spacewhip - обмен грузами между планетами без затрат энэргии

[Pavel_Belov]

Недостатки ракет известны - колоссальный расход топлива, большая стоимость, одноразовость и т.д. На такой технике космос точно не освоим. Другая альтернатива - космический лифт -должна быть минимум в 3 раза больше Земли, т.е. его постройка - сама по себе колоссальная задача, а толку с начала строительства и до самого завершения не будет. Стоит еще и про радиационные пояса вспомнить, которые убьют людей пока те поднимутся на орбиту.

Предлагаю альтернативный вариант. Сначала продумывал, как менее масштабный "космический лифт", но, когда идея оформилась - сам припух, кроме того что она проще и дешевле для строительства, так еще и в эксплуатации будет дешевле.

Итак, на низкой орбите летает станция-кнут (сама станция, и отходящий от нее тросс\лента из углеродных нанотрубок. Вся станция вращается вокруг центра масс (около "ручки" кнута) Направление полета и вращения совпадает в суточным вращением Земли.

Таким образом, конец "Кнута" при  приближении к Земле движется со скоростью, гораздо меньше Космической. Можно сделать даже так, что конец будет отпускаться вертикально в Земную атмосферу, но это не выгодно, нужен некий компромис. Итак, с экватора взлетает специальный самолет, выскакивает на большой скорости в разряженные слои атмосферы, стыкуется с концом "кнута", а дальше в зависимости от предназначения груза. Если на станцию - то как и "космический лифт" въезжает по кнуту вверх, а если в открытый космос (на орбиту) - висит на конце, пока кнут не перенесет его на максимальное удаление от Земли, там скорость будет уже гораздо выше, чем скорость полета станции, и при достаточно большом размере "кнута" будет выше, чем 2-я космическая.

Естественно, при пристыковке груза будет меняться центр тяжести, а "Кнут" - переходить на более низкую орбиту, при запске на более высокую орбиту - тоже, эти "просадки" компенсируются ионными двигателями, установленными на "ручке" кнута, и питаемые солнечной энергией, или ядерным реактором на станции. Зато, при возврате грузов с орбиты, станция дважды поднимется, забрав "лишнюю" кинетическую энергию у грузов. Этот процесс схематично показан на анимации.


"Просадка" станции не изображена. Теперь, представьте, что около Луны (например)  летает аналогичный "кнут". Тогда, запускаем груз с Земли, и околоземный "кнут" запускает его в сторону Луны, при этом он проседает, спускается на более низкую орбиту. Зато окололунный кнут, поймав груз, поднимется на более высокую. Соответственно, посланный с Луны груз  будет наоборот, замелдять "лунный кнут" и ускорять "Земной". Нетрудно посчитать, что если массы грузов равны, то обменявшись двумя челноками равной массы, "кнуты" останутся на одной орбите.

Ну, сразу для лучшей синхронизации предлагаю запускать грузы не прямо на Луну, а в точки Лагрнанжа (гравитационные ловушки), где груз может дождаться "удобного момента", и включив маломощный ионный двигатель начать падать на одну из планет так, чтобы при приближении к планете оказаться рядом с "кнутом", в нужном направлении и на нужной скорости.


Теперь - про строительство станции, и почему это будет выгодно. Кнут в 10 км (величина невелика, и вполне может быть реализована современными средствами), конец которого вращается с окружной скоростью в 1 км/с, будет двигаться относительно Земли со скоростью на километр меньше 1 космической. Центробежная перегрузка на конце кнута будет 10 g - для неживых грузов - приемлемая цифра. Полезная масса ракеты уменьшается при увеличении конечной скорости по экспоненте, поэтому экономия топлива для стыковки с таким маленьким (по космическим меркам) кнутом будет сразу в 2-3 раза. Правда, сам кнут придется ускорять, но с этим потихоньку справится ионный двигатель, а удельный импульс этих двигателей гораздо выше.

