Космический лифт

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Художественная фантазия: вид на космический лифт, поднимающий с Земли грузы на орбитальную станцию, — «космический порт»

Косми́ческий лифт — замысел астроинженерного сооружения по выведению грузов на планетарную орбиту или за её пределы. Впервые идею создания высказал Константин Циолковский в 1895 году. Основан на применении троса, протянутого от поверхности планеты к геостационарной орбитальной станции. Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей.

Трос будет удерживаться одним концом на поверхности планеты (Земли), а другим — в неподвижной над планетой точке выше геостационарной орбиты (ГСО) за счёт центробежной силы. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. За пределами геостационарной орбиты груз будет ускоряться, что позволит отправлять его во вне планетарной орбиты.

От троса требуется чрезвычайная прочность на разрыв в сочетании с лёгкостью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта есть решаемая инженерная задача, хотя и требует использования передовых разработок и больших затрат иного рода. Создание лифта оценивается в 7—12 млрд долларов США. НАСА уже финансирует соответствующие^{[источник не указан 60 дней]} разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъёмника, способного самостоятельно двигаться по тросу.

[править] Конструкция

Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъёмники и противовес.

[править] Основание

Основание космического лифта — это место на поверхности планеты, где прикреплён трос и начинается подъём груза. Оно может быть подвижным, размещённым на океанском судне.

Преимущество подвижного основания — возможность совершения маневров для уклонения от ураганов и бурь. Преимущества стационарной базы — более дешёвые и доступные источники энергии, и возможность уменьшить длину троса. Разница в несколько километров троса сравнительно невелика, но может помочь уменьшить требуемую толщину его средней части и длину части, выходящей за геостационарную орбиту.

[править] Трос

Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Космический лифт будет экономически оправдан, если можно будет производить в промышленных масштабах за разумную цену трос плотности, сравнимой с графитом, и прочностью около 65-120 гигапаскалей.

Для сравнения, прочность большинства видов стали — около 1 ГПа, и даже у прочнейших её видов — не более 5 ГПа, причём сталь тяжела. У гораздо более лёгкого кевлара прочность в пределах 2,6—4,1 ГПа, а у кварцевого волокна — до 20 ГПа и выше. Теоретическая прочность алмазных волокон может быть немногим выше.

Углеродные нанотрубки должны, согласно теории, иметь растяжимость гораздо выше, чем требуется для космического лифта. Однако технология их получения в промышленных количествах и сплетения их в кабель только начинает разрабатываться. Теоретически их прочность должна быть более 120 ГПа, но на практике самая высокая растяжимость однослойной нанотрубки была 52 ГПа, а в среднем они ломались в диапазоне 30-50 ГПа. Самая прочная нить, сплетённая из нанотрубок, будет менее прочной, чем ее компоненты. Исследования по улучшению чистоты материала трубок и по созданию разных их видов продолжаются.

В большинстве проектов космического лифта применяются однослойные нанотрубки. У многослойных выше прочность, но они тяжелее, и их отношение прочности к плотности ниже. Возможный вариант — использовать соединение однослойных нанотрубок под высоким давлением. При этом хотя и теряется прочность из-за замещения sp²-связи (графит, нанотрубки) на sp³-связь (алмаз), они будут лучше удерживаться в одном волокне силами Ван-дер-Ваальса и дадут возможность производить волокна произвольной длины.^{[источник не указан 60 дней]}

Дефекты кристаллической решётки снижают прочность нанотрубок

Технология плетения таких волокон ещё только зарождается.

По заявлениям некоторых учёных^[1], даже углеродные нанотрубки никогда не будут достаточно прочны для изготовления троса космического лифта.

[править] Утолщение троса

Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой — прибавляет его вес, а следовательно и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других — выдерживать центростремительную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.

Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы (но не учитывая меньшее влияние Луны и Солнца), сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:

$A(r) = A_{0} \ \exp \left[ \frac{\rho}{s} \left[ \begin{matrix}\frac{1}{2}\end{matrix} \omega^{2} (r_{0}^{2} - r^2) + g_{0}r_{0} (1 - \frac{r_{0}}{r}) \right] \right]$

Здесь $A (r)$ — площадь сечения троса как функция расстояния $r$ от центра Земли.

В формуле используются следующие константы:

$A 0$ — площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.
$ρ$ — плотность материала троса.
$s$ — растяжимость материала троса.
$ω$ — круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7,292×10⁻⁵ радиан в секунду.
$r 0$ — расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли, 6 378 км.
$g 0$ — ускорение свободного падения у основания троса, 9,780 ^м/_с².

Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув в конце концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться.

Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на ГСО (r = 42 164 км) есть: $\frac{A(r_{\mathrm{GEO}})}{A_0} = \exp \left[ \frac{\rho}{s} \times 4,832 \times 10^{7} \, \mathrm{ \frac{m^2}{s^2} } \right]$

Подставив сюда плотность и прочность стали и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне ГСО в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.

Отсюда следует, что есть четыре способа добиться более разумной толщины троса на уровне ГСО:

Использовать менее плотный материал. Поскольку плотность большинства твёрдых тел лежит в относительно небольшом диапазоне от 1000 до 5000 ^кг/_м³, здесь вряд ли получится чего-то добиться.
Использовать более прочный материал. В этом направлении в основном и идут исследования. Углеродные нанотрубки в десятки раз прочнее лучшей стали, и они позволят значительно уменьшить толщину троса на уровне ГСО.
Поднять повыше основание троса. Из-за наличия экспоненты в уравнении даже небольшое поднятие основания позволит сильно понизить толщину троса. Предлагаются башни высотой до 100 км ^[2], которые, кроме экономии на тросе, позволят избежать влияния атмосферных процессов.
Сделать основание троса как можно тоньше. Он все равно должен быть достаточно толстым, чтобы выдержать подъёмник с грузом, так что минимальная толщина у основания также зависит от прочности материала. Тросу из углеродных нанотрубок достаточно иметь у основания толщину всего в один миллиметр.

Ещё способ — сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100 ^м/_с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20 % и сократит длину кабеля на 20—25 %, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же «заякорить» кабель на сверхзвуковом самолёте, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз.

[править] Подъёмник

Космический лифт не может работать, как обычный лифт (с движущимися тросами), поскольку толщина его троса непостоянна. Большинство проектов предлагает использовать подъёмник, забирающийся вверх по неподвижному тросу, хотя предлагались также варианты использования небольших сегментированных подвижных тросов, протянутых вдоль основного троса.

Предлагаются различные способы конструкции подъёмников. На плоских тросах можно использовать пары роликов, держащихся за счёт силы трения. Другие варианты — движущиеся спицы с крючками на пластинах, ролики с выдвижными крючками, магнитная левитация (маловероятна, поскольку на тросе придётся закреплять громоздкие пути) и пр.

Серьёзная проблема конструкции подъёмника — источник энергии. Плотность хранения энергии вряд ли когда-либо будет достаточно велика, чтобы подъёмнику хватило энергии на подъем по всему кабелю. Возможные внешние источники энергии — лазерные или микроволновые лучи. Другие варианты — использование энергии торможения подъёмников, движущихся вниз; разница в температурах тропосферы; ионосферный разряд и т. д. Основной вариант (лучи энергии) обладает серьёзными проблемами, связанными с эффективностью и диссипацией тепла на обоих концах, хотя, если оптимистично относиться к будущим технологическим достижениям, он реализуем.

Подъёмники должны следовать на оптимальной дистанции друг за другом, чтобы минимизировать нагрузку на трос и его осцилляции и максимизировать пропускную способность. Самая ненадёжная область троса — вблизи его основания; там не должно находиться более одного подъёмника. Подъёмники, движущиеся только вверх, позволят увеличить пропускную способность, но не дадут использовать энергию торможения при движении вниз, а также не смогут возвращать людей на землю. Кроме того, компоненты таких подъёмников должны использоваться на орбите для других целей. В любом случае, маленькие подъёмники лучше больших, потому что расписание их движения будет гибче, но они накладывают больше технологических ограничений.

Вариант подъёмника на воздушных шарах представляется нереальным. Поскольку плотная атмосфера, выталкивающая воздушный шар, присутствует лишь на первых 0,5% пути подъемника.

[править] Противовес

Противовес может быть создан двумя способами — путём привязки тяжёлого объекта (например, астероида) за геостационарной орбитой или продолжения самого троса на значительное расстояние за геостационарную орбиту. Второй вариант пользуется большей популярностью в последнее время, поскольку его легче осуществить, а кроме того, с конца удлинённого троса проще запускать грузы на другие планеты, поскольку он обладает значительной скоростью относительно Земли.

