facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА

ПРОБЛЕМЫ СОЗДАНИЯ КОСМИЧЕСКОГО ЛИФТА
Юрий Хлопков, профессор, доктор физико-математических наук, профессор

Андрей Вяткин , студент

Антон Хлопков, инженер

Зея Мьо Мьинт, докторант, кандидат физико-математических наук, докторант

Московский физико-технический институт, Россия

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Россия";

УДК: a629.76

Теоретически наиболее выгодным с экономической точки зрения доставки грузов и пассажиров в космос является русская идея «Космический лифт». Основные проблемы реализации проекта «Космический лифт» можно представить следующим образом: транс-, сверх- и гиперзвуковое обтекание элементов системы; трос – материалы, натяжение, форма сечения; влияние Луны и Солнца; сила Кориолиса; атмосферные явления; радиационные пояса; подвод энергии для подъемника; противовес.

Ключевые слова: Космический лифт, космическая транспортная система, трос космического лифта, углеродные нанотрубки.

Theoretically the most profitable with the economic point of view for freight delivery and passengers into the space is the Russian idea "The space elevator". The main problems of the Space Elevator project can be presented as follows: trans- super- and hypersonic flow of elements of system; cable – materials, tension, section form; influence of Moon and Sun; the Coriolis force; atmospheric phenomena; radiation belts; energy supply for the elevator; counterweight.

Keywords: Space elevator, space transportation system, cable of the space elevator, carbon nanotubes.

 

Этапы освоения околоземного космического пространства тесно связаны с фундаментальной физической проблемой – исследованием гиперзвукового движения. В практическом плане эта проблема связана с созданием многоразовых гиперзвуковых летательных аппаратов. В этом плане и в теоретическом и в практическом плане СССР неизменно занимал лидирующие позиции в мире. Это, не имеющие аналогов мире проекты «Буря», «Спираль», «Бор». Наиболее перспективным проектом, доведенным до испытательного изделия (60-70-е годы XX в.) был проект «Спираль».

Стоит упомянуть менее масштабный и менее успешный проект NASA, существовавший в тоже время, «Dyna-Soar», так и не достигший гиперзвуковых скоростей. Закрытие по ряду, с нашей точки зрения, несущественных соображений проекта «Спираль», как показало дальнейшее направление освоения космического пространства, было ошибкой политического руководства СССР.

                             

Гиперзвуковой самолет-разгонщик проекта «Спираль»                                                      Проект «Dyna-Soar»

 и космическая королевская яхта принцессы Амидолы

 с планеты Набу из фильма, вышедшего существенно позже,

«Скрытая угроза» космической саги «Звездные войны»

Дальнейшее развитие многоразовых гиперзвуковых летательных аппаратов пошло по программам-близнецам «SpaceShuttle» и «Буран» к настоящему времени закрытыми из-за высокой стоимости доставки грузов на космическую орбиту и страшных катастроф с кораблями «Challenger» и «Columbia». В настоящее время в стадии реализации находятся экономически более выгодные проекты «Клипер» и «FalconHTV-2». Однако теоретически наиболее выгодным с экономической точки зрения доставки грузов и пассажиров в космос является русская идея «Космический Лифт». Самой идее космического лифта сто с лишним лет. В 1895 году основатель космонавтики Константин Циолковский в одной из своих статей описал гигантское сооружение с тросом, протянутым к «Небесному дворцу» [1]. Туда надо было подниматься на лифте, чтобы потом лететь дальше в космос. Эту идею развил в фантастическом романе «Фонтаны рая» Артур Кларк [2].

Концептуальная схема космического лифта

Современный проект космического лифта (автор проекта Сатоми Катсуяма) состоит из специального противовеса, находящегося на высоте 96 000 километров, скинутого на Землю троса (своеобразный монорельс, который в натянутом состоянии соединит планету и противовес в жесткую систему). По канату поедет в небо подъемник - своего рода лифт.

Причем большую часть пути он будет подниматься за счет центробежной силы вращения Земли, и никакой энергии тратить не придется. Выше 36 тысяч километров челнок сам покатится к станции. Центр тяжести этой системы все время будет оставаться на геосинхронной орбите, так что вся конструкция будет двигаться вместе с Землей. Трос будет создан из углеродных нанотрубок, которые в 100 раз прочнее стали и в сотни раз легче. С помощью электродвигателя небольшая кабина, рассчитанная на 30 человек, будет подниматься со скоростью 200 километров в час. На высоте 36 тысяч километров, расположится орбитальная станция. Она станет конечным пунктом для космических туристов. А научные специалисты или астронавты смогут продолжать двигаться дальше. Не исключено, что позже трос будет доведен и до самой Луны.

Предположительно, лифт может стоить $ 12 млрд., а одно из возможных мест расположения стартовой платформы лифта - в Тихом океане недалеко от Эквадора. Этот район экватора находится за сотни километров от маршрутов коммерческих авиарейсов. Кроме того, известно, что ураганы никогда не пересекают экватор и здесь почти не бывает молний.

В США с 2005 года NASA вместе с компанией «Space Elevator Games» проводят соревнования в двух номинациях: «лучший трос» и «лучший подъемник». Призовой фонд - $ 4 млн. Собственные эксперименты проводит и компания LiftPort Inc. При успешной реализации проекта в будущем лифт, в соответствие с идеями Циолковского, станет стартовой площадкой для межпланетных полетов.

