Kosmoslift… Jupiteril?

100% originaalne kontseptsioon.

Kosmoslift Jupiteril eristuks palju kindlale planeedile konstrueeritud liftist (pildi krediit: Jack Rometty).

Kontseptsioon

Ma pean tulema puhtaks. Kui ma esimest korda kaalusin kosmoseelementide kohta keskpunkti postituse kirjutamist, kavatsesin seda teha maapealsete kosmoseelementide rakenduste ja kasutusalade kohta. Pärast vähem kui tunnist uurimist avastasin, et seda teemat on juba üsna hästi uuritud ja pole olnud vaja minu suuresti spekulatiivset arvamusepõhist sisendit antud teemal. Tahtsin ikkagi teha postituse kosmoseelementide kohta, kuid tahtsin teha midagi uut.

Niisiis mõtisklesin kosmosetõstukite ehitamise üle ka Päikesesüsteemi teistele planeetidele ja kuudele, millest minu meelest on ka väga hea uuritud ja dokumenteeritud. Kosmosetõstukeid Kuul saab ehitada Maa-Kuu Lagrangiuse punktidesse, kus Maa ja Kuu raskusjõud tühistavad teineteise ning Marsi kosmose liftid on planeedi madala gravitatsiooni tõttu nii praktilised, et neid saaks ehitada tänapäevase tehnoloogia ja materjalidega. ja ikkagi suhteliselt kiire keerutamiskiirus.

Marsi kosmose lifti kontseptsioon.

Tundsin end üsna kasutuna. Mõtlesin endamisi: "Milliseid teisi kiviseid planeete või kuusid on Päikesesüsteemi jäänud, mis võiksid kasutada kosmoseelemendi praktilisi rakendusi?!" Ja siis muutsin küsimust. "Miks peab see olema kivine planeet?"

Miks just Jupiter?

Tuleviku kosmoselaevad peavad maksimaalse heitgaasi kiiruse ja tõukejõu saavutamiseks kasutama väikese massiga mittelenduvaid kütuseid. Sellise kosmoselaeva näiteks võiks olla laev, mis kasutab termotuumasünteesi, ühendades kaks vesiniku, deuteeriumi ja triitiumi isotoopi heeliumiks, et saavutada tõukejõud. Deuteerium ja triitium on tulevaste kosmoselaevade jaoks fantastilised kütuseallikad, kuid me ei leia neid Maal sageli, kuna Maa gravitatsiooniline tõmme ei ole nende väikese massiga aatomite sisaldamiseks piisavalt tugev.

Sisestage Jupiter. Jupiter on sõna otseses mõttes 9/10 vesinik ja 1/10 heelium. Sel hetkel mõtlesin, kuidas on võimalik kavandada kosmoseelement, et "loputada" osa Jupiteri õhustikust ühest otsast ja osa sellest massist tõsta läbi liftišahti orbitaaljaama, mis asub Jupiteri õhustikust kõrgemal. toimima planeetidevahelise (või võib-olla isegi tähtedevahelise) kosmoselaeva tankimislaona.

Jupiteri atmosfääri ülevaade kosmosesõiduki Juno alt.

Seda rakendust võiks kasutada tõenäoliselt kõigil gaasigigaanidel, kuid Jupiter on lihtsalt lähim ja kõige praktilisem valik. Päikesesüsteemist kaugemale sõites olete juba pääsenud enamikust päikese gravitatsioonilisest potentsiaalsest energiast, mille ajal võib tähtedevaheline rändur endalt küsida, miks nad kasutasid nii palju kütust, et aeglustada end Neptuuni orbitaalkiirusele, ainult et oma reisi jätkamiseks oleks vaja uuesti kiirendada.

Kujundus

Traditsiooniline kosmoseelement koosneb neljast põhikomponendist; ankur, mis toimib alusena, orbitaaljaam (või massiivne objekt), mis toimib vastukaaluna, neid ühendav šaht või tross, ja ronija või liftivagun, mis tõuseb ja laskub võlli. Kosmosetõstuk peab olema konstrueeritud nii, et kogu konstruktsiooni massi keskpunkt tiirleb geostatsionaarsel orbiidil, nii et vastukaalu tsentripetaalne jõud võrdub täpselt ankru raskusjõuga, mis on kinnitatud planeedi pinnale. Jagu on alati pinges, nii et lift ei tekita Maale raskust ja orbiit ei vaja kosmoseelemendi stabiilsena hoidmiseks lisaenergiat (peale manööverdamisjõu).

Maapealne kosmoseelement, mille stabiilseks püsimiseks pole vaja energiat.

