Обсуждение способов безракетного запуска с Земли

[Ruslan_Sharipov]

Технически возможно сделать надувную башню из пластиковой плёнки армированной кевларом и наддутой гелием, высотой в 200 км. Канадцы уже давно всё просчитали. Стоимость только заоблочной получается из-за дороговизны гелия и кевлара.

Интересно какое давление будет у основания?

Для стлба газа в однородном гравитационном поле при фиксированной температуре давление изменяется экспоненциально p(h) = p(0) ∙ exp(-μgh/RT) в зависимости от высоты h. Здесь μ – это молекулярная масса газа. Для гелия она равна 4 г/моль. R = 8,31 дж/моль/градус – это универсальная газовая постоянная. Далее g = 9,78 м/сек² – это ускорение свободного падения и  T – это абсолютная температура в градусах Кельвина. Переводим всё в систему СИ: μ = 0,004 кг/моль, дж = н∙м = кг∙м²/сек². Теперь можно считать: 0,004×9,78/8,31/293,15=0,000016059. То есть μg/RT = 0,000016 м^-1. Расчет сделан для температуры 20°C=293,15°K. Для высоты в 100 км получаем:

exp(0,000016 ∙ 100000) = exp(1,6) = 4,98.

Это означает, что давление гелия у основания будет примерно в 5 раз больше, чем у вершины. Для высоты 200 км это означает, что давление у основания будет в 25 раз больше, чем у вершины.

Канадцы уже давно всё просчитали.

Дайте, пожалуйста, ссылку на тех канадцев.

[kryptonik]

Имеется в виду, что гелий много легче прочих газов и его столб при одинаковом давлении будет в десятки раз выше. Избыточное давление в основании может быть совсем небольшим, допустим 0,1 атмосферы, но при большом диаметре основания это приведет к приличным нагрузкам в оболочке. Если диаметр основания взять километр, то при избыточном давлении 0,1 атмосферы, полоска кевлара шириной 10мм должна держать десять тон. Сбрехал. Всего 5 тон.

[petrovich1964]

Для стлба газа в однородном гравитационном поле при фиксированной температуре давление изменяется экспоненциально

Да. Если на высоте газ разреженный.

Это означает, что давление гелия у основания будет примерно в 5 раз больше, чем у вершины.

Надо добавить, что надувная башня предполагает жёсткость конструкции за счёт повышенного давления в надувных элементах. Поэтому вес гелия будет больше. Добавим вес надувных оболочек.

[дерево]

Если же строить башню около полюса, то тут у нас нет ограничения во времени раскрутки, так как мы не сталкиваемся с проблемой вращения Земли. Здесь можно очень длинные тросы, хоть в 500 км,  раскручивать хоть целые сутки до таких скоростей, которые в принципе может выдержать трос, хоть 10, хоть 15 км/с - если когда-нибудь появятся подобные нанотросы, что пытаются создать для космического лифта.

Нет, центрифуга требует на порядки более прочные материалы, чем космический лифт, так как a = V²/R. Для межастероидных полётов она может быть оправданной, но не для запусков с планеты.

Скажу баян, но тем не менее - на оружко и войнушки вы тратите во много раз больше, и вас это не смущает.

Более того, космическая (не военная) техника частично (а может и почти полностью) является переработанными отходами военной промышленности.

[ziggyStardust]

...переработанными отходами военной...

В этом-то и беда человечества... Злые и жестокие двоюродные братья шимпанзе идут строго за "огнем и мечом"... И "обывателю" так никогда и не узнать сокрыт от него космос покровом тайн местных "альфа-бесноватых", каких-то внешних сил или чем еще...

[Андрей Астрофизический]

И "обывателю" так никогда и не узнать

Все военные тайны и государственные секреты, спустя какое-то время тайнами и секретами быть переставали. Вопрос времени.
Хотя, история знает случаи, когда отдельные технологии хранились в тайне несколько веков или даже тысячу лет. Бывает... ждите. Или копайте собственноручно.

[LonelyWanderer]

Нет, центрифуга требует на порядки более прочные материалы, чем космический лифт, так как a = V²/R. Для межастероидных полётов она может быть оправданной, но не для запусков с планеты.

Я как-то считал (уже заново как-то лень пересчитывать) что стальная струна (не трос) из прочных сортов стали должна выдерживать около 1 км/с. В википедии написано, что прочнейшие виды стали имеют прочность 5ГПа, а для космического лифта требуется 100 ГПа. Если так на пальцах прикинуть, получается, что космический лифт в плане требований к тросу эквивалентен центрифуге со скоростью конца около 4.5 км/с (4.5² = 20, и 100/5=20).
Как я выше прикидывал, в случае постройки башни в района экватора центрифугой можно разгонять корабли примерно до 3-3.5 км/с (быстрее не получалось из-за необходимости постройки башни выше 100 км и из-за ограничений по времени раскрутки из-за вращения Земли). То есть, грубо говоря, нужно 50 ГПа, это меньше, чем для космического лифта. Но насчёт того, чтобы сразу достигать 1-й или 2-й космической скорости, да, тут вы, пожалуй, правы, если так на пальцах прикинуть, то тут уже нужно за 250 ГПа.
Но не только астероиды, Луна, Меркурий, Марс. У Марса 1-я космическая 3.55 км/с, минус где-то 230 м/с скорости на экваторе, то есть необходимо 3.32 км/с. Кроме того, как я говорил выше, необязательно достигать ровно 1-й космической - достаточно достигнуть той скорости, чтобы траектория полёта была достаточно продолжительная и можно было довести орбиту до опорной маломощными (лёгкими) и эффективными двигателями, предназначенными для межпланетных перелётов, чтобы обойтись без промежуточных ступеней. То есть примерно 3 км/с. Похожая цифра и на Меркурии. А Луна с её 1.68 км/с первой космической - уже вполне доступна для старта центрифугой даже с ныне существующими материалами.

