En rymdhiss är ett koncept av en hypotetisk teknisk struktur för icke -raketuppskjutning av last i rymden . Denna design är baserad på användningen av en tjuder som sträcks från planetens yta till en omloppsstation belägen på GEO . För första gången en sådan idé uttrycktes av Konstantin Tsiolkovsky 1895 [ 1] [2] , idén utarbetades i verk av Jurij Artsutanov .
Kabeln hålls i ena änden på planetens yta (Jorden), och den andra - vid en fast punkt i förhållande till planeten ovanför den geostationära omloppsbanan (GSO). En hiss med nyttolast stiger längs kabeln .
Repet kräver extremt hög draghållfasthet i kombination med låg densitet. Kolnanorör verkar enligt teoretiska beräkningar vara ett lämpligt material. Om vi erkänner deras lämplighet för tillverkning av en kabel, är skapandet av en rymdhiss ett lösbart tekniskt problem, även om det kräver användning av avancerad utveckling och höga kostnader av ett annat slag . NASA finansierar redan relaterad utveckling av American Institute for Scientific Research, inklusive utvecklingen av en hiss som kan röra sig självständigt längs en kabel [3] . Förmodligen kan en sådan metod i framtiden vara storleksordningar billigare än att använda bärraketer .
Det finns flera designalternativ. Nästan alla av dem inkluderar en bas (bas), en kabel (kabel), hissar och en motvikt.
Basen på en rymdhiss är en plats på planetens yta där kabeln är fäst och lyftet av lasten börjar. Den kan vara mobil, placerad på ett havsgående fartyg. Fördelen med en rörlig bas är förmågan att manövrera för att undvika orkaner och stormar. Fördelarna med en stationär bas är billigare och mer överkomliga energikällor och möjligheten att minska kabellängden. Skillnaden på flera kilometer tjuder är relativt liten, men kan bidra till att minska den erforderliga tjockleken på mittdelen och längden på den del som går utanför den geostationära omloppsbanan. Utöver basen kan en plattform på stratosfäriska ballonger placeras för att minska vikten på den nedre delen av kabeln med möjlighet att ändra höjden för att undvika de mest turbulenta luftflödena, samt dämpa överdrivna vibrationer längs hela längden av kabeln.
Repet måste vara tillverkat av ett material med ett extremt högt förhållande mellan draghållfasthet och specifik vikt. En rymdhiss skulle vara ekonomiskt lönsam om den kunde tillverkas kommersiellt till ett rimligt pris med en kabel med densitet jämförbar med grafit och styrka på cirka 65-120 gigapascal . Som jämförelse är hållfastheten för de flesta typer av stål cirka 1 GPa, och även för dess starkaste typer är den inte mer än 5 GPa, och stålet är tungt. Den mycket lättare Kevlar har en styrka i intervallet 2,6-4,1 GPa, medan kvartsfiber har styrka upp till 20 GPa och högre. Den teoretiska styrkan hos diamantfibrer kan vara något högre.
Kolnanorör ska enligt teorin ha en mycket högre draghållfasthet än vad som krävs för en rymdhiss. Tekniken för att tillverka dem i industriella kvantiteter och fläta ihop dem till en kabel har dock precis börjat utvecklas. Teoretiskt bör deras hållfasthet vara mer än 120 GPa, men i praktiken var den högsta draghållfastheten för ett enkelväggigt nanorör 52 GPa, och i genomsnitt gick de sönder i intervallet 30–50 GPa. Den starkaste glödtråden vävd av nanorör kommer att vara mindre stark än dess komponenter. Forskning för att förbättra renheten i materialet i rören och för att skapa olika typer av rör pågår.
I ett experiment av forskare från University of Southern California (USA), visade enkelväggiga kolnanorör en specifik styrka 117 gånger högre än stål och 30 gånger starkare än Kevlar. Det var möjligt att nå en indikator på 98,9 GPa, maxvärdet på nanorörslängden var 195 μm [4] . Experiment av forskare från University of Technology Sydney gjorde det möjligt att skapa grafenpapper [ 5] . Provtester är uppmuntrande: materialets densitet är fem till sex gånger lägre än för stål, medan draghållfastheten är tio gånger högre än för kolstål. Samtidigt är grafen en bra ledare av elektrisk ström, vilket gör att den kan användas för att överföra kraft till hissen som en kontaktbuss. I juni 2013 tillkännagav ingenjörer från Columbia University i USA ett nytt genombrott: tack vare en ny teknik för att producera grafen är det möjligt att få ark med en diagonal storlek på flera tiotals centimeter och en styrka som bara är 10 % mindre än teoretisk [ 6] .
