stringtranslate.com

Неракетный космический запуск

Неракетный космический запуск относится к теоретическим концепциям запуска в космос , где большая часть скорости и высоты, необходимых для достижения орбиты, обеспечивается за счет двигательной техники, которая не подчиняется ограничениям уравнения ракеты . [1] Хотя все космические запуски до настоящего времени осуществлялись с помощью ракет, было предложено несколько альтернатив ракетам. [2] В некоторых системах, таких как комбинированная система запуска, skyhook , запуск с помощью ракетных саней , rockoon или воздушный запуск , часть общей дельта-v может быть обеспечена, либо напрямую, либо косвенно, с помощью ракетного движения.

В настоящее время стоимость запуска очень высока — от 2500 до 25 000 долларов за килограмм с Земли на низкую околоземную орбиту (НОО). В результате стоимость запуска составляет большую долю от стоимости всех космических проектов. Если запуск можно сделать дешевле, общая стоимость космических миссий снизится. Из-за экспоненциальной природы уравнения ракеты, предоставление даже небольшого количества скорости на НОО другими способами имеет потенциал значительного снижения стоимости выхода на орбиту.

Расходы на запуск в сотни долларов за килограмм сделали бы возможными многие предлагаемые крупномасштабные космические проекты, такие как колонизация космоса , космическая солнечная энергетика [3] и терраформирование Марса [4] .

Сравнение методов запуска космических аппаратов

  1. ^ Ссылки в этом столбце применяются ко всей строке, если иное не заменено специально.
  2. ^ ab Все денежные значения указаны в долларах без учета инфляции на дату публикации, если не указано иное.
  3. ^ Оценка на 2008 CY2008 на основе описания в системе отсчета 1993 года.
  4. ^ Требуется первая ступень ~ 5 км/с.
  5. ^ При условии очень быстрого роста посредством самонастройки.
  6. ^ Требуется, чтобы первая ступень ракеты DF-9, предложенная Boeing, достигала скорости ~ 4 км/с.
  7. ^ На основе эталонного дизайна Gen-1, версия 2010 года.
  8. Роман Жюля Верна «С Земли на Луну» . Пушечное ядро ​​Ньютона в книге 1728 года «Трактат о системе мира» считалось мысленным экспериментом. [17]

Статические конструкции

В этом случае термин «статический» подразумевает, что структурная часть системы не имеет внутренних движущихся частей.

Космическая башня

Космическая башня — это башня, которая достигнет космоса . Чтобы избежать немедленной необходимости в транспортном средстве, запущенном на орбитальной скорости, для повышения его перигея , башня должна была бы возвышаться над краем космоса (выше линии Кармана 100 км ), [26] но гораздо меньшая высота башни могла бы уменьшить потери на сопротивление атмосферы во время подъема. Если бы башня прошла весь путь до геосинхронной орбиты примерно в 35 999 километров (22 369 миль), объекты, выпущенные на такой высоте, могли бы затем дрейфовать с минимальной мощностью и находились бы на круговой орбите. Концепция структуры, достигающей геосинхронной орбиты, была впервые задумана Константином Циолковским . [27] Первоначальная концепция, задуманная Циолковским, была компрессионной структурой. Строительство компрессионной структуры с нуля оказалось нереалистичной задачей, поскольку не существовало материала с достаточной прочностью на сжатие, чтобы выдерживать собственный вес в таких условиях. [28] Другие идеи используют очень высокие компрессионные башни для снижения требований к ракетам-носителям. Транспортное средство «поднимается» вверх по башне, которая может возвышаться над атмосферой и запускается сверху. Такая высокая башня для доступа к высотам околокосмического пространства в 20 км (12 миль) была предложена различными исследователями. [29] [30]

Натяжные конструкции

Натяжные конструкции для неракетного космического запуска — это предложения по использованию длинных, очень прочных кабелей (известных как тросы ) для подъема полезной нагрузки в космос. Тросы также могут использоваться для изменения орбиты после выхода в космос.

Орбитальные тросы могут быть приливно-оттяжными ( skyhook ) или вращающимися (rotovators). Они могут быть спроектированы (теоретически) для захвата полезной нагрузки, когда полезная нагрузка неподвижна или когда полезная нагрузка гиперзвуковая (имеет высокую, но не орбитальную скорость). [ необходима цитата ]

Эндоатмосферные тросы могут использоваться для передачи кинетики (энергии и импульса) между большими обычными самолетами (дозвуковыми или слабосверхзвуковыми) или другой движущей силой и меньшими аэродинамическими аппаратами, разгоняя их до гиперзвуковых скоростей без экзотических двигательных систем. [ необходима цитата ]

Скайхук

Вращающиеся и невращающиеся небесные крюки на орбите

Skyhook — это теоретический класс орбитальных тросовых движителей, предназначенных для подъема полезных грузов на большие высоты и скорости. [31] [32] Предложения по Skyhook включают конструкции, в которых тросы вращаются с гиперзвуковой скоростью для захвата высокоскоростных полезных грузов или высотных самолетов и вывода их на орбиту. [33]

