Гипотетическая установка для безракетного запуска космических аппаратов - пусковое кольцо

Ракетный способ запуска в космос обладает целым рядом неустранимых недостатков: низкий кпд, сбрасываемые ступени ракет, зависимость от внешних условий, сложность конструкции . Как следствие этих недостатков,  стоимость запуска килограмма полезной массы с Земли на низкую опорную орбиту лежит в пределах от 10 до 25 тыс.$ Для  исследования и колонизации космоса, требуются намного более дешёвые методы запуска, позволяющие преодолеть гравитационный барьер Земли. Поэтому исследователи всего мира на протяжении многих лет пытаются придумать способы безракетного запуска в космос полезного груза. С обзором различных способов можно ознакомиться в википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/Безракетный_космический_запуск , также эта тема подымалась и на АШ https://aftershock.news/?q=node/373248&full

Предлагаемая работа представляет попытку анализа со стороны технической реализуемости на основе существующих технологий двух наиболее перспективных по мнению автора способов - пусковой петли Лофстрома и космического трамвая.

Пусковая петля Кейта Лофстрома

Его концепция представляет собой конструкцию длинной около 2000 км, которая поднимается от поверхности земли на высоту 80 км, проходит на этой высоте 2000 км и снова опускается к поверхности земли, где находятся разворотные дефлекторы. В разрезе петля имеет форму полой трубки, внутри которой подвешен, с помощью магнитной левитации, ферромагнитный стержень, диаметром примерно 5 см. Стержень движется внутри оболочки с высокой скоростью и за счет магнитной инерции разгоняет полезный груз, движущийся вдоль оболочки за счет магнитной левитации. Идея является довольно перспективной, потому что часть необходимых для осуществления проекта технологий, таких как активный магнитный подшипник и поезд «маглев» уже существуют и активно используются. Но концепция, предложенная Лофстромом имеет ряд критических недостатков. В первую очередь это очень высокая скорость стержня, по расчетам Лофстрома примерно 14 км/с, с участками достаточно резкого направления движения, и зонами подъема и свободного спуска. При такой скорости стержень ведет себя нестабильно, растягиваясь и сжимаясь при колебаниях скорости, которые возникают при запуске полезного груза и перепадах высот. Самая большая проблема возникает на концах петли и заключается в резком изменении движения стержня с помощью дефлекторов – магнитных установок, меняющих направление движения стержня. Учитывая, что скорость стержня 14 км\с, а радиус поворота, по расчетам Лофстрома, 14 км, то боковое ускорение имеет значение равное 14000 м\с2 или 1430g. При диаметре стержня 50мм и его массе (условно сталь) 16кг на метр длины, нагрузка на поворотные магниты составит 22880 кг/м. Существующие активные магнитные подшипники способны нести нагрузку радиальные – 20 Н/см2, осевые 40 Н/см2, теоретически для кобальтовых сталей предел 100 Н/см2. Принимая достижимую нагрузку 40 Н/см2, и площадь полюса центрального стержня 5*100=500 см2 получаем максимальную нагрузку 20000 Н на метр, ну или приблизительно 2000 кг/м. Как видим, конструкция Лофстрома на нынешнем этапе развития технологий недостижима.

Космический трамвай.

Упрощённо, это нечто вроде гигантской магнитной пушки, длина ствола которой составляет несколько километров, а сам ствол внутри вакуумирован. Разгон аппарата может осуществляться  рельсотроном, линейным синхронным двигателем или магнитными катушками.

Первый вариант космического трамвая предполагал строительство в горной местности с выходом ствола на высоте 6000 м над уровнем моря. Такой вариант не содержит непреодолимых технических трудностей, но имеет две особенности, снижающие его привлекательность. Первая - из-за относительно короткого разгонного участка для достижения первой космической скорости ускорения при разгоне достигают 30 g. Вторая особенность - плотность воздуха на  высоте 6000 еще высока. Поэтому аппарат, разогнанный до 6-7 км/с  при выходе из направляющей трубы получает  перегрузку +20 g и разогрев носовой части от скачка уплотнения с плотностью теплового потока 30кВт/см2.. Поэтому первый вариант может использоваться только для доставки материалов, и требует прочных и жаростойких аппаратов для запуска. В середине 90х НАСА рассматривала данный проект, и сочла его экономически нецелесообразным.

Второй вариант космического трамвая  предполагает выход на высоте 22 км, но существующие технологии не позволяют пока создавать конструкции такой высоты.

Проблемы и решения

Зачем нам строить пусковые системы в высоте? Проблема в плотности воздуха, который при высоких скоростях тормозит аппарат подобно тому как вода тормозит подводную лодку и не дает ей развить высокую скорость.

Наиболее энергетическая выгодная скорость движения через плотный воздух давно посчитана и равна скорости свободного падения в среде с данной плотность. Поэтому развивать околокосмические скорости 5-9 км/с выгодно с высоты 40-50 км. 

