Обсуждение способов безракетного запуска с Земли

[noxx77]

Что будет с точкой крепления троса к телу в этом случае? Что будет с самим телом?

Ничего. Это надо сделать до контакта. Тормозим/раскручиваем трос, потом забираем ПН. Меня беспокоит другое - нагрузка будет рывковой, потому что трос неизбежно "сыграет", причем, нагрузка распределится неравномерно - иннерция троса на длине.

[CTPAHHNK]

...Тормозим/раскручиваем трос,..

Что тормозим, как и куда раскручиваем, можно подробно для тупых?

[LonelyWanderer]

Обещанный универсальный калькулятор для космического лифта Составлен по формулам центростремительных ускорений, силы тяжести и т.д.
Прикреплён ниже, формат .ods (LibreOffice, в принципе то же самое, что Exel)

Верхняя часть - таблица вычисленных параметров. Космический лифт разбил на 2000 частей, и каждый участок рассчитывал по их центральным частям, в итоге погрешность расчётов должна быть очень небольшой, не больше процента.

Вводимые данные в самом низу - масса, размеры планеты, сидерический период вращения. А также, желаемая толщина нижнего конца троса (самая тонкая часть), его плотность, и максимально допустимое напряжение на трос.
Калькулятор сначала, двигаясь вверх по космическому лифту, считает увеличение нагрузки на трос, затем, когда достигается максимально допустимая нагрузка на него, калькулятор начинает увеличивать толщину, сохраняя предельную величину нагрузки в дальнейшем.

Также, там введены некоторые материалы и планеты для пробы, но можно вставлять абсолютно любые (кроме специфических вроде Луны, где нужно усложнять таблицу наличием приливного притяжения другого тела).

ЗЫ: расчёты показали, что стальной трос на Земле неосуществим. Точнее осуществим, но его толщина превысит размеры Земли и он под собственной тяжестью станет сам шариком
Однако! Вставляя цифры, например, по кварцевому волокну, плотность которого в 3 раза меньше стали, а прочность на разрыв превышает в 4 и более раз (20 ГПа и более), ситуация кардинально меняется. При начальной толщине 10 см³ конечная толщина лифта выходит всего 0.23 м³ (эти даннные введены в таблице). Справедливости ради - это предел прочности, и даже немного уменьшив допустимый предел напряжения, толщина троса резко растёт до метров.

Внимание! Так как получившаяся таблица не влезла в допустимый размер загружаемых данных, я нижнюю часть таблицы удалил, уменьшив файл. Чтобы получить работоспособную таблицу, нужно выделить нижний ряд строк и нарастить таблицу до 2004 строки, что делается за 10-15 секунд.

[noxx77]

...Тормозим/раскручиваем трос,..

Что тормозим, как и куда раскручиваем, можно подробно для тупых?

Астероид двигается с далеко не нулевой относительно поверхности и атмосферы Земли. Если выстрелить трос к поверхности, то, чтобы уравнять с ней скорость его захватного конца, последний придётся тормозить. Лучше в атмосфере. В результате вся система, если я правильно понимаю, придёт во вращение. В искомом идеале конец будет двигаться по эпициклоиде.

[LonelyWanderer]

Марс! Стальной космический лифт по-прежнему неосуществим (хотя в теории, он уже начнёт держаться при толщине верхнего участка больше 1.5-2 километров).
Однако другие, более прочные и лёгкие материалы (и не такие экзотические, как нанотрубки) становятся доступными для этой планеты. Например, толщина троса из кварцевого волокна с предельной нагрузкой на разрыв (20 ГПа), но выставляя предельную нагрузку  5 ГПа, увеличивается с 10 см² до 630 см², что уже приемлемые цифры.
Таким образом, космический лифт на Марсе точно осуществим (забудем пока о Фобосе)

На Церере применим даже стальной космический лифт, при этом если даже не изменять толщину троса, то максимальная нагрузка будет 5  тонн на см² (0.5 ГПа). Если ограничить нагрузку на стальной трос до 1 тонны на см², то потребуется увеличение толщины троса с 10 см² до 319 см²