Космический лифт

Схема космического лифта. Внизу высокой схемы показана Земля, как она видна с высоты над Северным полюсом. Примерно в шести радиусах Земли над Землей нарисована дуга с тем же центром, что и Земля. Дуга изображает уровень геосинхронной орбиты. Примерно в два раза выше дуги и прямо над центром Земли противовес изображен небольшим квадратом. Линия, изображающая трос космического лифта, соединяет противовес с экватором прямо под ним. Центр масс системы описывается как находящийся выше уровня геосинхронной орбиты. Центр масс показан примерно на четверти пути от геосинхронной дуги до противовеса. Низ троса обозначен как закрепленный на экваторе. Альпинист изображен небольшим закругленным квадратом. Альпинист показан поднимающимся по тросу примерно на одну треть пути от земли до дуги. Другое примечание указывает на то, что трос вращается вместе с суточным вращением Земли и остается вертикальным.
Космический лифт будет состоять из троса, закрепленного на поверхности Земли и тянущегося в космос .

Космический лифт — это предлагаемый тип космической транспортной системы. [34] Его основным компонентом является ленточный кабель (также называемый тросом ) , закрепленный на поверхности и простирающийся в космос выше уровня геосинхронной орбиты. По мере вращения планеты центробежная сила на верхнем конце троса противодействует гравитации и удерживает трос натянутым. Затем транспортные средства могут подниматься по тросу и достигать орбиты без использования ракетного двигателя.

Такой кабель может быть изготовлен из любого материала, способного поддерживать себя под натяжением, достаточно быстро сужая диаметр кабеля по мере приближения к поверхности Земли. На Земле , с ее относительно сильной гравитацией, современные материалы недостаточно прочны и легки . При использовании обычных материалов коэффициент сужения должен быть очень большим, что увеличивает общую массу запуска до финансово невыполнимой степени. Однако в качестве растягивающего элемента в конструкции троса были предложены материалы на основе углеродных нанотрубок или нанотрубок нитрида бора . Их измеренная прочность высока по сравнению с их линейной плотностью. Они обещают сделать возможным создание наземного космического лифта. [35]

Лэндис и Кафарелли предположили, что натяжная конструкция («космический лифт»), простирающаяся вниз от геостационарной орбиты, может быть объединена со сжатой конструкцией («башня Циолковского»), простирающейся вверх от поверхности, образуя комбинированную конструкцию, достигающую геостационарной орбиты с поверхности и имеющую структурные преимущества перед каждой из них по отдельности. [28]

Концепция космического лифта применима также к другим планетам и небесным телам . Для мест в Солнечной системе с более слабой гравитацией, чем на Земле (например, Луна или Марс ), требования к прочности и плотности для материалов троса не столь высоки. Доступные в настоящее время материалы (например, кевлар ) могли бы служить в качестве материала троса для лифтов там.

Эндоатмосферные тросы

Устройство запуска воздушного змея — передача импульса транспортному средству.

Эндоатмосферный трос использует длинный кабель в атмосфере для обеспечения некоторой или всей скорости, необходимой для достижения орбиты. Трос используется для передачи кинетики (энергии и импульса) от массивного, медленного конца (обычно большого дозвукового или слабого сверхзвукового самолета) к гиперзвуковому концу посредством аэродинамики или центростремительного действия. Пусковая установка Kinetics Interchange TEther (KITE) является одним из предлагаемых эндоатмосферных тросов. [14]

Динамические структуры

Космический фонтан

Космический фонтан от Hyde Design.

Космический фонтан — это предлагаемая форма космического лифта , которая не требует, чтобы структура находилась на геосинхронной орбите , и не полагается на прочность на растяжение для поддержки. В отличие от оригинальной конструкции космического лифта ( привязной спутник ), космический фонтан — это чрезвычайно высокая башня, возвышающаяся над землей . Поскольку такая высокая башня не могла бы выдерживать собственный вес при использовании традиционных материалов, массивные гранулы проецируются вверх из нижней части башни и перенаправляются обратно вниз, как только они достигают вершины, так что сила перенаправления удерживает верх башни наверху. [36]

Орбитальное кольцо

Орбитальное кольцо.

Орбитальное кольцо — это концепция гигантского искусственно созданного кольца, висящего на низкой околоземной орбите , которое вращалось бы со скоростью, немного превышающей орбитальную, и имело бы закрепленные тросы, свисающие до земли. [37]

В серии статей 1982 года, опубликованных в журнале Британского межпланетного общества [13] , Пол Бирч представил концепцию орбитальных кольцевых систем. Он предложил вращающийся трос, размещенный на низкой околоземной орбите, вращающийся со скоростью, немного превышающей орбитальную. Не на орбите, а на этом кольце, поддерживаемом электромагнитно сверхпроводящими магнитами, находятся кольцевые станции, которые остаются в одном месте над некоторой определенной точкой на Земле. С этих кольцевых станций свисают короткие космические лифты, сделанные из тросов с высоким отношением прочности на разрыв к массе. Бирч утверждал, что кольцевые станции, в дополнение к удерживанию троса, могут ускорять орбитальное кольцо в восточном направлении, заставляя его прецессировать вокруг Земли.

