прочность.
50. Calderone, Julia (26 сентября 2014 г.). «Жидкий бензол, сжатый для формирования алмазных нанонитей». Scientific American . Получено 22 июля 2018 г. .
51. Энтони, Себастьян (23 сентября 2014 г.). «Новые алмазные нанонити могут стать ключевым материалом для строительства космического лифта». Extremetech . Zeff Davis, LLC . Получено 22 июля 2018 г. .
52. Aravind, PK (2007). "Физика космического лифта" (PDF) . American Journal of Physics . 45 (2): 125. Bibcode :2007AmJPh..75..125A. doi :10.1119/1.2404957. Архивировано из оригинала (PDF) 21 декабря 2018 года . Получено 7 января 2013 года .
53. Артукович, Ранко (2000). «Космический лифт». zadar.net
54. Эдвардс BC, Вестлинг EA. (2002) Космический лифт: революционная система транспортировки с Земли в космос. Сан-Франциско, Калифорния: Spageo Inc. ISBN 0-9726045-0-2 . 
55. Globus, Al; et al. "NAS-97-029: NASA Applications of Molecular Nanotechnology" (PDF) . NASA. Архивировано из оригинала (PDF) 8 апреля 2016 г. . Получено 27 сентября 2008 г. .
56. Эта «длина побега» в 4960 км (вычисленная Артуром Кларком в 1979 году) намного короче фактического пройденного расстояния, поскольку центробежные силы резко возрастают (а гравитация уменьшается) с высотой: Кларк, А.С. (1979). «Космический лифт: „мысленный эксперимент“ или ключ ко вселенной?». Архивировано из оригинала 3 января 2014 года . Получено 5 января 2010 года .
57. Scharr, Jillian (29 мая 2013 г.). «Эксперты говорят, что строительство космических лифтов приостановлено по крайней мере до тех пор, пока не появятся более прочные материалы». Huffington Post .
58. Фелтман, Р. (7 марта 2013 г.). «Почему у нас нет космических лифтов?». Popular Mechanics .
59. Темплтон, Грэм (6 марта 2014 г.). «60 000 миль вверх: космический лифт может быть построен к 2035 году, говорится в новом исследовании». Extreme Tech . Получено 14 апреля 2014 г.
60. Wang, X.; Li, Q.; Xie, J.; Jin, Z.; Wang, J.; Li, Y.; Jiang, K.; Fan, S. (2009). «Изготовление сверхдлинных и электрически однородных однослойных углеродных нанотрубок на чистых подложках» (PDF) . Nano Letters . 9 (9): 3137–3141. Bibcode :2009NanoL...9.3137W. CiteSeerX 10.1.1.454.2744 . doi :10.1021/nl901260b. PMID  19650638. Архивировано из оригинала (PDF) 8 августа 2017 г. 
61. Lang, David D. "Space Elevator Dynamic Response to In-Transit Climbers" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 мая 2016 г. . Получено 9 февраля 2016 г. .
62. Гассенд, Блейз. "Падающие альпинисты" . Получено 16 декабря 2013 г.
63. "Космический лифт на низкую орбиту?". Endless Skyway . 19 мая 2010 г. Архивировано из оригинала 16 декабря 2013 г. Получено 16 декабря 2013 г.
64. Гассенд, Блейз. "Почему центр масс космического лифта не находится на ГСО" . Получено 30 сентября 2011 г.
65. Коэн, Стивен С.; Мисра, Арун К. (2009). «Влияние перемещения альпиниста на динамику космического лифта». Acta Astronautica . 64 (5–6): 538–553. Bibcode : 2009AcAau..64..538C. doi : 10.1016/j.actaastro.2008.10.003.
66. Кортленд, Рэйчел. «Поездки на космическом лифте могут быть мучительно медленными». New Scientist . Получено 28 мая 2021 г.
67. Фосетт, Билл; Лейн, Майкл и Нуджент-младший, Том (2006). LIFTPORT . Канада: Meisha Merlin Publishing, Inc. стр. 103. ISBN 978-1-59222-109-7.
68. Свон, PA; Свон, CW; Пенни, RE; Кнапман, JM; Гласковски, PN "Рассмотрение конструкции тросовых подъемников для космических лифтов" (PDF) . ISEC . Архивировано из оригинала (PDF) 16 января 2017 г. В течение последних десяти лет предполагалось, что единственная доступная энергия будет поступать с поверхности Земли, поскольку это было недорого и технологически осуществимо. Однако в течение последних десяти лет обсуждений, докладов на конференциях, космических исследований IAA и интереса по всему миру многие обсуждения привели некоторых людей к следующим выводам: • Технология солнечных батарей быстро совершенствуется и обеспечит достаточно энергии для подъема • Огромные достижения происходят в области легких развертываемых конструкций.
69. Чодош, Сара (29 марта 2017 г.). «Это здание, висящее на астероиде, абсурдно, но давайте на секунду отнесемся к этому серьезно». Popular Science . Получено 4 сентября 2019 г.
70. Энгель, Килиан А. "IAC-04-IAA.3.8.3.04 Сценарии транспортировки на Луну с использованием космического лифта" (PDF) . www.spaceelevator.com. Архивировано из оригинала (PDF) 24 апреля 2012 г.
71. Форвард, Роберт Л. и Моравек, Ганс П. (22 марта 1980 г.) Космические лифты. Университет Карнеги-Меллона. «Довольно интересно, что они уже более чем достаточно прочны для строительства небесных крюков на Луне и Марсе».
72. Weinstein, Leonard M. (январь 2003 г.). «Колонизация космоса с использованием космических лифтов с Фобоса» (PDF) . Труды конференции AIP . 654 : 1227–1235. Bibcode :2003AIPC..654.1227W. doi :10.1063/1.1541423. hdl :2060/20030065879. S2CID  1661518 . Получено 23 декабря 2022 г. .
