Освоение астероидов

[LonelyWanderer]

Рассчитал космический лифт для Цереры. Экваториальный радиус 487 км, 1-я космическая скорость 220  м/с, скорость вращения поверхности на экваторе - 94 м/с. Ускорение свободного падения на планете - 0.028 g, но на экваторе - 0.0168 g. Высота геостационарной орбиты - 864 над центром или 377 км над поверхностью. На этой высоте скорость движения будет около 166 м/с.
Масса стальной струны сечением 1 кв.мм длиной 377 км будет 2903 кг,при гравитации в нижней точке 0.0168 g вес (т.е. растягивающая сила) составит 24.4  кг. Что опять же, гораздо меньше ее предела прочности (400 кг), даже если из недорогих сортов стали (150-200 кг).
Масса космического корабля  в 10 тонн в нижней части лифта будет = 0.0168*10 000 = 168 кг. Вместе с весом струны в 24.4  кг получаем 192.8 кг. Т.е. в принципе даже 1 мм струна может служить космическим лифтом, однако с минимальным запасом прочности. Поэтому берем струну с площадью сечения 3 мм и получаем общую массу струны 8709, кг, ее вес 73,2 кг,  предельную грузоподъемность 1200 кг по весу в условиях Цереры, и 71355 кг реальной максимальной массы корабля.
Т.е., запустив и установив на Церере 8-ми тонную 377-километровую струну площадью сечения 3  мм (около 2 мм диаметром), мы можем на Цереру опустить  или поднять с нее на геостационарную орбиту хоть Шаттл с полными баками! И это тоже можно осуществить единственным запуском с Земли в ближайшее время.

[LonelyWanderer]

Так что вот.. В ближайшее время можно послать и закрепить на Церере тонкую 2-миллимитровую стальную струну длиной 377 км со стыковочным узлом  в противовесе в качестве  первого эксперементального космического лифта.
Затем, со временем, собрать там противовес из горных пород массой в десятки тысяч тонн для амортизации энергии прибывающих кораблей со скоростью до 1 км/с, а на нем соорудить тросовую центрифугу общей массой около 1-2 тысяч тонн для приема кораблей с этой скоростью (и, возможно, отправки, хотя тут вопрос что удобнее - праща или электромагнитная катапульта).
Если скорость прибытия корабля никак не получается сделать меньшей, чем  1 км/с, то ее можно заранее снизить до этого значения и ионным двигателем, эрд и т.д., что все равно гораздо лучше химических ракет.

[kirv]

• 1-я космическая скорость 220  м/с
• Масса космического корабля  в 10 тонн в нижней части лифта будет = 0.0168*10 000 = 168 кг

Вопрос - а нужен ли тогда орбитальный лифт? Хватит обычных реактивных двигателей.
Например, в декабре 1978 г., бортовой РДТТ тягой 18 кН обеспечил перевод американского КА "Пионер-Венера-1" (начальной массой 550 кг) с пролетной траектории на орбиту Венеры, изменив при этом скорость КА; на 1060 м/с - одного будет мало, все-таки у Вас масса в 20 больше, но и скорость нужна в 220 метров в с.

Или вопрос опробования технологий?

[Андрей Курилов]

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.

Вот-вот и я о том же. Запуск грузов должен отнимать энергию вращения (вашего груза, или, по моему мнению, лучше всего астероида), а приём - добавлять. С интересом читаю ваши посты.

[Андрей Курилов]

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

Кстати, почему? Неочевидно.

[Aluminium]

Кстати, почему? Неочевидно.

При той же угловой скорости каждый элемент троса создаёт силу, пропорциональную радиусу. При интегрировании по всей длине троса получим, что суммарное усилие окажется пропорциональным квадрату длины. То есть при увеличении длины в 2 раза и линейной скорости в 2 раза нагрузка увеличится в 4 раза. Поскольку центростремительное ускорение пропорционально квадрату скорости, при уменьшении скорости в 2 раза нагрузка уменьшится в 4 раза и вернётся к прежнему значению. При этом скорость останется прежней. Учитывая, что нагрузка, как вытекает из этих рассуждений, зависит только от скорости, при любой длине троса предельная скорость одна и та же. Для стального троса действительно получается около 1 км/с. Расчёт не учитывает гравитацию.