Tekniken för att väva sådana fibrer är fortfarande i sin linda. Enligt vissa forskare [7] kommer inte ens kolnanorör att vara tillräckligt starka för att göra en rymdhisskabel.
RepförtjockningEn rymdhiss måste bära åtminstone sin egen vikt, ganska mycket på grund av tjurets längd. Förtjockningen ökar å ena sidan styrkan hos kabeln, å andra sidan lägger den till sin vikt, och följaktligen den erforderliga styrkan. Belastningen på den kommer att variera på olika ställen: i vissa fall måste sektionen av kabeln motstå vikten av segmenten nedan, i andra måste den motstå centrifugalkraften som håller de övre delarna av kabeln i omloppsbana. För att uppfylla detta villkor och för att uppnå optimaliteten hos kabeln vid var och en av dess punkter, kommer dess tjocklek att variera.
Det kan visas att, med hänsyn till jordens gravitation och centrifugalkraften (men inte med hänsyn till månens och solens mindre inflytande), kommer tjudavsnittet beroende på höjden att beskrivas med följande formel:
Här är tvärsnittsarean av tjudet som en funktion av avståndet från jordens mitt .
Följande konstanter används i formeln:
Denna ekvation beskriver en kabel vars tjocklek först ökar exponentiellt, sedan saktar dess tillväxt ner på en höjd av flera jordradier, och sedan blir den konstant och når så småningom geostationär omloppsbana. Därefter börjar tjockleken minska igen.
Således är förhållandet mellan tjudsektionernas ytor vid basen och vid GSO:n ( r = 42 164 km):
Genom att här ersätta densiteten och styrkan för olika material och olika tjuderdiametrar på marknivå, får vi en tabell över tjuderdiametrar på GSO-nivå. Det bör noteras att beräkningen utfördes på grundval av att hissen skulle stå "för sig själv", utan belastning - eftersom materialet i kabeln redan upplever spänning från sin egen vikt (och dessa belastningar är nära det maximala tillåtet för detta material).
Material | Densitet , kg/m³ | Draghållfasthet , ×10 9 Pa | Repets diameter på marknivå | |||
---|---|---|---|---|---|---|
1 mm | 1 cm | 10 cm | 1m | |||
Stål St3 varmvalsat | 7760 | 0,37 | 1,31 10 440 | 1,31 10 439 | 1,31 10 438 | 1,31 10 437 |
Höglegerat stål 30HGSA | 7780 | 1.4 | 4,14 10 116 | 4,14 10 115 | 4,14 10 114 | 4,14 10 113 |
webb | 1000 | 2.5 | 248 10 6 | 24,8 10 6 | 2,48 10 6 | 0,248 10 6 |
modern kolfiber | 1900 | fyra | 9269 10 6 | 926,9 10 6 | 92,69 10 6 | 9,269 10 6 |
kolnanorör | 1900 | 90 | 2,773 | 2,773 10 −1 | 2,773 10 −2 | 2,773 10 −3 |
Av tabellen framgår att det är orealistiskt att bygga en hiss av moderna konstruktionsstål. Den enda utvägen är att leta efter material med lägre densitet och/eller mycket hög hållfasthet.
Till exempel ingår ett nät (spindelsilke) i tabellen. Det finns olika exotiska projekt för utvinning av nät på "spindelfarmer" [8] . Nyligen har det kommit rapporter om att det med hjälp av genteknik var möjligt att introducera en spindelgen som kodar för ett nätprotein i en gets kropp. GM getmjölk innehåller nu spindelprotein [9] . Huruvida det är möjligt att erhålla ett material som liknar en väv i sina egenskaper från detta protein är ännu inte känt, även om sådan utveckling är på gång [10]
Ett annat lovande område är kolfiber och kolnanorör . Kolfiber har redan använts framgångsrikt i industrin idag. Nanorör är cirka 20 gånger starkare, men tekniken för att få fram detta material har ännu inte lämnat laboratorierna [11] . Tabellen byggdes på antagandet att densiteten hos nanorörskabeln är densamma som för kolfiber.