[править] Угловой момент, скорость и наклон

При движении подъёмника вверх лифт наклоняется на 1 градус, поскольку верхняя часть лифта движется вокруг Земли быстрее, чем нижняя (эффект Кориолиса). Масштаб не сохранен

Горизонтальная скорость каждого участка троса растет с высотой пропорционально расстоянию до центра Земли, достигая на геостационарной орбите первой космической скорости. Поэтому при подъёме груза ему нужно получить дополнительный угловой момент (горизонтальную скорость).

Угловой момент приобретается за счёт вращения Земли. Сначала подъёмник движется чуть медленнее троса (эффект Кориолиса), тем самым «замедляя» трос и слегка отклоняя его к западу. При скорости подъёма 200 км/ч трос будет наклоняться на 1 градус. Горизонтальная компонента натяжения в невертикальном тросе тянет груз в сторону, ускоряя его в восточном направлении (см. диаграмму) — за счёт этого лифт приобретает дополнительную скорость. По третьему закону Ньютона трос замедляет Землю на небольшую величину.

В то же время влияние центробежной силы заставляет трос вернуться в энергетически выгодное горизонтальное положение, так что он будет находиться в состоянии устойчивого равновесия. Если центр тяжести лифта будет всегда выше геостационарной орбиты независимо от скорости подъёмников, он не упадет.

К моменту достижения грузом ГСО его угловой момент (горизонтальная скорость) достаточна для вывода груза на орбиту.

При спуске груза будет происходить обратный процесс, наклоняя трос на восток.

[править] Запуск в космос

На конце башни Пирсона (см. ниже) (??) высотой в 144 000 км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93 км/с, что более чем достаточно для покидания гравитационного поля Земли и запуска кораблей к Сатурну. Если объекту позволить свободно скользить по верхней части башни, его скорости хватит для покидания Солнечной системы. Это произойдет за счёт перехода суммарного углового момента башни (и Земли) в скорость запущенного объекта.

Для достижения ещё больших скоростей можно удлинить трос или ускорить груз за счёт электромагнетизма.

[править] Экономика космического лифта

Предположительно, космический лифт позволит намного снизить затраты на посылку грузов в космос. Строительство космических лифтов обойдётся дорого, но их операционные расходы невелики, поэтому их разумнее всего использовать в течение длительного времени для очень больших объёмов груза. В настоящее время рынок запуска грузов может быть недостаточно велик, чтобы оправдать строительство лифта, но резкое уменьшение цены должно привести к большему разнообразию грузов. Таким же образом оправдывает себя прочая транспортная инфраструктура — шоссе и железные дороги.

Стоимость разработки лифта сравнима со стоимостью разработки космического челнока^{[источник не указан 60 дней]}. Пока ещё нет ответа на вопрос, вернет ли космический лифт вложенные в него деньги или лучше будет вложить их в дальнейшее развитие ракетной техники.

Не следует забывать о лимите^[3] количества спутников-ретрансляторов на геостационарной орбите: в настоящее время международными соглашениями допускается 360 спутников — один ретранслятор на угловой градус, во избежание помех при трансляции в полосе K_u-частот. Для C-частот число спутников ограничено 180.

Таким образом, космический лифт минимально пригоден для массовых запусков на геостационарную орбиту и максимально пригоден для освоения внешнего космоса и Луны в частности.

Данное обстоятельство объясняет настоящую коммерческую несостоятельность проекта, так как основные финансовые затраты негосударственных организаций ориентированы на спутники-ретрансляторы, занимающие либо геостационарную орбиту (телевидение, связь), либо более низкие орбиты (системы глобального позиционирования, наблюдения за природными ресурсами и т. п.).

[править] Достижения

В США с 2005 года проводятся ежегодные соревнования Space Elevator Games, организованные фондом Spaceward при поддержке NASA. В этих состязаниях существуют две номинации: «лучший трос» и «лучший робот (подъёмник)».

В конкурсе подъёмников робот должен преодолеть установленное расстояние, поднимаясь по вертикальному тросу со скоростью не ниже установленной правилами (в соревнованиях 2007 года нормативы были следующими: длина троса — 100 м, минимальная скорость — 2 м/с). Лучшим результатом на данный момент является преодолённое расстояние в 100 м со средней скоростью 1,8 м/с.

В конкурсе на прочность троса участникам необходимо предоставить двухметровое кольцо из сверхпрочного материала массой не более 2 грамм, которое специальная установка проверяет на разрыв. Для победы в конкурсе прочность троса должна минимум на 50 % превосходить по этому показателю образец, уже имеющийся в распоряжении у NASA. Пока лучший результат принадлежит тросу, выдержавшему нагрузку вплоть до 0,72 тонны.