[LonelyWanderer]

Теперь слегка переработал таблицу персонально для Луны (ниже прикрепил), для чего отнял растущее приливное притяжение Земли от разности ускорения свободного падения на Луне и центростремительного ускорения. Возможно, этот подход не совсем верен, но у меня получилась ГСО Луны 93 тыс.км, а реально притяжение Земли пересиливает на высоте 35.5 тыс.км.
Тогда получается, что не смотря на то, что Луна крайне медленно вращается, условия для космического лифта там намного даже лучше, чем на Марсе.
Если на Марсе стальной космический мост должен достигать нескольких километров в толщину (при доступности более прочных и лёгких материалов),  то на Луне стальная  струна при начальной толщине 10 см² будет иметь конечную толщину уже несколько метров.
Если же взять для Луны за основу кварцевое волокно, то при выставлении предельной нагрузки 20 т/см² (2 ГПа, хотя это волокно может превышать 20 ГПа по прочности), то толщина троса растёт с 10 см² всего до 113 см².
Таким образом, космический лифт на Луне вполне реализуем.

[LonelyWanderer]

Есть ещё одна схемка частичной реализации космического лифта. Не в виде троса, обращающегося на некоторой высоте (от нескольких тысяч километров до верхнего края атмосферы с пониженной скоростью), а в виде не до конца опущенного троса с геостационарной орбиты.
Перед предыдущим вариантам есть очень значительное преимущество - не нужно ловить движущийся конец троса, что явно удорожает систему, т.к. требуется большая точность по прицеливанию и нужно предусматривать промах и систему возврата на поверхность.
В случае, если трос будет стационарно висеть над поверхностью Земли, то космодром может находится прямо под ним и быть изначально нацеленным на этот неподвижный трос. Космический корабль будет взлетать вертикально вверх и двигаться вдоль троса, и в принципе может цеплятся в любой его точке, ну или в нескольких предусмотренных для этого местах. В отличии от предыдущего варианта, где нужна была точность в трёх измерениях, даже в четырёх - трёх пространственных и одному временному (оно же двигается), здесь нужна точность только в двух пространственных измерениях (как я говорил, по высоте в принципе можно обеспечить цепляемость в любой точке троса, а не только на его конце).

В чем собственно экономия по сравнению с обычным космическим лифтом? Обычный космический лифт пока что нереализуем из-за требований к материалу, пока что неосуществлённых. Но если трос опускать не до Земли, а до некоторой высоты, скажем до высоты 1200 километров (наибольшая высота радиационных поясов, согласно википедии над Индонезией - 1300 километров).  Таким образом мы удаляем из космического лифта самый нагруженный нижний участок троса с гравитацией 9.8, на высоте же 1200 километров она уже 6.9 м/с². И он уже становится более доступным в реализации.

Для достижения места сцепки с тросом космическому кораблю нужен импульс в районе 4500 м/с. Для сравнения, для вывода на орбиту - 7900 м/с. Я не учитываю атмосферные потери, т.к. точно их не знаю. Но если брать только вышеприведённые цифры, то экономия в энергозатратах составляет 3 раза. Это довольно много.

Тело на ГСО, откуда спускается трос, должно быть довольно массивным, обладающим хорошей инерцией. Т.е. желательно астероид  метров 100, а лучше 200 диаметром (больше миллиона тонн). На нём будут располагаться солнечные батареи и ионный двигатель, работающий на вырабатываемой ими энергии. Они будут постепенно возвращать астероид на исходную позицию (из-за массивности астероида колебания будут не очень большими).

[CTPAHHNK]

Астероид двигается с далеко не нулевой относительно поверхности и атмосферы Земли. Если выстрелить трос к поверхности, то, чтобы уравнять с ней скорость его захватного конца, последний придётся тормозить. Лучше в атмосфере. В результате вся система, если я правильно понимаю, придёт во вращение. В искомом идеале конец будет двигаться по эпициклоиде.

А если в атмосферу опустить и антикрыло прицепить, чтоб не крутилось?