Nedan är några mer exotiska sätt att bygga en rymdhiss:
Motvikten kan skapas på två sätt - genom att binda ett tungt föremål (till exempel en asteroid , rymdbosättning eller rymddocka ) bortom geostationär omloppsbana, eller genom att förlänga själva tjudet ett avsevärt avstånd bortom geostationär omloppsbana. Det andra alternativet är intressant eftersom det är lättare att lansera laster till andra planeter från änden av en långsträckt kabel, eftersom den har en betydande hastighet i förhållande till jorden.
Den horisontella hastigheten för varje sektion av tjudet ökar med höjden i proportion till avståndet till jordens mitt, och når den första kosmiska hastigheten i geostationär omloppsbana . Därför, när han lyfter lasten, måste han få ytterligare vinkelmoment (horisontell hastighet).
Vinkelmomentum förvärvas på grund av jordens rotation. Till en början rör sig lyften något långsammare än kabeln ( Coriolis-effekten ), och därigenom "bromsar" kabeln och böjer den något åt väster. Vid en uppstigningshastighet på 200 km/h kommer repet att luta med 1°. Den horisontella komponenten av spänningen i den icke-vertikala kabeln drar lasten i sidled och accelererar den i östlig riktning - på grund av detta får hissen ytterligare hastighet. Enligt Newtons tredje lag saktar kabeln ner jorden med en liten mängd, och motvikten - med en betydligt större mängd, som ett resultat av att motviktens rotation saktar ner kommer kabeln att börja slingra sig runt jorden.
Samtidigt gör effekten av centrifugalkraften att kabeln återgår till ett energimässigt gynnsamt vertikalt läge. så att den kommer att vara i ett tillstånd av stabil jämvikt. Om tyngdpunkten för en hiss alltid är över geostationär bana, oavsett hissarnas hastighet, kommer den inte att falla.
När lasten når den geostationära omloppsbanan (GSO) är dess vinkelmoment tillräcklig för att skjuta upp lasten i omloppsbana. Om belastningen inte släpps från kabeln kommer den, efter att ha stannat vertikalt på GSO-nivån, att vara i ett tillstånd av instabil jämvikt, och med en oändligt liten tryck nedåt kommer den att lämna GSO:n och börja sjunka till Jorden med vertikal acceleration, samtidigt som den bromsar i horisontell riktning. Förlusten av kinetisk energi från den horisontella komponenten under nedstigningen kommer att överföras genom kabeln till vinkelmomentet för jordens rotation, vilket påskyndar dess rotation. När du trycker uppåt kommer lasten också att lämna GSO:n, men i motsatt riktning, det vill säga, den börjar stiga längs kabeln med acceleration från jorden och når den slutliga hastigheten i slutet av kabeln. Eftersom sluthastigheten beror på kabelns längd kan dess värde ställas in godtyckligt. Det bör noteras att accelerationen och ökningen av lastens kinetiska energi under lyftning, det vill säga dess avveckling i en spiral, kommer att inträffa på grund av jordens rotation, vilket kommer att sakta ner i detta fall. Denna process är helt reversibel, det vill säga om du belastar änden av kabeln och börjar sänka den, komprimera den i en spiral, kommer vinkelmomentet för jordens rotation att öka i enlighet med detta.
Vid sänkning av lasten kommer den omvända processen att ske, vilket lutar kabeln österut.
Vid slutet av tjudet 144 000 km högt kommer den tangentiella hastighetskomponenten att vara 10,93 km/s, vilket är mer än tillräckligt för att lämna jordens gravitationsfält (nå den andra rymdhastigheten ). Om föremålet tillåts glida fritt längs toppen av tjudet kommer det att ha tillräckligt med hastighet för att lämna solsystemet ( tredje flykthastigheten ). Detta kommer att hända på grund av övergången av kabelns (och jordens) totala rörelsemängd till hastigheten för det utskjutna objektet.
För att uppnå ännu högre hastigheter kan du förlänga kabeln eller accelerera belastningen på grund av elektromagnetism.
Rymdhissen kan byggas på andra planeter. Dessutom, ju lägre gravitationen på planeten och ju snabbare den roterar, desto lättare är den att bygga.
Det är möjligt att bygga en rymdhiss på Mars även med hjälp av befintliga material. Men Phobos och Deimos (Phobos är under, och Deimos är något ovanför den stationära omloppsbanan) kan bli ett hinder för Mars rymdhiss . Teoretiskt sett skulle en av dessa satelliter kunna användas som motvikt, men att ändra omloppsbanan för sådana tunga föremål skulle kräva en enorm mängd energi.
