Касмічны ліфт ... На Юпітэры?

100% арыгінальная канцэпцыя.

Касмічны ліфт на Юпітэры моцна адрозніваецца ад будаванага на цвёрдай планеце (Крэдыт малюнка: Джэк Ромэты).

Канцэпцыя

Я павінен прыйсці чыстым. Калі я ўпершыню задумваўся над напісаннем допісу на "Сродку" пра касмічныя ліфты, я збіраўся зрабіць гэта на прыкладаннях і выкарыстанні касмічных ліфтаў наземных. Аднак, прайшоўшы менш чым за гадзіну даследаванняў, я выявіў, што гэтая тэма ўжо дастаткова добра вывучана і ў мяне няма неабходнасці ў маім шмат у чым спекулятыўным, на аснове меркавання матэрыялах. Я ўсё ж хацеў зрабіць пост пра касмічныя ліфты, але хацеў зрабіць нешта новае.

Такім чынам, я разважаў над узвядзеннем касмічных ліфтаў на іншых планетах і лунах Сонечнай сістэмы, пра якія, як мне падабаецца, таксама вельмі добра вывучана і дакументальна. Касмічныя ліфты на Месяцы можна пабудаваць да лагранжанскіх кропак Зямля і Месяц, у якіх сіла цяжару Зямлі і Месяца адмяняюць адзін аднаго, а касмічныя ліфты Марса настолькі практычныя, што іх можна было пабудаваць пры дапамозе сучасных тэхналогій і матэрыялаў з-за нізкай гравітацыі планеты. і да гэтага часу адносна высокая хуткасць кручэння.

Канцэпцыя касмічнага ліфта Марса.

Я адчуваў сябе даволі бескарысным. Я думаў сабе: "Якія яшчэ скальныя планеты і луны застаюцца ў Сонечнай сістэме, якія маглі б выкарыстоўваць практычнае прымяненне касмічнага ліфта ?!" І тут я змяніў пытанне. "Чаму гэта павінна быць скалістая планета?"

Чаму Юпітэр?

Касмічныя караблі будучыні, верагодна, павінны выкарыстоўваць малую энерганезалежнае паліва, каб дасягнуць максімальнай хуткасці выхлапу і цягі. Прыкладам такога касмічнага карабля можа стаць карабель, які выкарыстоўвае сілавы прывід, які аб'ядноўвае два ізатопы вадароду, дэйтэрыя і трыція ў гелій для дасягнення цягі. Дэйтэрый і трыцій - фантастычныя крыніцы паліва для будучых касмічных апаратаў, але мы не знаходзім іх часта на Зямлі з-за таго, што гравітацыйнае цяга на Зямлю недастаткова моцнае, каб утрымліваць гэтыя атамы з нізкай масай.

Увядзіце Юпітэр. У Юпітэры знаходзіцца літаральна 9/10 вадароду і 1/10 гелія. У гэты момант я думаў, як можна стварыць касмічны ліфт, каб "зачарпнуць" адну частку атмасферы Юпітэра і перанесці частку гэтай масы праз шахту ліфта ў арбітальную станцыю, значна вышэй атмасферы Юпітэра, служыць дэпо для запраўкі міжпланетнага (а можа нават і міжзоркавага) касмічнага карабля.

Паблізу атмасферы Юпітэра з касмічнага карабля

Гэта дадатак, верагодна, можа быць выкарыстаны на любым з газавых гігантаў, але Юпітэр - гэта самы блізкі і практычны выбар. Калі вы падарожнічаеце далей ад Сонечнай сістэмы, вы ўжо пазбеглі большасці гравітацыйнай патэнцыяльнай энергіі Сонца, і ў гэты момант міжзоркавы падарожнік можа спытаць сябе, чаму яны выкарыстоўвалі так шмат паліва, каб запаволіць сябе толькі да арбітальнай хуткасці Нептуна. прыйдзецца зноў паскорыць рэзервовае капіраванне, каб працягваць падарожжа.

