| О проекте | Главная | Оставить сообщение | Адрес для связи: tbam1@rambler.ru |
Существующая в настоящее время ракетная техника для доставки на орбиту грузов явно не отвечает потребностям человека ни по стоимости вывода грузов на орбиту (примерно 20-25 тыс. долларов США за килограмм), ни по общей грузоподъемности в год, ни по надежности и безопасности работы. Поэтому даже в самый разгар становления ракетной техники, ее поражающего воображение, грандиозного успеха - обеспечение выхода человека в космическое пространство, продолжали предлагаться идеи по доставке грузов в космос без использования ракет. Это были собственно грандиозные футуристические инженерные идеи так или иначе связанные с протягиванием от Земли в космическое пространство канатов, лент и т.п.
Идеи использовать тросы в космических системах регулярно появляются уже давно и задолго до становления ракетной техники в ее нынешнем виде.
Более ста лет назад, в 1895 году К. Э. Циолковский в своей книге "Грезы о Земле и небе" описал космический корабль с искусственной тяжестью. Космический корабль соединялся цепью с противовесом и получившаяся, таким образом единая система приводилась во вращение вокруг общего центра масс.
Примерно через 15 лет, в 1910 году, уже Ф.А. Цандер предложил практически первый, так называемый, космический лифт. Его лифт представлял собой трос, протянутый с поверхности Луны на Землю на расстояние более 60 тыс. км. и удерживаемый от падения на поверхность Луны притяжением Земли. Исходя из прочностных свойств, имевшихся в то время материалов, Ф.А. Цандер пришел к выводу о невозможности практической реализации его идеи.
Прошло еще 50 лет и в "Комсомольской правде" ленинградский инженер Ю. Арцутанов опубликовал идею первого земного космического лифта, который представлял собой трос, протянутый от поверхности Земли за геостационарную орбиту на расстояние более 36 тыс. км. и растягиваемого центробежными силами.
После появления статьи Ю. Арцутанова вот уже более 50 лет периодически в прессе появляются статьи с описанием подобных космических лифтов. Причем особенно по части повторных, так называемых, "независимых" публикаций преуспели американцы. Участвовали в этом процессе все, кто только мог от инженеров, ученых до писателей-фантастов.
В более или менее напоминающем хоть какие-то практические попытки приступить к строительству космического лифта в основном соответствующего идеи Ю. Арцутанова отличились все те же американцы. НАСА выделяет на эти цели даже гранты. Организовано проведение ежегодных соревнований создателей лент (канатов), транспортных платформ для перемещения по ленте и разработчиков систем энергообеспечения. Были сделаны весьма смелые утверждения о возможности создания космического лифта уже к 2010 году. (По этому поводу написано очень много. Можно начать просмотр сообщений хотя бы отсюда: http://www.membrana.ru/articles/global/2004/08/30/214400.html)
Почему я называю эти утверждения слишком смелыми? Да, потому, что не решена главная проблема - изготовление каната (ленты) длинной более 36 тыс. км. способного выдержать не только собственный вес, но и вес поднимаемых по нему грузов и способного просуществовать несколько лет не будучи разрушенным от внешних воздействий. Срок службы каната очень важен для возможности достижения его окупаемости, а надеяться на то, что канат будет дешевым явно не стоит.
Возлагать же слишком большие надежды на полученные в последнее время углеродные нанотрубки, которые по прочности вроде бы приблизились к требуемым параметрам, тоже не стоит. Получить маленький образец материала одно, а получить из этого материала изделие длинной в тысячи километров совсем другое. Между этими событиями обычно лежит дистанция огромного размера. Кроме этого, как известно, образец материала маленького размера демонстрирует более высокую прочность, чем образец большего размера из того же материала. Сколько на этом явлении будет потеряно в прочности, предсказать в настоящее время не представляется возможным.
Необходимо отметить, что решить проблему изготовления прочного троса для космического лифта фактически пытаются уже более ста лет, а до окончательного решения все еще далеко. На фоне этих пока бесплодных усилий, конечно же, предлагаются иные проекты космических лифтов с точкой подвеса троса поближе к Земле. С тем, что бы трос имел длину не в десятки тысяч километров, а в 100-200 километров и тем самым можно было бы избежать изготовления чрезмерно прочного троса.
Так, А.А. Болонкин (http://bolonkin.narod.ru/p37.htm) Предлагает закрутить во взаимно противоположных направлениях, вокруг Земли на высоте 200 километров два одинаковых троса, плоскости, которых параллельны. Центробежная сила будет поддерживать тросы в натянутом состоянии и не даст им упасть на Землю. Грузы к тросам крепятся при помощи роликов и поднимаются с Земли по специальному тросу, соединяющему Землю с кольцами из тросов. Для компенсации потерь на трение к кольцам из тросов будут подсоединены специальные приводные тоже тросовые станции. Что-то вроде ременной передачи с двигателем расположенным на Земле. Подтормаживая ролики можно перемещать грузы вдоль вращающихся тросов или висеть неподвижно в определенной точке.