73. Вайнштейн, Леонард (2003). «Колонизация космоса с использованием космических лифтов с Фобоса» . Труды конференции AIP . Труды конференции AIP. Том 654. стр. 1227–1235. Bibcode :2003AIPC..654.1227W. doi :10.1063/1.1541423. hdl : 2060/20030065879 .
74. Пирсон, Джером; Левин, Юджин; Олдсон, Джон; Уайкс, Гарри (2005). «Лунные космические лифты для фазы I разработки цислунарного пространства. Финальный технический отчет» (PDF) .
75. Шепард, Майкл К.; Ричардсон, Джеймс; Тейлор, Патрик А.; и др. (2017). «Радарные наблюдения и модель формы астероида 16 Психея». Icarus . 281 : 388–403. Bibcode :2017Icar..281..388S. doi : 10.1016/j.icarus.2016.08.011 .
76. Рассчитано на основе известных параметров:
    • Площадь поверхности: 4πr ²
    • Поверхностная гравитация: ⁠ГМ/г ²⁠
    • Скорость убегания: √ ⁠2ГМ/г⁠
    • Скорость вращения: ⁠период вращения/окружность⁠
77. Бен Шелиф, Spaceward Foundation. Asteroid Slingshot Express – возврат образцов с помощью троса. Архивировано 6 августа 2013 г. на Wayback Machine .
78. Грэм Ф. Г. (2009). «Предварительный проект кабельного космического аппарата, соединяющего взаимно приливно заблокированные планетарные тела». 45-я конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit . doi :10.2514/6.2009-4906. ISBN 978-1-60086-972-3.
79. Хайн, А.М., Создание троса космического лифта с использованием околоземного объекта: предварительная оценка, Международный астронавтический конгресс 2012 г., IAC-2012, Неаполь, Италия, 2012 г.
80. "Космические лифты: "Первый этаж, смертельная радиация!"". New Scientist . Reed Business Information Ltd. 13 ноября 2006 г. Получено 2 января 2010 г.
81. "Smallsat Rideshare Program". SpaceX . 1 марта 2022 г. Получено 1 мая 2023 г.
82. The Spaceward Foundation. "Часто задаваемые вопросы о космическом лифте". Маунтин-Вью, Калифорния. Архивировано из оригинала 27 февраля 2009 года . Получено 3 июня 2009 года .
83. Пурнель, Джерри (23 апреля 2003 г.). "Пятничный пост VIEW с конференции 2004 года по доступу в космос" . Получено 1 января 2010 г.
84. Рамадж, Эндрю; Шнайдер, Кейт (17 ноября 2008 г.). «Вперед, чтобы построить первый в мире космический лифт». news.com.au . Архивировано из оригинала 13 сентября 2015 г. . Получено 14 января 2016 г. .
85. "ISEC IRS filing". apps.irs.gov . Получено 9 февраля 2019 г. .
86. "Что такое ISEC? : О нас". ISEC . Архивировано из оригинала 7 июля 2012 . Получено 2 июня 2012 .
87. "NSS Affiliates". www.nss.org . Архивировано из оригинала 16 октября 2015 г. Получено 30 августа 2015 г.
88. Дэвид, Леонард (22 сентября 2014 г.). «Сторонники космического лифта высокомерно смотрят на инновационные концепции». Space.com . Получено 13 февраля 2019 г. .
89. "Международный консорциум по космическим лифтам (ISEC) 2017 Space Elevator Conference". Национальное космическое общество. 14 августа 2017 г. Получено 13 февраля 2019 г.
90. Буше, Марк (17 июля 2012 г.). «Ежегодная конференция по космическому лифту назначена на 25–27 августа». SpaceRef . Получено 13 февраля 2019 г. .^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
91. «Японская ассоциация космических лифтов». 一般｜JSEA 一般社団法人 宇宙エレベーター協会. Получено 30 августа 2015 г.
92. "Eurospaceward". Eurospaceward . 30 августа 2015 . Получено 30 августа 2015 .
93. Акира, Цучида (2 октября 2014 г.). "Домашняя страница исследовательской группы 3.24, Дорога к эре космического лифта". Международная академия астронавтики (IAA) . Получено 30 августа 2015 г.
94. "IAC 2014 Meeting Schedule". Международная астронавтическая федерация . Архивировано из оригинала 24 сентября 2015 года . Получено 30 августа 2015 года .
95. "CLIMB: Журнал Международного консорциума космических лифтов", том 1, номер 1, декабрь 2011 г. Этот журнал цитируется в качестве примера того, что международное сообщество обычно подразумевает под термином "Космический лифт". [1] Архивировано 18 декабря 2013 г. на Wayback Machine .
96. Моравец, Ханс П. (октябрь–декабрь 1977 г.). «Несинхронный орбитальный Skyhook». Журнал астронавтических наук . 25 : 307–322. Bibcode : 1977JAnSc..25..307M.
97. Куайн, Б. М.; Сет, Р. К.; Чжу, Ж. Х. (2009). «Свободно стоящая конструкция космического лифта: практическая альтернатива космическому тросу» (PDF) . Acta Astronautica . 65 (3–4): 365. Bibcode :2009AcAau..65..365Q. CiteSeerX 10.1.1.550.4359 . doi :10.1016/j.actaastro.2009.02.018. 
98. Лэндис, Джеффри (1998). «Конструкции сжатия для запуска с Земли». 34-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам . doi :10.2514/6.1998-3737.
99. Hjelmstad, Keith, «Structural Design of the Tall Tower», Hieroglyph , 30 ноября 2013 г. Получено 1 сентября 2015 г.
100. Ван Пелт, Майкл (2009), «Космические лифты», Космические тросы и космические лифты , Нью-Йорк, Нью-Йорк: Springer, стр. 143–178, doi :10.1007/978-0-387-76556-3_6, ISBN 978-0-387-76556-3, получено 27 декабря 2023 г..
101. "Space Shaft: Или история, которая была бы немного лучше, если бы только кто-то знал..." Knight Science Journalism @MIT . Получено 18 апреля 2024 г.

