Ротоватор сегодня

[Kap]

Под ротоватором здесь и далее понимается спутник с длинным тросом вращающимся в плоскости орбиты таким образом чтобы в ближайшей к Земле точке окружности скорость конца троса относительно центра была противоположна орбитальной скорости. Таким образом, трос проходя минимум может подхватывать ПН имеющую скорости ниже первой космической (на скорость троса относительно ЦМ) и отпускать в точке максимального удаления со скоростью уже большей первой космической. При этом будет проседать орбита троса, но при массе ПН много меньше массы троса с орбиты за один запуск он не сойдет. Кроме того, трос может работать и на спуск поднимая при этом свою орбиту.

Если из описания выше не все понятно, вот литературное описание. Рисовать не возьмусь - не умею    

Реально ли создать такой агрегат сегодня? Для ответа на этот вопрос я численно рассчитал массу ротоватора длинной плеча 200 км с тросом плотностью 1000 кг/м3. Центростремительное ускорение на конце троса равнялось 10 м/с2 что соответствует 1414 м/с относительно центра. При расчете вычислялась сила действующая на текущий "квант" троса (шаг был 1 метр) и определялась площадь поперечного сечения достаточная для того чтобы разрывающее напряжение действующее на эту площадь равнялась 500 МПа. При этом считалось что к тросу подвешена ПН в 10 тонн. Т.е. трос утолщается к центру чтобы эффективней держать растяжение.

Так вот, масса троса получилась равной 177 тонн. Сто семьдесят семь тонн! Это даже меньше чем МКС! Если же мы хотим "двухплечевой" ротоватор - его масса будет грубо равна массе МКС. Ни каких супер-материалов то-же не требуется - обычного полиэтиления хватит с запасом. Подхват ПН в нижней точке подобен подхвату вертолетом, но без атмосферы.

Главный минус проекта - отсутствие сейчас значимого обратного потока. Без него праща массой 400 тонн будет терять 0.01 м/с за каждое "подбрасывание" 10 тонн ПН. В принципе реально компенсировать непрерывной работой плазменных двигателей... Вот только двигателей и СБ к ним для 400 тонн понадобится не много, а очень много.

Другая проблема - орбита. И не НОО и не ГПО, но уже залазим в пояса. "Святым Граалем" технологии было бы закидывание груза сразу на ГПО (при этом ХС ракеты уменьшается аж на 2*2,5=5 км/с по сравнению с теперь). Но увы ротоватор нужной длинны либо ускорения уже получается слишком тяжелым.

УПД Посчитал для 400километрового плеча и напряжения 900 МПа. За счет увеличения допустимого напряжения масса плеча оказалась всего 235 тонн. При этом подхватывается груз со скоростью -2 км/с от первой космической и закидывается почти на ГПО (всего 500 м/с не хватает).

[Shestoper]

Почему это "слишком" тяжелым? Тяжелее МКС?
А кто сказал, что нельзя строить более тяжелых объектов, если они радикально снизят стоимость доступа на ГСО и отлетные траектории?
При значительном уменьшении ХС, набираемой на ЖРД, упрощается задача создания одноступенчатого   многоразового носителя на ЖРД c ХС 5-6 км/c. Причем не c рекордно выжатыми удельными характеристиками узлов - появляется возможность подумать про достижение максимального рабочего ресурса и минимальной цены межполетного обслуживания, даже ценой утяжеления.

Транспортная система с дешевым доступом на ГСО и на Луну - это инструмент космической экспансии, должна уметь обслуживать очень высокий грузопоток, до нескольких запусков в час.

Такую систему можно создать либо на основе электромагнитных ускорителей ПН, либо многоэлементной (где ротоватор может быть одним из элементов).
Возможные варианты системы:

1) "Двухступенчатая" - многоразовая ракета плюс ротоватор.

2) Двухступенчатая - электромагнитная катапульта плюс ротоватор.

3) Трехступенчатая - электромагнитная катапульта плюс ракета плюс ротоватор.