Итак, собрать первоначальную станцию на орбите, и размотать 10-20 км троса - реально, дальше расходы на строительство сразу уменьшатся в несколько раз. Ракеты доставляют модули на конец кнута, а дальше - они своим ходом подтягиваются к станции, трос постепенно удлинняется (достраивается из привозимого материала прямо на станции), становится длиннее, толще (выгодно делать его равнопрочным), так же - совершенствуются материалы. Масса станции растет, наименее прочные части (конец троса) обрезаются и сбрасываются, и общая грузоподъемность станции увеличивается, так же увеличивается и максимальная масса груза, выводимого к месту стыковки ракетой (можно использовать одни и те же носители, а масса груза будет все больше и больше).

В конце концов, станция станет достаточно большой, чтобы конец троса отпускался в верхние слои атмосферы (скажем, до 40 км), куда контейнеры с грузом доставляются уже не ракетами, а многоразовыми самолетами - носителями. Теперь начинается строительство второго троса (в противоположную сторону), и, когда оно завершится, станция набирает высоту и расстыковывается на 2 части так, что новый трос остается около Земли, а старый (менее прочный и потрепанный) - летит к Луне, где перегрузки ниже. К этому моменту мы уже сможем позволить себе лунную колонию, старый "кнут" встает на такую орбиту, чтоб отпускаться вертикально чуть в стороне от колонии, грузы на него доставляются реактивными двигателями, но топлива на это сжигается в десятки раз меньше, чем при классическом пуске и ускорении. "кнуты" могут приступать к обмену грузами. В это время на околоземной станции-кнуте начинается строительство нового хлыста, уже для отправки (снова более старого) к орбите Марса.

Понимаю, что бесплатным и совсем без затрат энергии такой переброс не будет, да и идея - очень уж отличается от "классики жанра", но она не противоречит никаким законам физики, и осуществима с нынешним развитием тезники.  можно обойтись длиной троса около Земли в 200 км, лучше - 1000 км, но никак не 100000, как в проекте Космического лифта, при этом если использовать равнопрочные тросы из одинакового материала, то этого материала для строительства "кнута" нужно в сотни раз меньше, чем для "лифта", а его доставка на орбиту сразу будет дешевле, чем традиционные способы вывода, тем более на геостационарную орбиту.

[Бродяга]

Неновая идея.

 Прочности существующих тросов не хватает, чтобы её реализовать.

[Pavel_Belov]

Для начала (трос в 10-20 км и окружная скорость 1 км/с) - вполне хватит обычного карбона, ну а дальше - упор на углеродные нанотрубки. Все-равно, прочность, необходимая для "кнута" меньше прочности, необходимой для "космического лифта".

При удлиннении троса старые (карбоновые) части будут отрезаться проезжающим лифтом, чтоб остались одни нанотрубки - тогда грузоподъемность возрастет. Ну и трос должен расширяться к станции, т.е. быть равнопрочным. Теоретически, хоть стальным его делай, весь вопрос - насколько придется "расширить". Например, для космического лифта толщина стального троса на орбите была бы несколько сот км - что неприемлемо.

[Бродяга]

Один человек в качестве темы дипломного проекта использовал такую систему "по сбросу Луны на Землю" с целью доставки грузов на Луну.

 У него не хватало прочности в разы.

[gans3]

Это менее бредово, чем лифт,
Вокруг Луны вполне работоспособно.
А вот уже Земной "черпак" требует нехилых вкачек в энергию - атмосфера на 1000 км все таки есть и двигать в ней трос вхолостую со скоростью 15 км\сек все время между пусками будет невыгодно - жжотся.

Идея, кстати в фантастическом романе описана. Шеффилд, некий ЕМНИП.

[Бродяга]

Собственно идея со сбросом Луны была такая.

 На орбите Луны вращается тросовая система таким образом, что скорость приёмника груза у поверхности Луны близка к нулю.
 С Луны забрасывается грунт или ещё что-то, эта штуковина поворачивается и отбрасывает грунт на орбиту к Земле.

 У Земли вращается такая же штуковина, котрая захватывает то, что сброшено с Луны и, в свою очередь, толкает какую-то полезную нагрузку к Луне.

