Laukaisusilmukka tai Lofstrom-silmukka on julkaistu malli kaapelikuljetusjärjestelmästä, joka on suunniteltu kuljettamaan lastia matalalle Maan kiertoradalle. Projekti perustuu silmukkajohtoon (silmukka), joka liikkuu jatkuvasti suurella nopeudella (12-14 km/s) tyhjiöputken sisällä. Jotta johto ei joutuisi kosketuksiin putken seinien kanssa, ne on erotettu toisistaan magneettisella ripustuksella, samalla tavalla kuin magnetoplanissa . Yleensä tämä laite on grandioosinen noin 2000 km pitkä rakenne, ja itse silmukan täytyy nousta jopa 80 km korkeuteen ja pysyä siinä pyörivän johdon vauhdin vuoksi. Johdon pyöriminen siirtää olennaisesti koko rakenteen painon sitä tukevalle magneettilaakeriparille, yksi kummassakin päässä.
Laukaisusilmukka on suunniteltu enintään 5 tonnia painavien avaruusalusten ei-rakettilaukaisuihin sähkömagneettista kiihdytystä käyttäen sekä matalalle Maan kiertoradalle että sen ulkopuolelle. Kiihdytys suoritetaan kaapelin tasaisella osalla, joka on tiheän ilmakehän ulkopuolella [1] .
Julkaistu kustannusarvio toimivalle laukaisusilmukalle osoittautui huomattavasti alhaisemmaksi kuin avaruushissillä , kun taas ehdotetulla järjestelmällä on parempi laukaisukyky, alhaisemmat kustannukset ja sama tai jopa suurempi hyötykuorma kuin vastaavalla [2] . Toisin kuin avaruushissi, se ei vaadi uusien materiaalien kehittämistä [3] .
Järjestelmä on suunniteltu tukemaan avaruusmatkailijoiden laukaisuja sekä avaruustutkimusta ja avaruuden kolonisaatiota suhteellisen lievällä 3 g :n g-voimalla .
Keith Lofstrom kuvasi laukaisusilmukan ensimmäisen kerran marraskuussa 1981 American Astronautical Society Readers' Forumissa ja elokuussa 1982 L5 Society Newsissa. Tarkemman tutkimuksen ideasta teki Lofstrom vuosina 1983-1985. [3]
Vuonna 1982 Paul Birch julkaisi British Interplanetary Societyn Journal of the British Interplanetary Societyn julkaisussa sarjan artikkeleita, joissa kuvattiin kiertoradan renkaita , sekä suunnitelman, jota hän kutsui nimellä "Partial Orbital Ring System" (PSOC) [4] . SCOC:n jalostetussa versiossa kiertoratarenkaat on järjestetty siten, että laukaisua kiihdytetään sähkömagneettisen kentän avulla ihmisten avaruuteen laukaisemiseen sopivaa liikerataa pitkin. Mutta jos kiertoratarenkaassa käytetään suprajohtavaa magneettista levitaatiota , niin laukaisusilmukassa käytetään sähkömagneettista jousitusta.
Laukaisusilmukka on noin 2000 km:n kokoinen rakennelma. Itse silmukka nousee maan pinnalta 80 km:n korkeuteen, kulkee tällä 2000 km:n korkeudella, laskeutuu jälleen maan pinnalle, kääntyy ympäri ja toistaa sitten aina takaisin lähtöpisteeseen. Silmukka on putken muotoinen, sisältä ontto ja sitä kutsutaan vaippaksi . Kuoren sisällä on ripustettu toinen kiinteä putki, jota kutsutaan roottoriksi , joka on naru tai ketju. Roottori on raudasta ja halkaisijaltaan noin 5 cm. Se liikkuu ympyrässä silmukan sisällä nopeudella 14 km/s.
Vaikka silmukka on hyvin pitkä, noin 4000 km, itse roottori on melko ohut, halkaisijaltaan noin 5 cm, eikä kuori ole paljon suurempi. Roottori on valmistettu ferromagneettisesta raudasta narun tai putken muodossa, jossa on pitkittäiset liikuntasaumat noin metrin välein. Roottori on erotettu kuoresta servostabiloivilla magneettilaakereilla. Vaippa on tiivistetty ja tyhjiö ylläpidetään roottorin vastuksen minimoimiseksi.