Очевидным и самым главным недостатком идеи А.А. Болонкина является то, что его система потенциально может обеспечить подъем грузов в космическое пространство, но не на орбиту, т. е. грузы не получают необходимой круговой скорости для самостоятельного полета по орбите. Отсюда и очень скромные возможности по количеству одновременно находящегося в космосе груза. По оценкам самого А.А. Болонкина его тросовая система будет иметь максимальную подъемную силу в 31 тонну, что не так много даже для существующей ракетной техники. При этом необходимо отметить, что размещение этого по сути скромного груза в космосе вовсе не бесплатно и требует решения целого ряда сложных проблем, возможно не менее сложных, чем получение сверхпрочного троса. Это обеспечение стабильного синхронного вращения и без биений, обкатываний, осевых движений и колебаний двух гигантских тросовых колец, особенно если учесть, что предполагается различное их взаимодействие с грузами (при перемещении грузов вдоль колец). Кроме этого ведь существуют еще и внешние воздействия. Не так просто эти кольца будет развернуть в космосе и ввести во взаимодействие через ролики друг с другом. Вызывает большие сомнения так же и возможность передачи вращения при помощи ременной передачи с очень большой скоростью от наземного двигателя к кольцам, двигающимся со скоростью 8 км/с, на расстояние 200 километров. И существуют ли ролики способные взаимодействовать с канатом, движущимся относительно них со скоростью 8 км/c, а какой срок службы будет у таких роликов?
Похожую, но лишенную большинства, приведенных недостатков конструкцию предлагал инженер из Гомеля А. Юницкий в своей статье "В космос на колесе", опубликованной в журнале "Техника молодежи" №6 1982 год. Предполагалось, что его система будет стартовать в космос с поверхности Земли со специально проложенной по экватору эстакады и с уже прикрепленными к ней грузами. Представлять собой трубу диаметром 10 метров, в которой будут вращаться в противоположных направлениях две ленты, расположенные в вакуумных камерах. Причем диаметр кольца, образованного трубой будет иметь возможность увеличиваться под действием центробежных сил. К сожалению, идея А. Юницкого, избавившись от многих проблем, присущих идеи А.А. Болонкина, приобрела новые, чисто свои. Это создание вакуумной полости переменного объема, опоясывающей весь земной шар по экватору. Строительство грандиозной эстакады, пересекающей не только равнины, но и океаны и горы. Обеспечение возврата конструкции из космоса обратно на фактически очень узкую эстакаду, обеспечение равномерного контакта с ней. И др. т. п.
Существуют и иные "более простые по исполнению" проекты, как думают их авторы. Например, опубликованный в журнале "Знание - сила" № 7 за 1969 год проект гигантского колеса-пращи Ю. Арцутанова, которое, катясь по земле с приемлемой скоростью, на верхнем ободе, выходящем за плотные слои атмосферы, развивает космические скорости, и с колеса, как с пращи, уходят в полет космические корабли. Правда, пока вызывают значительные затруднения проекты строительства неподвижных башен (мачт) высотой сопоставимой всего лишь с одним километром. Учитывая все это, инженер Б. Яковлев предлагал разместить колесо в открытом пространстве близ Земли, но до такого колеса ведь еще добраться надо.
Все тот же А.А. Болонкин (http://bolonkin.narod.ru/p37.htm) фактически предложил заменить колесо тросом, соединенным в виде кольца переменного диаметра с наземным двигателем. Кольцо двигателем в вертикальной плоскости должно раскручиваться до больших скоростей, обеспечивающих выход в космос. Однако замена колеса на трос все же к решению имеющихся проблем не приведет.
Рассматривая по отдельности огромное количество предлагаемых в настоящее время проектов, объединенных общим лозунгом: "В космос без ракет!" быстро приходишь к выводу, что все они очень легко поддаются критике и по существу не вышли из разряда футуристических инженерных проектов, часто очень красивых, но все же не пригодных к практической реализации при существующем уровне развития техники. С другой стороны, очевидно, что за прошедшие примерно 100 последних лет, в результате своеобразного мозгового штурма решения проблемы доставки грузов в космос без ракет, удалось накопить определенную критическую массу соответствующих идей. По этому можно попытаться объединить части разных идей в одном проекте с тем, что бы исключить наиболее сложные проблемы, присущие отдельным проектам и совместно использовать их преимущества. При этом такой "составной" проект должен обеспечивать выполнение следующих требований:
- не иметь элементов конструкции или грузов двигающихся с большой скоростью в плотных слоях атмосферы, т. е. на высотах примерно меньше 100 километров;
- не иметь элементов конструкции, в которых развивались бы напряжения по величине близкие к пределу прочности производимых в настоящее время материалов, что означает, если, например, для подъема в космос используется лифт, то он должен быть коротким - не длиннее 100-200 километров;
- придавать грузам круговую скорость достаточную для дальнейшего самостоятельного нахождения на орбите искусственного спутника Земли;
- не требовать использования на поверхности Земли сооружений высотой более 1-3 километров;
- иметь возможность снабжаться энергией и расходными материалами непосредственно с поверхности Земли при помощи технических средств и устройств, которые принципиально можно изготовить, используя существующий уровень развития науки и техники;
- вся система должна обслуживаться и обновляться без использования ракет (во всяком случае, использование ракет должно допускаться в исключительно редких случаях);
- объем грузов, доставляемых в космос при первоначальном сооружении системы должен соответствовать возможностям современной ракетной техники.
