Лунный космический лифт - Lunar space elevator

Схема, показывающая, что экваториальный и полярный лунные космические лифты проходят мимо L1. An L2 Лифт будет отражать это расположение на обратной стороне Луны, и груз, сброшенный с его конца, будет выброшен наружу в солнечную систему.

А лунный космический лифт или же лунный космический лифт представляет собой предлагаемую транспортную систему для перемещения механического альпинистского транспортного средства вверх и вниз по ленточному привязному тросу, который проложен между поверхностью Луна «внизу» и стыковочный порт, подвешенный на десятки тысяч километров вверху в космосе.

Он похож по концепции на более известные Наземный космический лифт идея, но поскольку сила тяжести на поверхности Луны намного ниже, чем у Земли, инженерные требования для создания системы лунного лифта могут быть выполнены с использованием уже имеющихся материалов и технологий. Для лунного лифта трос или привязь простирается значительно дальше от поверхности Луны в космос, чем та, которая использовалась бы в системе наземного базирования. Однако основная функция космической лифтовой системы в любом случае одинакова; оба позволяют использовать многоразовые, контролируемые средства транспортировки грузов или людей между базовой станцией в нижней части гравитационный колодец и стыковочный порт в космосе.

Лунный лифт может значительно снизить затраты и повысить надежность оборудования для мягкой посадки на лунную поверхность. Например, это позволит использовать экономичные (с высоким удельным импульсом) приводы с малой тягой, такие как ионные приводы который иначе не может приземлиться на Луну. Поскольку док-порт будет подключен к кабелю в микрогравитация окружающей среде эти и другие приводы могут достать кабель от низкая околоземная орбита (НОО) с минимальным запуском топлива с Земли. С обычным ракеты, топливо, необходимое для достижения лунной поверхности с НОО, во много раз превышает массу приземления, поэтому лифт может снизить затраты на запуск полезных нагрузок, направляющихся к лунной поверхности, в аналогичный коэффициент.

Место расположения

В космосе есть две точки, в которых стыковочный порт лифта может сохранять стабильное лунно-синхронное положение: Земля-Луна. Точки Лагранжа L1 и L2. Эксцентриситет лунной орбиты 0,055 означает, что эти точки не фиксированы относительно лунной поверхности: L1 находится в 56 315 км +/- 3 183 км от обращенной к Земле стороны Луны (на лунном экваторе) и L2 62 851 км +/- 3539 км от центра Луны дальняя сторона, в обратном направлении. В этих точках эффект лунного сила тяжести и эффект центробежная сила в результате синхронной системы лифта, жесткое тело вращения компенсируют друг друга. Лагранжевы точки L1 и L2 являются точками нестабильного гравитационного равновесия, а это означает, что потребуется небольшая инерционная регулировка, чтобы любой объект, расположенный там, мог оставаться неподвижным относительно лунной поверхности.

Обе эти позиции находятся существенно дальше, чем 36 000 км от Земли до геостационарной орбиты. Кроме того, вес конечности кабельной системы, идущей вниз до Луны, должен быть уравновешен кабелем, идущим дальше вверх, а медленное вращение Луны означает, что верхняя конечность должна быть намного длиннее, чем у наземной системы. , или быть увенчанным гораздо более массивным противовесом. Чтобы подвесить килограмм кабеля или полезного груза чуть выше поверхности Луны, потребуется 1000 кг противовеса, что на 26000 км дальше. L1. (Противовес меньшего размера на более длинном кабеле, например, 100 кг на расстоянии 230000 км - более чем на полпути к Земле - имел бы такой же балансирующий эффект.) Без притяжения Земли, притягивающего его, L2 Самый низкий килограмм кабеля потребует 1000 кг противовеса на расстоянии 120 000 км от Луны. Среднее расстояние Земля-Луна составляет 384 400 км.

Точка привязки космического лифта обычно считается на экваторе. Однако есть несколько возможных случаев для обнаружения лунная база на одном из полюсов Луны; база на пик вечного света можно использовать почти непрерывную солнечную энергию, например, или небольшое количество воды и других летучих веществ может быть захвачено в постоянно затененных дна кратера. Космический лифт можно было поставить на якорь возле полюса Луны, но не прямо у него. Можно использовать трамвай, чтобы подвести кабель к полюсу, поскольку низкая гравитация Луны позволяет использовать гораздо более высокие опорные башни и более широкие пролеты между ними, чем это было бы возможно на Земле.