В 1982 году белорусский изобретатель Анатолий Юницкий также предложил электромагнитную дорожку, опоясывающую Землю, которую он назвал «Струнной транспортной системой». Когда скорость струны превысит 10 км/сек, центробежные силы оторвут струну от поверхности Земли и поднимут кольцо в космос. [38]

Запуск петли

Цикл запуска.

Стартовая петля или петля Лофстрома — это конструкция орбитальной системы запуска на магнитной подвеске на основе ремня , которая будет иметь длину около 2000 км и поддерживаться на высоте до 80 километров (50 миль). Транспортные средства весом 5 тонн будут электромагнитно ускоряться на верхней части кабеля, который образует разгонную дорожку, с которой они будут проецироваться на околоземную орбиту или даже дальше. Для удержания конструкции на месте постоянно потребуется около 200 МВт мощности. [ необходима цитата ]

Система разработана для запуска людей в целях космического туризма , исследования космоса и колонизации космоса с максимальным ускорением 3 g. [39]

Пневматическая отдельно стоящая башня

Один из предложенных проектов представляет собой отдельно стоящую башню, состоящую из трубчатых колонн из высокопрочного материала (например, кевлара ), надутых газовой смесью низкой плотности, и с динамическими системами стабилизации, включая гироскопы и «балансировку давления». [40] Предлагаемые преимущества по сравнению с другими проектами космических лифтов включают в себя избежание работы с большими длинами конструкции, задействованными в некоторых других проектах, строительство с земли вместо орбиты и функциональный доступ ко всему диапазону высот в пределах практической досягаемости проекта. Представленный проект находится «на высоте 5 км и простирается до 20 км над уровнем моря», и авторы предполагают, что «подход может быть дополнительно масштабирован для обеспечения прямого доступа к высотам свыше 200 км».

Основная проблема такой башни — ее изгиб, поскольку она представляет собой длинную и тонкую конструкцию.

Пусковые установки для снарядов

С любой из этих пусковых установок снарядов пусковая установка обеспечивает высокую скорость на уровне земли или около нее. Для того чтобы достичь орбиты, снаряду необходимо придать достаточную дополнительную скорость, чтобы пробить атмосферу, если только он не включает в себя дополнительную двигательную систему (например, ракету). Кроме того, снаряду необходимы либо внутренние, либо внешние средства для выполнения орбитального ввода . Конструкции ниже делятся на три категории: с электрическим приводом, химическим приводом и механическим приводом.

Электромагнитное ускорение

Электрические системы запуска включают в себя массовые драйверы, рельсовые пушки и койлганы . Все эти системы используют концепцию стационарной пусковой дорожки, которая использует некоторую форму линейного электродвигателя для ускорения снаряда.

Массовый драйвер

Массовый двигатель для запуска на Луну (концепция художника).
Электродинамические взаимодействия в рельсотроне.

По сути, массовый драйвер — это очень длинный и в основном горизонтально выровненный пусковой трек или туннель для ускорения полезных грузов до орбитальных или суборбитальных скоростей. Концепция была предложена Артуром Кларком в 1950 году [41] и более подробно разработана Джерардом К. О'Нилом , работавшим с Институтом космических исследований , сосредоточившись на использовании массового драйвера для запуска материалов с Луны.

Массовый драйвер использует своего рода отталкивание, чтобы удерживать полезную нагрузку отдельно от пути или стен. Затем он использует линейный двигатель (двигатель переменного тока, такой как в катушке-пушке, или униполярный двигатель, как в рельсотроне) для ускорения полезной нагрузки до высоких скоростей. После выхода с пусковой дорожки полезная нагрузка будет иметь свою скорость запуска.

СтарТрам

StarTram — это предложение по запуску транспортных средств непосредственно в космос путем их ускорения с помощью массового драйвера. Транспортные средства будут плавать за счет отталкивания магнитной подвески между сверхпроводящими магнитами на транспортном средстве и алюминиевыми стенками туннеля, в то время как они будут ускоряться магнитным приводом переменного тока от алюминиевых катушек. Требуемая мощность, вероятно, будет обеспечиваться сверхпроводящими накопителями энергии, распределенными вдоль туннеля. Транспортные средства могут двигаться по инерции до низкой или даже геосинхронной орбитальной высоты; затем потребуется небольшой запуск ракетного двигателя для закругления орбиты.

Грузовые системы поколения 1 будут разгоняться до 10–20 G и выходить с вершины горы. Хотя они не подходят для пассажиров, они могут выводить грузы на орбиту по цене 40 долларов за килограмм, что в 100 раз дешевле ракет.

Системы Generation 2, способные перевозить пассажиров, будут разгоняться на гораздо большее расстояние при 2 G. Транспортные средства будут входить в атмосферу на высоте 20 км из эвакуированного туннеля, удерживаемого кевларовыми тросами и поддерживаемого магнитным отталкиванием между сверхпроводящими кабелями в туннеле и на земле. Для обеих систем Gen 1–2 устье трубы будет открыто во время разгона транспортного средства, а воздух будет удерживаться снаружи магнитогидродинамической накачкой. [15] [42] [43]

Химический

Космическая пушка

Проект HARP , прототип космической пушки.