Дызайн

Традыцыйны ліфт складаецца з чатырох асноўных складнікаў; якар, які служыць падставай, арбітальная станцыя (альбо масіўны аб'ект), які служыць процівагай, валам або прывязкай, якая злучае абодва, і альпіністам, альбо аўтамабілем ліфта, які ўзыходзіць і спускаецца валам. Касмічны ліфт павінен быць спраектаваны такім чынам, што цэнтр масы ўсёй канструкцыі круціцца на геастацыянарнай арбіце, так што цэнтрабежная сіла процівагі роўна сіле сілы цяжару на якары, які мацуецца да планетарнай паверхні. Звязак заўсёды ў напружанні, таму ліфт не выклікае вагі на Зямлі, і арбіта не патрабуе лішняй энергіі (за межамі манеўруючых штуршкоў) для падтрымання стабільнасці касмічнага ліфта.

Наземны касмічны ліфт, які не патрабуе ўкладу энергіі, каб заставацца стабільным.

Праектаванне касмічнага ліфта для працы ў атмасферы Юпітэра будзе зусім іншым. Паколькі ў Юпітэра няма цвёрдай паверхні, "якар" павінен быць атмасфернай структурай, якая знаходзіцца ў паветры пры напружанні кабеля і аэрадынамічных сіл. Адсутнасць цвёрдай паверхні Юпітэра таксама азначае, што тэхнічна ён не мае геастацыянарнай арбіты. Аднак гэта не забараняе будаваць касмічны ліфт, пакуль цэнтр масавай арбіты Юпітэра знаходзіцца на стабільнай кругавой арбіце. Гэта тое ж самае паняцце, як і працягнуць кабелі роўнай масы з абодвух канцоў МКС, адзін да Зямлі і адзін ад Зямлі. Цэнтрам масы заўсёды будзе МКС, таму яго арбіта і надалей будзе стабільнай. Гэта значыць, пакуль кабель Зямлі не патрапіць у атмасферу ...

Менавіта тут мой касмічны ліфт больш за ўсё адхіляецца ад традыцыйнага дызайну. Паколькі адзін канец касмічнага ліфта Юпітэра заўсёды будзе знаходзіцца ў атмасферы па дызайне, гэты канец будзе пастаянна адчуваць зваротную сілу, і таму, што гэтая сіла толькі на адным канцы касмічнага ліфта, у выніку ўзнікае крутоўны момант. Для гэтага спатрэбіцца цяга як з якара, так і з арбітальнага аб'екта для процідзеяння гэтай пары, якая вядзе крутоўны момант, для падтрымання стабільнай арбіты.

Схема касмічнага ліфта Юпітэра, якая паказвае атмасфернае перацягванне як градыент.

Канструкцыя якара можа быць падобная на ракетны рухавік, які ідзе тут на Зямлі, дзе звышгукавы вадарод трапляе ў адзін канец, награваецца пры дапамозе масіва мікрахвалёў або лазераў, а потым выганяецца з яшчэ большымі хуткасцямі, ствараючы неабходную цягу для процідзеяння. цяга ад атмасферы. Па шляху частка гэтай масы будзе сабрана і накіравана ў шахту ліфта для захоўвання ў арбітальным памяшканні для аўтазаправачнай станцыі і выкарыстоўвацца для процідзеяння цягі станцыі. Спачатку я меркаваў якар апусціцца ў атмасферу Юпітэра, дзе ціск такі ж, як у Зямлі: 1 бар.

Мая атмасферная «якарная» дызайн.

Маса цэнтру ліфта, магчыма, арбіты адносна блізка да "паверхні" Юпітэра (там, дзе ціск такі ж, як на Зямлі, 1 бар), а гэта можа быць толькі на тысячу кіламетраў і вышэй над ім. Гэта азначае, што хуткасць атмасфернага якара будзе велізарнай. Для ўліку гэтага, якар і вал ліфта павінны быць распрацаваны з алмазным звышгукавым перасекам крыла. Уся даўжыня вала будзе складацца з некалькіх злучаных секцый, магчыма, даўжынёй сто метраў у кожнай, каб забяспечыць гнуткасць у канструкцыі.

