Skyhook — это предлагаемый трос для обмена импульсом , который направлен на снижение стоимости размещения полезных грузов на низкой околоземной орбите . Тяжелая орбитальная станция соединена с кабелем, который простирается вниз к верхним слоям атмосферы. Полезные грузы, которые намного легче станции, прикрепляются к концу кабеля по мере его прохождения, а затем выбрасываются на орбиту вращением кабеля вокруг центра масс. Затем станция может быть повторно поднята до своей первоначальной высоты с помощью электромагнитного движения , ракетного движения или путем спуска с орбиты другого объекта с той же кинетической энергией, которая передана полезному грузу.
Skyhook отличается от геостационарного орбитального космического лифта тем, что skyhook будет намного короче и не будет соприкасаться с поверхностью Земли. Skyhook потребует суборбитальную ракету-носитель, чтобы достичь своего нижнего конца, в то время как космический лифт этого не сделает.
Были предложены различные концепции и версии синхронных невращающихся орбитальных небесных крюков, начиная с Айзекса в 1966 году, [1] [2] Арцутанова в 1967 году, [3] [4] Пирсона [5] и Коломбо в 1975 году, [6] Калагана в 1978 году, [7] и Брагинского в 1985 году. [8] Версии с наилучшим потенциалом включают гораздо более короткий трос на низкой околоземной орбите , который вращается в своей орбитальной плоскости и концы которого касаются верхней земной атмосферы, при этом вращательное движение отменяет орбитальное движение на уровне земли. Эти «вращающиеся» версии небесных крюков были предложены Моравецом в 1976 году, [9] [10] и Сармонтом в 1994 году. [11] [12]
Это привело к созданию тросовой системы на основе шаттла: миссия TSS-1R, запущенная 22 февраля 1996 года на STS-75 , которая была сосредоточена на изучении основных характеристик поведения космического троса и физики космической плазмы . [13] Итальянский спутник был развернут на расстоянии 19,7 км (12,2 мили) от космического шаттла. [13]
В 1994 году один инженер предположил, что «Небесный крюк» может быть экономически конкурентоспособным по сравнению с тем, что, как считается, можно реально достичь с помощью космического лифта. [11]
В 2000 и 2001 годах компания Boeing Phantom Works , получив грант от NASA Institute for Advanced Concepts , провела детальное исследование инженерной и коммерческой осуществимости различных конструкций Skyhook. Они подробно изучили конкретный вариант этой концепции, названный «Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch System» или HASTOL. Эта конструкция требовала, чтобы гиперзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель или сверхзвуковой прямоточный воздушно-реактивный двигатель перехватывал вращающийся крюк во время полета со скоростью 10 Махов . [14]
Хотя ни один «небесный крюк» еще не построен, было проведено несколько [ количественных ] летных экспериментов, изучающих различные аспекты концепции космического троса в целом. [15]
Вращая трос вокруг орбитального центра масс в направлении, противоположном орбитальному движению, можно уменьшить скорость крюка относительно земли. Это снижает требуемую прочность троса и облегчает сцепление.
Вращение троса можно сделать так, чтобы оно точно соответствовало орбитальной скорости (около 7–8 км/с). В этой конфигурации крюк будет описывать траекторию, похожую на кардиоиду . С точки зрения земли крюк будет казаться опускающимся почти вертикально, останавливающимся, а затем снова поднимающимся. Такая конфигурация минимизирует аэродинамическое сопротивление и, таким образом, позволяет крюку опускаться глубоко в атмосферу. [1] [15] Однако, согласно исследованию HASTOL, для такого рода скайхука на околоземной орбите потребуется очень большой противовес, порядка 1000–2000 раз превышающий массу полезной нагрузки, и трос необходимо будет механически сматывать после сбора каждой полезной нагрузки, чтобы поддерживать синхронизацию между вращением троса и его орбитой. [14]
Фаза I исследования Boeing Hypersonic Airplane Space Tether Orbital Launch ( HASTOL ), опубликованного в 2000 году, предлагала трос длиной 600 км на экваториальной орбите на высоте 610–700 км, вращающийся со скоростью кончика 3,5 км/с. Это дало бы кончику скорость относительно земли 3,6 км/с (10 Маха), что соответствовало бы гиперзвуковому самолету, несущему модуль полезной нагрузки, с передачей на высоте 100 км. Трос был бы изготовлен из существующих коммерчески доступных материалов: в основном Spectra 2000 (разновидность сверхвысокомолекулярного полиэтилена ), за исключением внешних 20 км, которые были бы сделаны из термостойкого Zylon PBO. При номинальной массе полезной нагрузки 14 тонн трос Spectra/Zylon будет весить 1300 тонн, или в 90 раз больше массы полезной нагрузки. Авторы заявили:
Основное сообщение, которое мы хотим оставить Читателю, таково: «Нам не нужны волшебные материалы вроде «углеродных нанотрубок Бакминстера-Фуллера», чтобы создать космическую привязь для системы HASTOL. Подойдут существующие материалы». [14]
Вторая фаза исследования HASTOL, опубликованная в 2001 году, предлагала увеличить скорость перехвата до 15–17 Махов и увеличить высоту перехвата до 150 км, что уменьшило бы необходимую массу троса в три раза. Более высокая скорость могла быть достигнута за счет использования многоразовой ступени ракеты вместо чисто воздушно-реактивного самолета. Исследование пришло к выводу, что, хотя нет «фундаментальных технических преград», необходимо существенное улучшение технологии. В частности, существовало опасение, что голый трос Spectra 2000 будет быстро разрушаться атомарным кислородом; этому компоненту был присвоен уровень технологической готовности 2. [16]
Обод захвата-выталкивателя — это разновидность, которая состоит из структуры в форме обода или кольца. Подобно вращающемуся скайхуку, он вращался бы в направлении, противоположном его орбитальному движению, позволяя космическому кораблю на суборбитальной скорости прикрепляться к его нижней части и позже выбрасываться на орбиту из его верхней части. Космическому кораблю было бы легче прикрепиться к нижней части обода захвата-выталкивателя, чем прикрепиться к концу скайхука (который будет направлен вниз только на короткий промежуток времени). [17]