[Ruslan_Sharipov]

Избыточное давление в основании может быть совсем небольшим, допустим 0,1 атмосферы, но при большом диаметре основания это приведет к приличным нагрузкам в оболочке.

Это верно. Надувные конструкции (цилиндры и сферы) не могут быть больших диаметров. Иначе их разорвёт даже очень небольшое избыточное внутреннее давление. Об этом я постоянно толкую тем, кто мыслит себе города под прозрачным куполом на безатмосферных планетах, и вывожу необходимость создания вакуумного человека.

Применительно к надувной башне это означает, что она дожна быть пучком (снопом) из множества тонкостенных трубок. Есть в этой конструкции и вертикальные проблемы. Если внутренний объём трубки будет сплошным сверху донизу, то газ не будет оказывать никакого несущего воздействия на  её стенки. Чтобы такое воздеёствие было, трубка должна состоять из секций, подобно стеблю бамбука. На границе соседних секций должна быть создана разность давлений газа, равная весу верхней секции (включая вес газа в ней) делённому на площадь поперечного сечения трубки. Только в этом случае стенки трубки будут практически  избавлены от несения вертикальной нагрузки, которая практически целиком придётся на газ. Но из-за скачков давления на границах секций весь расчёт давления газа в трубке будет совсем иным, чем в случе абсолютно полой трубки.

[kryptonik]

Если внутренний объём трубки будет сплошным сверху донизу, то газ не будет оказывать никакого несущего воздействия на  её стенки.

Это довольно смутное положение. надо бы его пояснить.

[дерево]

Я как-то считал (уже заново как-то лень пересчитывать) что стальная струна (не трос) из прочных сортов стали должна выдерживать около 1 км/с. В википедии написано, что прочнейшие виды стали имеют прочность 5ГПа, а для космического лифта требуется 100 ГПа.

Для самых прочных тросов используются арамид или углеволокно (в перспективе фулерен), так как они обладают наибольшим отношением прочности к плотности σ/ρ ≈ (1,5 км/с)² (в перспективе до 5 км/с), с небольшим коэффициентом формы определяющим максимальную скорость центрифуги или маховика без груза (хотя для экспоненциально сужающегося троса/диска коэффициент может быть бесконечным, как и скорость в нерелятивистской формуле Циолковского).

Если так на пальцах прикинуть, получается, что космический лифт в плане требований к тросу эквивалентен центрифуге со скоростью конца около 4.5 км/с (4.52 = 20, и 100/5=20)

Даже без груза у космического лифта ускорение быстро уменьшается на первом радиусе Земли от поверхности и дальше медленно гравитационное компенсируется центробежным, а у центрифуги медленнее меняется вдоль радиуса ускорение, поэтому может быть и больше отношение. А с учётом груза, будет сильно увеличиваться нагрузка на трос при уменьшении размеров, так как

a = V²/R

Кроме того, как я говорил выше, необязательно достигать ровно 1-й космической - достаточно достигнуть той скорости, чтобы траектория полёта была достаточно продолжительная и можно было довести орбиту до опорной маломощными (лёгкими) и эффективными двигателями, предназначенными для межпланетных перелётов, чтобы обойтись без промежуточных ступеней.

Не получается лёгкими межпланетными, их ускорение всё равно должно быть больше земного, ведь характерное время падения V_нач/g без крыльев (которые излишни на вакуумном межпланетном). А при наличии крыльев уже можно и самолётным запуск делать без создания большой инфраструктуры центрифуги.

Центрифуги могут оказаться наилучшим решением для межастероидных перелётов на скоростях до 2 км/с, они даже ловить прилетающих наверное смогут при достаточной точности.

Но не только астероиды, Луна, Меркурий, Марс.

Луна, другие спутники и карликовые планеты возможно, но Марс и Меркурий уже слишком большие.

[kryptonik]

Если считать пустяком возведение 100км башни со всем оборудованием, то что-то в плане экономики и целесообразности сравнивать можно. А если не считать, то нельзя.

[LonelyWanderer]

Центрифуги могут оказаться наилучшим решением для межастероидных перелётов на скоростях до 2 км/с, они даже ловить прилетающих наверное смогут при достаточной точности.

