Startovací smyčka nebo Lofstromova smyčka je publikovaný návrh lanového dopravního systému určeného k vypuštění nákladu na nízkou oběžnou dráhu Země. Projekt je založen na smyčkové šňůře (smyčce), která se nepřetržitě pohybuje vysokou rychlostí (12-14 km/s) uvnitř vakuové trubice. Aby se šňůra nedostala do kontaktu se stěnami trubky, jsou od sebe odděleny magnetickým závěsem, podobně jako se to dělá v magnetoplánu . Obecně je toto zařízení grandiózní stavba dlouhá asi 2000 km a samotná smyčka musí díky hybnosti rotující šňůry stoupat do výšky až 80 km a zůstat na ní. Rotace šňůry v podstatě přenáší váhu celé konstrukce na dvojici magnetických ložisek, která ji podpírají, jedno na každém konci.
Startovací smyčka je určena pro neraketové starty kosmických lodí o hmotnosti do 5 tun pomocí elektromagnetického zrychlení, a to jak na nízkou oběžnou dráhu Země, tak i mimo ni. Zrychlení se provádí na ploché části kabelu, která je mimo hustou atmosféru [1] .
Zveřejněný odhad nákladů na funkční startovací smyčku se ukázal být výrazně nižší než u kosmického výtahu , zatímco navrhovaný systém má vyšší startovací výkon, nižší cenu a stejnou nebo dokonce vyšší kapacitu užitečného zatížení než jeho protějšek [2] . Na rozdíl od vesmírného výtahu nevyžaduje žádný vývoj nových materiálů [3] .
Systém je navržen tak, aby podporoval starty vesmírných turistů , jakož i průzkum vesmíru a kolonizaci vesmíru , s relativně mírnou g- sílou 3g.
Startovací smyčka byla poprvé popsána Keithem Lofstromem v listopadu 1981 ve fóru čtenářů American Astronautical Society a v srpnu 1982 v L5 Society News. Podrobnější studii myšlenky provedl Lofstrom v letech 1983-1985. [3]
V roce 1982 publikoval Paul Birch v časopise Journal of the British Interplanetary Society sérii článků popisujících orbitální prstence a také návrh, který nazval „Partial Orbital Ring System“ (PSOC) [4] . V rafinované verzi SCOC jsou orbitální prstence uspořádány tak, že vypuštěný objekt je urychlován elektromagnetickým polem po trajektorii vhodné pro vypouštění lidí do vesmíru. Ale pokud se v orbitálním prstenci použije supravodivá magnetická levitace , pak se ve startovací smyčce použije elektromagnetické zavěšení.
Odpalovací smyčka je struktura o velikosti asi 2000 km. Samotná smyčka stoupá ze zemského povrchu do výšky 80 km, prochází v této výšce 2000 km, opět klesá k zemskému povrchu, otáčí se a pak se opakuje celou cestu zpět do výchozího bodu. Smyčka má tvar trubky, uvnitř je dutá a nazývá se pochva . Uvnitř pláště je zavěšena další pevná trubka zvaná rotor , což je šňůra nebo řetěz. Rotor je ze železa a má průměr cca 5 cm.Pohybuje se po kruhu uvnitř smyčky rychlostí 14 km/s.
Přestože je smyčka velmi dlouhá, asi 4000 km, samotný rotor je docela tenký, má průměr asi 5 cm a plášť není o moc větší. Rotor je vyroben z feromagnetického železa ve formě šňůry nebo trubky, s podélnými kompenzátory přibližně každý metr. Rotor je oddělen od pláště servostabilizačními magnetickými ložisky. Plášť je utěsněn, přičemž je udržováno vakuum, aby se minimalizoval odpor rotoru.
V klidu bude smyčka na úrovni země. Poté bude rotor urychlován lineárním motorem , který spotřebuje několik stovek megawattů energie. S rostoucí rychlostí se rotor ohne a získá tvar oblouku. Skořápka ji přinutí do zatáčky, která je strmější než balistická křivka. Rotor zase přenese odstředivou sílu na plášť a udrží ho ve vzduchu. Smyčka získá požadovaný tvar a maximální výškový limit je ≈80 km připojením kabelu k zemi. U generátoru o výkonu 300 MW bude dosažení plné rychlosti trvat asi dva měsíce. Po úplném roztočení se rotor otočí jednou za pět minut.
Po zvednutí konstrukce bude potřeba neustálé doplňování její energie pro kompenzaci ztráty energie v magnetických ložiscích, pro stabilizaci konstrukce a také pro dorovnání ztrát způsobených nedokonalostí vakuového pláště. To vše si vyžádá asi 200 MW výkonu, nepočítáme-li dodatečnou energii pro vypouštění vesmírných vozidel [3] .