Нужна детальная проработка каждого из вариантов, чтобы определить, какой из вариантов (или "одноступенчатая" электромагнитная катапульта) будет наиболее выгоден экономически.
При заданном уровне перегрузок длина электромагнитной катапульты уменьшается в 4 раза при уменьшении "дульной скорости" в 2 раза. К тому же для наземной катапульты при снижении скорости резко падают тепловые потоки при движении в атмосфере (можно облегчить теплозащиту) и уменьшаются аэродинамические потери ХС.
Аналогично и длину троса ротоватора можно уменьшить в четыре раза, если вдвое уменьшить приращение скорости груза.
Поэтому "многоступенчатая" система, состоящая из нескольких элементов различной конструкции, может оказаться дешевле, чем система из одного элемента, который в одиночку обеспечивает разгон до скорости порядка 11 км/c.

[Shestoper]

Ещё к вопросу энергоснабжения плазменных двигателей ротоватора.
Если транспортная система будет применена для развертывания СКЭС, то не будет проблемой запитать ЭРД энергией, даже без ядерного реактора. Часть мощности развернутых СКЭС можно передавать лазером на ротоватор (на вращающуюся приемную ректенну, расположенную сбоку от троса - вращение ректенны будет компенсировать вращение ротоватора).

Передавать энергию можно и с наземных лазерных установок.

При наличии мощных лазеров можно использовать их и для запитывания энергией  лазерного реактивного двигателя на ракетной ступени транспортной системы.
При фокусировке луча на абляционной оболочке камеры сгорания в таком двигателе можно получить УИ, сравнимый с взрывным импульсным ядерным двигателем.


Такая транспортная система прямо-таки напрашивается для создания космической энергетики, снабжающей Землю энергией по лучу - в этом случае решение  задачи лучевой передачи больших мощностей можно использовать и для энергоснабжения планеты, и для работы космического транспорта.

[Kap]

Shestoper пишет:
Почему это "слишком" тяжелым? Тяжелее МКС?

Миллион тонн не хотите? Правда это выходило при совсем уж щадящей нагрузке в 100 МПа.

Shestoper пишет:
При значительном уменьшении ХС, набираемой на ЖРД, упрощается задача создания одноступенчатого многоразового носителя на ЖРД c ХС 5-6 км/c.

Да хоть бы и двухступенчатого или полутораступенчатого многоразового.

Shestoper пишет:
Причем не c рекордно выжатыми удельными характеристиками узлов

Да они и сейчас не особо выжаты. СпейсИкс в ракетах явно понимает, но Фалькон-9 у них с рекордно-легкой конструкцией и при этом потенциально-многоразовый.

Shestoper пишет:
электромагнитная катапульта

Нет повести печальнее на свете... Для выхода на орбиту даже с ротоватором нужно разогнаться вначале вверх для выхода из-под атмосферы а затем вбок. Катапульта осилит в лучшем случае первое. В лучшем случае потому что S=v*v/(2*a). Итого для набора 1 км/с с ускорением 20 м/с (земное тяготение добавит еще одно же к перегрузке) потребуется 25 км по вертикали.

ЗЫ сейчас у меня обсчитывается 600километровка для запуливания на ГПО с натяжением 1 ГПа.

[Kap]

Shestoper пишет:
Ещё к вопросу энергоснабжения плазменных двигателей ротоватора.

Пока что ротоватор имеет массу одного порядка с марсианским электролетом Энергии который должен был питаться от СБ. При том что ему нужна намного меньшая тяговооруженность.

Shestoper пишет:
даже без ядерного реактора

Реально летавшие ЯЭУ уже давно проигрывают в мощности СЭУ серийных спутников.

[Shestoper]

Kap пишет:
Реально летавшие ЯЭУ уже давно проигрывают

Так ЯЭУ с турбомашинным циклом ещё не летали, только термоэмиссионные.
В том же марсианском проекте Энергии реактор обеспечивал бОльшую энерговооруженность, чем СБ.
Но, если мы все равно собрались строить в космосе циклопические электростанции, можно часть энергии передавать с них на ротоватор - при наличии приемника высококонцентрированной энергии его тяговооруженность может быть выше, чем с реактором.

Высокая тяговооруженность может понадобиться для обеспечения частых запусков (при работе транспортной системы с высокой пропускной способностью) - чтобы быстро набирать потерянную скорость.

Впрочем, ротоватору необязательно иметь рекордную удельную энерговооруженность. Главное - иметь высокую мощность. Если ротоватор при этом будет тяжелым - то он меньше скорости будет терять при выведении каждого кванта груза.

[Kap]

Shestoper пишет:
В том же марсианском проекте Энергии реактор обеспечивал бОльшую энерговооруженность, чем СБ.