Жесткие строительные конструкции на такую высоту построить не возможно. Предлагаемый автором вариант - кабельная система подымающиеся вверх за счет сохранения инерции движения, Принцип работы представлен на видео 

Для достижения значительных высот кабельная система должна иметь конструкцию, предложную Лофстромом.

По центру движется ферромагнитный стержень, удерживаемый активным магнитным подвесом. Снаружи плотная и прочная оболочка. Пространство внутри оболочки вакуумировано. Таким образом центральный стержень движется не встречая никакого сопротивления, кроме поддерживающих сил активного магнитного подвеса. За счет этого можно достигать скоростей, необходимых для поднятия конструкции на нужную высоту. Разгон и торможение стержня осуществляется линейным синхронным двигателем.

Для решения проблем, указных в начале статьи предлагается  форма конструкции в виде тора (кольца). Это позволит избежать участков с резкими поворотами, а сердечник (ферромагнитный стержень) будет работать в условиях равномерной нагрузки. Кроме этого, вращающийся сердечник представляет из себя гироскоп, за счет чего будет дополнительно стабилизироваться вся конструкция. На этапе строительства, конструкция представляет из себя полую трубу с ферромагнитным стержнем внутри, лежащую на поверхности  (А) . После пуска стержень начинает движение (Б) и за счет центробежных сил, эллипс, поднимаясь, распрямляется в окружность (В).

Оценим массовые характеристики такого кольца

Как помним, несущая способность магнитов для стержня 5см - 2000 кг/м. Оценим длину опорной части.

Как видим, при современных технологиях даже для кольца 50 км высотой придется искать горную долину или заглубляться  под землю. Второе кажется более вероятным.

Рассмотрим такую гипотетическую установку поподробнее.

Разгонным участком для запуска космического аппарата будет участок кольца с высоты 10 км на уровне моря до точки схода, примерно -15 ° от вертикали. т.е участок кольца ограниченный углом 120 °. Для кольца диаметром 50 км, это составит примерно 53 км.

Рассмотрим два варианта - 1) конечная скорость 8000 м/с  2) конечная скорость 3000 м/с (кольцо заменяет первую ступень РН)

Начальную скорость примем 100 м/с (360 км/ч - как у современных поездов маглев. На этой скорости аппарат будет подниматься до высоты 10 км)

В первом случае ускорение составит 604м/с2 (61g)  во втором 85 м/с2 (8,6g).  Т.е при втором варианте потенциально даже можно запускать людей.

Метод запуска по наружной стороне кольца может быть разным .

Один из вариантов представлен на рисунке. Несущий стержень1 удерживает конструкцию На внешней стороне оболочки располагается Т-образный рельс (2) и зона прокладки кабелей (3). По Т-образному рельсу на магнитной подушке движется пусковая тележка (4) на которой располагается полезный груз. Полезный груз, прикрепленный к пусковой тележке, поднимается  до высоты 10 км над уровнем моря, после чего набирает скорость, с ускорением 9 g  доходит до  точки сброса со скоростью, где достигает скорости 3000 м/с, после чего осуществляется открепление полезного груза, и пусковая тележка спускается к основанию пускового кольца с противоположной стороны. Полезный груз - космический аппарат, включает собственный двигатель и выходит на НОО.

Оценка энергетической составляющей.

Движущийся стержень накапливает энергию в 5,92 ТДж (для 50 км кольца и скорости 1107 м/с).

Если задаться скоростью подъема в 1 месяц, то необходимая мощность составит 2,3 МВт. После установившегося режима энергия пойдет на  магнитные подвесы и поддержание скорости . Потери определяются по эмпирической формуле ΔР = 30 корень (М), Вт. где М- масса ротора в кг. Для нашего случая это будет 93 кВт. Поскольку потери энергии стержнем определяются потерями в подвесе, можно считать что на поддержание кольца требуется 200 кВт. Потери от несовершенства вакуума оценить без экспериментальных работ сложно, но проблема решаемая  увеличением мощности (или на турбомолекулярных насосах или на линейном двигателе).

Мощность для запуска составит 9 МДж/кг  или 3 кВт*ч на кг.  Время разгона 35 секунд. аппарат 2000кг.  Необходимая мощность 509 МВт, достигается накопителями.

Капиталовложения.

Шанхайский маглев стоил 1,3млрд $ за 30 км, т.е 43,3 млн$ за км. Длинна кольца 157 км, т.е 6,8 млрд.$ плюс примерно половина внешний разгонный путь. Т.е 10,2 млрд.$

Оценку экономической эффективности на данной стадии дать сложно.

Влияние на другие отрасли.

Пусковое кольцо представляет из себя супермаховик. При решении технологических задач при его разработке, появляется технологическая возможность изготавливать аккумуляторы большой емкости, для выравнивания "пилы" неравномерного потребления и/или выработки.

Ижевск, 12.04.2019г