 Разумеется, руководителем дипломного проекта идея сперва была воспринята как совершенно бредовая, но после прикидок оказалось, что она довольна близка к реализации при современных прочностях тросов.

[Pavel_Belov]

А вот уже Земной "черпак" требует нехилых вкачек в энергию - атмосфера на 1000 км все таки есть и двигать в ней трос вхолостую со скоростью 15 км\сек все время между пусками будет невыгодно - жжотся.

Да, есть такая тема. Но там, где атмосфера плотная (ближе к земле) и скорость гораздо меньше - кнут то вращается как-будто "шестеренка" катится, а там, где скорость больше - и атмосфера будет менее плотная. Кроме того, тросс должен быть выполнен в виде ленты (это еще лифтостроители придумали, чтоб шальной метеорит не перебил, а только дырку прошил) естественно, для уменьшения сопротивления лента должна идти "ребром". Если использовать для выравнивания орбиты плазменный двигатель, с рабочим телом - азотом, например, а в качестве источника энергии - паровые турбины (тоже считал - их проще и выгоднее использовать, чем солнечные батареи. Солнышко греет и кипятит, а в тени - конденсируется, ну и пар по пути турбину вращает) Их единственный минус - когда в тень Земли попадают может рабочее тело замерзать, естественно, никакой энергии.

Один человек в качестве темы дипломного проекта использовал такую систему "по сбросу Луны на Землю" с целью доставки грузов на Луну.

У него не хватало прочности в разы.

Так тоже сравнил, Луну буксировать и 100 км троса крутить

Сопромат я на до подкорки знаю, и спросонья эпюры строить могу, есть там такое понятие - равнопрочные конструкции. Так, колонна делается шире внизу, чтоб держала собственный вес и заданную нагрузку. Теоретически ее можно любой высоты строить, главное, чтоб внизу расширялась, но практически - расширяться будет непропорционально, а по экспоненте. То же (ток наоборот) и со свисающим тросом - на конце он будет тонким, а в месте крепления - должен быть толще (так, чтоб держать еще и собственный вес). Трос, необходимый для кнута, короче (хотя сила на него действует больше, чем сила тяжести), и центробежная сила убывает быстрее, чем гравитация, (при приближении к центру в Кнуте и при приближении к геостационарной орбите в лифте) поэтому мало того, что трос короче, так он еще и утолщаться будет меньше. Материалоемкость будет в сотни (а на коротком - в тысячи и десятки тысяч) раз меньше, чем для лифта.

Из любого материала можно построить трос любой длины, выдерживающий любую нагрузку. Весь вопрос только в размере поперечного сечения. Я пример приводил - для космического лифта стальной трос потребуется в сотни километров толщиной (в самом верху) - поэтому и говорили, что сделать нереально. А с современными материалами - как я уже говорил, можно начинать строить. Для 10-20 км троса хватит и карбона, кевлара, кварцевого волокна, а выигрыш по стоимости доставки килограмма груза можно сразу в 2-3 раза получить. И энергии на поддержание такой станции не так уж и много требуется.

[Pavel_Belov]

Разумеется, руководителем дипломного проекта идея сперва была воспринята как совершенно бредовая, но после прикидок оказалось, что она довольна близка к реализации при современных прочностях тросов.

Писал уже, прочность - не главное, любой трос реален. Главное - толщина. Да и когда это было... Сейчас с ростом нанотехнологий лучше тросы то пошли. Да и использовать около Земли я предлагаю не только сам трос, а частично реактивную тоставку, частично - трос, тогда необходимая прочность уменьшается как раз в разы, расход топлива уменьшается тоже в разы. В итоге - гораздо быстрее человек на Луне поселится (проще будет забрасывать туда воздух воду и еду). А при строительстве 2-х "кнутов" - можно будет и в отпуск тудыть слетать. Подороже, чем в Турцию, но реально.