У Энергии не было японских пленочных батарей, которые уже летали.

Shestoper пишет:
Но, если мы все равно собрались строить в космосе циклопические электростанции, можно часть энергии передавать с них на ротоватор

Или не собрались. Или собрались не только это. СЭС - это попытка вынести в космос не только производство и транзит информации как сейчас но и производство электроэнергии. Но электроэнергия нынче далеко не самый интересный товар - не больше 1 р за кВт*ч для оптовых покупателей. А раз уж ротоватор может тормозить груз (заодно упрощая прохождение атмосферы) при этом поднимаясь - нужно организовывать обратный трафик т.е. то самое космическое производство.

Shestoper пишет:
при наличии приемника высококонцентрированной энергии его тяговооруженность может быть выше, чем с реактором.

Напомню, ротоватор за одно подбрасывание теряет сотые метра в секунду. Для компенсации нужна тяговооруженность все тех же геостационарных спутников или Хаябус.

[Shestoper]

Kap пишет:
Нет повести печальнее на свете... Для выхода на орбиту даже с ротоватором нужно разогнаться вначале вверх для выхода из-под атмосферы а затем вбок. Катапульта осилит в лучшем случае первое. В лучшем случае потому что S=v*v/(2*a). Итого для набора 1 км/с с ускорением 20 м/с (земное тяготение добавит еще одно же к перегрузке) потребуется 25 км по вертикали.

20 м/c2 - не так много даже для хрупких людей.
Люди выдержат и 4 g, а в жидкостной противоперегрузочной ванне - до 20-30 g (испытатель выдерживал 30 g в течении 30 секунд).
Более прочные грузы можно выводить с перегрузками в сотни и тысячи g.

Катапульта с относительно невысокой перегрузкой должна иметь длину сотни км и быть горизонтальной. В этом случае атмосферу мы преодолеваем по пологой траектории - за счет кривизны Земли и аэродинамических поверхностей грузовой капсулы, создающих подъемную силу. 
Есть ещё вариант с подъемом катапульты на десятки км (чтобы избавиться от сопротивления воздуха) - за счет магнитной левитации (Звездный трамвай) или центробежной силы специального ротора (Пусковая петля).
Конечно, такой длинный разгонный трек, да ещё и подвешенный в стратосфере - недешевое удовольствие. Уменьшение "дульной скорости" за счет комбинации с ротоватором может сократить длину катапульты в несколько раз.

Что касается катапульты с высокой перегрузкой - она может быть сравнительно компактной. Например при дульной скорости 10 км/c и перегрузке 1000 g - всего 5 км.
Электроника в управляемых снарядах выдерживает порядка 10 тысяч g.
Такую катапульту можно построить наклонной: или подводной в океане (с дульным срезом на уровне поверхности). Или на склоне горы, или в глубокой наклонной шахте (два последних варианта можно комбинировать - шахта, выходящая у подножия горы на её склон).

[Kap]

Shestoper пишет:
20 м/c2 - не так много даже для хрупких людей.

И? Зависимость длины от ускорения линейная, а больше 40 м/с2 уже хрупкая ракета может не вытерпеть.

Shestoper пишет:
Катапульта с относительно невысокой перегрузкой должна иметь длину сотни км и быть горизонтальной.

Аэродинамические потери + много теплозащиты.

[Shestoper]

Kap пишет:
Напомню, ротоватор за одно подбрасывание теряет сотые метра в секунду. Для компенсации нужна тяговооруженность все тех же геостационарных спутников или Хаябус.

Если нужно разогнать на 5 км/c 10-тонный трос - 500-тонный ротоватор потеряет 700 м/c

[Kap]

Shestoper пишет:
Если нужно разогнать на 5 км/c 10-тонный трос - 500-тонный ротоватор потеряет 700 м/c

Чего? Если у нас два плеча - раскрутку можно делать электромотором (который с ротором и статором, а не ЭРД) в центре станции не теряя орбитальной скорости вообще..

[Shestoper]

Kap пишет:
Чего?

Ошибся.
Если нужно разогнать 10 тонный груз с 5 км/c до 10 км/c, то 500-тонный ротоватор, изначально движущийся со скоростью 7,7 км/c, потеряет 98 м/c.

[Kap]

Досчитал 600километровку с 1 ГПа. 608 тонн на каждое плече. Поскольку плеч лучше все-таки два (для противовеса) имеем 1216 тонн не считая центрального модуля.

