Освоение астероидов

[Андрей Курилов]

ектора скорости тел имеют угол  сильно отличающийся от нуля

Ах да, надо же учитывать не только разницу модуля орбитальной скорости...
 

Т.е. оттолкнулись от астероида А и вполне успешно за 1-2 года доплыли до точки встречи. Но тут оказывается, что астероид Б несётся к нам на скорости в сотни или даже тысячи м/с...
 
 

[Андрей Курилов]

При разнице эксцентриситетов в 0.2 скорость встречи уже получается 13.5 км/с по формулам AlexAV из сообщения №186.

Вот ведь тоска зелёная. Похоже это уже натуральный облом. После 8 страниц спора...

PS
Ну конечно же. Иначе бы астероиды не были бы изрыты кратерами и не было бы осколочных семейств, т.е. остатков разбитых вдребезги протопланет...

[Константин ВАРБ]

При разнице эксцентриситетов в 0.2 скорость встречи уже получается 13.5 км/с по формулам AlexAV из сообщения №186.

Осваивать придётся с Марса и Луны с опорой на кентавры и т. д.

[Константин ВАРБ]

Колонизация астероидов это очень интересно, но есть ли какие-то предложения как в условиях малой гравитации и вакуума можно было бы наладить добычу и обогащение вещества имеющимися у нас технологиями. На Марсе и даже Луне теоретически можно загрузить машины балластом для повышения их остойчивости.
А что можно сделать на малых силикатных телах?

[Андрей Курилов]

Осваивать придётся с Марса и Луны с опорой на кентавры и т. д.

Забудьте. На Луне и Марсе нечего делать, как оказалось, в астероидном поясе - тоже. Без дешёвой транспортной сети эти горы грязи никому не нужны. Остаётся возможность создания небольших, полностью автономных колоний на сотне-другой крупнейших объектах. Полная человеческая популяция в поясе астероидов не будет превышать 1 млн., а их существование без транспортной сети будет весьма унылым. Т.е. в космосе, получается, человеку вообще делать особо нечего и удобного места там для него нет.
Кентавры и прочие ледянистые планетоиды - когда научатся жечь дейтерий используя актиноиды достаточно экономно.

[LonelyWanderer]

Но-но! Что за пессимизм тут развели! Я в ваших формулах не разбирался, но откуда у вас там получилось разницы 13 км/с, если астероиды в главном  поясе двигаются  17-18  км/с. В первую очередь нужно рассматривать близкие астероиды с минимальными эксцентриситетами и наклонениями.
Сколько нужно приращения скорости, чтобы попасть из Цереры на Психею? Два очень крупных интересных астероида, один с большими запасами воды, другой с большими запасами металлов.
Кроме того, я предлагал выше систему поимки грузов, основанной на идее космического лифта, который в условиях астероидов реален даже без дорогих нанотрубок и не столь огромен, как для Земли. На противовесе лифта размещается центрифуга, которая будет ловить груз. Думаю (хотя это нужно производить расчеты), не оставит особых проблем разогнать центрифугу до км/с даже без использования дорогостощих материалов.
Если будет не лень, как нибудь рассчитаю нагрузку собственного веса на стальной тросс, длиной, например, 10 км с движением конца со скоростью 1 км/с. Но и без расчетов мне кажется он это выдержит, будучи сделан даже из обычной стали.

[Андрей Курилов]

Я в ваших формулах не разбирался, но откуда у вас там получилось разницы 13 км/с, если астероиды в главном  поясе двигаются  17-18  км/с. В первую очередь нужно рассматривать близкие астероиды с минимальными эксцентриситетами и наклонениями.

Видите ли, чисто статистически, пролетающий астероид Б рядом с астероидом А скорее всего будет иметь достаточно сильно отличные орбитальные параметры, что приводит к значительной разнице векторов скорости. В то же время, пара астероидов с наиболее близкими первыми пятью орбитальными параметрами скорее всего будет иметь большую разницу в 6-м параметре (истинная аномалия), что приводит к совершенно разному положению на практически одной и той же орбите. И в том, и в другом случае получается весьма кисло всё.

Сколько нужно приращения скорости, чтобы попасть из Цереры на Психею?

Ну, несколько км/с. Никакие металлы и никакая вода столько не стоят.

Если будет не лень, как нибудь рассчитаю нагрузку собственного веса на стальной тросс, длиной, например, 10 км с движением конца со скоростью 1 км/с. Но и без расчетов мне кажется он это выдержит, будучи сделан даже из обычной стали.

Надо хотя бы 10 км/с.

