Головна

космічний ліфт

  1.  Блаженний прихильник і його космічний роман
  2.  Глава 6. Космічний вірус
  3.  ГЛАВА II. Мікрокосмічна КОТЕЛ І ПІЧ
  4.  Космічний ковбой »Грем Парсонс
  5.  космічний слід
  6.  Сили, що діють на космічний апарат в польоті

Одне з серйозних перешкод до реалізації багатьох зіркових проектів полягає в тому, що через величезних розмірів і ваги кораблі неможливо побудувати на Землі. Деякі вчені пропонують збирати їх у відкритому космосі, де завдяки невагомості астронавти зможуть легко піднімати й перевертати неймовірно важкі предмети. Але сьогодні критики справедливо вказують на позамежну вартість космічної збірки. Наприклад, для повного складання Міжнародної космічної станції потрібно близько 50 запусків шаттла, а її вартість з урахуванням цих польотів наближається до 100 млрд дол. Це найдорожчий науковий проект в історії, але будівництво в відкритому космосі міжзоряного космічного парусника або корабля з прямоточною лійкою обійшлося б у багато разів дорожче.

Але, як любив говорити письменник-фантаст Роберт Хайнлайн, якщо ви можете піднятися над Землею на 160 км, ви вже на півдорозі до будь-якій точці Сонячної системи. Це тому, що при будь-якому запуску перші 160 км, коли ракета прагне вирватися з пут земного тяжіння, «з'їдають» левову частку вартості. Після цього корабель, можна сказати, вже в змозі дістатися хоч до Плутона, хоч далі.

Один із способів кардинально скоротити в майбутньому вартість польотів - побудувати космічний ліфт. Ідея забратися на небо по мотузці не нова - взяти хоча б казку «Джек і бобове зернятко»; казка казкою, але якщо вивести кінець мотузки в космос, ідея цілком могла б втілитися в реальність. В цьому випадку відцентрової сили обертання Землі виявилося б досить, щоб нейтралізувати силу тяжіння, і мотузка ніколи не впала б на землю. Вона чарівним чином піднімалася б вертикально вгору і зникала в хмарах.

(Уявіть собі кульку, який ви крутите на мотузочці. Здається, що на кулька не діє сила тяжіння; справа в тому, що відцентрова сила штовхає його геть від центру обертання. Точно так же дуже довга мотузка може висіти в повітрі завдяки обертанню Землі.) тримати мотузку не буде потрібно, обертання Землі буде досить. Теоретично людина могла б залізти по такій мотузці і піднятися прямо в космос. Іноді ми просимо студентів-фізиків розрахувати натяг такої мотузки. Нескладно показати, що такого натягу не витримає навіть сталевий трос; саме тому довгий час вважалося, що космічний ліфт реалізувати неможливо.

Першим з учених, хто всерйоз зацікавився проблемою космічного ліфта, став російський вчений-провидець Костянтин Ціолковський. У 1895 р під враженням від Ейфелевої вежі він уявив вежу, яка б піднімалася прямо в космічний простір і з'єднувала Землю з ширяє в космосі «зоряним замком». Будувати її передбачалося від низу до верху, починаючи з Землі, звідки інженери повинні були б повільно зводити до небес космічний ліфт.

У 1957 р російський вчений Юрій Арцутанов запропонував нове рішення: будувати космічний ліфт протилежне, зверху вниз, починаючи з космосу. Автор представив собі супутник на геостаціонарній орбіті на відстані 36 000 км від Землі - з Землі він при цьому буде здаватися нерухомим; з цього супутника пропонувалося опустити на Землю трос, а потім закріпити його в нижній точці. Проблема в тому, що трос для космічного ліфта повинен був би витримувати натяг приблизно в 60-100 ГПа. Сталь рветься при натягу приблизно в 2 ГПа, що позбавляє ідею будь-якого сенсу.

Більш широка аудиторія змогла познайомитися з ідеєю космічного ліфта пізніше; в 1979 р вийшов роман Артура Кларка «Фонтани раю», а у 1982 році - роман Роберта Хайнлайна «П'ятниця». Але оскільки прогрес в цьому напрямку застопорився, про неї забули.

Ситуація різко змінилася, коли хіміки винайшли вуглецеві нанотрубки. Інтерес до них різко зріс після публікації в 1991 р роботи Суміо Іїдзіма з компанії Nippon Electric. (Треба сказати, що про існування вуглецевих нано-трубок було відомо ще з 1950-х рр., Але довгий час на них не звертали уваги.) Нанотрубки набагато міцніше, але при цьому набагато легше сталевих тросів. Строго кажучи, по міцності вони навіть перевершують рівень, необхідний для космічного ліфта. На думку вчених, волокно з вуглецевих нанотрубок має витримувати тиск 120 ГПа, що помітно вище необхідного мінімуму. Після цього відкриття спроби створення космічного ліфта поновилися з новою силою.

Б 1999 року було опубліковано серйозне дослідження NASA; в ньому розглядалося космічний ліфт у вигляді стрічки шириною приблизно один метр і довжиною близько 47 000 км, здатний доставити на орбіту навколо Землі корисний вантаж вагою близько 15 т. Реалізація подібного проекту миттєво і повністю змінила б економічну сторону космічних подорожей. Вартість доставки вантажів на орбіту разом зменшилася б в 10 000 разів; таку зміну інакше як революційної не назвеш.