Для ловли нет, это во-первых крайне опасно, вероятность промаха очень велика, ведь речь идёт не только о том, что нужно попасть в нужную точку, где мы зацепимся за трос, но и в нужное время с точностью до секунды или её долей. Во-вторых встаёт проблема противовеса - это при старте мы можем одновременно отцеплять противовес, и при ловле тут всё намного сложнее.
Для безракетного приземления на небольшие астероиды, где 1-я космическая скорость меньше 100 м/с, это астероиды диаметром до 200 км, можно применять аэродромы с самолётной посадкой. Это вертикальная полоса, похожая на полосу торможения на автодорогах в горах или на гоночные автотреки. Необходимый диаметр трека для торможения со скорости 100 м/с и при центробежном ускорении, не превышающим 5g - 400 метров. Длина окружности получается 1256 метров, чего при таком количестве g вполне достаточно для торможения, но по мере снижения скорости сцепление будет падать, поэтому трек должен быть не в виде круга указанного диаметра, а в виде спирали.
Я ещё думал насчёт возможного создания такого же трека на более крупных телах, вплоть до Луны, только с посадкой не на колёса, а на магнитную подушку, и на крупные астероиды вроде Цереры - на заранее с необходимой скоростью раскрученные колёса, но как-то пока не уверен, что такая магнитная подушка возможна, и что возможно так быстро раскрутить колёса.

[Ruslan_Sharipov]

Если внутренний объём трубки будет сплошным сверху донизу, то газ не будет оказывать никакого несущего воздействия на  её стенки.

Это довольно смутное положение. надо бы его пояснить.

Всё просто, газ давит на стенки трубки изнутри перпендикулярно стенкам, то есть по горизонтали. А сила тяжести тянет трубку вниз. Эти две силы никак не компенсируют друг друга. Если же в трубке есть горизонтальная перегородка и по разные стороны от неё давление газа разное, то возникает вертикальная сила, пропорциональная разности давлений и площади перегородки. Она может компенсировать силу тяжести полностью или частично. В нашем случае надо, чтобы сумма сил на всех перегородках компенсировала вес всей трубки вместе с заключеннным внутри неё газом, за исключением самой нижней секции, которая опирается на грунт.

[petrovich1964]

Магнитное поле Земли рассматривали, как опору?

Пускаем ток по проводам. Правило левой руки, на проводник действует сила. Провод висит над землёй. Собираем из проводов конструкцию в виде трубы, лежащей по касательной к земной поверхности. Заряжаем воздух в трубе электрическим зарядом - одноимённые заряды отталкиваются внутри "трубы" разреженный воздух - коридор для пуска корабля, разогнанного электромагнитами в вакуумной трубе.
Провода "трубы" поддерживаем ещё дирижаблями и электропропеллерами.
Весь вопрос в проводах, чтобы выдержали нужные токи.

Всё дешевле, чем башню до неба строить. 

[kryptonik]

Всё просто, газ давит на стенки трубки изнутри перпендикулярно стенкам, то есть по горизонтали. А сила тяжести тянет трубку вниз. Эти две силы никак не компенсируют друг друга.

У нас же не открытая труба, а замкнутая оболочка цилиндр или конус, давление в оболочке выше чем в окружающем пространстве. Так что никаких перегородок не надо. Сделать-то их можно, однако все это изрядно стоит.

[Ruslan_Sharipov]

У нас же не открытая труба, а замкнутая оболочка цилиндр или конус, давление в оболочке выше чем в окружающем пространстве. Так что никаких перегородок не надо.

Стенки цилиндра без перегородок равнозначны тросу длиной 100 км. Такой трос обрывается от своего веса.

[kryptonik]

Что бы что-то утверждать, надо считать. Суперматериал легко выдержит каких-то жалких сто километров. До Луны выдерживает. По крайней мере в этой теме.
Сотовая конструкция дело хорошее. Но нет ничего идеального, за все надо платить. Лишний вес, лишние нагрузки. Расчеты нужны. Но тут это не приветствуется. И это правильно, пусть потомки считают, наше дело идей им накидать.

[petrovich1964]

Вспоминая цитату из кино, в котором всю воду израсходовали на топливо для ракет, приходишь к выводу, что в будущем придётся сделать нечто вроде башни выше атмосферы с катапультой для запуска кораблей на другие планеты Солнечной системы. Бесконечно использовать невозобновляемые ресурсы нельзя по определению.
Или же сидеть на Земле и не дёргаться. Что относится к вопросу, чего будут желать прапраправнуки современных землян.

[Rattus]

Бесконечно использовать невозобновляемые ресурсы нельзя по определению.
Или же сидеть на Земле и не дёргаться.

Т.е. никаких промежуточных вариантов (например послать несколько штук-десятков звездолётов к ближайшим пригодным для расселения экзопланетам в ближайшие сотни-тысячи лет, а потом уже сидеть и спокойно ждать данных от тамошних расселенцев, передав эстафету дальнейшего расселения уже им) не рассматривается в принципе, ибо религия запрещает?

[николай теллалов]

в скучном мире живете, petrovich1964