Космическая пушка — это предложенный метод запуска объекта в космическое пространство с использованием большой пушки или орудия . Писатель-фантаст Жюль Верн предложил такой метод запуска в романе «С Земли на Луну» , а в 1902 году по мотивам романа был снят фильм « Путешествие на Луну ».

Однако даже при наличии « ствола пушки » как в земной коре , так и в тропосфере , перегрузки, необходимые для создания скорости убегания, все равно будут больше, чем может выдержать человек. Поэтому космическая пушка будет ограничена грузовыми и прочными спутниками. Кроме того, снаряду нужны либо внутренние, либо внешние средства стабилизации на орбите.

Концепции запуска пушки не всегда используют горение. В пневматических системах запуска снаряд ускоряется в длинной трубе давлением воздуха, создаваемым наземными турбинами или другими средствами. В легкогазовой пушке нагнетателем является газ с малым молекулярным весом, чтобы максимизировать скорость звука в газе.

Джон Хантер из Green Launch предлагает использовать «водородную пушку» для вывода беспилотных грузов на орбиту с затратами, меньшими, чем обычные затраты на запуск.

Ускоритель RAM

Ускоритель с плунжером также использует химическую энергию, как и космическая пушка , но он совершенно другой, поскольку он полагается на реактивный двигатель, подобный циклу движения, использующему процессы сгорания ПВРД и/или ГПВРД для ускорения снаряда до чрезвычайно высоких скоростей. Это длинная труба, заполненная смесью горючих газов с разрывной диафрагмой на обоих концах для удержания газов. Снаряд, который имеет форму сердечника ПВРД, выстреливается другим способом (например, космической пушкой, обсуждавшейся выше) сверхзвуковым способом через первую диафрагму в конец трубы. Затем он сжигает газы как топливо, ускоряясь по трубе под действием реактивного движения. На более высоких скоростях в игру вступают другие физические законы.

Ускоритель взрывной волны

Ускоритель взрывной волны похож на космическую пушку , но отличается тем, что кольца взрывчатки по всей длине ствола детонируют последовательно, чтобы поддерживать высокие ускорения. Кроме того, вместо того, чтобы просто полагаться на давление позади снаряда, ускоритель взрывной волны специально рассчитывает взрывы, чтобы сжать хвостовой конус на снаряде, как можно было бы выстрелить тыквенным семечком, сжав конический конец.

Механический

Слингатрон

В слингатроне [23] [44] снаряды ускоряются вдоль жесткой трубки или дорожки, которая обычно имеет круговые или спиральные повороты или комбинации этих геометрий в двух или трех измерениях. Снаряд ускоряется в изогнутой трубке, приводя всю трубку в движение малой амплитуды с постоянной или увеличивающейся частотой без изменения ориентации трубки, т. е. вся трубка вращается, но не вращается. Повседневным примером такого движения является перемешивание напитка путем удерживания контейнера и перемещения его небольшими горизонтальными кругами, заставляя содержимое вращаться, без вращения самого контейнера.

Это вращение непрерывно смещает трубку с компонентом вдоль направления центростремительной силы, действующей на снаряд, так что работа непрерывно выполняется над снарядом по мере его продвижения через машину. Центростремительная сила, испытываемая снарядом, является ускоряющей силой и пропорциональна массе снаряда и обратно пропорциональна радиусу кривизны дорожки.

Слингатрон способен развивать гораздо более высокие скорости, чем аналогичная круговая пусковая установка на основе вращающегося троса, изготовленного из доступных в настоящее время материалов (например, Dyneema ). Максимальная скорость кончика вращающегося троса, независимо от его абсолютного масштаба, ограничена отношением прочности к весу его материалов, поскольку трос должен поддерживать свою собственную массу под действием центростремительного ускорения, а также массу снаряда. В слингатроне центробежная сила снаряда вместо этого реагирует на невращающуюся структуру, которая может быть настолько массивной, насколько это необходимо.

Фактически приложение этой силы между направляющей трубкой и сверхбыстрым снарядом является одной из главных технических проблем слингатрона. В своей первоначальной статье доктор Дерек А. Тидман, изобретатель слингатрона, предположил, что для устранения трения снаряд должен поддерживаться магнитной левитацией в вакуумной трубке. Позже Тидман предположил, что вместо этого снаряды с абляционной поверхностью могут скользить прямо по стенке направляющей трубки. На высоких скоростях испаренная поверхность снаряда будет образовывать газовую подушку для движения снаряда, минимизируя трение. Он предсказал, что большая часть энергии, теряемой на трение, пойдет на испарение аблятора, а не на эрозию направляющей трубки, что позволит слингатрону выгодно отличаться от легкогазовых пушек с точки зрения износа ствола.