В даний час доставка одного фунта вантажу на навколоземну орбіту коштує не менше 10 000 дол. Так, кожен політ шаттла обходиться приблизно в 700 млн дол. Космічний ліфт збив би вартість доставки до 1 дол. За фунт. Таке радикальне здешевлення космічної програми могло б повністю змінити наші погляди на космічні подорожі. Простим натисненням кнопки можна було б запустити ліфт і піднятися у відкритий космос за суму, відповідну за вартістю, скажімо, квитком на літак.

Але, перш ніж будувати космічний ліфт, на якому можна буде без зусиль піднятися в небеса, ми маємо подолати дуже серйозні перешкоди. В даний час найдовше волокно з вуглецевих нанотрубок, отримане в лабораторії, по довжині не перевищує 15 мм. Для космічного ліфта будуть потрібні троси з нанотрубок завдовжки в тисячі кілометрів. Звичайно, з наукової точки зору це чисто технічна проблема, але вирішити її необхідно, а вона може виявитися упертою і складною. Проте багато вчених переконані, що на оволодіння технологією виробництва довгих тросів з вуглецевих нанотрубок нам вистачить кількох десятиліть.

Друга проблема полягає в тому, що через мікроскопічних порушень структури вуглецевих нанотрубок отримання довгих тросів може виявитися взагалі проблематичним. За оцінкою Нікола Пуньо з Туринського політехнічного інституту, якщо хоча б один атом в вуглецевої нанотрубке виявиться не на своєму місці, міцність трубки може відразу зменшитися на 30%. В цілому дефекти на атомному рівні можуть позбавити трос з нанотрубок 70% міцності; при цьому допустиме навантаження виявиться нижче того мінімуму гігапаскалів, без яких неможливо побудувати космічний ліфт.

Прагнучи збільшити інтерес приватних підприємців до розробки космічного ліфта, NASA оголосило два окремих конкурси. (За зразок було взято конкурс Ansari X-Prize з призом в 10 млн дол. Конкурс успішно підігрів інтерес підприємливих інвесторів до створення комерційних ракет, здатних піднімати пасажирів до самої межі космічного простору; оголошену премію отримав в 2004 р корабель SpaceShipOne. Конкурси NASA носять назви Beam Power Challenge і Tether Challenge.

Щоб виграти перший з них, команда дослідників повинна створити механічний пристрій, здатне підняти вантаж вагою не менше 25 кг (включаючи власну вагу) вгору по тросу (підвішеному, скажімо, на стрілі підйомного крана) зі швидкістю 1 м / с на висоту 50 м. можливо, завдання здається нескладною, але проблема в тому, що цей пристрій не має використовувати паливо, акумулятори або електричний кабель. Замість цього робот-підйомник повинен отримувати живлення від сонячних батарей, сонячних рефлекторів, лазерів або мікрохвильового випромінювання, т. Е. З тих джерел енергії, якими зручно користуватися в космосі.

Щоб перемогти в конкурсі Tether Challenge, команда повинна представити двометрові шматки троса вагою не більше двох грамів кожен; при цьому такий трос повинен витримувати навантаження на 50% більшу, ніж кращий зразок попереднього року. Мета цього конкурсу -стимулювати дослідження з розробки надлегких матеріалів, досить міцних, щоб їх можна було протягнути на 100 000 км в космос. На переможців чекають премії розміром 150 000,40 000 і 10 000 дол. (Щоб підкреслити складність завдання, в 2005 р - першому році конкурсу - премія не була присуджена нікому.)

Безумовно, що працює космічний ліфт здатний різко змінити космічну програму, а й у нього є свої недоліки. Так, траєкторія руху супутників по навколоземній орбіті постійно зсувається відносно Землі (бо Земля під ними обертається). Це означає, що з часом будь-який з супутників може зіткнутися з космічним ліфтом на швидкості 8 км / с; цього буде більш ніж достатньо, щоб порвати трос. Для запобігання подібної катастрофи в майбутньому доведеться або передбачати на кожному супутнику невеликі ракети, які дали б йому можливість обійти ліфт, або забезпечити сам трос невеликими ракетами, щоб він міг йти з траєкторії супутників.

Крім того, проблемою можуть стати зіткнення з мікрометеоритами - адже космічний ліфт підніметься далеко за межі земної атмосфери, яка в більшості випадків захищає нас від метеорів. Оскільки передбачити подібні зіткнення неможливо, космічний ліфт доведеться забезпечити додатковим захистом і, можливо, навіть відмовостійкими резервними системами. Проблему можуть являти собою і такі атмосферні явища, як урагани, приливні хвилі і шторми.



 Питома імпульс і ефективність двигуна |  гравітаційний маневр

 Де ж вони? |  На що вони схожі? |  Чудовиська і закон масштабу |  Фізика розвинених цивілізацій |  зорельоти |  прийдешні катастрофи |  Іонні та плазмові двигуни |  сонячні вітрила |  Прямоточний термоядерний двигун |  Імпульсний ядерний двигун |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати