מעלית חלל ... על צדק?

קונספט 100% מקורי.

מעלית חלל ביופיטר תהיה שונה בהרבה מזו שנבנתה על כוכב לכת מוצק (קרדיט תמונה: ג'ק רומטי).

הרעיון

אני צריך לבוא נקי. כאשר שקלתי לראשונה לכתוב פוסט ב- Medium על מעליות חלל, התכוונתי לעשות זאת על היישומים והשימושים של מעליות שטח מבוססות כדור הארץ. עם זאת, לאחר פחות משעה של מחקר, גיליתי שהנושא הזה כבר נחקר די טוב, ולא היה לי צורך בתשומות הספקולטיביות שלי, מבוססות הדעות בנושא. עדיין רציתי לעשות פוסט בנושא מעליות חלל, אבל רציתי לעשות משהו חדש.

אז הרהרתי בבניית מעליות חלל בכוכבי לכת וירחים אחרים במערכת השמש, שמצאתי לצערי, גם כן נחקר ותועד היטב. מעליות חלל על הירח ניתנות לבניית נקודות לגרנגיאניות של ירח-ירח בהן כוח המשיכה של כדור הארץ והירח מבטלים זה את זה, ומעליות החלל של מאדים הן כל כך מעשיות שניתן היה לבנותן עם הטכנולוגיה והחומרים של ימינו, בגלל כוח הכבידה הנמוך של כוכב הלכת ועדיין קצב סיבוב מהיר יחסית.

מושג מעלית חלל של מאדים.

הרגשתי די חסר תועלת. חשבתי לעצמי, "איזה כוכבי לכת או ירחים סלעיים אחרים נותרו במערכת השמש שיכולים להשתמש ביישומים המעשיים של מעלית חלל ?!" ואז שיניתי את השאלה. "למה זה צריך להיות כוכב לכת סלעי?"

למה יופיטר?

ספינות חלל בעתיד יצטרכו ככל הנראה להשתמש בדלקים בעלי מסות נמוכות ולא נדיפות על מנת להשיג מהירות ודחיפה מירבית של פליטה. דוגמה לחללית כזו יכולה להיות ספינה המשתמשת בכונן היתוך, המשלב שני איזוטופים של מימן, Deuterium ו- Tritium, להליום כדי להשיג דחף. Deuterium and tritium הם מקורות דלק נפלאים לחלליות עתידיות, אך אנו לא מוצאים אותם לעיתים קרובות על פני כדור הארץ בגלל העובדה שמשיכת הכבידה של כדור הארץ אינה חזקה מספיק בכדי להכיל אטומים בעלי מסה נמוכה.

היכנס לצדק. יופיטר הוא ממש מימן 9/10, ו 1/10 הליום. בשלב זה חשבתי איך יתכן לעצב מעלית חלל כדי "לזלף" חלק מהאווירה של צדק בקצה אחד ולהעביר חלק מאותה מסה במעלה המעלית לתחנת מסלול, הרחק מעל האווירה של צדק, אל לשמש כמחסן תדלוק לחלליות בין-כוכביות (או אולי אפילו בין כוכבים).

מקרוב של האווירה של צדק מחללית ג'ונו.

אפשר להשתמש באפליקציה הזו על כל אחת מענקיות הגז, אך צדק הוא פשוט הבחירה הקרובה והמעשית ביותר. כשאתה הולך רחוק יותר ממערכת השמש, כבר ברחת מרוב האנרגיה הפוטנציאלית הכבידה של השמש, ובשלב זה מטייל בין כוכבים יכול לשאול את עצמם מדוע הם השתמשו בכל כך הרבה דלק כדי להאט את עצמם במהירות המסלול של נפטון, רק צריך לחזור ולעשות מהירות כדי להמשיך במסע שלהם.