[Pavel_Belov]

Кто данными подкован - посчитайте, тот же "Протон" сколько груза до скорости в 6840 км/сек разгонит? И насколько этот разгон будет дешевле на каждый кг груза, чем 22 тонны на низкую орбиту сейчас.

Так это нужен трос то в 20 км, и перегрузки будут чуть больше 5g, когда на нем груз висит, т.е. даже людей поднимать можно. И прочности на такой трос - предостаточно.

[Chilik]

Из любого материала можно построить трос любой длины, выдерживающий любую нагрузку.

Неправильно.
Претензии не ко мне, а к сопромату.

[Бродяга]

Писал уже, прочность - не главное, любой трос реален. Главное - толщина. Да и когда это было... Сейчас с ростом нанотехнологий лучше тросы то пошли. Да и использовать около Земли я предлагаю не только сам трос, а частично реактивную тоставку, частично - трос, тогда необходимая прочность уменьшается как раз в разы, расход топлива уменьшается тоже в разы. В итоге - гораздо быстрее человек на Луне поселится (проще будет забрасывать туда воздух воду и еду). А при строительстве 2-х "кнутов" - можно будет и в отпуск тудыть слетать. Подороже, чем в Турцию, но реально.

Вы просто не учитываете массу самого троса и, соответственно, нагрузки, которые возникнут в самом тросе за счёт его собственной массы.

[Pavel_Belov]

Вы просто не учитываете массу самого троса и, соответственно, нагрузки, которые возникнут в самом тросе за счёт его собственной массы.

Как раз учитываю. Говорю же, равнопрочный трос, т.е. его толщина постепенно увеличивается, чтобы он выдерживал собственную массу+нужную нагрузку. Ну, в "кнуте" будет не масса, а центробежная сила+микрогравитация.

т.е. возьмем трос из материала,плотностью в 2000 кг/м^3, сантиметровый трос (имеется ввиду площадь сечения) пусть выдерживает 2000 кг, тогда трос в 10 км будет себя еле-еле держать, на грани разрыва. Но если трос будет на половине дистанции стал вдвое толще, то он будет уже выдерживать свой вес + груз в 1000 кг. А можно сделать трос, который утолщается постепенно, и в любом месте на него вешай эти 2000 кг - будет держать. Другое дело, что утолщать его придется по экспоненте, чем длиннее, тем больше утолщение на каждый км погонный, поэтому при равной прочности трос для "кнута" и будет в сотни раз меньше, чем для "лифта".

Вот потому и говорю - вопрос в толщине, а не в прочности, но чем прочность (удельная) выше, тем тоньше будет трос в самой толстой своей части, тем меньше материала для него нужно на орбиту забросить, и тем реальнее проект "кнута" или "лифта". Именно поэтому, "кнут" - реально построить, а "лифт" - нереально.[/b]

[Бродяга]

А где, по-вашему, трос должен быть толще?

( Это я к тому как написано название темы.)

[Pavel_Belov]

Конец - самый тонкий (только прочность, достаточная для удержания груза, потом - постепенно утолщается. Теоретически, самым толстым кнут должен быть в центре масс, практически - будет у "ручки", т.к. кнут должен постепенно достраиваться, удлинняться.

Для лифта - самое "толстое" место на ГСО, дальше - так же постепенно сходит на нет (пиндосы аж 100 000 км строить собрались), вот те формула:

Нравится? здесь
A0 — площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.

[ITop]

Ща пощитал параметры в экселе на своём сапре для "пращей"  :wink:

Взял макс. прочность, какую нашёл - 600кг/мм2 и плотность 2000кг/м3
Масса груза 1 тонна. Длина троса 10км, сечение 21 мм2, масса всего троса без груза на обратном конце - 830кг.

Вроде бы всё достижимо, НО:

Как вы собираетесь стыковаться при ускорениях в 10 ЖЕ  :shock:

Для этого как минимум нужно чтобы стыкующийся объект обладал возможностью маневрировать при больших раза в 2 ускорениях.

Придётся раскручиваться с уже прицепленным грузом. Боюсь спросить про гашения колебаний при отцеплении груза.