[Aluminium]

Думаю (хотя это нужно производить расчеты), не оставит особых проблем разогнать центрифугу до км/с даже без использования дорогостощих материалов.
Если будет не лень, как нибудь рассчитаю нагрузку собственного веса на стальной тросс, длиной, например, 10 км с движением конца со скоростью 1 км/с. Но и без расчетов мне кажется он это выдержит, будучи сделан даже из обычной стали.

Максимальная скорость маховиков составляет около 2 км/с. Это предел для существующих материалов.

Условия в поясе астероидов часто будут позволять перелёты с небольшими импульсами, но между конкретными астероидами А и Б - либо редко, либо быстро, либо долго. Но это для обычных астероидов. В "троянцах" и "греках" относительные скорости и расстояния не столь велики.

[Андрей Курилов]

Вообще интересно получается. Груз достаточно дёшево можно запустить к ближайшему астероиду, но достаточно сложно поймать. При этом груз кроме собственной ценности несёт ещё и от 10 до 100 МДж/кг кинетической энергии... Вот бы это утилизировать и заодно решить проблему высокой скорости встречи с целью.

[LonelyWanderer]

У астероидов также бывают Великие противостояния,  пусть и раз в несколько десятилетий, когда они пролетают относительно недалеко друг от друга, в несколько миллионов километров. Если стартовать груз по наиболее экономичной орбите, т.е. через половину пути по орбите, как часто делается для полетов на Марс, я думаю все не так плохо, и мы вернемся к необходимому импульсу всего лишь в сотни м/с. 
Но тут нюансы. В такой торговле должны создаваться значительные запасы материалов, по сути в десятки раз большие, чем создаются в портах Сев.морского пути. Пропускная способность стартовой установки и приемника должна быть высокой. И астероиды должны быть освоены в высокй  степени, с развитой собственной промышленностью - чтобы им хватало лишь переправки материалов, но не оборудования. А это только большие астероиды от 100 км. С другой стороны, достаточно больших астероидов немало, наиболее экономичные стартовые окна эпизодически должны возникать то  к одному астероиду, то к другому, то к третьему (и наоборот), с периодом уже не в десятки лет, а в годы. Т.е. при достаточно большом числе астероидов торговля может быть достаточно равномерной.

[LonelyWanderer]

а вообще, было бы просто идеально вывести крупный металлический астероид на геостационарную орбиту вокруг  Цереры и связать их космическим лифтом.
Или даже собрать целую спутниковую систему из пары десятков астероидов. Это было  бы просто фантастически удобно
Скажем, взрывами или столкновениями корректируем наклонение, эксцентриситет, и потом постепенно подводим к центральному астероиду. Или строим на астероиде электромагнитную катапульту, которая будет выстреливать камни, создавая тягу. Или белое лакокрасочное покрытие, или все вместе взятое  
Тогда бы открылись очень широкие возможности по колонизации астероидов.

[LonelyWanderer]

Если будет не лень, как нибудь рассчитаю нагрузку собственного веса на стальной тросс, длиной, например, 10 км с движением конца со скоростью 1 км/с. Но и без расчетов мне кажется он это выдержит, будучи сделан даже из обычной стали.

По формуле центростремительного ускорения а = v²/R получаем для скорости центрифуги 1 км/с и приемлимого значения ускорения для пилотируемых экипажей 50 м²/с  (5 g) длину троса 20 км.
50 м²/с = 1000²/20000
Вполне приемлимые значения как по длине троса, так и по центростремительному ускорению для безракетного приёма пилотируемых кораблей. А в пределах 1 км/с входит, думаю, уже немалое количество астероидов.
Что касается возможности уменьшения нагрузки на разрыв троса за счёт увеличения его длины, и достижения ещё более высокой скорости центрифуги,  тут уже не получится, так как увеличение радиуса происходит линейно, и уменьшение ускорения исходя из формулы увеличивается линейно, но и вес троса увеличивается линейно, т.е. с увеличением радиуса и уменьшением центростремительного ускорения не получится уменьшить нагрузку на разрыв троса.
Теперь о предельной прочности троса на разрыв. Высокоуглеродистая качественная сталь может выдерживать порядка 420 кгс. У меня получилось, что высокоуглеродистая проволока длиной 20 км и сечением 1 мм будет иметь массу 156 кг, а вес в центрифуге с 5g - 390 кг, что близко к пределу прочности. Таким образом, с помощью стальной проволоки можно получить центрифугу максимум 1 км/с. Но с необходимым запасом прочности это будет порядка 800 м/с (так как ускорение от скорости изменяется квадратично, то уменьшая на 200 м/с мы получаем достаточный запас прочности (1.56 раз).
Таким образом, используя стальные тросы мы можем создать улавливающие центрифуги со скоростью до 800 м/с. Если применять кевлар (примерно с такой же прочностью на разрыв, как у высокоуглеродистой стали, но в 5 раз меньшей плотностью - 1500 кг/м3), то, отталкиваясь от параметров стали,  получаем 1788 м/с. Это уже весьма солидная цифра, позволяющая принимать грузы от большого количества астероидов.
Если применять изменяющуюся толщину троса (ближе к центру центрифуги толще, дальше - тоньше), то вполне реально для стального троса подогнать максимальную скорость 1 км/с, а для кевларового - 2 км/с. Правда, насчет кевлара, неизвестно насколько он долговечен в условиях космоса.
Конструкция такого улавливающего устройства вообще будет простой и относительно нетяжёлой. Трос сантиметра 3 толщиной сможет улавливать тонн 10 груза.  Весить 20-километровый трос будет порядка 150 тонн. Таких тросов на центрифуге с ловушками лучше сделать несколько,  чтобы легче и безопаснее было поймать груз. Маломощный электродвигатель для постепенной раскрутки тросов, тормозное устройство. И катушки, для наматывания троса с пойманным грузом и подтягивания к центральной части, где груз будет перемещаться на космический лифт и уже дальше опускаться на астрероид.