Именно это трение устанавливает минимальный размер слингатрона для заданной массы снаряда и скорости запуска. Для заданной скорости меньшая дорожка заставит снаряд испытывать более высокое центростремительное ускорение, сильнее вдавливая его в дорожку и увеличивая трение. Если трение слишком велико, снаряд не может ускориться. Амплитуда вращательного движения дорожки также не может быть увеличена для компенсации, поскольку она страдает от того же ограничения скорости кончика, что и простой вращающийся трос. Но согласно анализу Тидмана, слингатрон, запускающий снаряды весом 1 фунт (454 г) со скоростью 6 км/с (около 80% орбитальной скорости), может быть всего лишь 11,2 метра в поперечнике, [45] хотя при более чем 10 000 об/мин такая пусковая установка должна иметь скорость вращения выше, чем у некоторых жестких дисков.

Все более поздние конструкции слингатрона Тидмана используют спиральную, а не круговую дорожку. Снаряд стартует в середине и ускоряется в нескольких поворотах по мере своего движения наружу, в то время как дорожка вращается с постоянной скоростью. Это не только удерживает снаряд в фазе, но и, при условии, что его двигатели имеют достаточную мощность, позволяет машине работать в режиме скорострельного огня, запуская снаряд так часто, как один раз за оборот. Тидман умер в 2019 году. [46]

SpinLaunch

Американская аэрокосмическая компания SpinLaunch разрабатывает систему запуска на кинетической энергии , которая разгоняет полезный груз на рычаге вакуумной центрифуги до скорости до 4700 миль в час (7500 км/ч; 2,1 км/с) перед тем, как выбросить его в космос . Затем ракета запускает свои двигатели на высоте около 200 000 футов (60 км), чтобы достичь орбитальной скорости 17 150 миль в час (27 600 км/ч; 7,666 км/с) с полезной нагрузкой до 200 кг. SpinLaunch провела несколько успешных испытаний запуска прототипа в масштабе одной трети по состоянию на 2023 год.

Воздушный запуск

При воздушном запуске самолет-носитель выводит космический аппарат на большую высоту и скорость перед выпуском. Эта технология использовалась на суборбитальных аппаратах X-15 и SpaceshipOne , а также на орбитальном ракетном носителе Pegasus .

Главными недостатками являются то, что самолет-носитель, как правило, довольно большой, а разделение в воздушном потоке на сверхзвуковых скоростях никогда не демонстрировалось, поскольку развиваемое ускорение относительно скромное.

Космические самолеты

Художественное представление гиперзвукового самолета X-43A НАСА с гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателем, прикрепленным к нижней части.

Космоплан — это летательный аппарат, предназначенный для преодоления границы космоса . Он сочетает в себе некоторые черты самолета с некоторыми чертами космического корабля . Обычно он имеет форму космического корабля, оснащенного аэродинамическими поверхностями , одним или несколькими ракетными двигателями, а иногда и дополнительным воздушно-реактивным двигателем .

Ранние космические самолеты использовались для исследования гиперзвуковых полетов (например, X-15 ). [47]

Некоторые конструкции на основе воздушно-реактивных двигателей (ср. X-30 ), такие как самолеты на основе гиперзвуковых прямоточных или импульсных детонационных двигателей, потенциально могут достичь орбитальной скорости или найти какой-то полезный способ сделать это; однако эти конструкции все еще должны выполнять финальное ракетное горение в апогее, чтобы закруглить свою траекторию и избежать возвращения в атмосферу. Другие конструкции, подобные турбореактивным, которые можно использовать повторно, такие как Skylon , которые используют предварительно охлажденные реактивные двигатели до скорости 5,5 Маха перед использованием ракет для выхода на орбиту, по-видимому, имеют массовый бюджет, который позволяет нести большую полезную нагрузку, чем чистые ракеты, достигая ее за одну ступень.

Воздушный шар

Воздушные шары могут поднять начальную высоту ракет. Однако воздушные шары имеют относительно низкую полезную нагрузку (хотя см. проект Sky Cat в качестве примера тяжелого воздушного шара, предназначенного для использования в нижних слоях атмосферы), и она еще больше уменьшается с увеличением высоты.

Подъемным газом может быть гелий или водород . Гелий не только дорог в больших количествах, но и является невозобновляемым ресурсом . Это делает воздушные шары дорогостоящим средством помощи при запуске. Водород может быть использован, поскольку он имеет преимущество в том, что он дешевле и легче гелия, но недостаток в том, что он также легко воспламеняется. Ракеты, запускаемые с воздушных шаров, известные как « рокуны », были продемонстрированы, но на сегодняшний день только для суборбитальных («зондирующих ракет») миссий. Размер воздушного шара, который потребовался бы для подъема орбитальной ракеты-носителя, был бы чрезвычайно большим.

