Космически асансьор ... На Юпитер?

100% оригинална концепция.

Космическият асансьор на Юпитер би бил много по-различен от този, построен на солидна планета (Image Credit: Jack Rometty).

Концепцията

Трябва да дойда чист. Когато за първи път обмислях да напиша пост в Medium за космически асансьори, щях да го направя на приложенията и използването на космически асансьори, базирани на Земята. Въпреки това, след по-малко от час проучвания, открих, че тази тема вече е доста добре проучена и нямаше нужда от моя до голяма степен спекулативен, основан на мнението принос по темата. Все още исках да направя публикация за космическите асансьори, но исках да направя нещо ново.

Така размишлявах върху изграждането на космически асансьори на други планети и луни на Слънчевата система, от които съм разбрал, че също е много добре проучен и документиран. Космическите асансьори на Луната могат да бъдат конструирани до лагрангийски точки Земя-Луна, където земната гравитация и Луната се отменят взаимно, а космическите асансьори на Марс са толкова практични, че биха могли да бъдат конструирани с днешните технологии и материали, поради ниската гравитация на планетата и все още сравнително бърза скорост на въртене.

Концепция за космически асансьор на Марс.

Чувствах се доста безполезна. Помислих си: „Какви други скални планети или луни са останали в Слънчевата система, които биха могли да използват практическите приложения на космически асансьор ?!“ И тогава промених въпроса. "Защо трябва да е скалиста планета?"

Защо Юпитер?

Космическите кораби на бъдещето вероятно ще трябва да използват гориво с ниска маса, нелетливи, за да постигнат максимална скорост на отработените газове и тяга. Пример за такъв космически кораб би бил кораб, който използва задвижване на синтез, комбиниращ два изотопа на водород, деутерий и тритий, в хелий за постигане на тяга. Деутерият и тритийът са фантастични източници на гориво за бъдещи космически кораби, но не ги намираме често на Земята поради факта, че гравитационното дърпане на Земята не е достатъчно силно, за да съдържа тези атоми с ниска маса.

Влезте в Юпитер. Юпитер е буквално 9/10 водород, а 1/10 хелий. В този момент си мислех как е възможно да се проектира космически асансьор, който да "изгребва" част от атмосферата на Юпитер в единия край и да пренеса част от тази маса нагоре през шахтата на асансьора до орбитална станция, далеч над атмосферата на Юпитер, до служат като депо за зареждане на гори за междупланетни (или може би дори междузвездни) космически кораби.

В близост до атмосферата на Юпитер от космическия кораб

Това приложение вероятно би могло да се използва на всеки от газовите гиганти, но Юпитер е просто най-близкият и практичен избор. Когато пътувате по-далеч от Слънчевата система, вече сте избягали от по-голямата част от гравитационната потенциална енергия на Слънцето, в този момент междузвезден пътник може да се запита защо са използвали толкова много гориво, за да се забавят до орбиталната скорост на Нептун, само да трябва да ускорят отново резервирането, за да продължат пътуването си.

Дизайнът

Традиционният космически асансьор се състои от четири основни съставни части; котва, която служи като основа, орбитална станция (или масивен обект), която служи като противотежест, вал или тефтер, който свързва двете, и алпинист или асансьор, който се изкачва и спуска по шахтата. Космическият асансьор трябва да бъде проектиран по такъв начин, че центърът на масата на цялата структура да орбитира в геостационарна орбита, така че центростремителната сила на противотежестта да е точно равна на силата на гравитация върху котвата, която да е закрепена към планетна повърхност. Тетърът винаги е в напрежение, така че асансьорът не предизвиква тежест на Земята, а орбитата не изисква допълнителна енергия (извън маневрените тласкачи), за да поддържа космическия асансьор стабилен.

Космически асансьор, базиран на Земята, който не изисква въвеждане на енергия, за да остане стабилен.