Det finns ingen stationär bana på månen som sådan, men för att bygga en hiss kan du använda Lagrange-punkterna L1 och L2 (som nästan är stationära på månens himmel), medan hissens bas ska vara i mitten av månens synliga respektive bortre sida.
På Venus och Merkurius är konstruktionen av en hiss omöjlig på grund av deras extremt långsamma rotation (den teoretiska radien för en stationär bana är mycket större än deras gravitationssfär ).
Det enklaste sättet att bygga en rymdhiss är på en asteroid .
Det är också möjligt att sträcka en rymdhiss mellan två himlakroppar som roterar runt varandra och ständigt vänds mot varandra på samma sida (till exempel mellan Pluto och Charon eller mellan komponenterna i den dubbla asteroiden (90) Antiope . Men eftersom deras banor inte är en exakt cirkel, kommer det att krävas en anordning för att ständigt ändra längden på en sådan hiss.I detta fall kan hissen användas inte bara för att skjuta upp last i rymden, utan också för "interplanetära resor ."
Bygget utförs från en geostationär station. Ena änden går ner till jordens yta och dras av tyngdkraften. Den andra, för balansering, är i motsatt riktning, sträcker sig med centrifugalkraft. Det innebär att allt material för konstruktion ska levereras till den geostationära omloppsbanan på traditionellt sätt. Det vill säga kostnaden för att leverera hela rymdhissen till geostationär bana är projektets minimipris.
Förmodligen kommer rymdhissen att avsevärt minska kostnaderna för att skicka ut last i rymden. Rymdhissar är dyra att bygga, men deras driftskostnader är låga, så de används bäst under långa perioder för mycket stora lastvolymer. I dagsläget är fraktlanseringsmarknaden inte tillräckligt stor för att motivera byggandet av en hiss, men en kraftig prissänkning bör leda till en expansion av marknaden. Det finns fortfarande inget svar på frågan om rymdhissen kommer att returnera de intellektuella och materiella kostnaderna som investerats i den, eller om det skulle vara bättre att styra dem till vidareutvecklingen av raketteknik. Hissen kan dock vara ett hybridprojekt och, förutom funktionen att leverera gods till omloppsbana, förbli basen för andra forsknings- och kommersiella program som inte är relaterade till transport (till exempel när man använder en forskningsstation som motvikt) .
Sedan 2005 har USA varit värd för de årliga Space Elevator Games , organiserade av Spaceward Foundation med stöd från NASA . I dessa tävlingar finns det 2 nomineringar: "den bästa kabeln" och "den bästa roboten (hiss)".
I lyfttävlingen måste roboten övervinna det inställda avståndet och klättra en vertikal kabel med en hastighet som inte är lägre än den som fastställts av reglerna (i tävlingen 2007 var standarderna följande: kabellängd - 100 m, minimihastighet - 2 m/s, hastighet som ska uppnås - 10 m/Med). Det bästa resultatet 2007 är den tillryggalagda sträckan på 100 m med en medelhastighet på 1,8 m/s.
Den totala prisfonden för Space Elevator Games 2009 var 4 miljoner dollar.
I tävlingen om kabelns styrka måste deltagarna tillhandahålla en tvåmetersring gjord av kraftigt material som inte väger mer än 2 g, som kontrolleras av en speciell installation för brott. För att vinna tävlingen måste styrkan på kabeln vara minst 50 % högre än provet som redan är tillgängligt för NASA i denna indikator. Hittills är det bästa resultatet till kabeln som klarat en belastning på upp till 0,72 ton.
Tävlingen inkluderar inte Liftport Group , som blev känd för sina anspråk på att lansera en rymdhiss 2018 (senare sköts detta datum upp till 2031). Liftport genomför sina egna experiment, så 2006 klättrade en robothiss på ett starkt rep sträckt med ballonger. Från 1,5 km lyckades hissen täcka en sträcka på 460 m. I augusti-september 2012 startade företaget ett projekt för att samla in pengar till nya experiment med liften på Kickstarters hemsida . Beroende på den insamlade mängden är det planerat att lyfta roboten i 2 eller fler km [13] .
LiftPort-gruppen tillkännagav också sin beredskap att bygga en experimentell rymdhiss på månen, baserad på befintlig teknik. Företagets VD, Michael Lane , hävdar att det kan ta 8 år att skapa en sådan hiss. Uppmärksamhet på projektet tvingade företaget att sätta ett nytt mål - förberedelserna av projektet och insamlingen av ytterligare medel för att påbörja förstudien av den så kallade "månhissen". Enligt Lane kommer byggandet av en sådan hiss att ta ett år och kosta 3 miljoner dollar. NASA-specialister har redan uppmärksammat LiftGroup-projektet. Michael Lane arbetade med US Space Agency på Space Elevator-projektet.
Vid tävlingen Space Elevator Games från 4 till 6 november 2009 hölls en tävling som anordnades av Spaceward Foundation och NASA i södra Kalifornien, på territoriet för Dryden Flight Research Center, inom gränserna för den berömda Edwards Air Force Base . Den kvalificerade längden på kabeln var 900 m, kabeln höjdes med helikopter. Ledaren togs av LaserMotive , som presenterade lyftet med en hastighet på 3,95 m/s, vilket är mycket nära den hastighet som krävs. Hissen täckte hela kabellängden på 3 minuter. 49 s bar hissen en nyttolast på 0,4 kg [14] .
I augusti 2010 höll LaserMotive en demonstration av sin senaste uppfinning vid AUVSI Unmanned Systems Conference i Denver , Colorado. En ny typ av laser kommer att hjälpa till att mer ekonomiskt överföra energi över långa avstånd, lasern förbrukar bara några få watt [15] [16] .
I februari 2012 tillkännagav Obayashi Construction Corporation ( Japan ) planer på att bygga en rymdhiss år 2050 med hjälp av kolnanorör [17] .
I september 2018 tillkännagav Japan planer på att lansera en prototyptjuder i rymden för att testa rymdhissteknik. Kabinen, som mäter 6x3x3 cm, kommer att röra sig längs en 10 meter lång kabel som sträcks i utrymmet mellan två minisatelliter. JAXA planerar att skjuta upp minisatelliter i september 2018 från Tanegashima Island på en H-2B-raket [18] . 22 september 2018 kl 20:52 Moskvatid , uppskjutningen av en raket med minisatelliter ombord genomfördes framgångsrikt [19] .
Rymdhissen är inte det enda projektet som använder tjuder för att lyfta satelliter i omloppsbana. Ett sådant projekt är " Orbital Skyhook " ("orbital krok"). Skyhook använder en inte särskilt lång, i jämförelse med rymdhissen, kabel, som är i låg omloppsbana om jorden och snabbt roterar runt sin mittdel. På grund av detta rör sig ena änden av kabeln i förhållande till jorden med en relativt låg hastighet, och det är möjligt att hänga laster från hypersoniska flygplan på den. Samtidigt fungerar Skyhook-designen som ett gigantiskt svänghjul – ackumulatorn av vridmoment och kinetisk energi. Fördelen med Skyhook-projektet är dess genomförbarhet med befintlig teknik. Nackdelen är att Skyhook förbrukar energin från sin rörelse för att skjuta upp satelliter, och denna energi kommer att behöva fyllas på på något sätt.
Stratosphere Network of Skyscrapers-projektet är ett nätverk av hexagonala hissar som täcker hela planeten. När man går vidare till nästa konstruktionsstadier tas stöden bort och hissnätverkets ram används för att bygga en stratosfärisk bosättning på den. Projektet tillhandahåller flera livsmiljöer [20] .
Idén om en rymdhiss finns i gamla myter i form av en bild av ett gigantiskt träd som når övervärlden. Så, till exempel, i tysk-skandinavisk mytologi finns det ett världsträd Yggdrasil , ett gigantiskt askträd som vilar på tre rötter och växer genom sex världar.
Om detta träd måste hittas i den primitiva erans mytologi, så odlas det i jordbrukstidens mytologi av människor .
Idén med en rymdhiss ses också i berättelsen om Babels torn , avbildad i sumerisk-akkadisk mytologi ( Enmerkar och herren av Aratta ) och Toran (Femt Moseböckerna i Gamla testamentet ) [21] .
I Europa finns en populär saga om tre magiska bönor som kan växa till ett slott i himlen, som är precis som en rymdhiss och en station på dess topp.
Ordböcker och uppslagsverk | |
---|---|
I bibliografiska kataloger |
Raketfri rymduppskjutning | |
---|---|
|