Один прототип платформы для запуска воздушного шара был создан JP Aerospace под названием «Project Tandem», [48] хотя он не использовался в качестве ракеты-носителя. JP Aerospace также предлагает гиперзвуковую, более легкую, чем воздух верхнюю ступень. Испанская компания zero2infinity официально разрабатывает систему запуска под названием bloostar на основе концепции rockoon , которая, как ожидается, будет введена в эксплуатацию к 2018 году. [49] [ требуется обновление ]

Джерард К. О'Нил предположил, что с помощью очень больших воздушных шаров можно построить космический порт в стратосфере . Ракеты могли бы запускаться из него, или массовый двигатель мог бы разгонять полезные грузы на орбиту. [50] Это имеет то преимущество, что большая часть (около 90%) атмосферы находится ниже космического порта. SpaceShaft — это предлагаемая версия атмосферно плавучей конструкции, которая будет служить системой для подъема грузов на околокосмические высоты , с платформами, распределенными на нескольких высотах , которые будут обеспечивать жилые помещения для долгосрочных операций человека по всей средней атмосфере и околокосмическим высотам. [51] [52] [53] Для запуска в космос он будет служить неракетной первой ступенью для ракет, запускаемых сверху. [52]

Гибридные системы запуска

Иллюстрация НАСА , иллюстрирующая концепцию, объединяющую три технологии: электромагнитную помощь при запуске с гипотетической трассы длиной 2 мили (3,2 км) в Космическом центре Кеннеди , самолет с гиперзвуковым прямоточным воздушно-реактивным двигателем и переносную ракету для использования после того, как воздушный запуск достигнет орбиты.

Отдельные технологии могут быть объединены. В 2010 году NASA предположило, что будущий самолет с ГПВРД может быть разогнан до 300 м/с (решение проблемы с ПВРД, не запускаемых при нулевой скорости воздушного потока) с помощью электромагнитных или других вспомогательных саней , в свою очередь запускающих в воздухе ракету второй ступени, которая доставляет спутник на орбиту. [54]

Все формы пусковых установок для снарядов, по крайней мере, частично являются гибридными системами, если они запускаются на низкую околоземную орбиту , из-за требования к круговой орбите , как минимум, подразумевающей приблизительно 1,5 процента от общей дельта-v для повышения перигея (например, крошечный запуск ракеты), или в некоторых концепциях гораздо больше от ракетного двигателя для облегчения разработки наземного ускорителя. [15]

Некоторые технологии могут иметь экспоненциальное масштабирование, если используются изолированно, делая эффект комбинаций противоестественным по величине. Например, 270 м/с составляет менее 4% скорости низкой околоземной орбиты , но исследование НАСА подсчитало, что запуск саней Maglifter на этой скорости может увеличить полезную нагрузку обычной ракеты ELV на 80%, если также иметь гусеницу, поднимающуюся на 3000-метровую гору. [55]

Формы наземного запуска, ограниченные заданным максимальным ускорением (например, из-за переносимости человеком перегрузки , если предполагается перевозка пассажиров), имеют соответствующий минимальный масштаб длины пусковой установки не линейный, а с квадратом скорости. [56] Тросы могут иметь еще более нелинейный, экспоненциальный масштаб. Соотношение массы троса к полезной нагрузке космического троса будет составлять около 1:1 при скорости кончика 60% от его характеристической скорости , но становится больше 1000:1 при скорости кончика 240% от его характеристической скорости . Например, для ожидаемой практичности и умеренного соотношения масс с текущими материалами концепция HASTOL будет иметь первую половину (4 км/с) скорости для выхода на орбиту, обеспечиваемую другими средствами, чем сам трос. [11]

Предложение использовать гибридную систему, объединяющую массовый драйвер для первоначального подъема с последующей дополнительной тягой от серии наземных лазеров, упорядоченных в соответствии с длиной волны, было предложено Машаллом Сэвиджем в книге «Проект тысячелетия» в качестве одного из основных тезисов книги, но эта идея не получила сколько-нибудь заметного развития. Конкретные предложения Сэвиджа оказались неосуществимыми как по инженерным, так и по политическим причинам, и хотя трудности можно было преодолеть, группа, основанная Сэвиджем, теперь называемая Фондом живой вселенной , не смогла собрать значительные средства на исследования.