В результате "складывания" различных идей с учетом выше перечисленных требований у меня получился проект транспортной системы Земля - космос на основе канатного маховика, схема которого приведена на рисунке:
На схеме использованы следующие обозначения: 1 - Земля, 2 - канатное кольцо - маховик, 3 - опора, 4 - канат лифта, 5 - капсула лифта, 6 - разгонная платформа, 7, 8 - растяжки (вообще то не обязательны).
Проект транспортной системы Земля - космос на основе канатного маховика предусматривает использование в качестве опоры вращающегося вокруг Земли 1 канатного - кольца маховика 2. Причем скорость вращения канатного - кольца маховика 2 должна превышать скорость вращения искусственного спутника Земли на соответствующей орбите. Максимально возможное превышение этой скорости вращения определяется предельной прочностью канатного - кольца маховика 2 на разрыв. Очевидно, что чем больше будет скорость вращения канатного - кольца маховика 2, тем большую несущую способность будет иметь канатное - кольцо маховик 2 при неизменной его массе. Канатное - кольцо маховик 2 большей массы при прочих равных условиях будет иметь и более высокую несущую способность. Канатное - кольцо маховик 2 при помощи опоры 3 соединяется с Землей 1 канатом 4. При этом опору 3 подвешивать к канатному - кольцу маховика 2, по всей видимости, наиболее целесообразно при помощи магнитной подвески. Это до минимума снизит трение между опорой 3 и канатным - кольцом маховика 2. Опора 3, удерживаемая канатом 4 будет практически неподвижна относительно канатного - кольца маховика 2. Для доставки грузов в космос по канату 4 между Землей 1 и опорой 3 курсирует капсула лифта 5. Для снабжения энергией опоры 3, капсулы лифта 5, разгонной платформы 6 по канату 4 можно проложить специальный кабель или передавать ее с Земли микроволновым излучением, лазером и т. п. В опоре 3 можно поместить что-то типа линейного электрического двигателя для подкручивания канатного - кольца маховика 2. При подкручивании канатного - кольца маховика 2 из-за действия обратной реакции опора 3 будет стремиться сместиться по канатному - кольцу маховика 2 в сторону противоположную направлению его вращения, что приведет к расклиниванию опоры 3 и возникновению растягивающих нагрузок в канате 4. Для компенсации этих нагрузок можно применить канатные растяжки 7, 8, соединяющие опору 3 с Землей 1 под углом. Хотя применение растяжек 7, 8 может быть необязательным, в случае если подкрутка канатного - кольца маховика 2 будет не очень интенсивной и растягивающие усилие в канате 4 соответственно не будет чрезмерно большим. Кроме этого вместо растяжек 7,8 к опоре 3 можно прикрепить электрический реактивный двигатель или вообще прикрепить электрические реактивные двигатели непосредственно к канату - кольца маховика 2, а можно к канату - кольца маховика 2 прикрепить лишь зеркала и воздействуя на них с Земли лазерами, подкручивать канатное - кольцо маховика 2. Вариантов может быть много. Все зависит от того, удастся ли создать соответствующие двигатели при условии, что энергоснабжение этих двигателей в значительной степени будет упрощено. Разгонную платформу 6 к канатному - кольцу маховика 2 желательно подвесить так же на магнитной подвеске и снабдить ее линейным электрическим двигателем. Опор 3 с канатами 4 может быть много. Их количество, по сути, ограничивается только несущей способностью канатного - кольца маховика 2.