[Андрей Курилов]

Прикинул такую мельницу для астероида (24) Фемида. Пущай астероид имеет массу 1.13*10¹⁹ кг и приблизительный радиус 100 км. Тогда его можно раскрутить вплоть до периода в 1.42 ч когда линейная скорость вращения на экваторе не достигнет 2-й космической. Чтобы трос, один из концов которого закреплён на астероиде имел линейную скорость на другом своём конце 10 км/с, он должен иметь длину 8145 км (включая радиус астероида). Интересно, что при этом центростремительное ускорение на конце троса будет всего 12 м/c², т.е. практически равно земному ускорению силы тяжести.

Для Цереры предельный период вращения получается 1.62 ч, длина собственно троса (для той же скорости конца в 10 км/с) чуть больше - 9100 км, а ускорение на конце - 10.44 м/с². Т.е. здесь большой разницы нет.

Примерно тоже самое я получил для сферического в вакуумекентавра астероида радиусом 10 км и массой 10¹⁶ кг (плотность 2.5 т/м³). Т.е. длина троса, ускорение на его конце и предельный период вращения астероида получились примерно одинаковыми для всех астероидов вне зависимости от размера.

[Андрей Курилов]

Для стального троса действительно получается около 1 км/с.

Нужно всего на порядок больше  Не слишком я раскатал губы?

[Aluminium]

Нужно всего на порядок больше  Не слишком я раскатал губы?

Ну, 2 км/с теоретически обеспечить можно. А дальше - только материалами будущего.

[Андрей Курилов]

Ну, 2 км/с теоретически обеспечить можно. А дальше - только материалами будущего.

Кевлар, вроде бы "в 5 раз прочнее стали на растяжение". Также известно, что при низких температурах, до -200Ц, становится даже прочнее. Тут также важно то, что кевлар намного легче.

[Aluminium]

Кевлар, вроде бы "в 5 раз прочнее стали на растяжение". Также известно, что при низких температурах, до -200Ц, становится даже прочнее. Тут также важно то, что кевлар намного легче.

Нагрузка пропорциональна квадрату скорости. Так что даже в 5 раз прочнее и в 5 раз легче увеличит предел лишь до 5 км/с. На деле же сталь сильно различается по характеристикам и преимущество кевлара не столь велико. Я встречал упоминания о максимальной линейной скорости вращения в 2 км/с, но не более.

[AlexAV]

Кевлар, вроде бы "в 5 раз прочнее стали на растяжение".

2км/с это и есть как раз для кевлара и высокопрочных видов углеволокна.

[vika vorobyeva]

Уважаемые участники дискуссии, как мне кажется, неявно исходят из предположения, что астероиды - монолитные каменные/железные глыбы, за которые можно зацепиться. А если они - лишь рыхлые груды щебня, еле склееные собственной гравитацией? Как тогда цепляться будем?

[LonelyWanderer]