[LonelyWanderer]

Астероид двигается с далеко не нулевой относительно поверхности и атмосферы Земли. Если выстрелить трос к поверхности, то, чтобы уравнять с ней скорость его захватного конца, последний придётся тормозить. Лучше в атмосфере. В результате вся система, если я правильно понимаю, придёт во вращение. В искомом идеале конец будет двигаться по эпициклоиде.

А если в атмосферу опустить и антикрыло прицепить, чтоб не крутилось?

Да какое антикрыло, что за проблема такая - установить на конец спускающегося троса двигатель с топливом, чтобы он обеспечивал снижение скорости оного.
Ну а просле реализации мне кажется система будет достаточно устойчива. Нижний конец троса не будет подниматься вверх, т.к. на это нужна энергия, а его скорость будет даже намного ниже 1-й космической, т.е. он будет фактически просто висеть. А верхний конец будет устойчив за счёт массивности противовеса, т.е. какого-нибудь маленького астероида сто-метровых размеров.

[LonelyWanderer]

Кстати, есть одна серьезная проблемка - радиационные пояса. Причем эта проблема даже больше, чем в космическом мосте. В том хотя бы медленно, но они преодолеваются. Здесь же верхняя точка системы находится аккурат в радиационных поясах. А ведь туда должен доставляться по тросу груз, оттуда стартовать, все это будет требовать некоторого времени нахождения там. И эти пояса длятся почти до самой ГСО. Поэтому конечная точка пути будет в любом случае оказываться там.

В принципе, это преодолимо, но там нужен довольно серьёзный астероид минимум в пару сотен метров, чтобы корабль, двигающийся по тросу сразу уходил в глубь астероида через некие ворота во внутренний "космодром", защищённый от внешней высокой радиации и поверхностной наведённой. Оттуда же через другие ворота и стартовать, когда надо будет, причем это надо делать быстро.

Наименьшая плотность радиационных поясов (в середине между первым и вторым поясами) - это примерно 2.4 радиуса Земли http://dec1.sinp.msu.ru/~rumith/kosmofizika/open/modkos_files/radpo_fig.htm
, т.е. 15290 км над центром Земли, - это немного выше предложенных shuricos-ом 13 тысяч, где радиации значительно больше. Соответственно, цифры будут значительно отличаться. А именно не 5563 м/с, а 5105,8 м/с.
А скорость нижнего конца (на высоте 122 км) будет, соответственно, не 2782, а 2170,55 м/с. А минус собственное вращение поверхности Земли 465 м/с, получается цифра 1705,55 м/с, что уже, думаю, доступно для многоразовых суборбитальных самолётов.

[Ruslan_Sharipov]

Горизонтальный ЭМУ не годится из-за трения об воздух, вылет должен производится в разреженной атмосфере.

Всё зависит от размеров и массы вылетающего тела. Большие астероиды пробивают атмосферу. Космический аппарат тоже может быть большим. Скажем размером с океанский круизный лайнер. Но тонким, длинным и с массивной заострённой носовой частью. При этом из кончика носовой части  можно выпускать встречную струю воздуха, для того, чтобы раздвигать набегающий поток. Боковая поверхность носовой части  также может иметь отверстия для прокачивания воздуха . Это даст отведение тепла и сдув струи набегающего воздуха, от обшивки.

Определённо есть некоторый критический размер и масса космического аппарата, выше которых пробить атмосферу в горизонтальном направлении можно и это наиболее дешёвый безракетный выход в космос. Хотя длина ускорителя  действительно циклопическая. От 1000 километров.  Строить такие конструкции имеет смысл только на этапе колонизации космоса для обеспечения большого грузопотока в одну сторону.

[ВадимZero]

Большие астероиды пробивают атмосферу.

превращаясь при этом в плазму...

[Инопланетянин]

LibreOffice, в принципе то же самое, что Exel

Если вы приверженец открытых форматов, то зачем упаковываете в rar? Тарили бы в tar.bz или в zip на худой конец. С названием файла латиницей, чтобы с кодировкой проблем не было. Я из своей Убунты не могу его открыть.

[Ruslan_Sharipov]

Большие астероиды пробивают атмосферу.