העיצוב

מעלית חלל מסורתית מורכבת מארבעה בוחרים עיקריים; עוגן שישמש כבסיס, תחנת מסלול (או חפץ מסיבי) לשמש כמשקל נגד, פיר או קשירה המחברת בין השניים, ומטפס או מכונית מעלית, העולה ויורדת את הפיר. יש לתכנן מעלית חלל בצורה כזו שמרכז המסה של המבנה כולו מקיף את מסלולו הגיאוסטציוני, כך שהכוח המרכזי של המשקל הנגדי שווה בדיוק לכוח הכובד על העוגן, המהודק למשטח פלנטרי. הקישור נמצא תמיד במתח, כך שהמעלית לא מייצרת משקל על כדור הארץ, והמסלול לא דורש אנרגיה נוספת (מעבר לדחפני התמרון) בכדי לשמור על מעלית החלל יציבה.

מעלית חלל מבוססת כדור הארץ, שאינה דורשת הזנת אנרגיה בכדי להישאר יציבה.

תכנון מעלית חלל שתפעל בתנאי האווירה של צדק יהיה שונה לגמרי. מכיוון שליופיטר אין משטח יציב, "העוגן" יהיה חייב להיות מבנה אטמוספרי, תוך שהוא נשאר עם מתח הכבל וכוחות אווירודינמיים. חסרונו של יופיטר במשטח יציב פירושו גם כי מבחינה טכנית אין מסלול גיאוסטציוני. אולם אין זה אוסר על הקמת מעלית חלל, כל עוד מרכז ההמונים מקיף את צדק במסלול יציב ומעגלי. זהו אותו מושג כמו הרחבת כבלים בעלי מסה שווה משני קצות ה- ISS, אחד לכיוון כדור הארץ, ואחד הרחק מכדור הארץ. מרכז המסה תמיד יהיה ה- ISS, כך שהמסלול שלו ימשיך להיות יציב. כלומר, עד שקצה הכבל של הכבל פוגע באטמוספרה ...

זה המקום בו מעלית החלל שלי חורגת הכי הרבה מזו של עיצוב מסורתי. מכיוון שקצה אחד של מעלית חלל יופיטר תמיד יהיה באווירה על ידי תכנון, קצה זה יחווה כל הזמן כוח לאחור, ומכיוון שכוח זה נמצא רק בקצה אחד של מעלית החלל, גם מומנט שנוצר. זה ידרוש דחיפות הן מהעוגן והן ממתקן המסלול כדי לנטרל את הזוג-מומנט הכוח הזה כדי לשמור על מסלול יציב.

תרשים של מעלית חלל יופיטר, המציגה גרירה אטמוספרית כשיפוע.

העיצוב של העוגן יכול להיות דומה לזה של מותחן ramjet כאן על כדור הארץ, שם המימן העל-קולי נכנס לקצה אחד, מחומם באמצעות מערך של מיקרוגלים או לייזרים, ואז גורש במהירות גבוהה עוד יותר כדי לייצר את הדחף הנדרש כדי לנטרל הגרירה מהאווירה. לאורך הדרך, אחוז מהמיסה הזו ייאסף ונשלח למעלה לפיר המעלית שיוחסן במתקן המסלול לתחנת התדלוק, וישמש למערך הנגד של התחנה. בהתחלה ראיתי את העוגן לטבול באטמוספירה של צדק, שם הלחץ זהה לזה בכדור הארץ: 1 בר.

העיצוב המקדים שלי

מרכז המסה של המעלית עשוי, ככל הנראה, למסלול קרוב יחסית ל"שטח "של צדק (שם הלחץ שלו זהה לזה שעל פני כדור הארץ, בר 1), פוטנציאלית רק אלף קילומטר לערך. המשמעות היא שמהירות האטמוספירה של העוגן תהיה אדירה. כדי להסביר זאת, יש לתכנן את פיר העיגון והמעלית עם חתכים רוחביים מעל פני אוויר יהלומים. כל אורך המוט מורכב מכמה קטעים מפרקים, אולי באורך של כמאה מטרים בערך כל אחד, כדי לאפשר גמישות בתכנון.