Канцэпцыйныя ідэі для шахты ліфта з вадародным валам пасярэдзіне і двума транспартнымі шахтамі звонку. Таксама звярніце ўвагу на швы, якія ў трохмерных паказчыках будуць шаравымі швамі, каб забяспечыць гнуткасць на 360 градусаў.

Нарэшце, арбітальная станцыя проста мае патрэбу ў стыкоўцы партоў, каб забяспечыць дазапраўку, і гэта ўласны рухавік, які забяспечвае супрацьлеглы крутоўны момант да атмасфернага моманту ад раней. Агульную канцэпцыю дызайну можна ўбачыць ніжэй.

Канцэпцыя канчатковага дызайну (не ў маштабе, LOL).

Сціскаючы нумары

Я адразу зразумеў, што існуе занадта шмат пераменных, каб паспрабаваць вылічыць усё гэта ўручную, таму стварыў праграму MATLAB, якая дапаможа мне ітэратыўна вырашыць аптымальны дызайн. Першы крок - усталяваць некаторыя вызначальныя характарыстыкі майго ліфта, каб не было так шмат зменных. Я выкарыстаў свой велізарны масіў інжынернай інтуіцыі, каб выбраць некаторыя зыходныя параметры. Гэтыя параметры з абгрунтаваннем прыведзены ніжэй:

  • Арбітальнае збудаванне на 2000 км, дзе атмасферны ціск Юпітэра такі ж, як Зямля LEO (дзе на арбіце МКС). Гэта досыць вялікая вышыня, якая дазваляе касмічным апаратам запраўляць з, але і мінімізуе даўжыню ліфта, эканоміць на матэрыялах і будаўніцтве.
  • Звышгукавыя каэфіцыенты зносу вала і якара 0,2 і 0,5 адпаведна, так як каэфіцыенты зносу звышгукавых звычайна адносна нізкія.
  • Перасек шахты ліфта мае ромбападобную форму даўжынёй 10 метраў і шырынёй 3,5 метра. Гэта досыць вялікае месца, каб забяспечваць вялікую карысную нагрузку для перагрузкі ўверх і ўніз, а таксама масы вадароду.
  • Памеры якара складаюць 35 * 35 метраў пры ўмове даўжынёй 100 метраў.
  • 12 кг / с вадароду збіраюць для запаўнення запраўкі. Гэтага дастаткова, каб запоўніць Saturn V за ~ 46 гадзін, што здаецца справядлівым.

Наступным этапам было вызначыць сілу перацягвання на шахту ліфта. Формула сілы ўцягвання такая:

Сіла фармулёўкі перацягвання.

Дзе:

  • rho = шчыльнасць паветра
  • А = плошча паверхні паветранага патоку
  • C_D = каэфіцыент зносу
  • v = хуткасць паветранага патоку

Вызначыць сілу перацягвання на якары нескладана, бо ўсе гэтыя параметры застаюцца нязменнымі на пастаяннай вышыні, як у самалёце. Аднак вал ліфта менш падобны на самалёт, і больш падобны на тое, каб разгарнуць вядро на вяроўцы вакол вас вельмі хутка. Вядро (арбітальная станцыя) мае самую вялікую хуткасць, тады як хуткасць вяроўкі (вал) залежыць ад адлегласці ад вас і мае больш нізкую хуткасць бліжэй да вашага цела. Вось чаму вырашыць сілу цягі на шахту ліфта было так складана. Літаральна кожная зменная мяняецца. На большай вышыні атмасферная шчыльнасць Юпітэра становіцца большай, і хуткасць становіцца ўсё бліжэй да арбітальнай станцыі.

Касмічны ліфт спрасціў да такой ступені, што гэта ўсяго толькі вядро вады. (* Нічога не падазравальнага, як дзіця хістаецца, не паказана *)

Вырашэнне шчыльнасці паветра Юпітэра было само па сабе праблемай, паколькі я не мог знайсці ў сетцы любога ўзроўню мадэлі, якая б прадстаўляла атмасферныя ўмовы Юпітэра. Мне прыйшлося на самай справе вынайсці свае ўласныя формулы для мадэлявання ціску і тэмпературы на аснове дадзеных з Вікіпедыі, а потым выкарыстоўваць закон ідэальнага газу, каб вырашыць шчыльнасць паветра. Пасля таго, як усе пераменныя прарэзаліся, я змагла скласці неад'емную частку вырашэння праблемы перацягвання кабеля.

