Тросовые космические системы

[Lin]

На днях решил посчитать тросовые космические системы.
Написал программку моделирования.

Первый вариант – тросовая система находящиеся в гравитационной стабилизации (см.рис).

Результаты моделирования:
Высота орбиты ЦМ   системы:   700   км
Верхний груз   20000   кг (масса вместе с массой троса)
Нижний груз   20000   кг (масса вместе с массой троса)
Длина троса   1000   км
hв 535,12 км
hн 464,87 км
Растяжение      337209 Н
DVниз=   -753,38 м/c
DVверх=   837,22   м/c
Если принять сигму троса 5 ГПа, плотность 1500 кг/м3
Диаметр троса ~ 3 мм, масса ~ 10,6т
Таким образом "чистые" (с вычетом массы троса) массы грузов:
Верхнего 14,33т
Нижнего 15,07т
Если считать, что нижний груз просто балласт, и теряется сгорая в атмосфере, то приведенный УИ системы составит 120с. Сделав трос переменного сечения, увеличив его длину до 2000км (больше при такой прочности просто не получиться) можно получить приведенный УИ около 200с. Как видно из моделирования, если рассматривать нижний груз как теряемое рабочее тело, то тросовые системы проигрывают даже ЖРД на долгохранящихся компонентах топлива. Но в качестве нижнего груза может выступать АКС, третья ступень ракеты, различный мусор. В таком случае, эффективность тросовой системы, как минимум сравнима с ЖРД. В случае нахождения в ЦМ специальной станции, возможно многократное использование троса.
Рассмотрим моделирование тросовой системы с длиной троса 100км
Высота орбиты ЦМ 300 км
Верхний груз    20000   кг (масса вместе с массой троса)
Нижний груз  20000 кг (масса вместе с массой троса)
Длина троса   100 км
hв   50,37   км
hн   49,62   км
Растяжение   4030 Н
DVниз=   -86,42 м/c
DVверх=  87,40 м/c
Если принять сигму троса 5 ГПа, плотность 1500 кг/м3
Диаметр троса ~ 1,1 мм, масса ~ 142 кг
Таким образом "чистые" (с вычетом массы троса) массы грузов:
Верхнего 19928,19
Нижнего 19929,25
Приведенный УИ системы составит 13с.
Для эффективного применения тросовых систем, их длина должна составлять тысячи километров.

Второй вариант.
Динамическая система. Трос с двумя грузами вращается (см. рис.).

Такая схема подразумевает наличие в ЦМ станции с маховиком, моторами с источниками энергии для раскручивания системы.
Итак, результаты:
Высота орбиты ЦМ    700 км
Верхний груз    20000   кг (масса вместе с массой троса)
Нижний груз    20000   кг (масса вместе с массой троса)
Длина троса    1000 км
Ускорение от сил инерции a=4 м/c2
Угловая скорость вращения  w=0,00283
hв 510,53 км
hн 489,46 км
Растяжение    113955 Н
DVниз=   -2208 м/c
DVверх=   2213 м/c
Если принять сигму троса 5 ГПа, плотность 1500 кг/м3
Диаметр троса ~ 4 мм, масса ~ 18,85 т
Таким образом "чистые" (с вычетом массы троса) массы грузов:
Верхнего 10377 кг
Нижнего 10774 кг
Приведенный УИ системы составит 320с. Оптимизация толщины троса, позволит поднять приведенный УИ до уровня килородно - водородного ЖРД, что с учетом возможности применения в качестве нижнего груза АКС (третьей ступени, мусора и т.д.), представляется весьма перспективным направлением.
В случае получения материалов в 3-4 раза прочнее, приведенный УИ тросовой системы составит 500-600с.

[ronatu]

На каком языке программа?

[Кенгуру]

Чтобы раскрутить эту систему, надо, чтобы станция в обратную сторону что ли раскручивалась?

[чайник17]

Вот есть некая программа моделирования, весьма сомнительная по качеству:

http://spacetethers.com/

[Lin]

Счеталка написана в Excel, используется Solver.
Для раскрутки системы (второй вариант), действительно нужна станция с маховиком, электродвигателем, источниками энергии.
Вечных двигателей, увы не бывает. Энергия из ниоткуда не берется.
Кстати, весьма интересно прикинуть взаимодействие тросовых систем с магнитным полем Земли. Динамика вращающийся тросовой системы после отделения груза – то же та еще задачка.
А длина системы, которая могла бы отправлять грузы на Марс (Венеру) ~ 2000-3000км.
По сравнения с лифтом – просто мелочь

Вот есть некая программа моделирования, весьма сомнительная по качеству:
http://spacetethers.com/

Надо будет сравнить с моей.

[Кенгуру]

Для раскрутки системы (второй вариант), действительно нужна станция с маховиком, электродвигателем, источниками энергии.

Если грузы - 40 тонн, то сколько будет весить маховик?

Кстати, весьма интересно прикинуть взаимодействие тросовых систем с магнитным полем Земли.

Я уже прикинул. 100 лет мы это будет останавливать за счёт магнитного поля Земли.

[Lin]

Нечего больше сказать по тросам ?
Может быть хоть Старый скажет свое коронное – "Химера" ?