Одной из ключевых проблем при реализации проекта является трос. От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв в сочетании с низкой плотностью. Углеродные нанотрубки похоже представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей, хотя и требует использования передовых разработок и больших затрат иного рода.

Космический лифт должен выдерживать по крайней мере свой вес, весьма немалый из-за длины троса. Утолщение с одной стороны повышает прочность троса, с другой - прибавляет его вес, а следовательно и требуемую прочность. Нагрузка на него будет различаться в разных местах: в одних случаях участок троса должен выдерживать вес сегментов, находящихся ниже, в других - выдерживать центробежную силу, удерживающую верхние части троса на орбите. Для удовлетворения этому условию и для достижения оптимальности троса в каждой его точке, толщина его будет непостоянной.

Проблема утолщения троса. Можно показать, что с учётом гравитации Земли и центробежной силы (не учитывая влияние Луны и Солнца), сечение троса в зависимости от высоты будет описываться следующей формулой:

Здесь A(r)— площадь сечения троса как функция расстояния r от центра Земли. В формуле используются следующие константы:

  • A0 — площадь сечения троса на уровне поверхности Земли.
  • r — плотность материала троса.
  • s— предел прочности материала троса.
  • w — круговая частота вращения Земли вокруг своей оси, 7.292·10−5 радиан в секунду.
  • r0— расстояние между центром Земли и основанием троса. Оно приблизительно равно радиусу Земли, 6 378 км.
  • g0 ускорение свободного падения у основания троса, 9.780 м/с².

Это уравнение описывает трос, толщина которого сначала экспоненциально увеличивается, потом её рост замедляется на высоте нескольких земных радиусов, а потом она становится постоянной, достигнув в конце концов геостационарной орбиты. После этого толщина снова начинает уменьшаться. Таким образом, отношение площадей сечений троса у основания и на геостационарной орбите (r = 42 164 км) есть:

Подставив сюда плотность и прочность стали и диаметр троса на уровне Земли в 1 см, мы получим диаметр на уровне геостационарной орбиты в несколько сот километров, что означает, что сталь и прочие привычные нам материалы непригодны для строительства лифта.

Суммируя вышесказанное основные проблемы реализации проекта «Космический лифт» можно представить следующим образом [3]

Проблемы:

  • 1. Транс-, сверх- и гиперзвуковое обтекание элементов системы;
  • 2. Трос – материалы, натяжение, форма сечения;
  • 3. Влияние Луны и Солнца;
  • 4. Сила Кориолиса;
  • 5. Атмосферные явления;
  • 6. Радиационные пояса;
  • 7. Подвод энергии для подъемника.
  • 8. Противовес

Работа выполнена при поддержке РФФИ (Грант № 11-07-00300-а).

 

Литература:

  1. Циолковский К. Э. Исследование мировых пространств 1911-1912 гг. // Собр. соч., - М.: Изд. АН СССР, - 1954.
  2. Кларк Артур Фонтаны Рая. - М.: И.Л., - 1967.
  3. Вяткин А. В., Хлопков Ю.И. Космический лифт // Труды 55-ой всероссийской молодежной научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». - Долгопрудный-Жуковский, 2012. с. 30-32.
0
Ваша оценка: Нет Средняя: 10 (4 голоса)
Комментарии: 4

Milshtein Aleksandr

Улвекательная статья и актуальная тема исследования. Описаны интересные факты. Изложение материала последовательно и логично.

Kasumova Rena Jumshud

Очень интересная неприземленная тема. Здесь еще непочатый край расчетов. Необходимо учесть очень многие факторы. Но это приближает нас ко времени космических путешествий. Государства должны объединить свои и финансовые и потенциальные усилия для решения этой вселенской задачи. Это ведь нужно всем, а не только одному государству. Касумова Р.Дж.

Иванова Татьяна Александровна

Отлично.Моя оценка основывается на сильной аналитической основе исследовательской линии статьи.Очень интересная тема затронута в статье.Автор проводит всесторонний анализ выдвинутых в статье проблем.

Бороненко Марина Петровна

Эта работа является еще одним шагом к осуществлению фантастического будущего. Спасибо за надежду!
Комментарии: 4

Milshtein Aleksandr

Улвекательная статья и актуальная тема исследования. Описаны интересные факты. Изложение материала последовательно и логично.

Kasumova Rena Jumshud

Очень интересная неприземленная тема. Здесь еще непочатый край расчетов. Необходимо учесть очень многие факторы. Но это приближает нас ко времени космических путешествий. Государства должны объединить свои и финансовые и потенциальные усилия для решения этой вселенской задачи. Это ведь нужно всем, а не только одному государству. Касумова Р.Дж.

Иванова Татьяна Александровна

Отлично.Моя оценка основывается на сильной аналитической основе исследовательской линии статьи.Очень интересная тема затронута в статье.Автор проводит всесторонний анализ выдвинутых в статье проблем.

Бороненко Марина Петровна

Эта работа является еще одним шагом к осуществлению фантастического будущего. Спасибо за надежду!
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.