Стоит заметить что все что будет сказано для катапульты также и справедливо и для пушки и для пращи.

Преимущество катапульты всем известны, это возможность запускать грузы в космос без расхода дополнительных материалов (топлива) только посредством электроэнергии, по этому в первой части мы сосредоточимся на мало обсуждаемых недостатках катапульты.

Первое, создание электромагнитных полей достаточной напряженности требует очень высокотехнологичного и массивного оборудования, другими словами катапульту не получится сделать на луне из лунных материалов, ее придется сделать и испытать на земле, а потом разобрать и доставить на луну частями.

Второе, масса катапульты способно запустить даже небольшой снаряд, скажем в одну тонну, только начинается с 10.000 тонн, а в реальности может быть значительно больше. Представить себе катапульту способную запустить ракету в сотни и тысячи тонн в данный момент не реально. То есть катапульта это игольное ушко, с одной стороны через которое можно запускать грузы непрерывно, а с другой стороны только маленькими порциями.

Третье, КПД катапульты с большой долей вероятности окажется очень и очень низким, в данный момент назвать точное соотношение не возможно, но если на один гигаватт мощности удастся получить один мегаватт производительности это будет большой успех.

Представим что указанные выше сложности преодолены и катапульта у нас уже есть, рассмотрим некоторые другие особенности ее применения.

Во первых, если мы хотим запускать контейнеры сразу прямо на землю, то как выясняется катапульта должна быть не только соответствующим образом сориентирована на поверхности луны, но еще и размещаться строго в определённом регионе луны, а именно на пересечении лунного экватора со 180 меридианом (в данном случае не важно восточной долготы или западной), назовем это место полюсом невидимости, так он расположен в центре невидимого полушария. Смещение от этой точки возможно, но только в определенной не большой области, плюс по-прежнему остается не решенной задача, что контейнеры будут очень маленькие.

Если наша катапульта не находится в этой области, то она не сможет бросить снаряд в сторону земли напрямую. Рассмотрим как раз такой вариант, особенно учитывая что не смотря на некую нелогичность на первый взгляд такой вариант даже лучше с практической точки зрения.

Если катапульта не находится на полюсе, то ее необходимо сориентировать в направлении полюса невидимости, тогда запушенные ей контейнеры будут пролетать над полюсом невидимости, что очень важно.

Очень важен вопрос на какую высоту в апоцентре мы хотим забросить контейнер, потому что по выходу из ствола катапульты, контейнер будет двигаться горизонтально с небольшим ускорением вверх и как следствие потребуется довольно некая зона отчуждения прежде чем контейнер поднимется на минимальную высоту. Если задастся высотой в апоцентре в 100км, то ускорение вверх составит 0,4м/с^2, то есть понадобится 12,5км, чтобы контейнер поднялся на высоту 100 метров над поверхностью.

Совершенно очевидно, что если контейнер будут пассивными, не способный к маневрированию на орбите то они не имеют смысла, так как сделав полный оборот он просто разбомбит свою же собственную катапульту, по этому по факту контейнер должен представлять собой дрон, оснащенный двигателем и способный к маневрам на орбите. Одновременно понятно что чем больше маневров на орбите совершает дрон тем меньше в нем практического смысла, потому что для маневров он расходует топливо и таким образом обнуляет смысл его запуска посредством катапульты. В данном случае нужен некий разумный компромисс.

Во первых очевидно что дрон должен сделать минимум одно включение двигателя в апоцентре, чтобы перейти на круговую орбиту, которое для данной орбиты составит 23,0м/с.

Если ограничится только одним включением двигателя, то мы получим ситуацию, когда катапульта непрерывно закидывает на орбиту дроны с грузом, которые переходя на круговую орбиту и кружатся по ней на стандартном расстоянии друг от друга.

Очень красиво и совершенно бесполезно, у нас есть материальный ресурс, доставленный в открытый космос, но рассредоточенный настолько что попытка его собрать в одно место потребует столько топлива что это станет бессмысленно.

Нужно придумать способ собрать все контейнеры вместе, при этом так чтобы затраченное топливо было минимальным и при этом потрачено с двойной пользой.

Если подобрать параметры катапульты нужным образом то можно добиться, что на указанной круговой орбите будет находится определенное, требуемое число контейнеров, мне нравится число 128 штук и это не спроста.