Shestoper пишет:
Если нужно разогнать 10 тонный груз с 5 км/c до 10 км/c,

Спутник будет двигаться со скоростью 7.5 км/с. Это какая орбита?

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

У меня такой вопрос? Если мы имеем не "бублик", а как тут все считается на два "плеча", то сколько времени это плечо будет находиться в точке с "нулевой" скоростью? В смысле, на сколько надо будет синхронизировать этот самый ротоватор с грузом при стыковке. Боюсь, что груз должен будет выводиться в точку подхвата с точностями, превышающими любую разумную величину...

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Тут у меня еще одно сомневание наклюнулось. Ротоватор должен поднимать понятно груз снизу вверх. На промежуточной орбите летит "ядро", от которого отходит одно или два вращающихся плеча. За счет вращения скорость конца "нижнего" плеча в нижней точке совпадает с орбитальной скоростью в этой точке, где и происходит стыковка с грузом. Далее груз поднимается вверх и там отпускается, "прибавив" к орбитальной скорости в верхней точке скорость вращения ротоватора. Вроде идею не переврал?
Теперь мое сомнение: на сколько я в теме, орбитальная скорость тем больше, чем меньше высота орбиты. Получается, что ротоватор должен вращаться таким образом, чтобы в нижней точке добавить скорость относительно скорости "ядра". То есть вращение должно быть направлено так, чтобы его направление в нижней полудуге совпадало с направлением движения по орбите. Но тогда получится, что в верхней позиции плечо ротоватора будет двигаться в направлении противоположном орбитальному и скорость будет не прибавляться к орбитальной, а вычитаться. На какую там геопереходную орбиту полетит груз, я при этом не сильно врубаюсь. Кто в теме, поправьте меня пожалста...

[Shestoper]

Александр Шлядинский пишет:
Получается, что ротоватор должен вращаться таким образом, чтобы в нижней точке добавить скорость относительно скорости "ядра". То есть вращение должно быть направлено так, чтобы его направление в нижней полудуге совпадало с направлением движения по орбите. Но тогда получится, что в верхней позиции плечо ротоватора будет двигаться в направлении противоположном орбитальному и скорость будет не прибавляться к орбитальной, а вычитаться.

Ровно наоборот.

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Shestoper пишет:

Александр Шлядинский пишет:
Получается, что ротоватор должен вращаться таким образом, чтобы в нижней точке добавить скорость относительно скорости "ядра". То есть вращение должно быть направлено так, чтобы его направление в нижней полудуге совпадало с направлением движения по орбите. Но тогда получится, что в верхней позиции плечо ротоватора будет двигаться в направлении противоположном орбитальному и скорость будет не прибавляться к орбитальной, а вычитаться.

Ровно наоборот.

А вот это изобразите пожалуйста...

[Александр Геннадьевич Шлядинский]

Начнем по пунктам: Имеем ваш ротоватор.  У него три нужных нам точки: центр вращения и концы плеч в верхней и нижней точке. Как соотносятся орбитальные скорости в этих точках. Иначе, где орбитальная скорость больше: в верхней точке, в точке вращения или в нижней точке? Имею ввиду орбитальные скорости на соответствующих орбитах.

[Настрел]

Что-то вы Александр перепутали.  В терминах "по-часовой" "Против часовй" прокатит? Так вот, если ЦТ троса движется по орбите по-часовой, то вращение троса идет тоже по часовой. Орбитальная скорость тут вообще побоку. С орбитальной скорость движется только ЦТ троса. Все остальные элементы системы. в том числе и челнок, двигаются совсем не с орбитальными скоростями. Ни по проекции ни по вектору.

[Настрел]

Александр Шлядинский пишет:
Начнем по пунктам: Имеем ваш ротоватор. У него три нужных нам точки: центр вращения и концы плеч в верхней и нижней точке. Как соотносятся орбитальные скорости в этих точках. Иначе, где орбитальная скорость больше: в верхней точке, в точке вращения или в нижней точке? Имею ввиду орбитальные скорости на соответствующих орбитах.

К чему этот детский вопрос? Орбитальная скорость последовательно уменьшается - самая большая в нижней части троса, средняя в центре, самая маленька вверху. При этом Скорость конца троса в нижней точке - значительно меньше орбитальной скорости, а в верхней значительно больше.