В википедии в статье про космические лифты я видел некое кварцевое волокно с прочностью на разрыв до 20 ГПа (прочнейших видов стали и у кевлара по 5 ГПа). При плотности стали 7700 и кевлара 1500 плотность кварца 2600. Если брать для стали 1 км/с, то для кварцевого волокна получается 3.44 км/с. Ну берем предел 3 км/с, оставляя запас прочности. Это уже хорошее подспорье для организации безракетных полетов.
Правда больше, кроме как в этой статье, я не встречал упоминаний о кварцевом волокне, т.е. насколько оно технологично, насколько применимо для тросов и т.д.
Конечно, нанотрубки откроют широчайшие возможности, т.к. в отличии от Земли, длина необходимых на астероидах тросов в сотни раз меньше, и толщина гораздо меньше, т.е. в случае начала производства таких тросов нужно будет довольно небольшое количество этого материала, и можно будет и ловить, и запускать грузы подобно праще уже со скоростями порядка 7-8 км/с (я не знаю плотность нанотрубок, но взял за равную кевлару, думаю этот материал не очень тяжел, особенно для однослойных нанотрубок). Например уже созданные образцы нанотрубок с реальным разрывом при 30-50 ГПа (но теоретическим гораздо больше - 100-120) могли бы разогнать груз (я беру цифру 30 и плотность как у кевлара) примерно до 4-5 км/сек.
Что касательно простейших дешевых лифтов из стальной струны и стоит ли того, когда на Церере1-я космическая порядка 220 м/с... Стоит. Вес необходимой струны у меня получился 8.7 тонн. Сделана из недефицитного в астероидном поясе металла. Когда полеты туда-обратно станут систематическими, то даже преодоление этих 220 м/с перекроют по массе реактивного топлива вес этого космического лифта. При том, что реактивное топливо в астероидном поясе куда более дефицитное, чем металлы. Я уже не говорю про возможное сооружение центрифуги/пращи, позволящей сэкономить очень большое количество реактивного топлива.
И кстати, если удастся создать тросы из нанотрубок, то и старт с такой пращи будет удобнее, т.к. для разгона пилотируемого корабля, например, в электромагнитной катапульте до 4  км/с, потребуется оная длиной в десятки километров - куда более сложная и дорогая конструкция, чем  электродвигатель с длинным тросом.

[LonelyWanderer]

Уважаемые участники дискуссии как мне кажется, неявно исходят из предположения, что астероиды - монолитные каменные/железные глыбы, за которые можно зацепиться. А если они - лишь рыхлые груды щебня, еле склееные собственной гравитацией? Как тогда цепляться будем?

Запросто. Бурим поглубже, бур с многочисленными крюками. Или второй вариант - прикрепляем лифт  внизу к сети, а сеть наполняем  породами, вес пород нужно сделать большим, чем сила, с которой тянется лифт, это небольшая проблема. Тем более, что в хорошо сбалансированном лифте нагрузка будет невелика.

[незлой]

"космические авоськи" 

[Проходящий Кот]

Для запуска лучше всего  ОТС. Для посадки ---- тормозить солнечным парусом. А вообще --- каждый астероид автономен по определению. Пассажиропоток возможен, но грузопоток ---- нереален.

[LonelyWanderer]

По поводу энергообеспечения колоний в поясе астероидов. Скептикам скажу, что пока не реализована термоядерная энергия, там, не смотря на возражения многих, вполне реально это делать с помощью обычной солнечной энергетики, даже при таком расстоянии от Солнца.
Делается это с помощью слежки за Солнцем комбинации зеркал и солнечных батарей. Взглянул примерные земные цены на батареи и на зеркала. 1 кв.м солнечной панели стоит около 10 000 рос.рублей, а 1 кв.м. 3-х миллимитрового зеркала - около 500 рублей. Т.е. в 20 раз дешевле. В то время как Церера получает солнечной энергии на 1 кв.м. примерно в 7 раз меньше. Отсюда вывод - добыча энергии с помощью комбинации из 7 метров зеркал (пусть, 10 метров из-за неполного отражения зеркаами) и 1 метра солнечных батарей выйдет  лишь в полтора раза дороже, чем на Земле (причем на экваторе, где еще атмосфера затеняет).
Слежка за солнцем также не является проблемой. Благодаря низкой гравитации можно собирать довольно большие конструкции в сотни метров величиной и их целиком поворачивать, а не каждую небольшую батарею в отдельности, как на земле, из-за чего обычно пренебрегают этой возможностью.
Причем, батареи можно не только на поверхности ставить, но и на геостационарной орбите, где вообще отстутствует гравитация и можно собирать очень большие контрукции с минимумом затрат на слежку за Солнцем и массу конструкций. С передачей энергии по кабелю (космическому лифту), который, как я говорил, будет весить совсем немного.
 В совокупности поверхностной добычи  энергии, и целой сетью орбиальных электростанций (которые, будучи на геостационарной орбите можно не только с поверхностью соединить, но и между собой кольцевым электрокабелем) можно добыть очень немалое количество солнечной энергии даже на одном астероиде.