Kosmoslifti kavandamine töötavaks Jupiteri atmosfääris on üsna erinev. Kuna Jupiteril puudub tahke pind, peab “ankur” olema atmosfääristruktuur, püsides samas kaabli pinge ja aerodünaamiliste jõududega. Jupiteri tahke pinna puudumine tähendab ka seda, et sellel puudub tehniliselt geostatsionaarne orbiit. See ei keela siiski kosmoselifti ehitamist, kui massikeskus tiirleb Jupiterit stabiilsel ringikujulisel orbiidil. See on sama kontseptsioon kui võrdse massiga kaablite pikendamine ISS-i kummastki otsast, üks Maa poole ja teine ​​Maast eemale. Massi keskmeks on alati ISS, seega on selle orbiit endiselt stabiilne. St seni, kuni kaabli maapind jõuab atmosfääri ...

See on koht, kus minu kosmoseelement erineb kõige rohkem traditsioonilise kujunduse omast. Kuna Jupiteri kosmose lifti üks ots oleks konstruktsiooni järgi alati atmosfääris, kogeb see ots pidevalt tagurpidi jõudu ja kuna see jõud on ainult kosmose lifti ühes otsas, on sellest tulenev ka pöördemoment. Stabiilse orbiidi hoidmiseks on selle jõu-pöördemomendi paarile vastupanuks vaja tõukeid nii ankrust kui ka orbitaalrajatisest.

Jupiteri kosmoslifti skeem, mis näitab gradiendina atmosfääri tõmbejõudu.

Ankru konstruktsioon võib sarnaneda siin Maa peal asuva pöörleva tõukejõuga, mille korral ülehelikiirusega vesinik siseneb ühte otsa, kuumutatakse mikrolainete või laserite abil ja seejärel väljutatakse veelgi suurema kiirusega, et tekitada vastupanuks vajalik tõukejõud. atmosfääri tõmbejõud. Mööda teed kogutakse protsent sellest massist ja saadetakse liftišaht üles, et hoida seda tankimisjaama orbitaalrajatises ja kasutada jaama vastassuunaliseks tõukejõuks. Alguses arvasin ankrut sukeldumas Jupiteri atmosfääri, kus rõhk on sama, mis Maal: 1 baar.

Minu atmosfääriline “ankru” eelprojekt.

Lifti massikeskus tiirleb tõenäoliselt suhteliselt lähedal Jupiteri pinnale (kus rõhk on sama, mis Maa peal, 1 baar), potentsiaalselt vaid tuhat kilomeetrit selle kohal. See tähendab, et ankru atmosfääri kiirus on tohutu. Selle arvessevõtmiseks peavad ankur ja liftišaht olema projekteeritud teemantliku ülehelikiirusega aerodünaamilise ristlõikega. Võlli kogupikkus koosneb mitmest liigendsektsioonist, võib-olla saja meetrise pikkusega, nii et konstruktsiooni paindlikumaks muutmine.

Kontseptsiooniideed liftišahtile, mille keskel on vesinikuvõll ja väljastpoolt kaks inimese transpordivõlli. Pange tähele ka vuugid, mis kolmemõõtmeliselt oleksid kuulliigendid, võimaldamaks 360-kraadist paindlikkust.

Lõpuks vajab orbitaaljaam tankimiseks lihtsalt dokkimisporte ja see on tema enda tõukaja, mis annab atmosfääri pöördemomendile vastupidise pöördemomendi. Üldist kujunduskontseptsiooni saab näha allpool.

Lõplik kujunduskontseptsioon (mitte mõõtkavas, lol).

Numbrite krigistamine

Teadsin kohe, et selle käsitsi arvutamiseks on liiga palju muutujaid, nii et lõin programmi MATLAB, mis aitaks mul iteratiivselt optimaalse disaini jaoks lahendusi leida. Esimene samm oli minu lifti määratlevad omadused, nii et muutujaid polnud nii palju. Algparameetrite valimiseks kasutasin oma suurt hulka inseneri-intuitsiooni. Need parameetrid koos põhjendusega on toodud allpool:

  • Orbitaalrajatis 2000 km kaugusel, kus Jupiteri õhurõhk on sama kui Maa LEO (kus tiirleb ISS). See on piisavalt kõrge kõrgus, et kosmoselaevad saaksid tankida, kuid vähendab ka lifti pikkust, säästes sellega kulusid materjalidele ja ehitusele.
  • Võlli ja ankru ülehelikiiruse koefitsiendid on vastavalt 0,2 ja 0,5, kuna ülehelikiiruse koefitsiendid on tavaliselt suhteliselt madalad.
  • Liftišahti ristlõige on rombikujuline, pikkusega 10 meetrit ja laiusega 3,5 meetrit. See on piisavalt suur, et oleks võimalik vedada suuri kasulikke koormusi üles ja alla, samuti vesiniku massi.
  • Ankru mõõtmed on 35 * 35 meetrit sisselaskeava pikkusega 100 meetrit.
  • Tankimispaagi täitmiseks kogutakse 12 kg / s vesinikku. Sellest piisab, kui täita Saturn V ~ 46 tunniga, mis tundub õiglane.