Lepotilassa silmukka on maanpinnan tasolla. Sitten roottoria kiihdytetään lineaarimoottorilla , joka kuluttaa useita satoja megawatteja tehoa. Nopeuden kasvaessa roottori taipuu ja saa kaaren muodon. Kuori pakottaa sen kaarelle, joka on jyrkempi kuin ballistinen käyrä. Roottori puolestaan siirtää keskipakovoiman kuoreen pitäen sen ilmassa. Silmukka saa halutun muodon ja saa maksimikorkeusrajan ≈80 km kiinnittämällä kaapelin maahan. 300 MW:n generaattorilla täyden nopeuden saavuttaminen kestää noin kaksi kuukautta. Kun roottori on pyörinyt täysin ylös, se pyörii kerran noin viidessä minuutissa.
Rakenteen nostamisen jälkeen sen energiaa on täydennettävä jatkuvasti magneettilaakerien energiahäviön kompensoimiseksi, rakenteen stabiloimiseksi ja myös tyhjiökuoren epätäydellisyydestä johtuvien häviöiden korvaamiseksi. Kaikki tämä vaatii noin 200 MW tehoa, avaruusalusten laukaisuun tarvittavaa lisäenergiaa lukuun ottamatta [3] .
Laukaisua varten ajoneuvo nostetaan "hissikaapelille", joka roikkuu läntiseltä lastausasemalta 80 km:n korkeudelta ja asetetaan ylemmän vaiheen ohjauskiskoille. Kiihdytysyksikkö muodostaa magneettikentän, jonka vuoksi nopeasti liikkuvaan roottoriin syntyy pyörrevirtoja . He nostavat hyötykuorman kaapelin yläpuolelle ja työntävät sitä eteenpäin 3g (30 m/s²) kiihtyvyydellä. Roottori kiihdyttää hyötykuormaa, kunnes se saavuttaa vaaditun kiertonopeuden, minkä jälkeen se poistuu kiihdytysosasta.
Jos tarvitaan vakaa tai pyöreä kiertorata, niin sillä hetkellä, kun hyötykuorma saavuttaa lentoradan korkeimman pisteen, on kytkettävä päälle aluksen rakettimoottori ("tehostin") tai muut keinot, jotka ovat tarpeen lentoradan ohjaamiseksi sopivalle kiertoradalle Maan ympärillä [3] .
Pyörrevirtamenetelmä on kompakti, kevyt ja tehokas, mutta tehoton. Jokaisella käynnistyksellä, tehohäviön vuoksi, roottorin lämpötila nousee 80 astetta. Jos laukaisupainot ovat liian lähellä toisiaan, roottorin lämpötila voi lähestyä 770 °C (1043 K), minkä jälkeen roottorin materiaali menettää ferromagneettisia ominaisuuksiaan ja sen tiiviste vaarantuu.
Radat, joiden perigee on 80 km, ovat epävakaita aerodynaamisen jarrutuksen vuoksi (avaruusalus menettää nopeasti korkeuden ja putoaa maahan), mutta tällaisten kiertoratojen lisäksi laukaisusilmukka pystyy suoraan pudottamaan hyötykuormia kiertoradalle, joka vaatii pakoa suuremman nopeuden. nopeus . suorittaa gravitaatioliikkeen Kuun ympäri ja pudota muille kaukaisille kiertoradoille, mukaan lukien ne, jotka ovat lähinnä Troijan pisteitä .
Jotta laukaisusilmukasta laukaisu ympyräradalle voidaan varmistaa, tarvitaan suhteellisen pieni tehostinmoottori, joka käynnistyy apogee -pisteessä ja korjaa kiertoradan. Geosynkroniselle kiertoradalle (GSO) pääsemiseksi on tarpeen lisätä nopeutta noin 1,6 km/s ja saavuttaa matala kiertorata (LO) 500 km:n korkeudessa, mikä lisää vain 120 m/s nopeuteen. edellytetään. Perinteiset raketit vaativat nopeuden lisäyksiä noin 10 ja 14 km/s NO:n ja GSO:n saavuttamiseksi [3] .