Атмасферныя тэмпературы і ціск Юпітэра з вышынёй.

Пасля таго, як у мяне была агульная сіла перацягвання як неад'емная частка вышыні, я мог бы вызначыць сілу і крутоўны момант, які атмасфера Юпітэра можа выклікаць на ліфце ... Як размахваць тым жа вядром, як раней, па шляху лісця, які адштурхоўвае яго назад. Гэта дазволіць мне вызначыць сілу рухавікоў, якая б забяспечвала супрацьдзеянне цязе да гэтага атмасфернага цяга. Гэта было простае ўраўненне статыкі:

Выява гаворыць усё гэта.

Спачатку я разлічваў выкарыстаць цалкам асобны рухавік, каб забяспечыць цягу, напрыклад, дыск з плаўкай або хімічнай ракетай, выкарыстоўваючы частку сабранага вадароду. Але потым я зразумеў, што гэты якар ужо спраектаваны як гіганцкі паглынальнік, які ўсмоктвае паветра, як ракетны апарат, і ўсё, што яму трэба зрабіць, гэта сабраць неабходны вадарод для арбітальнага збудавання, а потым нагрэць астатнюю частку, як пекла павялічыць яго хуткасць з адваротнага канца, каб стварыць цягу. Каб вызначыць гэтую тэмпературу, мне трэба было б ведаць неабходную хуткасць выхлапных газаў і вызначыць, што мне трэба было б вырашыць на масавы расход. Лёгкі гарошак.

Ураўненне масавага расходу.Ураўненне цягі.

"А" - гэта наша зона прыёму. Добра, значыць, ёсць такая невялікая праблема, як не пашырыць маё сопла да атмасфернага ціску (Pe-Po у раўнанні), што крыху адхіліць маю агульную цягу, але я пабег з хуткім нумарам і выявіў, што гэта не гэта моцна паўплывае, калі вы кажаце пра цягу парадкам 10⁸ N (Так, гэта тое, колькі нам можа спатрэбіцца). Таму для маіх намераў і мэтаў цяга - гэта толькі масавы расход, памножаны на хуткасць выхлапу. Гэта дазволіць мне вырашыць хуткасць выхлапу і, у сваю чаргу, тэмпературу камеры «згарання», прымаючы стандартную канфігурацыю ракета.

Тэмпература ў камеры, неабходная для гэтага "рэактыўнага рэактыўнага рухавіка", значна вышэйшая за традыцыйныя рухавікі рэактыўных рэактыўных рухавікоў тут, на Зямлі, таму для нагрэву ўваходнага паветра да падыходнай тэмпературы патрабуецца іншы спосаб, акрамя згарання. На гэты момант было толькі адно рашэнне; мікрахвалевыя печы. Але мікрахвалевыя печы бяруць сілы. Каб вырашыць магутнасць, вы літаральна павінны даведацца, як награваць які паступае газ, які рухаецца пры ~ 40 000 м / с прыблізна ад 200 К да> 8000 К на адлегласці ўнутранай даўжыні якара (можа, сотня метраў?). Так, нам спатрэбіцца магутны ядзерны рэактар.

Сонца, з якога 8000 К, гарачае, чым паверхня…

Зараз у нас вядро круціцца вакол Юпітэра з гіпергукавымі хуткасцямі, які крычыць па атмасферы і супрацьдзейнічае ўсім сілам уласным наборам рухавікоў, перавозячы масу ў 2000-кіламетровы вал на арбітальную станцыю, каб служыць запраўкай. Гэта выклікае яшчэ адну праблему ... Ісаак Ньютан у самыя лепшыя (ці ў горшым выпадку).