[hcube]

Трос эффективен, когда мы относительно низколетящей тяжелой станцией катапультируем легкий высоколетящий груз. ТОгда во первых, масса троса меньше, а во вторых - достижимо практически линейное умножение скорости - так, чтобы выпулить Прогресс на эллиптическую орбиту к Венере нужен трос всего порядка 2000 км. Впрочем, это точно можно посчитать.

[Кенгуру]

Нечего больше сказать по тросам ?
Может быть хоть Старый скажет свое коронное – "Химера" ?

Посчитайте лучше троссовую систему утилизации мусора. Грузим его в контейнеры, раскручиваем, открываем. Мусор улетает с первой космической и падает на Землю. А МКС доразгоняется.

[RadioactiveRainbow]

Кенгуру, мусор, прежде чем куда-нибудь запульнуть, надо ещё собрать и погрузить в контейнеры. И что-то мне подсказывает, что по сравнению с этой задачей, собственно, "катапультирование" контейнера куда нужно проблемы не представляет в принципе...  :?

[Кенгуру]

Кенгуру, мусор, прежде чем куда-нибудь запульнуть, надо ещё собрать и погрузить в контейнеры. И что-то мне подсказывает, что по сравнению с этой задачей, собственно, "катапультирование" контейнера куда нужно проблемы не представляет в принципе...  :?

Контейнеры собираются привозить на МКС паромщики.

А собирать мусор будут космонавты. Или пусть так, по станции и летает ?

Контейнеры запулять не надо. Их надо только сильно раскручивать и открывать.

Сильная раскрутка - как раз и представляет из себя проблему. Так как без неё МКС не доразгоним. Также неизбежны рывки в момент открытия.

Как вариант можно делать из космического г...а пули, и стрелять ими с первой космической. Тогда рывки будут меньше. Но ведь это же тема про троссовые системы, правильно ?

[ronatu]

Для раскрутки системы (второй вариант), действительно нужна станция с маховиком, электродвигателем, источниками энергии.

Если грузы - 40 тонн, то сколько будет весить маховик?

Кстати, весьма интересно прикинуть взаимодействие тросовых систем с магнитным полем Земли.

Я уже прикинул. 100 лет мы это будет останавливать за счёт магнитного поля Земли.

А разгонять?

[Stargazer]

Кстати, весьма интересно прикинуть взаимодействие тросовых систем с магнитным полем Земли.

Дык, есть на эту тему работы. Как раз сейчас работаю над проектом - plasma contactor для bare electromagnetic tether, извиняюсь за английские термины, не уверен как правильно перевести.  В общем, взаимодействие троса с магнитным полем зависит от того, какой ток мы можем пропустить через трос и ограничение, ясное дело, не в тросе, а в том, сколько электронов мы можем инжектировать на одном конце троса, собрать электроны на другом конце - проще. Для замыкания тока на окружающую плазму применяют электронные пушки или полые катоды, может и еще что было, но вряд ли. Покопаться - можно найти публикации, в том числе по летным экспериментам

[Ber]

Мне тоже тема тросовых систем интересна, была на форуме и такая тема:

http://www.novosti-kosmonavtiki.ru/phpBB2/viewtopic.php?t=197&postdays=0&postorder=asc&highlight=%F2%F0%EE%F1&start=0

[Lin]

Забавная статейка мне попалась:
http://www.iki.rssi.ru/seminar/199911_sid.htm
 - космические пращи.
IMHO в теории то все хорошо, а на практике не реализуемо.
Точность стыковки для обмена, удары при обмене, точность ориентации тросовых систем, электродинамические эффекты, топливо на поддержание орбит систем, защита от мусора и т.д.
Видимо опять химера.

[Peter]

2 Лин

Интересно бы прикинуть тросовые системы для полета к Венере (была такая тема) с выходом на сильноэллиптическую орбиту.
В качестве сбрасывой массы использовать пустые баки разгонной ступени (подразумевается аэродинамеское торможение для выхода на венерианскую орбиту), набитые всяким "мусором", образовавшимся за время полета.

[wolf]

http://www.npsekk.spb.ru/publications/pub01/pub01-24.htm
   

[Peter]

Красиво.
Спасибо за ссылку.
Хотя речь немного не о том

[Lin]

2 Лин
Интересно бы прикинуть тросовые системы для полета к Венере (была такая тема) с выходом на сильноэллиптическую орбиту.
В качестве сбрасывой массы использовать пустые баки разгонной ступени (подразумевается аэродинамеское торможение для выхода на венерианскую орбиту), набитые всяким "мусором", образовавшимся за время полета.

Нужно fly.exe (расчетную программу http://lin.narod.ru/fly.rar ) доставать, и поднимать мою старую тему про облет Венеры...
Такс, для выхода на эллипс (300000х200) с перелетной траектории, нужно ~ 0,7 км/c
Длина троса, необходимая для такого маневра, около 1000 км (как развернуть ?). Масса троса ~ тонн 20.
Это прикидки на пальцах, для системы в грав. стабилизации.
Если добавить вращения... в принципе можно уменьшить длину троса в разы.
Но необходима хитрая установка с маховиком по центру масс системы.
И не забывайте, что с орбиты Венеры надо будет еще стартовать обратно к Земле.

[Stargazer]

Знакомый мужик из NASA Marshall рассказывал, что есть у них проект тросовой системы , называется вроде как Mixer, которая раскручивается и выпуливает ПН на межпланетную траекторию. В теории вроде все красиво выглядит. Мне лень гуглить, возможно они что то по этой теме публиковали