Дальнейшее чтение

• Публикация конференции, основанная на результатах семинара Advanced Space Infrastructure Workshop on Geostationary Orbiting Tether "Space Elevator" Concepts Архивировано 28 марта 2015 г. в Wayback Machine (PDF), проведенного в 1999 г. в Центре космических полетов им. Маршалла НАСА, Хантсвилл, Алабама. Составлено Д. В. Смитерманом-младшим, опубликовано в августе 2000 г.
• «Политическая экономия очень больших космических проектов» HTML PDF, Джон Хикман, доктор философии Журнал эволюции и технологий Том 4 – ноябрь 1999 г.
• Подъем на небеса Брэдли Карл Эдвардс
• Ziemelis K. (2001) «Going up». В New Scientist 2289 : 24–27. Переиздано в SpaceRef Архивировано 12 января 2022 г. в Wayback Machine . Титульный лист: «Великий космический лифт: машина мечты, которая превратит нас всех в астронавтов».
• Космический лифт приближается к реальности. Обзор Леонарда Дэвида из space.com, опубликованный 27 марта 2002 г.
• Кришнасвами, Шридхар. Анализ напряжений – Орбитальная башня (PDF)
• Дорожная карта LiftPort для Elevator To Space SE (PDF )
• Шига, Дэвид (28 марта 2008 г.). «Космические лифты сталкиваются с проблемой колебания». New Scientist .
• Александр Болонкин, «Неракетный космический запуск и полет». Elsevier, 2005. 488 стр. ISBN 978-0-08044-731-5 . 

Внешние ссылки

Послушайте эту статью ( 54 минуты )

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 29 мая 2006 года и не отражает последующие правки. (2006-05-29)

( Аудиопомощь  · Больше устных статей )

• The Economist: Waiting For The Space Elevator (8 июня 2006 г. – требуется подписка)
• CBC Radio Quirks and Quarks 3 ноября 2001 г. Поездка на космическом лифте
• Times of London Online: Поднимаемся наверх... а на следующем этаже — открытый космос
• Космический лифт: «мысленный эксперимент» или ключ ко Вселенной? Архивировано 1 февраля 2020 г. в Wayback Machine . Автор: сэр Артур Кларк. Выступление на XXX Международном астронавтическом конгрессе, Мюнхен, 20 сентября 1979 г.
• Веб-сайт Международного консорциума космических лифтов
• Запись о Космическом лифте в Энциклопедии научной фантастики