Объединение нескольких технологий само по себе увеличило бы сложность и проблемы разработки, но снижение требований к производительности данной подсистемы может позволить снизить ее индивидуальную сложность или стоимость. Например, количество деталей в жидкотопливном ракетном двигателе может быть на два порядка меньше, если подача осуществляется под давлением, а не насосом, если его требования к дельта-v достаточно ограничены, чтобы сделать издержки веса такими практическими, или высокоскоростная наземная пусковая установка может использовать относительно умеренные характеристики и недорогое твердое топливо или гибридный небольшой двигатель на своем снаряде. [57] Помощь неракетными методами может компенсировать издержки веса, связанные с созданием многоразовой орбитальной ракеты . Хотя суборбитальный , первый частный пилотируемый космический корабль, SpaceShipOne имел сниженные требования к производительности ракеты из-за того, что был комбинированной системой с его воздушным запуском . [58]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ "Нет ракет? Нет проблем!". Popular Mechanics . 2010-10-05 . Получено 2017-01-23 .
  2. ^ Джордж Дворски (2014-12-30). «Как человечество покорит космос без ракет». io9 .
  3. ^ "Свежий взгляд на космическую солнечную энергетику: новые архитектуры, концепции и технологии. Джон К. Манкинс. Международная астронавтическая федерация IAF-97-R.2.03. 12 страниц" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2017-10-26 . Получено 2012-04-28 .
  4. ^ Роберт М. Зубрин (Pioneer Astronautics); Кристофер П. Маккей. Исследовательский центр Эймса НАСА (ок. 1993 г.). «Технологические требования для терраформирования Марса».
  5. ^ SpaceCast 2020 — Отчет начальнику штаба ВВС (PDF) , 22 июня 1994 г., архив (PDF) из оригинала 17 июля 2020 г.
  6. ^ Циолковский. "Исследование космического пространства с помощью реактивных приборов" (на русском языке).
  7. ^ «Стоимость запуска космического аппарата на низкую околоземную орбиту — проект аэрокосмической безопасности». Сентябрь 2022 г.
  8. ^ Хиршфельд, Боб (2002-01-31). "Космический лифт поднимается". TechTV . G4 Media, Inc. Архивировано из оригинала 2005-06-08 . Получено 2007-09-13 . Концепция была впервые описана в 1895 году русским автором К. Э. Циолковским в его "Размышлениях о Земле и небе и о Весте".
  9. ^ "Гиперзвуковой Skyhook". Analog Science Fiction/Science Fact . 113 (11): 60–70. Сентябрь 1993.
  10. Ханс П. Моравец (октябрь–декабрь 1977 г.). «Несинхронный орбитальный Skyhook». Журнал астронавтических наук . 25 : 307. Bibcode : 1977JAnSc..25..307M.
  11. ^ ab Hoyt, Robert (2000-07-24). "Проектирование и моделирование тросовых сооружений для архитектуры орбитального запуска гиперзвукового самолета на космическом тросе (HASTOL)". 36-я совместная конференция и выставка AIAA/ASME/SAE/ASEE по двигательным установкам . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. doi :10.2514/6.2000-3615.
  12. ^ Грант, Джон; Вилленберг, Харви; Тиллотсон, Брайан; Стемлер, Джозеф; Бэнгхэм, Михал; Форвард, Роберт (19.09.2000). "Орбитальный запуск гиперзвукового самолета на тросе - HASTOL - Двухступенчатая коммерческая система запуска". Конференция и выставка Space 2000. Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. doi :10.2514/6.2000-5353.
  13. ^ ab "Orbital Ring Systems and Jacob's Ladders – I-III", J. Br. Interplanet. Soc. , 1982, архивировано из оригинала 2003-04-05
  14. ^ ab US 6913224, Дэна Р. Йохансен, «Метод и система ускорения объекта», опубликовано 5 июля 2005 г. 
  15. ^ abc "The Startram Project" Архивировано 27 июля 2017 г. в Wayback Machine : Maglev Launch: Ultra Low Cost Ultra/High Volume Access to Space for Cargo and Humans Джеймса Пауэлла, Джорджа Мейза и Джона Ратера. Представлено для презентации на SPESIF-2010 – Международном форуме по наукам о космосе, движении и энергетике. 23, 26 февраля 2010 г.
  16. ^ "Quicklaunch Inc." Архивировано 12 февраля 2010 г. на Wayback Machine
  17. ^ Грег Гёбель (2019-11-01). "[4.0] Космические пушки". Векторы .
  18. ^ "Home - Green Launch" . Получено 29.12.2023 .
  19. ^ Арнольд, Р.; Кингсбери, Д. (1979). Космопорт, часть I. Т. 99. Новый колледж Калифорнии. Аналоговая научная фантастика/научный факт. С. 48–67.
  20. ^ ab "Hypervelocity Landing Track - Wikiversity". en.wikiversity.org . Получено 25.11.2023 .
  21. ^ «Возможно ли вывести космический корабль на околоземную орбиту с помощью линейного вихретокового торможения на орбитальной взлетно-посадочной полосе?». Space Exploration Stack Exchange . Получено 25.11.2023 .
  22. ^ "SpinLaunch". 2022-11-04 . Получено 2022-11-04 .
  23. ^ ab "Welcome to Slingatron.com". 2007-08-10. Архивировано из оригинала 10 августа 2007 года . Получено 2021-12-13 .
  24. ^ Слингатрон: строительство железной дороги в космос
  25. ^ Дерек А. Тидман (1998). «Устройства запуска масс Slingatron». Журнал движения и энергетики . 14 (4): 537–544. doi :10.2514/2.5311.
  26. ^ Кеннет Гатланд. Иллюстрированная энциклопедия космических технологий .