[LonelyWanderer]

вообще всю улавливающую систему можно сделать предельно простой. Для постепенной раскрутки пустой центрифуги много энергии не надо, достаточно будет солнечных батарей здесь же, на месте, на противовесе космического лифта. Для спуска груза на астероид по тросу лифта достаточно использовать его силу тяжести, которая с одной стороны достаточна, чтобы придать скорость спуска до метров в секунду (весь спуск может занять несколько дней), с другой - малая сила тяжести позволит сделать лифт, движущийся по тросу конструкционно очень простым. Например на Весте 10-тонный корабль, спускающийся по троссу, будет весить в самом низу только около 200-250 кг, что совсем пустяк для лифтового устройства. Т.е. для астероидного космического лифта отсутствуют все те проблемы, что есть для земного - и пределы прочности в рамках разумного, нет необходимости передачи большого количества энергии наверх лифта, скорость спуска будет уже исчислятся днями, а не месяцами, и вся конструкция (космический лифт + центрифуга) будет весить лишь от тысяч до десятков тысяч тонн в зависимости от размера астероида, что вполне в рамках разумного, и даже нельзя назвать „астроинженерией” - конструкции земных космодромов весят куда больше. Как нибудь приблизительно посчитаю вес космического лифтв для Весты.

[LonelyWanderer]

после приблизительного расчета на пальцах, геостационарная орбита на Весте благодаря ее быстрому вращению (5 часов) получилась  приблизительно на высоте 500-600 км от центра. Т.е. возьмем величину километров 300 от поверхности. Стальной трос лифта толщиной 5 см будет весить всего лишь порядка 5 тысяч тонн. Еще 1-2 тысячи тонн для сооружения центрифуги на конце. Масса всей конструкци в несколько тысяч тонн  - пустяки для выполнения поставленной задачи, особенно для столь значительного астероида, как Веста.

[LonelyWanderer]

Берем Психею - крупный металлический астероид, 250 км диаметром, в 2 раза меньший, чем Веста, и более быстро вращающийся - 4.2 часа период. 1-я космическая скорость  на ней около 100 м/с, скорость вращения экватора астероида - 52 м/с. Высота геостационарной орбиты для Психеи будет где-то на высоте около 195 км от центра или 70 км от поверхности. Стальной трос  толщиной 5 см будет весить всего 1058 тонн. Такой космический лифт можно даже не изготавливать на месте, а прямо с Земли и послать, после чего закрепить на астероиде и начать его осваивать. На конце космического лифта сделать стыковочный узел, а в будущем предложенную мною тросовую центрифугу для экономии ракетного топлива.
70-километровый трос будет иметь большую пропускную способность, время подъема и спуска лифта будет максимум по несколько часов. Такого одного лифта будет вполне достаточно, чтобы обеспечить значительный грузопоток даже для довольно большой колонии. Никаких ракет!

[Андрей Курилов]

Может быть не нужно центрифугу располагать на конце? Пусть от экватора астероида висят тросы, а сам астероид раскручен до предела. На концах тросов требуется линейная скорость в несколько км/с. Транспорт цепляется, опускается к астероиду по тросу, конвертируя свою кинетическую энергию в энергию вращения астероида. Энергия вращения астероида утилизируется путём запуска транспортов с тех же тросов.

