Космический лифт

 

 

Оглавление

 

1. Космический лифт…………………………………………………………………….3-5
2. Основание космического лифта……………………………………………………….. 5
3. Трос……………………………………………………………………………………..6-7
4. Утолщение троса………………………………………………………………………...7
5. Противовес………………………………………………………………………………8
6. Угловой момент скорость и наклон …………………………………………………8-9
7. Строительство……………………………………………………………………………9
8. Экономия от использования космического лифта…………………………………9-10
9. Список литературы……………………………………………………………………..11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОСМИЧЕСКИЙ ЛИФТ

    Космический лифт — концепция инженерного сооружения для без ракетного запуска грузов в космос. Данная гипотетическая конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на геостационарной орбите. Впервые подобную мысль высказал Константин Циолковский в 1895 году, детальную разработку идея получила в трудах Юрия Арцутанова. Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей. Теоретическая выгода рассчитана очень просто: доставка грузов космическим лифтом может снизить удельную стоимость с 20 000 $/кг до 500 $/кг.                                                            

    Трос удерживается одним концом на поверхности планеты Земли, а другим — в неподвижной над планетой точке выше геостационарной орбиты за счёт центробежной силы. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли.

    От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв в сочетании с низкой плотностью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и больших затрат иного рода.

 

    Представьте ленту, чья длина примерно в 100 млн раз больше, чем ширина. При длине в 1 м её ширина была бы 10 нанометров, что всего в несколько раз толще, чем наша ДНК. Сделайте ленту длиной с футбольное поле, и её ширина будет меньше микрометра, — даже красная кровяная клетка больше по размеру. А как насчёт троса длиной в 100 000 км, один конец которого закреплён на поверхности Земли, а другой болтается на геостационарной орбите, при этом диаметр едва достигает размаха наших рук.

    Идея подъёма на орбиту по такой ленте выглядит уже достаточно сомнительно. Однако в отчёте, опубликованном Международной Академией Астронавтики, предсказывается возможность создания подобного троса, способного единовременно нести до семи 20-тонных грузов. Согласно отчёту, для обеспечения натяжения троса, на конце, расположенном в космосе, должен крепиться «якорь» массой около 2 тыс тонн. Доставка грузов по такой «магистрали» может коренным образом изменить всю программу освоения космоса. Ведь подобная технология позволит каждые два дня отправлять на орбиту груз, который сравним с грузоподъёмностью космических шаттлов.

    Геостационарная орбита полезна не только для задач вывода спутников, но и для удешевления запуска дальних летательных аппаратов. Полёт на Марс может быть начат с запуска корабля с помощью небольших ракетных ускорителей, набора скорости за 1-3 витка вокруг Земли с последующим «отрывом» в сторону пункта назначения. Это позволит сэкономить огромные средства по сравнению с традиционным наземным стартом. Также космический лифт позволит радикально упростить задачу создания баз на Луне и Марсе.

    Выгоды обещают  быть велики, поэтому данный проект  стоит того, чтобы в него были  осуществлены серьёзные частные  инвестиции. Правительства и корпорации  тратят миллиарды на строительство  инфраструктуры в космосе, и лифт легко может стать самоокупаемым проектом. Этот способ доставки будет интересен учёным, телекоммуникационной отрасли и военным. Кроме того, подобная транспортная магистраль сделает проект добычи полезных ископаемых на Луне и астероидах менее фантастичным, так что космическим лифтом могут заинтересоваться и добывающие корпорации. Безусловно, проект получится дорогим, возможно, самым дорогим проектом в истории. Но, в то же время, он сможет обеспечить большую экономию множеству заинтересованных участников, от Google до DARPA и Exxon, так что вопрос финансирования может быть решён. Важнейшей проблемой является обеспечение защиты от террористических атак и военных конфликтов: даже будучи политически нейтральным и располагаясь на морской платформе, вокруг лифта будет установлена одна из строжайших зон, закрытых для полётов. Лифт придётся обеспечить мощной противолодочной и противокорабельной обороной, как и мощнейшей системой ПВО и ПРО. В космосе необходимо будет решить проблему защиты от спутников. Несмотря на возможный международный статус проекта, его функционирование потребует финансирования со стороны конкретных стран — например, как это происходит в случае с ООН.

 

ОСНОВАНИЕ КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА

 

Основание космического лифта — это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне.

Преимущество подвижного основания — возможность совершения маневров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы — более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту.