Lofstromin laukaisusilmukka on lähellä päiväntasaajaa ja voi laukaista vain päiväntasaajan kiertoradalle. Muut kiertoratatasot voidaan kuitenkin saavuttaa korkeuskäännöksen, kuun häiriön tai aerodynaamisten menetelmien avulla.
Käynnistyssilmukan suurin laukaisunopeus on noin 80 kertaa tunnissa, ja sitä rajoittaa viime kädessä roottorin lämpötila ja jäähdytysaika, mutta tämä vaatii luokkaa 17 GW . Vaatimattomampi 500 MW:n teho riittäisi 35 laukaisuun päivässä [3] .
Jotta laukaisusilmukka olisi taloudellisesti kannattava, se vaatii asiakkaita, joilla on riittävän suuret laukaisukapasiteettivaatimukset.
Lofstrom arvioi, että silmukan alkukustannukset, jotka ovat noin 10 miljardia dollaria, maksaisivat itsensä takaisin vuoden sisällä, 40 000 tonnia lastia vuodessa tarvitsisi laukaista, kun taas kiertoradalle saattamisen kustannukset olisivat noin 300 dollaria/kg. Jos alkuinvestointia nostetaan 30 miljardiin dollariin (tehokkaamman silmukan rakentamiseksi), silmukalla voidaan laukaista 6 miljoonaa tonnia rahtia vuodessa, ja viiden vuoden takaisinmaksuajalla avaruuteen laukaisun kustannukset voivat olla alle 3 dollaria/kg [5] .
Laukaisusilmukan odotetaan pystyvän tarjoamaan suuren laukaisunopeuden (useita laukaisuja tunnissa säästä riippumatta), ja tämä järjestelmä ei käytännössä saastuta ympäristöä. Rakettien laukaisut aiheuttavat pakokaasujen korkeasta lämpötilasta johtuen nitraattisaastetta, ja polttoainetyypistä riippuen kasvihuonekaasuja voi vapautua. Laukaisusilmukka eräänlaisena sähkövoimalaitoksena on ympäristöystävällinen, se voi toimia mistä tahansa energialähteestä: geotermisestä, ydinvoimasta, aurinko-, tuuli- tai mistä tahansa muusta, jopa ajoittaisesta tyypistä, koska järjestelmässä on valtava sisäänrakennettu energiavarasto .
Toisin kuin avaruushissi, jonka täytyy kulkea säteilyvyöhykkeen läpi muutamassa päivässä, laukaisusilmukan matkustajat voidaan laukaista matalalle Maan kiertoradalle, joka on säteilyvyön alapuolella, tai kulkea sen läpi muutamassa tunnissa. Tämä tilanne on samanlainen kuin Apollo-astronautit, joiden säteilyannokset ovat 200 kertaa pienemmät kuin mitä avaruushissi voi antaa [6] .
Toisin kuin avaruushissi, joka on vaarassa törmätä avaruusromun ja meteoriittien kanssa koko pituudeltaan, laukaisusilmukka sijaitsee korkeuksissa, joissa kiertoradat ovat epävakaita ilmanvastuksen vuoksi. Avaruusromut eivät pysy siellä pitkään, niiden törmäyksen mahdollisuus asennukseen on melko pieni. Vaikka avaruushissin käyttöikä on muutaman vuoden luokkaa, laukaisusilmukan vahingoittuminen tai tuhoutuminen on suhteellisen harvinaista. Lisäksi laukaisusilmukka itsessään ei ole merkittävä avaruusromun lähde edes onnettomuuden sattuessa. Kaikilla sen mahdollisilla fragmenteilla on ilmakehän kanssa leikkaava perigee tai niiden nopeudet ovat ensimmäisen kosmisen nopeuden alapuolella.
Laukaisusilmukka on suunnattu ihmisten kuljettamiseen, koska 3g:n maksimikiihtyvyys on siinä turvallinen, valtaosa ihmisistä kestää sen [3] . Lisäksi se tarjoaa paljon nopeamman tavan päästä avaruuteen kuin avaruushissi.