[LonelyWanderer]

Решил поднять тему, т.к. скоро будут интересные новости от зонда Down - уже совсем скоро узнаем, что же из себя представляет самый интересных из всех для колонизации астероидов - Церера. Расстояние до нее уже меньше 1 млн.км, скорость сближения 270 м/с. Первые несодержательные снимки размером всего в 9 пикселей были обнародованы в начале декабря, но ситуация будет быстро меняться, т.к. в начале марта зонд уже вплотную приблизится к этой ледяной, как хочется надеятся, планетке и будут получены, и, надеюсь, сразу обнародованы первые подробные фотографии. После чего зонд будет несколько недель маневрировать вокруг Цереры для выхода на расчетную орбиту.

Попутно хотел спросить, может тут есть разбирающиеся в кеплеровских элементах орбит? Вот в моем понимании для колонизации этого астероида ему нужна металлическая пара - астероид М-класса.  И подбирать нужно астероиды не максимально близкие по наклонению к Земле, а близкие по наклонению к Церере. Ее наклонение составляет 10 градусов. Но даже если мы найдем металлический астероид с таким же наклонением, оно может оказаться в противоположную сторону и результирующая разность составит аж 20 градусов, что делает его малопригодным. Для этого существуют понятия аргумент перигелия и долгота восходящего узла.
К пнимеру, у Цереры долгота эта 80 градусов, у Психеи (наиболее крупного и интересного  металлического астероида диаметром в 250 километров) долгота 150 градусов. Итого разница 70 градусов - существенное отличие в направлениях наклона орбиты из-за чего взаимные пересылки воды и металлов довольно энергозатратны.
Но я нашел другой астероид М-класса с практически точным совпадением  восходящего узла - Лютеция (хотя может есть и более подходящие, нужно поискать).

ru.m.wikipedia.org/wiki/(21)_%D0%9B%D1%8E%D1%82%D0%B5%D1%86%D0%B8%D1%8F

100-километровый астероид с 3-градусным наклонением (кстати заметил, что большинство металлических астероидов имеют очень небольшое наклонение, что намекает на то, что они являются осколками ядра большой и тяжелой протопланеты, ободранной поздней бомбардировкой), и почти одиноковым восходящим узлом с Церерой, что при ее 10-градусном наклоненнии дает результирующую разность в 7 градусов. 100-километрового астероида, даже если там металлических руд процентов 10 -более чем достаточно для масштабной колоннии или даже для небольшой цивилизации.
Но возникает вопрос, может кто разбирается, сколько смотрел на элементы орбит - так и не понял. Почему при одинаковом восходящем узле аргумент перигелия сильно отличается от Цереры? Я пришел пока к выводу, но хочу подверждения от знающих, что это означает, что у Цереры и Лютеции перигелии находятся по разную сторону от эклиптики. Думаю это так.
Если это так, то это даже очень упрощает транспортную связь между астероидами. Из-за того, что орбита Лютеции чуть ниже Цереры (но афелий Лютеции дальше перигелия Цереры, т.е. пересекались бы при одинаковом наклонении), выходит, что там, где у Цереры перигелий у Лютеции ближе афелий, и исходя из цифр наклонения, аргемента перигелия, долготы восходящего узла, афелия и перигелия обоих тел, прикидочно можно оценить, что астероиды периодически сближаются очень близко. И достаточно часто, т.к. период обращения Лютеции - 3.8 года, а Цереры - 4.6  года. Значит раз лет в 15 можно обмениваться людьми с противостояния. Хотя руды можно и по дальним маршнутам запускать все-время.

[LonelyWanderer]

Чуть позже составлю список наиболее подходящих крупных астероидов по орбитам относительно Цереры для наиболее дешевого и неэнергоемкого обмена материалами. Металлических и прочих астероидов много, а ледяной всего один - относительно Цереры и должно все строится, ждем первых подробных фотографий с зонда Down
Кстати, может есть программки-симуляторы положения крупных астероидов в любое выбранное время?