превращаясь при этом в плазму...

Предлагаю Вам поразмыслить вот на какую тему. Мы все знаем о существовании ядерного оружия и о баллистических ракетах, как средстве его доставки. На старте баллистическая ракета проходит атмосферу на малых скоростях. Где-то за пределами атмосферы от неё отделяется головная часть с зарядом, которая летит уже на скоростях близких к первой космической. На подлёте к цели эта головная часть входит в плотные слои атмосферы. Ядерный заряд - это сложное техническое изделие, которое должно сработать в непосредственной близости от цели, а не за 100 км. от нее в безвоздушном пространстве. И оно не должно превратиться в плазму до того, как сработает. Значит военные как-то решили проблему прохождения атмосферы на скоростях, близких к первой космической. То есть проблема принципиально разрешима!?

[ВадимZero]

Ядерный заряд - это сложное техническое изделие, которое должно сработать в непосредственной близости от цели, а не за 100 км. от нее в безвоздушном пространстве. И оно не должно превратиться в плазму до того, как сработает.

Ядерный заряд, теряет свою основную энергию в менее плотных верхних слоях атмосферы, а в плотных летит на вполне разумных, не космических скоростях.
Из вики...

Боеголовки МБР/БРПЛ имеют скорость до первой космической (около 6,8 км/с) в космосе, траектория баллистическая, но при входе в плотные слои атмосферы такие объекты значительно тормозятся и на высотах 10-20 км падают со скоростью около 300 м/с

[Ruslan_Sharipov]

Может случиться так, что скорость метеорита бывает от одиннадцати до двадцати двух километров в секунду, масса его не велика, и он достаточно  механически прочен, тогда он может тормозить в атмосфере. Это способствует тому, что такое тело не подвержено абеляции, оно почти в неизменном виде может долететь до поверхности Земли. (См. Скорость метеорита)

Цитата взята из статьи, полученной из процитированной Вами статьи в Википедии. Воланчиком от бадминтона можно достаточно точно попасть в цель на близком расстоянии. Но на дальнем расстоянии, когда он на излёте и скорость низка, точное прицеливание практически невозможно. При описанном в Википедии сильном торможении ядерной боеголовки в верхних слоях атмосферы, точность попадания была бы очень небольшой. Что-то тут не так.

[-Юрий-]

из кончика носовой части  можно выпускать встречную струю воздуха, для того, чтобы раздвигать набегающий поток.

Гениально! И как конструкторы раньше не додумались? А то ведь сплошные потери на преодоление воздуха у автомобилей, самолётов и т.д. 

[elind]

Гениально! И как конструкторы раньше не додумались? А то ведь сплошные потери на преодоление воздуха у автомобилей, самолётов и т.д.

Наверно, потому что этот способ НЕ снижает сопротивление (на самом деле ещё и нехило так повышает - достаточно сильная струя, могущая сдуть набегающий воздух, работает как весьма приличный "реактивный тормоз"), а снижает нагрев набегающим воздушным потоком. Пока что у нас не то что машины и самолёты - даже ракеты в плотной атмосфере таких скоростей, при которых это существенно, не достигают.
Хотя, учитывая  трудности с "воздушной" защитой, я бы предложил использовать либо ледяной абляционный щит, либо сильное магнитное поле (в ударной волне при таких скоростях будет весьма горячая плазма) - намно-ого легче по реализации и дешевле по энергии.

[ivanij]

   В 1967 году рассматривался проект вывода на орбиту полезного груза пневматическим способом. Между прочим, рецензию на это предложение писал профессор Покровский.
   Конечно, этот метод запуска не может считаться совсем уж "безракетным", но на первой ступени, во всяком случае, можно сэкономить.

   http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1967/1/rak-v-stvole.html

[-Юрий-]

В 1967 году рассматривался проект вывода на орбиту полезного груза пневматическим способом.

Ну прям Жюль Верн какой-то! Из пушки на Луну. И это обсуждали учёные мужи! Ладно, тут на форуме, ещё простительно. Даже для дилетанта понятно, что это лажа какая-то.