[Бродяга]

Вообще "идея богатая", но можно попроще.

 Если весь навар это уменьшение орбитальной скорости на 1 км/с, то можно сделать просто два объекта, один на низкой орбите, другой — противовес, на высокой.

 Трос, разумеется, будет длиннее, зато никакой динамики.

[Pavel_Belov]

Как вы собираетесь стыковаться при ускорениях в 10 ЖЕ

Да, с этим - самые большие проблемы Ладно бы просто 10 жо, так ты еще период обращения посчитай - там на стыковку около 0.1 сек. будет, т.е. никаких маневров - просто носитель должен быть в расчетной точке в нужный момент и с нужной скоростью, все - автоматика без участия человека, ибо ладно если просто носитель промахнется, а если тросом по нему попадет И второй попытки сблизиться - тоже не будет, следующий раз трос спустится где-нить над Бангладешем.

Так что, тут носитель должен просто лететь со скоростью точно как у конца троса, тогда получится, что конец отпустился, схватил груз и тут же ушел с ускорением 10g вверх.

Придётся раскручиваться с уже прицепленным грузом

Нет уж, тогда вся "вкусность" пропадает, в принципе - меньшие ускорения и большее время на стыковку - это большая длина троса (но и большая масса). В конечном варианте (500-1000 км) - все не так уж и страшно будет, но пока - идея ну очень сыра. Пришла, кое что посчитал, в целом - не только выйдет, но и очень выгодно будет (особенно, когда закончится строительство), но тонкостей -слишком много, про многое я еще и не думал.

Боюсь спросить про гашения колебаний при отцеплении груза.

Еще не обдумывал, навскидку - нужно использовать колебания при сцеплении-разцеплении грузов, чтоб они взаимоуничтожались. Так же, стоит подумать - за счет колебаний можно увеличить время стыковки, сделать чтоб конец не по окружности летел, а по прямой. Так что колебания - отдельная тема, и очень серьезная, чтоб сходу ответить. Подумаю - напишу.

[Бродяга]

Pavel_Belov, одно маленькое замечание.

 Ниже километров 100, ну минимум 50—70 вы думать забудьте о тросе, который движется со скоростью километры в секунду.

 И уж если вы хотите использовать тросы в 500—1000 километров, то прикиньте вариант когда нижний конец просто опущен на высоту километров 200, а второй движется по орбите на 500—1000 километров выше.

[Pavel_Belov]

Если весь навар это уменьшение орбитальной скорости на 1 км/с, то можно сделать просто два объекта, один на низкой орбите, другой — противовес, на высокой.

Это - не весь навар, а только "пенка". Весь навар - это возможность запускать челноки с грузами между планетами Солнечной Системы, при этом не тратя энергии, и "оборот" может быть аки в аэропорту, кроме того - возможность дешево запускать аппараты вообще в любой уголок по балистическим траекториям, а при возвращении их возвращать и энегрию.

1 км/с - это очень большой прирост для полезной массы ракеты-носителя, т.е. если на первое время такую станцию пустить - полеты в космос в 2 раза дешевле сразу станут, а по мере ее "строительства" - набора массы ручки и длины кнута, можно будет от ракет вообще отказаться, а стыковаться сверхзвуковыми самолетами, которые по многу раз летать могут, и топлива жрут гораздо меньше. Вот тогда - полеты в космос перестанут быть чем-то сногсшибательным, и появится реальная возможность строить колонии на других планетах.

Ниже километров 100, ну минимум 50—70 вы думать забудьте о тросе, который движется со скоростью километры в секунду.

А в том то и фишка - на такой высоте трос движется очень медленно, зато при максимальном удалении - очень быстро. Аналогия: едешь на лисопеде по луже, капли к колесу примыкают, взлетают на нем вверх, а там отлетают в сторону, присем движутся - быстрее лисопеда, и таким образом на спине оказываются.

[Бродяга]

Ну так я и говорю, с помощью статичного троса эта задача тоже решается, только трос длиннее требуется.