  27. ^ Хиршфельд, Боб (2002-01-31). "Космический лифт поднимается". TechTV . G4 Media, Inc. Архивировано из оригинала 2005-06-08 . Получено 2007-09-13 . Концепция была впервые описана в 1895 году русским автором К. Э. Циолковским в его "Размышлениях о Земле и небе и о Весте".
  28. ^ ab 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.
  29. ^ 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.
  30. Hjelmstad, Keith, «Structural Design of the Tall Tower», Hieroglyph , 30.11.2013. (получено 1 сентября 2015 г.)
  31. ^ Смитерман, Д.В. (август 2000 г.). Космические лифты, усовершенствованная инфраструктура Земля-Космос для нового тысячелетия (PDF) (Отчет). NASA. CP-2000-210429.
  32. ^ Сармонт, Э., «Доступный для индивидуального полета в космос», affordablespaceflight.com , архивировано из оригинала 2007-02-13{{citation}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  33. ^ Bogar, Thomas; Bangham, Michal; Forward, Robert; Lewis, Mark (1999). "Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch system (HASTOL) - Interim study results". 9th International Space Planes and Hypersonic Systems and Technologies Conference . Reston, Virginia: American Institute of Aeronautics and Astronautics. doi :10.2514/6.1999-4802.
  34. ^ "Что такое космический лифт?". Архивировано из оригинала 2017-03-26 . Получено 2012-06-29 .
  35. ^ Эдвардс, Брэдли Карл. Программа NIAC Space Elevator. NASA Institute for Advanced Concepts
  36. ^ Форвард, Роберт Л. (1995). «Бобовые стебли». Неотличимо от магии . стр. 79. ISBN 0-671-87686-4.
  37. ^ Лил, Грегори (1 сентября 2018 г.), «Орбитальные кольца: истинный Грааль мегаструктур», Орбитальные кольца и строительство планет: прелюдия к колонизации Солнечной системы
  38. ^ Юницкий, Анатолий, Выход в космос: общепланетное транспортное средство SpaceWay, Струнные технологии Юницкого
  39. ^ Кит Лофстром (2002-05-25). Энергия, экономика и космический транспорт — как оценить космическую пусковую систему (PDF) . Международная конференция по развитию космоса. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-02-26.
  40. ^ Куайн, Б. М.; Сет, Р. К.; Чжу, Ж. Х. (19 апреля 2009 г.). «Свободно стоящая конструкция космического лифта: практическая альтернатива космическому тросу». Acta Astronautica . 65 (3–4): 365–375. Bibcode : 2009AcAau..65..365Q. CiteSeerX 10.1.1.550.4359 . doi : 10.1016/j.actaastro.2009.02.018. hdl : 10315/2587.  (Стр. 7.)
  41. ^ Кларк, Артур К., «Электромагнитный запуск как основной вклад в космические полеты», J. British Interplanetary Soc., 9 , № 6 (1950), стр. 261–267. Перепечатано в Arthur C. Clarke, Ascent to Orbit: A Scientific Autobiography , John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1984.
  42. ^ Пауэлл, Джеймс; Мейс, Джордж; Пеллегрино, Чарльз (23 октября 2013 г.). StarTram: Новая гонка в космос . Shoebox Publishing. ISBN 978-1493577576.
  43. ^ "Стартрам".
  44. ^ Тидман, Дерек (2007). Слингатрон: механический гиперскоростной ускоритель масс . Aardvark Global. ISBN 978-1-4276-2658-5. OCLC  247544118.
  45. ^ Тидман, Дерек (12 июня 2005 г.), «Обзор Slingatron» (PDF) , Briefing to Air Force Future Concepts : 36 , получено 6 апреля 2024 г.
  46. ^ "Некролог Дерека Тидмана", Washington Post , 31 мая 2019 г. , получено 6 апреля 2024 г.
  47. ^ Касманн, Фердинанд CW (1999). Weltrekord-Flugzeuge [Самолет-рекордсмен мира] — Die schnellsten Jets der Welt (на немецком языке). Кольпингринг, Германия: Aviatic Verlag. п. 105. ИСБН 978-3-925505-26-3.
  48. ^ «Тандем летит на высоту 95 085 футов!».(дата обращения: 4 января 2015 г.)
  49. Рейес, Тим (17 октября 2014 г.). «Пусковая установка для воздушных шаров Zero2Infinity устремилась к звездам». Universe Today . Получено 9 июля 2015 г.
  50. ^ Джерард К. О'Нил (1981). 2081: обнадеживающий взгляд на будущее человечества . Саймон и Шустер. ISBN 9780671242572.
  51. ^ "Space Shaft: Или история, которая была бы немного лучше, если бы только кто-то знал..." Knight Science Journalism, Массачусетский технологический институт . Архивировано из оригинала 13 августа 2011 г. Получено 21 апреля 2011 г.
  52. ^ ab "The SpaceShaft". www.spaceshaft.org. Архивировано из оригинала 27 августа 2011 г. Получено 21 апреля 2011 г.
  53. ^ "3-я международная конференция по космическим лифтам, конструкции тросов CNT и проблемам лунной индустриализации" (PDF) . Люксембург: EuroSpaceWard. 5–6 декабря 2009 г. Получено 21 апреля 2011 г.
  54. ^ NASA . "Emerging Technologies May Fuel Revolutionary Launcher" . Получено 24.05.2011 .
  55. ^ "The Maglifter: передовая концепция использования электромагнитного движения для снижения стоимости запуска в космос". NASA . Получено 24 мая 2011 г.
  56. ^ "Постоянное ускорение" . Получено 24 мая 2011 г.
  57. Исследовательский отчет ВВС США № AU ARI 93-8: LEO On The Cheap . Получено 29 апреля 2011 г.
  58. ^ "SpaceShipOne". Encyclopedia Astronautix. Архивировано из оригинала 23 января 2013 г. Получено 25 мая 2011 г.

Внешние ссылки