Laukaisusilmukka toimii hiljaa, toisin kuin ohjukset, sillä ei ole meluvaikutusta.
Lopuksi hyötykuorman kiertoradalle asettamisen alhaiset kustannukset tekevät siitä sopivan laajamittaiseen kaupalliseen avaruusturismiin ja jopa avaruuden kolonisaatioon .
Kiertämätön silmukka varastoi valtavan määrän kineettistä energiaa . Koska maglev-järjestelmä on erittäin redundantti, vika pienellä alueella ei vaikuta järjestelmän suorituskykyyn. Mutta jos rakenne tuhoutuu merkittävästi, vapautuu koko varastoitu energia (1,5 × 10 15 joulea tai 1,5 petajoulea), mikä vastaa atomipommin räjähdystä , jonka teho on 350 kilotonnia TNT-ekvivalentteina (tosin ilman säteilyä ). säteily). Vaikka tämä on valtava määrä energiaa, on epätodennäköistä, että koko rakenne tuhoutuu sen erittäin suuren koon vuoksi, ja myös siksi, että jos toimintahäiriö havaitaan, suurin osa energiasta ohjataan erityisesti varattuun paikkaan. Saattaa olla tarpeen ryhtyä toimenpiteisiin kaapelin laskemiseksi 80 km:n korkeudelta mahdollisimman vähäisin vaurioin, esimerkiksi varustaa laskuvarjoja. Siksi turvallisuuden takaamiseksi ja astrodynaamisista syistä laukaisusilmukka on asennettava valtameren ylle lähelle päiväntasaajaa, pois siirtokunnista.
Laukaisusilmukan julkaistussa suunnittelussa vaaditaan elektronisesti ohjattua magneettista levitaatiota tehohäviön minimoimiseksi ja muiden syiden aiheuttaman kaapelin vaimennuksen stabiloimiseksi. Epävakautta esiintyy ensisijaisesti kääntöosissa ja myös kaapelissa.
Kääntöpöydät ovat mahdollisesti epävakaita, koska roottorin siirtäminen pois magneeteista johtaa magneettisen vetovoiman vähenemiseen, kun taas liikkuminen magneetteja kohti lisää vetovoimaa. Joka tapauksessa epävakautta tapahtuu. Tämä ongelma ratkaistaan servo-ohjausjärjestelmien avulla, jotka ohjaavat magneettien voimakkuutta. Vaikka servojen luotettavuus suurilla roottorinopeuksilla on tutkimuskohteena, erittäin suuri määrä sarjassa olevia servo-osia katoaa roottorin sisällä järjestelmän vian sattuessa.
Kaapelin osat jakavat myös tämän mahdollisen kohtalon, vaikka voimat täällä ovat paljon pienemmät. On kuitenkin olemassa toinen mahdollinen epävakaus, joka johtuu siitä, että kaapeli / vaippa / roottori voi joutua mutkiin (kuten Lariat-ketju), lisäksi tämän prosessin värähtelyjen amplitudi voi kasvaa ilman rajoituksia ( resonanssi ). Lofstrom uskoo, että tätä epävakautta voidaan hallita myös reaaliajassa servomekanismeilla, vaikka kukaan ei ole vielä tehnyt niin.
Jotta järjestelmän tyhjiö pysyisi hyväksyttävällä tasolla, tarvitset paljon tyhjiöpumppuja, jotka on jaettu tasaisesti pitkin pituutta (eli myös 80 kilometrin korkeudessa), jotka toimivat jatkuvasti pumppauksessa vuodon kompensoimiseksi.
Vaikeus on saada tarvittava sähkövoima keskellä merta.
Alexander Bolonkin havaitsi monia teknisiä ongelmia Lofstromin projektissa [7] [8] [9] . Erityisesti jumiutuminen on mahdollista puolentoista metrin teräslevyjen välisissä liikuntasaumoissa, kitkavoimat ovat suuret myös 28 km:n kääntösäteellä[ tosiasian merkitys? ] .
| Rakettiton avaruuslaukaisu | |
|---|---|