Транспортная система Земля - космос на основе канатного маховика работает следующим образом. Канатное - кольцо маховик 2, вращаясь вокруг Земли 1, за счет центробежных сил находится в натянутом состоянии и удерживается от падения на Землю 1. Причем для компенсации потерь на трение, деформирования от внешних воздействий, потерь энергии при разгоне грузов канатное - кольцо маховик 2 подкручивается линейным электрическим двигателем опоры 3. По канату 4 в капсуле 5 груз поднимается в космос к опоре 3, где перемещается в разгонную платформу 6. После этого разгонная платформа 6 отсоединяется от опоры 3 и увлекаемая канатным - кольцом маховика 2 постепенно разгоняется. Ускорение разгона регулируется силой сцепления магнитной подвески платформы 6 с канатным - кольцом маховика 2. После достижения платформой 6 скорости искусственного спутника Земли от нее отсоединяется груз, который превращается в искусственный спутник, а платформа 6 тормозится своим линейным электрическим двигателем и возвращается к опоре 3. Заторможенное разгоном груза канатное - кольцо маховик 2 восстанавливает свою кинетическую энергию от линейного электрического двигателя опоры 3. После чего весь цикл можно повторить. Спуск грузов с орбиты можно осуществлять, выполняя операции в обратном порядке.
Поскольку длина канатного - кольца маховика 2 при условии размещения его на высоте 100 км будет составлять 40638 км, то даже при его маленьком сечении, вес оно будет иметь сравнительно большой. В связи с этим, на начальном этапе строительства, в космос, на орбиту при помощи ракет целесообразно будет доставить канат минимально необходимого, по создаваемой подъемной силе, сечения. Затем нарастить его непосредственно с Земли волокнами малого сечения до несущей способности необходимой для нормальной эксплуатации. Это наращивание может выглядеть примерно так. Конец волокна, находящегося на поверхности Земли, по канату 4 поднимается к опоре 3 и соединяется с платформой 6. Разгоняется вместе с платформой 6 до скорости вращения канатного - кольца маховика 2 и конец волокна прикрепляется к канатному - кольцу маховику 2. После чего все волокно вытягивается вращением канатного - кольца маховика 2 с Земли на орбиту. Так одно волокно за другим сможет нарастить канатное - кольцо маховика 2 до требуемого сечения и массы уже без помощи ракет. К стати таким же образом можно будет осуществлять и ремонт транспортной системы.
Теперь приведем оценку возможности существующей ракетной техники обеспечить строительство предлагаемой транспортной системы. Минимально необходимое сечение каната, для таких давно выпускаемых материалов, как кевлар и спектра, составит примерно 0,5 квадратного сантиметра. Вес, изготовленных из них канатов соответственно будет 2926 т и 2027 т. Для доставки такого груза ракетами грузоподъемностью 20 т (примерно протон) соответственно потребуется 147 и 102 пуска, а для ракет грузоподъемностью 100 т (примерно энергия) соответственно потребуется 30 и 21 пуск. Если же в качестве материала каната использовать усы графита, то его минимальное сечение может быть уже 0,06 квадратного сантиметра, общий вес 550 т, а пусков ракет потребуется соответственно 28 и 6.
Сечение канатов оценивалось с запасом, т. к. полностью использовать всю несущую способность каната можно лишь в том случае, если груз будет размещен равномерно по всему канатному кольцу. В реальности же придется иметь дело практически с точечным размещением груза. Разрыв канатного кольца в этом случае нам не грозит. Скорее может оборваться канат лифта. Однако, при чрезмерно большом грузе реально возникновение ситуации, когда груз просто будет стаскивать канатное кольцо с орбиты.
Конечно, изготовить канат из усов графита пока для нас является фантастикой. Однако использование уже существующих материалов, хотя и потребует значительного количества пуска ракет, но все же это количество не является убийственным и при наличии желания, сотрудничества стран вполне осуществимо.
Необходимо отметить, что предлагаемую транспортную систему не следует рассматривать в качестве подарка. По следующим причинам. На высоте 100 км космические аппараты испытывают заметное торможение из-за наличия остатков атмосферы. Из-за микрогравитации (или так называемой микротяжести), влияния Луны, неоднородностей Земли постоянно будет происходить деформирование канатного кольца, возникновение явления его обкатывания вокруг планеты. Все это потребует постоянного закачивания в канатное кольцо значительного количества энергии. Иначе оно сравнительно быстро просто упадет на Землю. Несколько уменьшит эти явления равномерное размещение большого количества канатов лифтов по канатному кольцу. С возможностью удлинения канатов лифтов при изменении величины растягивающих их напряжений. Тогда эти канаты лифтов в какой-то мере смогут играть роль своеобразной оси маховика из канатного кольца. Конечно, если отдельные сегменты канатного кольца сделать не связанными друг с другом, то от этих явлений можно будет избавиться, но тогда канатное кольцо потеряет несущую способность. В связи с этим, желающему использовать предлагаемую транспортную систему, придется смириться с большим расходом энергии. В утешение можно отметить лишь, то, что это все же будет электрическая энергия.
Читайте так же об инерционных реактивных двигателях и их применении http://stob2.narod.ru/4i.htm
декабрь 2005 года