רעיונות מושגים לפיר המעלית, עם פיר המימן באמצע, ושני פירי התובלה האנושיים מבחוץ. שימו לב גם למפרקים, אשר בתלת מימד, יהיו מפרקי כדור בכדי לאפשר גמישות של 360 מעלות.

לבסוף, תחנת המסלול פשוט זקוקה ליציאות עגינה בכדי לאפשר תדלוק, והיא מותק משלה כדי לספק מומנט מנוגד למומנט האטמוספרי מלפני כן. את הרעיון העיצובי הכללי ניתן לראות למטה.

מושג עיצוב סופי (לא בסדר גודל, חחח).

מרסק את המספרים

ידעתי מייד שיש יותר מדי משתנים לנסות ולחשב את כל זה ביד, אז יצרתי תוכנית MATLAB שתעזור לי לפתור איטרטיבית לעיצוב מיטבי. הצעד הראשון היה להגדיר כמה מאפיינים מגדירים של המעלית שלי כך שלא היו כל כך הרבה משתנים. השתמשתי במערך האינטואיציה ההנדסי שלי בכדי לבחור כמה פרמטרים ראשוניים. פרמטרים אלה עם ההצדקה כלולים להלן:

  • מתקן אורביטאלי בגובה 2000 ק"מ, כאשר הלחץ האטמוספרי של צדק זהה לכדור הארץ LEO (שם המסלול של ISS). זהו גובה מספיק גבוה בכדי לאפשר לחלליות לתדלק ממנה, אך גם למזער את אורך המעלית, וחוסך עלויות על חומרים ובנייה.
  • מקדמי גרירה על-קוליים של המוט והעוגן של 0.2 ו 0.5 בהתאמה, שכן מקדמי גרירה על-קוליים הם בדרך כלל נמוכים יחסית.
  • חתך פיר המעלית הוא צורת יהלום באורך של 10 מטר ורוחב של 3.5 מטר. זה גדול דיו כדי לאפשר העברת מטענים גדולים למעלה ולמטה, כמו גם המוני מימן.
  • מידות העוגן הן צריכת 35 * 35 מטר באורך של 100 מטר.
  • 12 ק"ג / ש 'מימן נאספים למילוי מיכל התדלוק. די בכך כדי למלא את שבתאי V בתוך 46 שעות, מה שנראה הוגן.

השלב הבא היה לקבוע את כוח הגרר על פיר המעלית. הנוסחה לכוח גרור היא כדלקמן:

ניסוח כוח גרור.

איפה:

  • rho = צפיפות אוויר
  • A = שטח פנים בזרם אוויר
  • C_D = מקדם גרירה
  • v = מהירות זרם אוויר

קביעת כוח הגרירה על העוגן היא קלה, מכיוון שכל אותם פרמטרים נשארים קבועים בגובה קבוע, כמו מטוס. עם זאת, פיר המעלית פחות דומה למטוס, ויותר כמו להניף דלי על חבל סביבך ממש מהר. לדלי (תחנת מסלול) יש המהירות המהירה ביותר, ואילו מהירות החבל (הפיר) תלויה במרחק ממך, ומהירותה איטית יותר קרוב לגופך. זו הסיבה שהפתרון עבור כוח הגרר על פיר המעלית היה כה קשה. פשוטו כמשמעו כל משתנה משתנה. הצפיפות האטמוספרית של יופיטר נעשית גמורה יותר בגבהים הגבוהים יותר, והמהירות מתקרבת יותר מהר לתחנת המסלול.

מעלית חלל מפשטת עד כדי כך שהיא רק דלי מים מסתובב. (* דלי מתנדנד של ילד חלש שלא מערער לא מוצג *)

הפיתרון לצפיפות האוויר של צדק היה כשלעצמו בעיה מכיוון שלא יכולתי למצוא שום סוג של דגם מקוון שמייצג את התנאים האטמוספריים של צדק. הייתי צריך להמציא בפועל את הנוסחאות שלי כדי לדגמן לחץ וטמפרטורה על סמך נתונים מוויקיפדיה, ואז להשתמש בחוק הגז האידיאלי כדי לפתור לצפיפות אוויר. ברגע שעברתי את כל המשתנים הללו, יכולתי ליצור אינטגרל לפתור עבור הגרירה בכבל.