Проектирането на космически асансьор да работи в атмосферата на Юпитер ще бъде съвсем различно. Тъй като Юпитер няма твърда повърхност, "котвата" ще трябва да бъде атмосферна структура, която да стои на разстояние с напрежението на кабела и аеродинамичните сили. Липсата на твърда повърхност на Юпитер означава също, че технически няма геостационарна орбита. Това обаче не забранява изграждането на космически асансьор, стига центърът на масови орбити Юпитер в стабилна, кръгова орбита. Това е същата концепция като удължаване на кабели с еднаква маса от двата края на МКС, един към Земята и един далеч от Земята. Центърът на масата винаги ще бъде МКС, така че орбитата му ще продължи да бъде стабилна. Тоест, докато края на Земята на кабела удари атмосферата ...

Тук моят космически асансьор се отклонява най-много от този на традиционния дизайн. Тъй като единият край на космическия асансьор на Юпитер винаги би бил в атмосферата по дизайн, този край непрекъснато ще изпитва сила назад и тъй като тази сила е само в единия край на космическия асансьор, също и резултат от въртящия момент. Това ще изисква тяги както от котвата, така и от орбиталното съоръжение, за да се противодейства на тази двойка със сила и въртящ момент, за да се поддържа стабилна орбита.

Диаграма на космически асансьор на Юпитер, показващ атмосферното влачене като наклон.

Дизайнът на котвата може да бъде подобен на този на раменен дросел тук на Земята, където свръхзвуковият водород навлиза в единия край, се нагрява с помощта на масив от микровълни или лазери и след това се изгонва с още по-бързи скорости, за да създаде необходимата тяга за противодействие влаченето от атмосферата. По пътя, процент от тази маса ще бъде събран и изпратен до асансьорния вал, който да бъде съхранен в орбиталното съоръжение на бензиностанцията и да бъде използван за противодействащия тласък на станцията. Отначало предвидих котвата да се потопи в атмосферата на Юпитер, където налягането е същото като това на Земята: 1 бар.

Моят атмосферен „котва“ предварителен дизайн.

Масовият център на асансьора вероятно ще се движи в орбита сравнително близо до "повърхността" на Юпитер (където налягането му е същото като това на Земята, 1 бар), потенциално само на хиляда километра или над него. Това означава, че атмосферната скорост на котвата ще бъде огромна. За да се отчете това, котвата и асансьорният вал трябва да бъдат проектирани с диамантени свръхзвукови напречни сечения. Цялата дължина на шахтата ще се състои от няколко съединени секции, може би с дължина по сто метра или всяка, за да се осигури гъвкавост в дизайна.

Идеални идеи за асансьорната шахта, с водородния вал в средата и двата човешки транспортни шахти отвън. Обърнете внимание и на ставите, които в три измерения биха били сферични фуги, за да се осигури 360-градусова гъвкавост.

И накрая, орбиталната станция просто се нуждае от пристанища за докинг, за да позволи зареждане с гориво, и собствена тяга да осигури противодействащ момент на атмосферния въртящ момент от преди. Цялостната концепция за дизайн може да видите по-долу.

Окончателна концепция за дизайн (не за мащаб, хаха).

Смачкване на числата

Веднага разбрах, че има твърде много променливи, за да се опита да изчисли всичко това на ръка, затова създадох програма MATLAB, която да ми помогне итеративно да реша за оптимален дизайн. Първата стъпка беше да се определят някои определящи характеристики на моя асансьор, така че да няма толкова много променливи. Използвах огромния си набор от инженерна интуиция, за да избера някои първоначални параметри. Тези параметри с обосновка са включени по-долу:

  • Орбитално съоръжение на 2000 км, където атмосферното налягане на Юпитер е същото като Земното LEO (където орбитата на МКС). Това е достатъчно голяма надморска височина, за да може космическите кораби да се зареждат от гориво, но също така минимизира дължината на асансьора, спестявайки разходи за материали и конструкция.
  • Свръхзвукови коефициенти на съпротивление на вала и котвата съответно 0,2 и 0,5, тъй като свръхзвуковите коефициенти на съпротивление обикновено са относително ниски.
  • Напречното сечение на асансьора е диамантена форма с дължина 10 метра и ширина 3,5 метра. Това е достатъчно голямо, за да позволи транспортирането на големи полезни товари нагоре и надолу, както и масата на водород.
  • Размерите на котвата са 35 * 35 метра, с дължина 100 метра.
  • Събират се 12 kg / s водород за пълнене на резервоара за зареждане. Това е достатъчно, за да напълните Saturn V за ~ 46 часа, което изглежда справедливо.