Дополнительно к основанию может быть размещена площадка на стратостатах, для уменьшения веса нижней части троса с возможностью изменения высоты для избежания наиболее бурных потоков воздуха, а также гашения излишних колебаний по всей длине троса.

 

 

ТРОС

    Трос  должен быть изготовлен из  материала с чрезвычайно высоким  отношением предела прочности  к удельной плотности. Космический  лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить  в промышленных масштабах за  разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью  около 65-120 гигапаскалей.

    Для сравнения, прочность большинства видов  стали — около 1 ГПа, и даже  у прочнейших её видов —  не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим выше.

 

    Углеродные  нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем её компоненты. Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов продолжаются.

 

    В  эксперименте учёных из Университета  Южной Калифорнии (США) однослойные  углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатели стали и в 30 — кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мкм.

 

    Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.

 

   По заявлениям некоторых учёных, даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

 

    Эксперименты  учёных из Технологического университета  Сиднея позволили создать графеновую бумагу. Испытания образцов внушают оптимизм: плотность материала в пять-шесть раз ниже, чем у стали, при этом прочность на разрыв в десять раз выше, чем у углеродистой стали. При этом графен является хорошим проводником электрического тока, что позволяет использовать его для передачи мощности подъёмнику в качестве контактной шины.

 

    В  июне 2013 года инженеры из Колумбийского  университета США сообщили о  новом прорыве: благодаря новой  технологии получения графена удается получать листы, с размером по диагонали в несколько десятков сантиметров и прочностью лишь на 10% меньше теоретической.

 

УТОЛЩЕНИЕ ТРОСА

    Космический  лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой — прибавляет его вес, а следовательно и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других — выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.

 

 

ПРОТИВОВЕС

     Противовес  может быть создан двумя способами — путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида, космического поселения или космического дока) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант интересен тем, что с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

 

УГЛОВОЙ МОМЕНТ, СКОРОСТЬ И НАКЛОН

 

    Горизонтальная скорость каждого участка троса растёт с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).

 

    Угловой  момент приобретается за счёт  вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении  — за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину, и противовеса на существенно большую величину, в результате замедления вращения противовеса трос начнет наматываться на землю.

    В то  же время влияние центробежной  силы заставляет трос вернуться  в энергетически выгодное вертикальное  положение, так что он будет  находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадёт.

    К моменту  достижения грузом геостационарной  орбиты (ГСО) его угловой момент  достаточен для вывода груза  на орбиту. Если груз не высвободить  с троса, то остановившись вертикально  на уровне ГСО, он будет наxодиться в состоянии неустойчивого равновесия, а при бесконечно малом толчке вниз, сойдет с ГСО и начнет опускаться на Землю с вертикальным ускорением, при этом замедляясь в горизонтальном направлении. Потеря кинетической энергии от горизонтальной составляющей при спуске будет передаваться через трос угловому моменту вращения Земли, ускоряя её вращение. При толчке вверх груз также сойдет с ГСО, но в противоположном направлении, то есть начнет подниматься по тросу с ускорением от Земли, достигнув конечной скорости на конце троса. Поскольку конечная скорость зависит от длины троса, её величина таким образом может быть задана произвольно. Следует отметить, что ускорение и прирост кинетической энергии груза при подъеме, то есть его раскручивание по спирали, будут происходить за счет вращения Земли, которое при этом замедлится. Данный процесс полностью обратим, то есть если на конец троса надеть груз и начать его опускать, сжимая по спирали, то угловой момент вращения Земли соответственно увеличится.

    При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

 

СТРОИТЕЛЬСТВО

    Строительство  ведётся с геостационарной станции. Это единственное место, где может причалить космический аппарат. Один конец опускается к поверхности Земли, натягиваясь силой притяжения. Другой, для уравновешивания, — в противоположную сторону, натягиваясь центробежной силой. Это означает, что все материалы для строительства должны быть подняты на геостационарную орбиту традиционным способом, независимо от места назначения груза. То есть стоимость подъёма всего космического лифта на геостационарную орбиту — минимальная цена проекта.

 

ЭКОНОМИЯ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА

 

    Предположительно, космический лифт позволит намного  снизить затраты на посылку  грузов в космос. Строительство  космических лифтов обойдётся  дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов может быть недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к расширению рынка. Таким же образом оправдывает себя прочая транспортная инфраструктура — шоссе и железные дороги.

    Пока ещё нет ответа на вопрос, вернёт ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.