Ke startu je vozidlo zvednuto na „výtahovém laně“, které visí ze západní nakládací stanice z výšky 80 km a je umístěno na vodicích lištách horního stupně. Urychlovací jednotka vytváří magnetické pole, díky kterému vznikají v rychle se pohybujícím rotoru vířivé proudy . Jsou to oni, kdo zvedne náklad nad lano a posune ho dopředu se zrychlením 3g (30 m/s²). Užitečné zatížení je urychlováno rotorem, dokud nedosáhne požadované orbitální rychlosti, načež opustí urychlovací sekci.
Pokud je potřeba stabilní nebo kruhová dráha, pak v okamžiku, kdy náklad dosáhne nejvyššího bodu trajektorie, je nutné zapnout palubní raketový motor („booster“) nebo jiné prostředky nutné k nasměrování trajektorie na příslušnou oběžnou dráhu kolem Země [3] .
Metoda vířivých proudů je kompaktní, lehká a výkonná, ale neefektivní. Při každém startu se vlivem ztrátového výkonu zvýší teplota rotoru o 80 stupňů. Pokud jsou startovací závaží příliš blízko u sebe, teplota rotoru se může přiblížit 770 °C (1043 K), po čemž materiál rotoru ztratí své feromagnetické vlastnosti a bude narušeno jeho těsnění.
Dráhy s perigeem 80 km jsou nestabilní kvůli aerodynamickému brzdění (kosmická loď rychle ztrácí výšku a padá k Zemi), ale kromě těchto drah je samotná startovací smyčka schopna přímo shazovat užitečné zatížení na oběžné dráhy vyžadující rychlosti nad únikem. rychlost .provést gravitační manévr kolem Měsíce a spadnout na jiné vzdálené dráhy, včetně těch nejblíže k trojským bodům .
Pro zajištění startu na kruhové dráhy ze startovací smyčky bude potřeba relativně malý posilovací motor, který se zapne v bodě apogea a koriguje dráhu. Pro vstup na geosynchronní dráhu (GSO) bude nutné zvýšit rychlost o cca 1,6 km/s a pro dosažení nízké oběžné dráhy (LO) ve výšce 500 km bude přídavek na rychlost pouhých 120 m/s být vyžadováno. Konvenční rakety vyžadují zvýšení rychlosti přibližně o 10 a 14 km/s k dosažení NO a GSO [3] .
Lofstromova startovací smyčka je blízko rovníku a může startovat pouze na rovníkové dráhy. Jiné orbitální roviny však lze dosáhnout pomocí výškového obratu, měsíční poruchy nebo aerodynamických metod.
Maximální rychlost startů startovací smyčky je asi 80 za hodinu a je nakonec omezena teplotou a dobou chlazení rotoru, ale to bude vyžadovat výkon řádově 17 GW . Skromnější výkon 500 MW by stačil na 35 startů denně [3] .
Aby byla startovací smyčka ekonomicky životaschopná, vyžaduje vznik zákazníků s dostatečně velkými požadavky na kapacitu startů.
Lofstrom odhaduje, že aby se počáteční náklady na smyčku, které jsou asi 10 miliard dolarů, splatily do jednoho roku, bylo by potřeba vypustit 40 000 tun nákladu ročně, přičemž náklady na uvedení na oběžnou dráhu by byly asi 300 dolarů / kg. Pokud se počáteční investice zvýší na 30 miliard USD (na vybudování výkonnější smyčky), smyčka bude schopna vypustit 6 milionů tun nákladu ročně a vzhledem k pětileté návratnosti by náklady na vypuštění do vesmíru mohly být nižší než 3 $ / kg [5] .
Očekává se, že startovací smyčka bude schopna zajistit vysokou rychlost startů (několik startů za hodinu, bez ohledu na počasí) a tento systém prakticky nebude znečišťovat životní prostředí. Starty raket generují znečištění dusičnany kvůli vysoké teplotě výfukových plynů a v závislosti na typu paliva se mohou uvolňovat skleníkové plyny. Spouštěcí smyčka, jako druh elektrické elektrárny, je šetrná k životnímu prostředí, může pracovat z jakéhokoli zdroje energie: geotermální, jaderné, solární, větrné nebo jakéhokoli jiného, dokonce i přerušovaného typu, protože systém má vestavěný obrovský zásobník energie. .