Следващата стъпка беше да се определи силата на влачене върху асансьорната шахта. Формулата за сила на влачене е следната:

Формулиране на сила на драг.

Където:

  • rho = плътност на въздуха
  • A = площ на повърхността във въздушния поток
  • C_D = коефициент на влачене
  • v = скорост на въздушния поток

Определянето на силата на влачене върху котвата е лесно, тъй като всички тези параметри остават постоянни на постоянна височина, като самолет. Въпреки това шахтата на асансьора по-малко прилича на самолет и по-скоро като люлеене на кофа на въже около вас наистина бързо. Кофата (орбитална станция) има най-голяма скорост, докато скоростта на въжето (валът) зависи от разстоянието от вас и има по-бавна скорост по-близо до тялото ви. Ето защо решението за силата на влачене върху асансьорната шахта беше толкова трудно. Буквално всяка променлива се променя. Атмосферната плътност на Юпитер става по-слаба на по-голяма надморска височина, а скоростта става по-бърза до орбиталната станция.

Космически асансьор опрости до степен, че това е просто въртяща се кофа с вода. (* Не се появява нищо неподозиращо слабо дете за люлеене)

Решаването на плътността на въздуха на Юпитер само по себе си беше проблем, тъй като не можах да намеря онлайн модел, който представлява атмосферните условия на Юпитер. Всъщност трябваше да измисля собствени формули за моделиране на налягане и температура въз основа на данни от Уикипедия и след това да използвам закона за идеалния газ, за ​​да реша плътността на въздуха. След като всички тези променливи се смачкаха, можех да образувам интеграл, който да реша за влаченето на кабела.

Атмосферните температури и налягането на Юпитер с надморска височина.

След като получих общата сила на влачене като неразделна над височината, можех да определя силата и въртящия момент, които атмосферата на Юпитер би предизвикала върху асансьора ... Като замахване на същата кофа отпред по пътя на листната духалка, която я бута назад. Това ще ми позволи да определя силата на двигателите, която би осигурила противодействащите силни тяги на това атмосферно съпротивление. Това беше просто уравнение на статиката:

Image казва всичко.

Отначало обмислях да използвам напълно отделен двигател, за да осигуря тягата, подобно на термоядрен синтез или надупчена химическа ракета, използвайки част от водорода, който се събира. Но тогава разбрах, че тази котва вече е проектирана като гигантски всмукващ въздух, всмукващ въздух като рамета, и всичко, което ще трябва да направи, е да събере водорода, който му е необходим за орбиталното съоръжение, и след това да загрее останалото като ад увеличете скоростта си от обратния край, за да създадете тяга. За да определя тази температура, трябва да знам необходимата скорост на отработените газове и да определя, че ще трябва да реша за масовия дебит. Лесна работа.

Уравнение на масовия дебитУравнение на тягата.

„A” тук е нашата зона на прием. Добре, така че има този малък проблем да не разширя накрайника си до атмосферното налягане (Pe-Po в уравнението), което ще намали малко от общата ми тяга, но аз пуснах бърз крах на номера и установих, че не повлияйте много, когато говорите за тяги от порядъка на 10 ⁸ N (Да, това е колко може да ни е необходимо). Така че за моите намерения и цели, тягата наистина е само масовият дебит, умножен по скоростта на отработените газове. Това би ми позволило да реша скоростта на отработените газове и от своя страна температурата на камерата за “горене” при стандартна конфигурация на раме.

Температурите в камерата, необходими за този „ramjet“, са далеч над традиционните ракетни двигатели тук на Земята, така че за загряване на входящия въздух до подходящи температури е необходим различен метод, различен от горенето. В този момент имаше само едно решение; микровълнови печки. Но микровълните вземат сила. За да решите за мощност, буквално трябва да разберете как да загрявате входящия газ, пътуващ с ~ 40 000 m / s от около 200 K до> 8000 K в разстоянието от вътрешната дължина на котвата (може би сто метра?). Да, ще ни трябва мощен ядрен реактор.