Изготовление

Из-за более низкой гравитации Луны и отсутствия атмосферы лунный лифт будет иметь менее строгие требования к прочности на растяжение материала, из которого изготовлен его кабель, чем привязанный к Земле кабель. Для наземного лифта потребуются материалы с высокой прочностью и весом, которые теоретически возможны, но еще не производятся на практике (например, углеродные нанотрубки ). Однако лунный лифт может быть построен с использованием серийно выпускаемых серийно высокопрочных параарамидных волокон (таких как Кевлар и M5 ) или же полиэтиленовое волокно сверхвысокой молекулярной массы.

По сравнению с земным космическим лифтом, будет меньше географических и политических ограничений на расположение наземного соединения. Точка соединения лунного лифта не обязательно должна находиться прямо под его центром тяжести, и может даже быть рядом с полюсами, где данные свидетельствуют о том, что в глубоких кратерах может быть замерзшая вода, которые никогда не видят солнечный свет; если да, то его можно собрать и превратить в ракетное топливо.

Профиль поперечного сечения

Конструкции космических лифтов для Земли обычно имеют конус троса, который обеспечивает однородный профиль напряжения, а не однородное поперечное сечение. Поскольку требования к прочности лунного космического лифта намного ниже, чем требования к прочности земного космического лифта, для лунного космического лифта возможно равномерное поперечное сечение. В исследовании, проведенном для Института перспективных концепций НАСА, говорится: «Текущие композиты имеют характерную высоту в несколько сотен километров, что потребует коэффициента конусности около 6 для Марса, 4 для Луны и около 6000 для Земли. Масса Луны. достаточно мал, чтобы можно было построить лунный космический лифт с одинаковым поперечным сечением, без какого-либо конуса ».[1] Равномерное поперечное сечение могло бы позволить построить лунный космический лифт в конфигурации шкива с двойным тросом. Эта конфигурация значительно упростила бы ремонт космического лифта по сравнению с конфигурацией конического лифта. Однако конфигурация шкива потребовала бы стойки у противовеса длиной в сотни километров, чтобы отделить верхнюю и нижнюю привязи и предотвратить их запутывание. Конфигурация шкива также может позволить постепенно увеличивать емкость системы за счет пришивания нового материала привязи в точке Лагранжа по мере ее вращения.

История

Идея космических лифтов возникла с 1960 года, когда Юрий Арцутанов написал воскресное приложение к Правда о том, как построить такую ​​структуру и использовать геостационарную орбиту. Однако его статья не была известна на Западе.[нужна цитата ] Затем в 1966 году Джон Айзекс, руководитель группы американских океанографов на Институт Скриппса, опубликовал статью в Наука о концепции использования тонких проводов, свисающих с геостационарного спутника. В этой концепции провода должны были быть тонкими (теперь считается, что тонкие провода / тросы более восприимчивы к микрометеороид повреждать). Как и Арцутанов, статья Айзекса также не была хорошо известна аэрокосмическому сообществу.[нужна цитата ]

В 1972 году Джеймс Клайн представил в НАСА документ, описывающий концепцию «лунного кабеля», похожую на лунный лифт.[2] НАСА отрицательно отреагировало на эту идею, сославшись на технический риск и нехватку средств.[3]

В 1975 г. Джером Пирсон самостоятельно придумал Космический лифт концепцию и опубликовал ее в Acta Astronautica. Это впервые сделало космическое сообщество в целом осведомленным о космическом лифте. Его статья вдохновила Сэр Артур Кларк написать роман Фонтаны рая (опубликовано в 1979 г., почти одновременно с Чарльза Шеффилда роман на ту же тему, Сеть между мирами ). В 1978 году Пирсон распространил свою теорию на Луну и перешел на использование точек Лагранжа вместо того, чтобы держать ее на геостационарной орбите.[4]

В 1977 г. были опубликованы статьи советского пионера космонавтики. Фридрих Цандер были опубликованы посмертно, из которых следует, что он задумал лунную космическую башню в 1910 году.[5]

В 2005 году Джером Пирсон завершил исследование для Института перспективных концепций НАСА, которое показало, что концепция технически осуществима в рамках существующего уровня техники с использованием существующих коммерчески доступных материалов.[6]

В октябре 2011 г. LiftPort веб-сайт Майкл Лейн объявил, что LiftPort преследует лунный космический лифт в качестве промежуточной цели, прежде чем пытаться создать наземный лифт. На Ежегодном собрании 2011 г. Группа анализа лунных исследований (LEAG), технический директор LiftPort Маршалл Юбэнкс представил доклад о прототипе лунного лифта, соавтором которого является Лейн.[7] В августе 2012 г. Лифтпорт объявил, что реализация проекта может начаться ближе к 2020 году.[8][9][10][11] В апреле 2019 г. LiftPort Генеральный директор Майкл Лейн сообщил, что не продвинулся дальше концептуального проекта компании по производству лунных лифтов.[12]