Общий призовой фонд соревнований Space Elevator Games в 2009 году составляет 4 миллиона долларов.

В этих соревнованиях не принимает участие компания Liftport Group, получившая известность благодаря своим заявлениям запустить космический лифт в 2018 году (позднее этот срок был перенесён на 2031 год). Liftport проводит собственные эксперименты, так в 2006 году роботизированный подъёмник взбирался по прочному канату, натянутому с помощью воздушных шаров. Из полутора километров подъёмнику удалось пройти путь лишь в 460 метров. Следующим этапом компания планирует провести испытания на тросе высотой 3 км.

[править] Литература

«В космос на электровозе» — Юрий Арцутанов, газета «Правда», 1960 год.

[править] Космический лифт в искусстве

Одно из знаменитых произведений Артура Кларка, «Фонтаны рая», основано на идее космического лифта. Кроме того, космический лифт фигурирует и в заключительной части его знаменитой тетралогии Космическая Одиссея (3001: Последняя одиссея).
В Battle Angel фигурирует циклопический космический лифт, на одном конце которого находится Небесный Город Салем (для граждан) вместе с нижним городом (для не-граждан), а на другом конце находится космический город Йеру. Аналогичная конструкция находится и на другой стороне Земли.
В сериале «Звёздный путь: Вояджер» в эпизоде 3x19 «Rise» (Подъем) космический лифт помогает экипажу вырваться с планеты с опасной атмосферой.
В игре Civilization IV есть космический лифт. Там он — одно из поздних «Больших чудес».
В фантастическом романе Тимоти Зана «Шелкопряд» («Spinneret», 1985) упоминается планета способная производить супер волокно. Одна из рас заинтересовавшаяся планетой хотела получить это волокно именно для строительства космического лифта.
В дилогии Сергея Лукьяненко «Звёзды — холодные игрушки» одна из внеземных цивилизаций в процессе межзвёздной торговли поставила на Землю сверхпрочные нити, которые могли бы быть использованы для строительства космического лифта. Но внеземные цивилизации настаивали исключительно на использовании их по прямому назначению — для помощи при проведении родов.
В аниме Mobile Suit Gundam 00 присутствуют три космических лифта, на них так же крепится кольцо из солнечных батарей, что позволяет использовать космический лифт ещё и для добычи электроэнергии.
В аниме Z.O.E. Dolores присутствует космический лифт, а также показано что может быть в случае теракта.
В фантастическом романе Дж. Скальци «Обреченные на победу» (англ. Scalzi, John. Old Man’s War) системы космических лифтов активно используются на Земле, многочисленных земных колониях и некоторых планетах других высокоразвитых разумных рас для сообщения с причалами межзвёздных кораблей.
В фантастическом романе Александра Громова «Завтра наступит вечность» сюжет построен вокруг факта существования космического лифта. Существует два устройства — источник и приемник, которые посредством «энергетического луча» способны поднимать «кабину» лифта на орбиту.
В фантастическом романе Аластера Рейнольдса «Город Бездны» дается подробное описание строения и функционирования космического лифта, описан процесс его разрушения (в результате теракта).

[править] Примечания

[править] Ссылки

Русский сайт «Космический лифт» (ссылка не работает, проверено 23 апреля 2009 года) (перепроверенно 9 июня 2009 ссылка не рабочая).

[править] Организации

Elevator:2010 Соревнования прототипов космического лифта.
Liftport Group — Компании, занимающиеся космическим лифтом.

[править] Разное

Справка по космическому лифту.
Популярная статья в журнале «Вокруг света».
Space Elevator Yahoo Group Дискуссионная группа.
Технические публикации и инструмент для расчета свойств ленты и сценариев постройки.
Статья на сайте How Stuff Works.
Доклад в НАСА доктора Брэда Эдвардса, 2003 г.
Математическая модель космического троса, как N точечных масс
Anticonditional city — футуристический проект города на основе модели космического лифта

Портал Космонавтика — всё о космосе и космонавтике на страницах Википедии.

[0] [1]

[1] ttp://zhurnal.lib.ru/editors/l/lemeshko_a_w/azz.shtml

[http:.2F.2Fen.wikipedia.org.2Fwiki.2FSatellite_television.23Technology-2] ttp://en.wikipedia.org/wiki/Satellite_television#Technology

[1]

[2]

[3]