Теперь разделим все 128 контейнеров на две группы, в одной будут все нечетные, а в другой четные номера. Теперь при проходе четным контейнером полюса невидимости будем придавать ему, посредством его двигателя импульс в 4,22м/с. Такой импульс будет переводит нечетный спутник на эллиптическую орбиту, период обращения по которой будет дольше на момент времени равный разнице во времени при запуске контейнеров. То есть по окончанию одного оборота контейнера по эллиптической орбите, нечетные контейнеры будут встретятся с четными над полюсом не видимости, если в этот момент нечетные контейнеры также получат импульс в 4,22м/с, то мы получим ситуацию когда все 128 контейнеров объединятся в 64 пары.

Не сложно догадаться что этот фокус можно провернуть еще несколько раз, постепенно объединяя пары, квартеты и т.д.

Итогом этих маневров будет ситуация когда спустя 22,34 часа с начала маневров, все 128 контейнеров соединятся в один единый флот, на эллиптической орбите, израсходовав 347,42м/с дельты.

При этом эта дельта, будет потрачена не только на объединение контейнеров но и на подъем их орбиты в результате чего, грузовая ракета, двигающаяся со стороны земли, сможет забрать груз из контейнеров с минимальным расходом дельты, потому что ей не потребуется не только садится на поверхность луны, но даже переходит на низкую опорную орбиту луны, она сможет забрать груз из контейнеров на высокой орбите.

Перевозит сами контейнеры нет смысла, после их разгрузки их имеет смысл отправить обратно на поверхность луны, посредством их же собственных двигателей, для повторения цикла.

Если представить что сухая масса контейнера 100 килограмм, а стартовая 1000, то входе всех этих маневров контейнер израсходует 168 кг топлива, из которых 33,5 будут метаном и доставит на высокую орбиту 731 килограмм груза.

Во Флориде есть заведение «Space 220», куда люди поднимаются на лифте с мониторами в полу и потолке. Посетителю кажется, что он летит в капсуле на орбиту. В самом ресторане гостей встречает мужчина в костюме работника космического корабля и проводит посетителей в зал. Основное помещение «обшито» экранами, имитирующими пребывание в открытом космосе.

Надо бы еще реализовать функцию отключения гравитации для полного погружения.

- - -
NeuroTrends 👇:
https://t.me/neuro_trends8/6352?single=

Возможно, главнейшим препятствием на пути распространения человечества по солнечной системе служит запредельно высокая стоимость выхода из гравитационного колодца Земли. Так, по крайней мере, считают Зефир Пенуар из Кембриджского университета в Британии и Эмили Сэндфорд из Колумбийского университета в Нью-Йорке.

Проблема в том, что ракетные двигатели должны выбрасывать массу в одном направлении, чтобы получать тягу, двигающую космический корабль в другом. И для этого требуется огромное количество топлива, которое в итоге выбрасывают – но которое тоже нужно ускорять вместе с кораблём.

В итоге стоимость вывода на орбиту единственного килограмма полезного груза колеблется где-то в районе десятков тысяч долларов. Долететь до Луны и обратно будет ещё дороже. Поэтому все очень заинтересованы в поисках более дешёвого способа выйти на орбиту.

Одна из идей заключается в постройке космического лифта – кабеля, протянувшегося с Земли на орбиту, по которому можно было бы вскарабкаться в космос. Преимущество его в том, что процесс перемещения по кабелю можно будет питать солнечной энергией, поэтому топливо с собой тащить не потребуется.

Но и тут есть проблема. Подобный кабель должен быть чрезвычайно прочным. Потенциальным материалом для него могли бы стать углеродные нанотрубки, если бы их можно было сделать достаточно длинными. Но существующие сегодня варианты материалов пока ещё слишком непрочные.

И тут на сцену выходят Пенуар и Сэндфорд, подошедшие к идее с другой стороны. Они утверждают, что их вариант космического лифта, который они называют космическим тросом, можно сделать из материалов, доступных уже сегодня.

Сначала немного контекста. Обычно космический лифт представляют себе в виде кабеля, закреплённого на земле, и простирающегося за пределы геосинхронной орбиты, на высоту около 42 000 км.

Масса такого кабеля будет значительной. Поэтому его нужно сбалансировать, закрепив на другом конце соответствующую массу. В итоге лифт будет поддерживать центробежная сила.

Уже много лет физики, авторы фантастической литературы и мечтатели восторженно подсчитывали величины этих сил, только чтобы затем прийти в уныние от результатов. Нет ни одного достаточно прочного материала, способного противостоять им – ни паутина, ни кевлар, ни новомодные углепластики.