הטמפרטורות והלחצים בגובה של יופיטר.

ברגע שיש לי את כוח הגרר הכללי כאינטגרל מעל הגובה, יכולתי לקבוע את הכוח ואת המומנט שהאווירה של צדק תגרום במעלית ... כמו להניף את אותו דלי מלפני דרך נתיב מפוח עלים שדוחף אותו לאחור. זה יאפשר לי לקבוע את כוח המנועים שיספקו את הדחפים המנוגדים לדחף האטמוספרי הזה. זו הייתה משוואה סטטיסטית פשוטה:

תמונה אומרת הכל.

בהתחלה, שקלתי להשתמש במנוע נפרד לחלוטין בכדי לספק את הדחף, כמו כונן היתוך או רקטה כימית מרופדת באמצעות חלק מהמימן שנאסף. אבל אז הבנתי שהעוגן הזה כבר מעוצב כמו צריכת ענק המוצצת אוויר כמו ראמג'ט, וכל מה שהוא צריך לעשות זה לאסוף את המימן הדרוש לו למתקן המסלול, ואז לחמם את השאר כמו לעזאזל כדי הגדל את מהירותו בקצה האחורי ליצירת דחף. כדי לקבוע טמפרטורה זו, אצטרך לדעת את מהירות הפליטה הנדרשת, ולקבוע כי אצטרך לפתור את קצב זרימת המסה. קלי קלות.

משוואת קצב זרימה המונית.משוואת דחף.

"A" כאן הוא אזור הצריכה שלנו. אוקיי, אז יש את הבעיה הקטנה הזו של לא להרחיב את הזרבובית שלי ללחץ הסביבה (Pe-Po במשוואה), מה שיפגע מעט מהדחף הכולל שלי, אבל רצתי את הכה מספרים מהיר וגיליתי שזה לא השפיע עליו מאוד כשמדברים על דחיפות בסדר גודל של 10⁸ N (כן, זה כמה שאנחנו צריכים). אז לענייניי ולמטרתי, הדחף הוא באמת רק קצב זרימת המסה כפול במהירות הפליטה. זה יאפשר לי לפתור עבור מהירות פליטה, בתורו, את הטמפרטורה של תא "הבעירה" בהנחה של תצורת ramjet סטנדרטית.

הטמפרטורות בתא הנדרשות ל"רמג'ט "זה נמצאות הרבה מעל מנועי הרמג'ט המסורתיים כאן בכדור הארץ, ולכן דרושה שיטה אחרת מלבד בעירה כדי לחמם את האוויר הנכנס לטמפרטורות מתאימות. בשלב זה, היה רק ​​פיתרון אחד; מיקרוגל. אבל מיקרוגל לוקח כוח. כדי לפתור כוח, פשוטו כמשמעו עליכם לגלות כיצד לחמם גז נכנסות הנוסע במהירות של ~ 40,000 מ / ש בערך של 200 K עד> 8000 K במרחק האורך הפנימי של העוגן (אולי מאה מטר?). כן, אנו זקוקים לכור גרעיני חזק.

השמש, שמתוכם 8000 K חמה יותר משטח ה ...

עכשיו יש לנו דלי שמסתובב סביב צדק במהירויות היפראסוניות שזועקות באטמוספירה ומנוגד את כל הכוחות באמצעות סט מנועים משלה, ומעביר מסה במעלה 2000 מטר לתחנת מסלול כדי לשמש עמדת תדלוק. זה מעלה בעיה אחת נוספת ... אייזק ניוטון במיטבו (או הגרוע ביותר).