Материалы

В отличие от закрепленных на земле космических лифтов, материалы для лунных космических лифтов не требуют большой прочности. Лунные лифты можно сделать из материалов, доступных сегодня. Углеродные нанотрубки не требуются для построения структуры.[1] Это позволило бы построить лифт гораздо раньше, поскольку до появления материалов из углеродных нанотрубок в достаточных количествах еще далеко.[13]

Одним из материалов с большим потенциалом является Волокно M5. Это синтетическое волокно, которое легче кевлара или Spectra.[14] Согласно Пирсону, Левину, Олдсону и Уайксу в их статье «Лунный космический лифт», лента M5 шириной 30 мм и толщиной 0,023 мм сможет выдержать 2000 кг на поверхности Луны (2005 г.). Он также сможет вмещать 100 грузовых автомобилей массой 580 кг каждая, равномерно распределенных по длине лифта.[1] Другие материалы, которые могут быть использованы: углеродное волокно T1000G, Spectra 200, Dyneema (используется на ДА2 космический корабль), или Зилон. Все эти материалы имеют разрывная длина нескольких сотен километров меньше 1грамм.[1]

Возможные материалы для лунного лифта[1]
МатериалПлотность ρ
кг / м3		Предел стресса σ
ГПа		Высота взлома
(час = σ/ρg, км)
Одностенные углеродные нанотрубки (лабораторные измерения)2266502200
Углеродное волокно Toray (T1000G)18106.4361
Арамид, ООО, полибензоксазольное волокно (Zylon PBO)15605.8379
Полиэтиленовое волокно с удлиненной цепью Honeywell (Spectra 2000)9703.0316
Сотовый полимер Magellan M5 (с плановыми значениями)17005.7(9.5)342(570)
Арамидное волокно DuPont (Кевлар 49)14403.6255
Стекловолокно (Ref Удельная сила )26003.4133

Эти материалы будут использованы для изготовления ленточного привязного кабеля, который будет подключаться от L1 или же L2 баланс указывает на поверхность Луны. Подъемные транспортные средства, которые будут перемещаться по этим тросам в готовой лифтовой системе, не будут двигаться очень быстро, что упрощает некоторые из проблем, связанных с перемещением грузов и поддержанием структурной целостности системы. Однако любые небольшие объекты, подвешенные в космосе на длительное время. времени, как и привязанные кабели, уязвимы для повреждения микрометеороиды, поэтому одним из возможных методов повышения их живучести было бы создание «многоленточной» системы вместо одинарного кабеля.[1] Такая система должна иметь межсоединения через равные промежутки времени, так что, если одна часть ленты будет повреждена, параллельные секции могут нести нагрузку до тех пор, пока роботизированные транспортные средства не смогут прибыть, чтобы заменить разорванную ленту. Межсоединения будут расположены на расстоянии около 100 км друг от друга, что достаточно мало, чтобы позволить альпинисту-роботу нести массу заменяющих 100 км ленты.[1]

Альпинистские автомобили

Одним из способов доставки необходимых материалов с Луны на орбиту могло бы стать использование альпинистских транспортных средств.[1] Эти транспортные средства будут состоять из двух больших колес, которые прижимаются к лентам лифта, чтобы обеспечить достаточное трение для подъема.[1] Альпинисты могли быть установлены на горизонтальные или вертикальные ленты.

Колеса будут приводиться в движение электродвигателями, которые будут получать энергию от солнечной энергии или энергии луча. Сила, необходимая для подъема по ленте, будет зависеть от гравитационного поля Луны, которое падает на первые несколько процентов расстояния до L1.[1] Мощность, необходимая альпинисту для прохождения ленты, падает пропорционально близости к ней. L1 точка. Если альпинист весом 540 кг двигался со скоростью пятнадцать метров в секунду, то к тому времени он прошел семь процентов пути до вершины. L1 В точке, требуемая мощность упадет до менее ста ватт по сравнению с 10 киловатт на поверхности.

Одной из проблем, связанных с использованием автомобиля на солнечной энергии, является отсутствие солнечного света на некоторых участках поездки. Половину месяца солнечные батареи в нижней части ленты будут в тени.[1] Один из способов решить эту проблему - запустить транспортное средство с определенной скоростью у основания, а затем на пике траектории прикрепить его к ленте.[1]

Возможное использование

Материалы с Земли могут быть отправлены на орбиту, а затем вниз на Луну для использования на лунных базах и установках.[1]

Бывший Президент США Джордж Буш, в обращении о его Видение освоения космоса, предположил, что Луна может служить рентабельным сооружением, запуском и заправкой сайт для будущих миссий по исследованию космоса. Как отметил президент Буш,[15] «(Лунная) почва содержит сырье, которое можно собрать и переработать в ракетное топливо или пригодный для дыхания воздух». Например, предлагаемый Арес V тяжелая ракетная система могла бы быть рентабельной[16] доставлять сырье с Земли на Док-станция, (соединен с лунным лифтом в качестве противовеса)[17] где будущие космические корабли могут быть построены и запущены, а добытые лунные ресурсы могут быть отправлены с базы на поверхности Луны, недалеко от точки крепления лифта. Если бы лифт каким-то образом был связан с лунной базой, построенной недалеко от северного полюса Луны, тогда рабочие могли бы также добывать водяной лед, который, как известно, существует там, обеспечивая достаточный источник легкодоступной воды для экипажа на стыковочной станции лифта.[18] Кроме того, поскольку общая энергия, необходимая для транзита между Луной и Марсом, значительно меньше, чем между Землей и Марсом, эта концепция может снизить некоторые инженерные препятствия для отправки людей на Марс.

Лунный лифт также можно использовать для транспортировки припасов и материалов с поверхности Луны на орбиту Земли и наоборот. По словам Джерома Пирсона, многие материальные ресурсы Луны могут быть извлечены и отправлены на околоземную орбиту более легко, чем если бы они были запущены с поверхности Земли.[1] Например, лунный реголит сам по себе может использоваться в качестве массивного материала для защиты космических станций или космических кораблей с экипажем во время длительных миссий от солнечные вспышки, Ван Аллен радиация, и другие виды космическое излучение. Природные металлы и минералы Луны можно добывать и использовать для строительства. Лунные месторождения кремния, которые могут быть использованы для создания солнечных панелей для массивных спутниковая солнечная энергия станций, кажутся особенно многообещающими.[1]

Одним из недостатков лунного лифта является то, что скорость поднимающихся транспортных средств может быть слишком низкой для эффективного использования в качестве транспортной системы для людей. В отличие от земного лифта, большее расстояние от стыковочной станции до поверхности Луны означало бы, что любой «лифт-вагон» должен был бы поддерживать экипаж в течение нескольких дней, даже недель, прежде чем он достигнет места назначения.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о Пирсон, Джером; Евгений Левин; Джон Олдсон и Гарри Уайкс (2005). "Лунные космические лифты для Фазы I освоения окололунного космического пространства. Заключительный технический отчет" (PDF).
  2. ^ Лунный кабель: гравитационный электрический сифон в космосе
  3. ^ Ответ на attn of: KB Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, 23 июня 1972 г.
  4. ^ Пирсон, Дж., "Испытание привязанного к Луне спутника", Бумага AIAA, 78-1427, август 1978 г.
  5. ^ Цандер, Фридрих Артурович (1977). Избранные статьи (на русском). Рига: Зинатне.
  6. ^ [1] Пирсон, Дж., "Лунные космические лифты для освоения окололунного космоса", Финальный технический отчет NASA NIAC Phase I, в рамках гранта НАСА № 07605-003-034, 2 мая 2005 г.
  7. ^ ЛЕСТНИЦА: Разработка прототипа лунного космического лифта. Т.М. Юбэнкс и М. Лейн, Liftport Luna
  8. ^ «Старт! Лунный« космический лифт »может быть построен к 2020 году» (видео, фото). Получено 27 августа 2012.
  9. ^ «Старт! Лунный« космический лифт »скоро может стать научным фактом». к РоссияСегодня, через YouTube. Получено 1 сен, 2012.
  10. ^ «Инфраструктура лунного космического лифта». ElevatorToSpace через YouTube. Получено 21 августа, 2012.
  11. ^ «Идея лунного космического лифта обретает новую жизнь». ruvr.ru. Получено 28 августа, 2012.
  12. ^ «Если когда-нибудь и должен был появиться космический лифт, он мог появиться в Нью-Джерси. Вот как все пошло не так». NJ.com. 28 марта 2019 г.,. Получено 11 мая, 2019.
  13. ^ а б Каин 2004
  14. ^ Бекон 2005
  15. ^ «Президент Буш объявляет о новом видении программы исследования космоса». НАСА. 14 января 2004 г.. Получено 17 июня, 2009.
  16. ^ "НАСА - Ракета-носитель экипажа" Арес I. ". НАСА. 29 апреля 2009 г.. Получено 13 мая 2009.
  17. ^ Пожалуйста, обратитесь к Космический лифт # Противовес.
  18. ^ Гхош, Тиа (1 марта 2010 г.). "Миллионы тонн водяного льда найдены на Северном полюсе Луны". Проводной.

внешняя ссылка