Поэтому Пенуар и Сэндфорд избрали другой подход. Вместо того, чтобы крепить кабель на Земле, они предлагают закрепить его на Луне и свесить в направлении Земли.

Космический лифт на космическом тросе

Разницу обуславливают центробежные силы. Обычный космический лифт должен совершать один оборот в день, в соответствии с вращением Земли. Однако лунный трос совершал бы один оборот всего раз в месяц – это гораздо меньшая скорость, и, соответственно, меньшие силы.

Более того, силы распределяются по-другому. Протянутый с Луны к Земле трос пройдёт через точку в пространстве, в которой притяжение Земли и Луны компенсируют друг друга.

Это т.н. точка Лагранжа, и она становится главной особенностью космического троса. Ниже её, т.е., ближе к Земле, гравитация притягивает трос к планете. Над ней, ближе к Луне, гравитация тянет трос ближе к лунной поверхности.

Пенуар и Сэндфорд быстро показывают, что если протянуть кабель от Луны до поверхности Земли, то воздействие, которое будет оказывать на него Земля, станет слишком большим для любых существующих сегодня материалов. Однако трос не обязательно тянуть до поверхности планеты для того, чтобы он стал приносить пользу.

Главный результат исследователей состоит в том, что они показали – прочные современные материалы, типа углепластика Zylon, могут выдержать силы, действующие на кабель, протянутый от Луны до геосинхронной орбиты. Далее они предполагают, что устройство, доказывающее принципиальную работоспособность проекта, можно сделать в виде кабеля толщиной в карандашный грифель, и свесить с Луны за несколько миллиардов долларов.

Цель амбициозная, однако, по сравнению с текущими космическими миссиями – не запредельная. “Протянув трос, закреплённый на Луне, в гравитационный колодец Земли, мы можем построить стабильный кабель, позволяющий передвигаться от точки, лежащей недалеко от Земли, к поверхности Луны”, – сказали Пенуар и Сэндфорд.

Экономия была бы грандиозной. “Проект уменьшил бы количество топлива, необходимого для достижения Луны, в три раза”, – говорят они.

А также открыл бы для изучения совершенно новый участок космоса – точку Лагранжа. Она интересна тем, что в ней и гравитация, и градиент гравитации равны нулю, благодаря чему в ней безопасно заниматься строительством. Градиент гравитации на низкой околоземной орбите делает эту орбиту гораздо менее стабильной.

“Если уронить с МКС инструмент, он будет с ускорением двигаться от вас, – пишут Пенуар и Сэндфорд. – В точке Лагранжа градиентом гравитации практически можно пренебречь. Выроненный инструмент останется рядом с рукой гораздо дольше”.

Также в этом регионе почти нет обломков. “Предыдущие миссии практически не затрагивали точку Лагранжа, а проходящие через неё орбиты хаотичны, что значительно уменьшает количество метеоритов”, – говорят они.

По этим причинам Пенуар и Сэндфорд утверждают, что обеспечение доступа к точке Лагранжа будет одним из главных преимуществ космического троса. “Мы считаем, что колония в точке Лагранжа станет важнейшим и самым влиятельным результатом для начала использования космического троса (и исследования космоса), – говорит они. – Такая база позволит создавать и поддерживать новое поколение космических экспериментов. Можно представить себе телескопы, ускорители частиц, детекторы гравитационных волн, виварии, электростанции и точки запуска миссий по всей Солнечной системе”.

Эта интересная работа обеспечивает новый взгляд на идею космического лифта. Недорогие путешествия к точке Лагранжа, Луне и другим местам могут стать значительно дешевле и доступнее.

Источник

Поддержать переводчика: Мой сайт / Patreon / Sponsr

В масштабе земли

Циолковский (с). Для сверхматериалов. Но чем армированный лёд не материал?

Не строится из-за отсутствия сверхпрочных материалов типа нанотрубок. Построить секции из "обычных" и залить это жидкостью, которая при абсолютном нуле может быть алмазной твёрдости при помощи химии

Длина секции 100 м

Чем вода не материал для строительства при такой температуре?

Газ в термосфере настолько разрежен, что горячее вещество присутствует в виде отдельных молекул

Геостационарная орбита

Массу противовеса нарастить с помощью той же "воды", заливаемой поверх полых отсеков