כשאתה מעביר מסה ברציפות במעלה מעלית, אתה גורם כוח שנוצר כלפי מטה על מבנה המעלית. זה לא הרבה (בהשוואה למסת המעלית כולה), אבל זה היה מספיק כדי לערער את היציבות במסלולו במשך כמה ימים או שבועות. ניתן פשוט לנטרל את זה על ידי תכנון העוגן כפרפרת אוויר מסוגים שונים, בזווית התקיפה קטנה ליצירת כוח הרמה כלפי מעלה במעלית כדי לשמור על יציבותו.

כל השאר נותר למדע. לאחר מכן ניהלתי את התוכנית מספר פעמים עם כמה גבהי עוגן שונים כדי למצוא איזו מהן הניבה את התוצאות הכי מושכות. הנה כמה דוגמאות:

עוגן ב -0 ק

תחילה ניסיתי עם העוגן בבר של לחץ אטמוספרי, או 0 ק"מ. שים לב ראשונה שהדחף הוא גרגנטואן, משהו בסדר גודל של 10¹³ N, או כמעט מיליון רקטות שבתאי V. שנית, קצב זרימת המסה הוא מעורר זוועה וכנראה שיספיק בכדי לקרוע כל סוג של מבנה עוגן לחתיכות. מהירות הפליטה היא חלק ניכר ממהירות האור, וטמפרטורת תא הבעירה חמה יותר משטחי כוכבי ענק כחולים. לבסוף, הכוח הדרוש לחימום תא זה במיקרוגל ו / או בלייזרים דומה לפלט של 25,000 כורים ביקוריים גרעיניים מודרניים. זה פשוט מטופש. ברור שהעוגן צריך להיות גבוה יותר באטמוספירה בה הגרירה תהיה נמוכה יותר.

לאחר מספר איטרציות, הייתי מרוצה ביותר מפרמטרי המעלית שלי כאשר העוגן היה בגובה של 237 ק"מ:

עוגן בגובה 237 ק

הדחף כאן מעט גבוה, ~ 5 * 10⁸ N (15 שבתאי V), וטמפרטורת החדר עולה על 8000 K בכמות נאה (חמה יותר משטח השמש), אך רבים מהמאפיינים האחרים די הוגנים. קצב זרימת ההמונים הוא מתחת ל 2000 ק"ג / ש ', שאינו כמות מאמץ שלא תאמן על העוגן, ומהירות הפליטה נמצאת בטווח של ביקוע תיאורטי וטילי פיוז'ן של העתיד הקרוב (האיש). הכוח הנדרש כדי לחמם את הגז הנכנס למהירות הנכונה דומה לזה של כורי ביקוע בינוניים מודרניים המפעילים ערים על פני כדור הארץ, והאווירה עדיין עבה מספיק כדי לאסוף מספיק דלק למוצב התדלוק שלנו.

סיכום

האם זה בר ביצוע? לא עם הטכנולוגיה של ימינו, לא. נצטרך לבצע כמה קפיצות בהנעה, כוח גרעיני, בקרה תרמית ומדע חומרים כדי שהרעיון הזה יהפוך למעשי.

אבל האם זה מעשי? ייתכן מאוד. אם אוניות היו צריכות רק לשאת מספיק דלק כדי להגיע ליופיטר, במקום להעביר את כל הדלק כדי לחזור גם כן, ניתן היה לבנות ספינות גדולות ומהירות יותר, ובכך להגדיל את כושר הנשיאה ואת טווח יכולתן.

Cloud City, Bespin, מסדרת מלחמת הכוכבים.

סוף סוף, זה יהיה מגניב? לעזאזל כן זה היה! רק תחשוב על כמה מדהים זה שיהיה מגה-מבנה אוסף דלק המקיף את צדק באותה שפל של מסלול! זה יהיה הישג אדיר במדע והנדסה. יתר על כן, זה ייראה מדהים לספינות המתקרבות, כמו אחת מאותן ערים צפות ומוזרות ממלחמת הכוכבים בבספין (רק הפוך?)

האם ביליתי יותר מדי זמן בפרויקט הזה? כנראה שכן. תודה על הקריאה!