Na rozdíl od vesmírného výtahu, který musí projít radiačním pásem během několika dní, mohou být cestující vypuštěni na nízkou oběžnou dráhu Země, která je pod radiačním pásem, nebo jím projdou během několika hodin. Tato situace je podobná té, kterou čelí astronauti Apolla, pro které jsou dávky záření 200krát nižší, než může poskytnout vesmírný výtah [6] .
Na rozdíl od vesmírného výtahu, kterému po celé délce hrozí srážka s vesmírným odpadem a meteority, se startovací smyčka nachází ve výškách, kde jsou oběžné dráhy nestabilní kvůli odporu vzduchu. Kosmický odpad tam nezůstává dlouho, pravděpodobnost jeho kolize s instalací je poměrně malá. Zatímco životnost vesmírného výtahu je v řádu několika let, poškození nebo zničení startovací smyčky je poměrně vzácné. Navíc samotná startovací smyčka není ani v případě havárie významným zdrojem vesmírného odpadu. Všechny jeho možné fragmenty budou mít perigeum protínající se s atmosférou, nebo jejich rychlosti budou pod první kosmickou.
Odpalovací smyčka je zaměřena na přepravu osob, protože maximální zrychlení 3g je v ní bezpečné, naprostá většina lidí to vydrží [3] . Navíc poskytuje mnohem rychlejší způsob, jak se dostat do vesmíru než vesmírný výtah.
Odpalovací smyčka bude fungovat tiše, na rozdíl od raket nebude mít žádný hlukový efekt.
A konečně, nízké náklady na umístění užitečného nákladu na oběžnou dráhu jej činí vhodným pro rozsáhlou komerční vesmírnou turistiku a dokonce i kolonizaci vesmíru .
Nekroucená smyčka bude uchovávat obrovské množství kinetické energie . Protože systém maglev bude vysoce redundantní, selhání v malé oblasti neovlivní výkon systému. Pokud však dojde k významné destrukci struktury, uvolní se veškerá uložená energie (1,5 × 10 15 joulů nebo 1,5 petajoulu), což odpovídá výbuchu atomové bomby o síle 350 kilotun v ekvivalentu TNT (i když bez radiace) . záření). Přestože se jedná o obrovské množství energie, je nepravděpodobné, že by došlo ke zničení celé konstrukce kvůli jejím velmi velkým rozměrům a také proto, že v případě zjištění poruchy bude většina energie nasměrována na speciálně určené místo. Může být nutné provést opatření ke spuštění lana z výšky 80 km s minimálním poškozením, například zajistit padáky. Z důvodu zajištění bezpečnosti az astrodynamických důvodů bude proto nutné instalovat odpalovací smyčku nad oceánem poblíž rovníku, daleko od osad.
Zveřejněný návrh odpalovací smyčky vyžaduje elektronicky řízenou magnetickou levitaci, aby se minimalizoval ztrátový výkon a stabilizoval útlum kabelu způsobený jinými příčinami. K nestabilitě dojde především v otočných sekcích a také v kabelu.
Gramofony jsou potenciálně nestabilní, protože pohyb rotoru od magnetů má za následek snížení magnetické přitažlivosti, zatímco pohyb směrem k magnetům způsobuje zvýšení přitažlivosti. V každém případě dochází k nestabilitě. Tento problém je řešen pomocí servo řídicích systémů, které řídí sílu magnetů. I když je spolehlivost serv při vysokých rychlostech rotoru předmětem výzkumu, dojde ke ztrátě velkého počtu sériových sekcí serva, které by rotor mohly obsahovat v případě selhání systému.
Části kabelu budou také sdílet tento potenciální osud, i když síly jsou zde mnohem menší. Existuje však další potenciální nestabilita, která spočívá v tom, že kabel / plášť / rotor může podléhat meandrování (jako Lariatův řetěz), navíc se může amplituda kmitů tohoto procesu neomezeně zvyšovat ( rezonance ). Lofstrom věří, že tato nestabilita může být také řízena v reálném čase pomocí servo mechanismů, ačkoli to zatím nikdo neudělal.
K udržení vakua v systému na přijatelné úrovni budete potřebovat mnoho vývěv rovnoměrně rozmístěných po délce (to znamená i ve výšce 80 kilometrů), které neustále pracují na odčerpávání, aby kompenzovaly úniky.
Potíž je získat potřebnou elektrickou energii uprostřed oceánu.
Alexander Bolonkin zaznamenal mnoho technických problémů v Lofstromově projektu [7] [8] [9] . Zejména je možné vzpříčení v dilatačních spárách mezi jeden a půl metrovými ocelovými plechy, třecí síly jsou také vysoké při poloměru otáčení 28 km[ význam skutečnosti? ] .
| Bezraketový start do vesmíru | |
|---|---|