Калі вы пастаянна перавозіце масу да шахты ліфта, вы прымушаеце ўзмацняць сілу на канструкцыю ліфта. Гэта не так шмат (у параўнанні з масай усяго ліфта), але гэтага будзе дастаткова, каб дэстабілізаваць яго арбіту на працягу некалькіх дзён ці тыдняў. Гэтаму можна было проста супрацьстаяць, стварыўшы якар у якасці разнавіднасці пад крылом, пад невялікім вуглом нападу, каб стварыць сілу ўздыму ў ліфце ўверх, каб ён быў стабільным.

Усё астатняе засталося навуцы. Затым я некалькі разоў запускаў праграму з некалькімі якарнымі вышынямі, каб знайсці, які з іх даў самыя прывабныя вынікі. Вось некалькі прыкладаў:

Якар на 0 км (атмасферны ціск у 1 бар), падкрэслітыя важныя дызайнерскія абмежаванні.

Спачатку я паспрабаваў з якарам на 1 бар атмасфернага ціску, або 0 км. Спачатку звярніце ўвагу, што цяга гаргантэна, штосьці на парадку 10¹³ N, ці амаль мільён ракет Saturn V. Па-другое, масавы расход жорсткі і, верагодна, будзе дастаткова, каб разарваць любую структуру якара на часткі. Хуткасць выхлапу - гэта значная доля хуткасці святла, а тэмпература ў камеры згарання гарачая, чым паверхні блакітных зорак-гігантаў. Нарэшце, неабходная магутнасць для нагрэву камеры мікрахвалевымі печкамі і / або лазерамі - нешта накшталт выхаду 25000 рэактараў ядзернага дзялення. Гэта проста глупства. Відавочна, што якар павінен быць вышэй у атмасферы, дзе цяга будзе ніжэй.

Пасля некалькіх ітэрацый я быў найбольш задаволены параметрамі майго ліфта, калі якар знаходзіўся на вышыні 237 км:

Якар на 237 км, выдзелены важныя дызайнерскія абмежаванні.

Цяга тут крыху высокая, ~ 5 * 10 ° N (15 Сатурн V), ​​а тэмпература ў камеры перавышае 8000 Да на вялікую колькасць (гарачае, чым паверхня сонца), але многія іншыя ўласцівасці даволі справядлівыя. Масавы паток ніжэй 2000 кг / с, што не з'яўляецца неверагодным уздзеяннем на якар, а хуткасць выхлапу знаходзіцца ў межах дыяпазону тэарэтызаванага расколу і плаўлення блізкага часу (іш) будучыні. Магутнасць, неабходная для нагрэву паступаючага газу да патрэбнай хуткасці, параўнальная з магутнасцю сучасных рэактараў дзялення сярэдняга памеру, якія працуюць на гарадах Зямлі, а атмасфера ўсё яшчэ дастаткова густая, каб сабраць дастатковую колькасць паліва для нашага заправачнага пункта.

Выснова

Ці магчыма гэта? Не з сучаснымі тэхналогіямі, не. Нам спатрэбіцца зрабіць некалькі скачкоў рухавіка, атамнай энергетыкі, цеплавога кіравання і матэрыялазнаўства, каб гэтая ідэя стала практычнай.

Але ці практычна гэта? Цалкам магчыма. Калі караблям давялося толькі даставіць да Юпітэра паліва, замест таго каб пераправіць усё паліва, каб вярнуцца назад, караблі можна было б будаваць больш і хутчэй, што, у сваю чаргу, павялічвала іх грузападымальнасць і далёкасць.

Воблачны горад, Беспін, з серыі

Нарэшце, было б крута? Чорт так! Падумайце, як дзіўна было б мець мегаструктуру збору паліва, якая круцілася на Юбітэры пры такой нізкай арбіце! Гэта быў бы масавы навукова-тэхнічны подзвіг. Акрамя таго, было б дзіўна падыходзіць да караблёў, як адзін з тых дзіўных плывучых гарадоў ад Зорных войнаў на Беспіне (толькі з ног на галаву?)

Ці я патраціў занадта шмат часу на гэты праект? Напэўна, так. Дзякуй за прачытанае!