Считать у меня, правда, сегодня времени точно не будет. Но решение выглядит весьма элегантно.

[LonelyWanderer]

Может быть не нужно центрифугу располагать на конце? Пусть от экватора астероида висят тросы, а сам астероид раскручен до предела. На концах тросов требуется линейная скорость в несколько км/с. Транспорт цепляется, опускается к астероиду по тросу, конвертируя свою кинетическую энергию в энергию вращения астероида. Энергия вращения астероида утилизируется путём запуска транспортов с тех же тросов.

Считать у меня, правда, сегодня времени точно не будет. Но решение выглядит весьма элегантно.

Не совсем элегантно Я предложил вариант весом лишь несколько тысяч тонн, который допустим даже нашими сегодняшними технологиями, а раскрутить крупный астероид - огого сколько энергии надо! Более элегантно тогда выглядит создание спутниковой системы из астероидов, где 2 астероида вообще соединены космическим лифтом напрямую, распологая один из них на геостационарной орбите (как Плутон и Харон, которые можно в принципе соеденить лифтом)
Ну и больше 1 км/с разогнать стальной трос не получится при любой длине - порвётся.  А скопенсированная гравитацией скорость не очень велика, для Психеи, как я говорил, 1-я космическая скорость около 100 м/с, и такой трос может передвигаться лишь со скоростью 1.1 км/с. Так что, овчинка выделки не стоит.
А центрифуга конструкционно очень проста - электромотор с достаточно мощным валом, тормозное устройство, трос 20 км длиной, ближний конец соединён с катушкой для намотки и подтягивания груза к центре (сама катушка для 20-километрового 3-4-х сантиметрового тросса будет невелика), поворотное устройство для изменения оси вращения центрифуги. И какие-то сети, крюки или карабины на конце троса для улавливания груза (там тоже должны быть устройства для зацепа). В общем, и всё, простейшая механика.

[Андрей Курилов]

а раскрутить крупный астероид - огого сколько энергии надо!

Да раскрутить то как раз не проблема, проблема в рекуперации огромной кинетической энергии прибывающего транспорта. Массивный маховик для этого будет самое то.

Ну и больше 1 км/с разогнать стальной трос не получится при любой длине - порвётся.

Это печально.

[LonelyWanderer]

Вообще, 5 см трос для лифта я взял из расчета, что он должен быть толще 3  см троса центрифуги, т.к. он должен будет не только свой вес удерживать, но и взять нагрузку с центрифуги после поимки груза.
Если строить первый эксперементальный космический лифт без центрифуги, а лишь со стыковочным узлом в качестве противовеса, то параметры такого космического лифта будут более, чем скромны. Конкретно на Психее при гравитации в 150 раз меньшей, чем на Земле, нагрузка на 70- километровую струну сечением всего 1мм и общей массой 540 кг будет всего 1.8  кг. При том, что такая высокоуглеродистая  струна может выдержать до 400 кг. Ее в расчет не берем. Берем в расчет груз, который сможет удержать эта струна. При гравиации в 150 раз меньшей, чем земная и даже в 300 раз на экваторе (за счет вращения астероида), такая струна выдержит 300*400 = 120 тонн !
Т.е. мы можем хоть завтра запустить такой космический лифт с помощью одной лишь ракеты и установить работоспособный космический лифт на Психею. Космический корабль, массой, скажем, 12 тонн, там будет весить всего 40 кг, и никаких проблем по передвижению  по тонкой миллимитровой струне не возникнет. Но это прекрасная возможность по отработке технологии космических лифтов.
 Такую струну можно продолжить  на пару десятков километров за геостациорную орбиту и сделать старт и отрыв с его ямы полностью безракетным ценой всего одной тонны стальной струны! Мне кажется это очень перспективным направлением. Главное, что такие лифты можно создать хоть завтра.
Чуть позже расчитаю лифт для Цереры, астероид крупный, и там могут  возникнуть проблемы по пределам прочности, но самый интересный благодаря большому количеству воды.

[LonelyWanderer]

Да раскрутить то как раз не проблема, проблема в рекуперации огромной кинетической энергии прибывающего транспорта. Массивный маховик для этого будет самое то.

   
Не проблема это для космического лифта. Противовес в виде обычного куска камня в 1000 тонн, прекрасно тормознет 10-тонный корабль, который вокруг него закрутится на центрифуге. Потом тормозным устройством мы постепенно его остановим. Сам противовес несколько сместившись сначала, потом  быстро займет исходное положение.