Järgmine samm oli liftišahti tõmbejõu määramine. Tõmbejõu valem on järgmine:

Lohistamise jõud.

Kus:

  • rho = õhutihedus
  • A = pindala õhuvoolus
  • C_D = lohistamiskoefitsient
  • v = õhuvoolu kiirus

Ankru tõmbejõu määramine on lihtne, kuna kõik need parameetrid püsivad konstantsel kõrgusel nagu lennuk. Kuid liftišaht sarnaneb vähem lennukiga ja pigem nagu kopa ümber trossi keerutamine teie enda ümber tõesti kiiresti. Ämber (orbitaaljaam) on kiireim, köie kiirus (võll) sõltub teie kaugusest ja selle kehale lähemal on aeglasem kiirus. Seetõttu oli liftišahtile tõmbejõu lahendamine nii keeruline. Sõna otseses mõttes muutub iga muutuja. Jupiteri atmosfääri tihedus muutub kõrgemal kõrgusel õrnemaks ja kiirus läheneb kiiremini orbitaaljaamale.

Kosmoslift, mis on lihtsustatud niivõrd, et see on vaid ketrav ämber vett. (* Kahtlustamatut nõrka laskuvat ämbrit pole näidatud *)

Jupiteri õhutiheduse lahendamine oli juba iseenesest probleem, kuna ma ei leidnud Internetist ühtegi sellist mudelit, mis esindaks Jupiteri atmosfääritingimusi. Pidin tegelikult leiutama oma valemid, et modelleerida rõhu ja temperatuuri Vikipeedia andmete põhjal, ja seejärel kasutama õhutiheduse määramiseks ideaalse gaasi seadust. Kui kõik need muutujad olid mul krõmpsuvad, võisin moodustada integraali, mida lahendada kaablile kulunud takistuse korral.

Jupiteri õhutemperatuurid ja rõhud kõrgusega.

Kui mul oli kogu tõmbejõud integraalina üle kõrguse, sain ma kindlaks määrata jõu ja pöördemomendi, mida Jupiteri atmosfäär liftil esile kutsub… Nagu näiteks sama ämbri õõtsumine eest läbi lehepuhuri tee, mis seda tahapoole lükkab. See võimaldaks mul kindlaks määrata mootorite jõu, mis tagaks sellele atmosfääri tõmbejõule vastulöögi. See oli lihtne staatikavõrrand:

Pilt ütleb kõik ära.

Alguses kaalusin tõukejõu saamiseks täiesti eraldi mootori kasutamist, näiteks termotuumasünteesi või hapetatud keemilise raketi jaoks, kasutades osa kogutud vesinikku. Kuid siis mõistsin, et see ankur on juba kujundatud nagu hiiglaslik sisselaskeõhk, mis imendub õhku nagu mälumängur, ja selleks oleks vaja vaid koguda vesinik, mida ta vajab orbitaalrajatise jaoks, ja soojendada siis ülejäänud seda nagu põrgut tõukejõu tekitamiseks suurendage selle kiirust vastupidisest otsast välja. Selle temperatuuri kindlaksmääramiseks peaksin teadma vajalikku heitgaasi kiirust ja määrama, et mul on vaja lahendada massivoolukiirus. Lihtne.

Massvoolu kiiruse võrrand.Tõukejõu võrrand.

„A” on siin meie sisselaskeala. Olgu, nii et seal on see väike probleem, et ma ei laienda oma otsikut ümbritsevale rõhule (võrrandis Pe-Po), mis kahandab natuke minu üldist tõukejõudu, kuid jooksin numbriga kiiresti kokku ja leidsin, et see ei mõjutavad seda palju, kui räägite tõukejõudest suurusjärgus 10⁸ N (jah, see on see, kui palju me vajame). Nii et minu eesmärkidel on tõukejõuks tõepoolest ainult massivoolukiirus, mis on korrutatud heitgaasi kiirusega. See võimaldaks mul lahendada heitgaasi kiiruse ja omakorda põlemiskambri temperatuuri, eeldades standardset ramjeti konfiguratsiooni.

Kambri temperatuurid, mis on vajalikud selle „raketisüsteemi” jaoks, on siin Maal tavapärastest raketimootoritest tunduvalt kõrgemad, nii et sissetuleva õhu soojendamiseks sobivale temperatuurile on vaja teistsugust meetodit kui põletamine. Sel hetkel oli ainult üks lahendus; mikrolained. Kuid mikrolained võtavad jõu. Võimsuse lahendamiseks peate sõna otseses mõttes leidma, kuidas soojendada sissetulevat gaasi kiirusega ~ 40 000 m / s kiirusel umbes 200 K kuni> 8000 K ankru sisepikkuse (võib-olla sada meetrit?) Kaugusel. Jah, me vajame võimsat tuumareaktorit.