Слънцето, от което 8000 К е по-горещо от повърхността на…

Сега имаме кофа, която се върти около Юпитер с хиперзвукови скорости, крещящи през атмосферата и противодействайки на всички сили със собствен набор двигатели, транспортирайки маса до 2000 километров вал до орбитална станция, която да служи като бензиностанция. Това поражда още един проблем ... Исак Нютон най-добре (или най-лошото).

Когато непрекъснато транспортирате маса нагоре към асансьорния вал, вие предизвиквате получената сила надолу върху асансьорната конструкция. Не е много (в сравнение с масата на целия асансьор), но би било достатъчно, за да дестабилизира орбитата си за няколко дни или седмици. Това може просто да се противодейства, като се проектира котвата като своеобразна крила, под малък ъгъл на атака, за да се създаде повдигаща сила на асансьора, която да я поддържа стабилна.

Всичко останало беше оставено на науката. След това пусках програмата няколко пъти с няколко различни котвени височини, за да открия коя от тях даде най-привлекателните резултати. Ето няколко примера:

Котва при 0 km (атмосферно налягане 1 bar), с важни дизайнерски ограничения.

Първо пробвах с котвата при 1 бар атмосферно налягане, или 0 км. Първо обърнете внимание, че тягата е гаргантска, нещо от порядъка на 10¹³ N, или почти милион ракети Saturn V. Второ, масовият дебит е зверски и вероятно би бил достатъчен за разкъсване на всякакъв вид структура на котва на парчета. Скоростта на изгорелите газове е голяма част от скоростта на светлината, а температурата на горивната камера е по-гореща от повърхностите на сини гигантски звезди. И накрая, необходимата мощност за загряване на камерата с микровълни и / или лазери е нещо като продукцията на 25 000 реактора за ядрено делене. Това е просто глупаво. Очевидно е, че котвата трябва да бъде по-високо в атмосферата, където съпротивлението ще бъде по-ниско.

След няколко повторения бях най-доволен от параметрите на моя асансьор, когато котвата беше на надморска височина от 237 км:

Котва на 237 км, с подчертани важни дизайнерски ограничения.

Тягата тук е малко висока, ~ 5 * 10⁸ N (15 Saturn V's), а температурата в камерата надвишава 8000 K с доста голямо количество (по-горещо от повърхността на слънцето), но много от другите свойства са доста справедливи. Масовият дебит е под 2000 kg / s, което не е невероятно количество стрес върху котвата, а скоростта на изгорелите газове е в диапазона на теоретизираните ракети за делене и синтез на близкото (иш) бъдеще. Мощността, необходима за загряване на постъпващия газ до правилната скорост, е сравнима с тази на съвременните реактори за делене със среден размер, които захранват градовете на Земята, а атмосферата все още е достатъчно дебела, за да събере достатъчно гориво за нашия зареждащ пункт.

заключение

Възможно ли е? Не с днешните технологии, не. Ще трябва да направим няколко скока в задвижването, ядрената енергия, термичния контрол и науката за материалите, за да стане тази идея практична.

Но дали е практично? Доста вероятно. Ако корабите трябваше само да носят достатъчно гориво, за да стигнат до Юпитер, вместо да доставят цялото гориво, за да се върнат, корабите могат да бъдат построени по-големи и по-бързи, което от своя страна увеличава тяхната товароносимост и обхват.

Облачен град, Беспин, от поредицата

И накрая, би било готино? По дяволите, да! Помислете само колко страхотно би било да има мегаструктура за събиране на гориво в орбита на Юпитер при тази ниска орбита! Това би бил масивен научен и инженерен подвиг. Освен това ще изглежда страхотно да се приближавате до кораби, като един от онези странни плаващи градове от Междузвездни войни на Беспин (само с главата надолу?)

Прекарах ли много време за този проект? Вероятно, да. Благодаря за прочетеното!