Päike, mille temperatuur 8000 K on kuumem kui ...

Nüüd on meil kopp, mis keerleb atmosfääri karjuva hüperhelikiiruse juures Jupiteri ümber ja reageerib kõigile jõududele oma mootorikomplektiga, vedades massi 2000 kilomeetri pikkusest võllist orbitaaljaama, et teenida seda tankimispostina. See tõstatab veel ühe probleemi… Isaac Newton on oma parima (või halvima) käes.

Kui vedate massi pidevalt liftivõllist ülespoole, indutseerite sellest tuleneva jõu lifti konstruktsioonile allapoole. See pole palju (võrreldes kogu lifti massiga), kuid piisaks mõne päeva või nädala jooksul selle orbiidi destabiliseerimisest. Selle saab lihtsalt tasakaalustada, kujundades ankru sarnast tüüpi aerodünaamikaks väikese rünnaku nurga all, et tekitada liftil ülespoole tõstejõud, et see püsiks stabiilsena.

Kõik muu jäeti teaduse hooleks. Seejärel jooksin programmi mitu korda mitme erineva ankrukõrgusega, et leida, milline neist andis kõige ahvatlevamaid tulemusi. siin on mõned näidised:

Ankur 0 km kaugusel (õhurõhk 1 baar), rõhutatud oluliste konstruktsioonipiirangutega.

Esmalt proovisin ankruga atmosfäärirõhul 1 baari ehk 0 km. Esiteks pange tähele, et tõukejõud on suur, midagi suurusjärgus 10¹N N ehk peaaegu miljon Saturn V raketti. Teiseks on massivoolukiirus kohutav ja tõenäoliselt piisaks igasuguse ankurdusstruktuuri tükkideks rebimiseks. Heitkiiruse kiirus on suur osa valguse kiirusest ja põlemiskambri temperatuur on siniste hiiglaslike tähtede pindadest kuumem. Lõpuks on selle kambri mikrolainete ja / või laseritega kuumutamiseks vajalik võimsus midagi 25 000 moodsa tuuma lõhustumisreaktori väljundit. See on lihtsalt rumal. Ilmselt peab ankur olema kõrgemal atmosfääris, kus takistus on madalam.

Pärast mitut iteratsiooni jäin oma lifti parameetritega kõige rohkem rahule, kui ankur asus 237 km kõrgusel:

Ankrus 237 km, rõhutatud olulisi konstruktsioonipiiranguid.

Siin on tõukejõud pisut kõrge, ~ 5 * 10⁸ N (15 Saturni V-d) ja kambri temperatuur ületab õiglase summa võrra 8000 K (kuumem kui päikese pind), kuid paljud muud omadused on üsna õiglased. Massi voolukiirus on alla 2000 kg / s, mis ei ole ankru jaoks uskumatult suur koormus ning heitgaasi kiirus jääb lähituleviku (ish) teoreeritud lõhustumis- ja termotuumarakettide vahemikku. Sissetuleva gaasi õigeks kiiruseks kuumutamiseks vajalik võimsus on võrreldav tänapäevaste keskmise suurusega lõhustumisreaktoritega, mis toidavad Maa linnu, ja atmosfäär on endiselt piisavalt paks, et koguda meie tankimispostile piisavalt kütust.

Järeldus

Kas see on teostatav? Tänapäeva tehnoloogiaga mitte. Selle idee teostamiseks peame tegema mõned hüpped jõuseadme, tuumaenergia, soojusjuhtimise ja materjaliteaduse alal.

Kuid kas see on praktiline? Üsna võimalik. Kui laevadel peaks Jupiterisse jõudmiseks olema piisavalt kütust, selle asemel, et kogu kütust ka pardal tagasi transportida, saaks laevu ehitada suuremaks ja kiiremaks, suurendades omakorda nende kandevõimet ja ulatust.

Pilvelinn Bespin, Tähesõdade sarjast.

Lõpuks, kas see oleks lahe? Kurat küll! Mõelge vaid, kui vinge oleks, kui Jupiteri orbiidil tiirleks kütust koguv megastruktuur! See oleks tohutu teaduse ja tehnika teos. Lisaks näeks lähenevatele laevadele fantastiline, nagu üks neist imelistest hõljuvatest linnadest Tähesõdadest Bespinil (ainult tagurpidi?)

Kas ma kulutasin sellele projektile liiga palju aega? Tõenäoliselt jah. Täname lugemise eest!