Skyhook («Небесный крючок (удочки)»), также известный как космический ротоватор

Пересказ отчета разработчиков (pdf, 6МБ, англ.яз.)

http://www.niac.usra.edu/files/studies/final_report/391Grant...

Космический лифт на минималках. Большой спутник на низкой околоземной слабоэллиптической орбите с прицепленным длинным тросом (с типа крюком на конце). Система вращается в плоскости своей орбиты. В результате, в момент, когда крюк находится в наинизшей точке, его скорость вращения относительно центра масс системы вычитается из орбитальной, а когда в наивысшей – добавляется.

Предельная линейная скорость вращения конца троса определяется его способностью противостоять центробежной силе и зависит исключительно от плотности и прочности материала троса (толщина троса в оптимальном случае должна быть переменной). Для самых прочных и легких промышленно выпускаемых материалов (некоторые марки высокомолекулярного полиэтилена) эта скорость составляет около 3 км/сек.

То есть с поверхности Луны такая штука может поднять груз напрямую, разогнать до скорости больше лунной второй космической и отправить, например, на Землю (что характерно, эта идея была использована в одном современном НФ романе про освоение Луны, откуда я про нее и узнал). С Марса (первая космическая 3.55 км/с) – почти напрямую, для зацепления за трос нагрузку надо поднять выше атмосферы и придать горизонтальную скорость около 300 м/с (с учетом вращения Марса).

Для Земли, рассчитанный авторами отчета вариант системы выглядит так:

длина троса 630 км;

высота перигея центра масс – 580 км;

общая масса системы (трос + спутник-противовес) – 380 тонн;

полезная нагрузка, которую система может закинуть за раз – 5 тонн;

скорость кончика троса – 2.5 км/с (меньше предельно возможной, для того, чтобы обеспечить трехкратный резерв по прочности троса);

горизонтальная скорость, до которой должен быть разогнан груз до подхвата крюком – 5 км/с (при старте с экватора);

высота, на которой происходит подхват – 150 км;

наивысшая орбита, на которую может быть выведен груз после сброса с крюка – высокоэллиптическая с высотой апогея 144 тыс.км. (а также орбиты с любым меньшем апогеем, поскольку конечная скорость груза регулируется углом поворота троса в момент сброса).

Высота подхвата ограничивается снизу тем, что на малой высоте трос начинает перегреваться из-за трения о земную атмосферу (и даже на высоте 150км будет серьезная проблема из-за коррозии атомарным кислородом). Длина троса определяется тем, какое ускорение будет испытывать груз, закрепленный на конце троса. При вышеописанных параметрах, это ускорение будет равно 1.5g.

Разгонять груз до 5 км/с и поднимать его на 150 км вверх авторы предполагали с помощью гипотетического гиперзвукового самолета с прямоточным двигателем (год издания отчета - 2001г.). Сейчас ясно, что практичней и реалистичней использовать для этого одноступенчатую многоразовую ракету. 5 км/с – это как раз практический предел для современной одноступенчатой ракеты. Перевешивание груза с ракеты на крюк требует точного выравнивания координат, скоростей и ускорений ракеты с крюком (собственно, время на операцию перевешивания определяется временем, в течении которого ракета сможет поддерживать ускорение 1.5g). Но это не сильно сложнее, чем посадка ракеты на плот (а возможно даже и проще).

У этой системы, при всех преимуществах перед космическим лифтом (много меньшие масштабы и масса, возможность постройки из промышленно выпускаемых материалов) есть и серьезный недостаток. Космический лифт энергию и импульс для разгона полезной нагрузки черпает фактически из вращения Земли (энергия нужна только для подъема груза вверх). Ротоватор же разгоняет груз, передавая ему энергию и импульс своего орбитального обращения. В результате, после каждого запуска груза апогей орбиты центра масс ротаватора будет понижаться.

В промежутках между запусками, перигей придется поднимать с помощью каких-нибудь движителей. Авторы предлагают использовать для создания тяги электродинамический метод: взаимодействие тока, пропускаемого сквозь трос, с магнитным полем Земли. Энергию для поддержания тока предполагается получать от солнечных батарей, установленных на спутнике-противовесе, а электроны для замыкания цепи – черпать из ионосферы. Если предполагаются запуски раз в месяц, то потребная средняя мощность разгона – 76 кВт. С учетом КПД электродинамического метода – 250 кВт. С учетом того, что на низкой околоземной орбите батареи освещены только половину времени – нужно 500 кВт установленной мощности.

При этом, электродинамический метод, даже при наличии неограниченной энергии, имеет принципиальное ограничение по мощности тяги: низкая плотность зарядов в ионосфере, из-за чего большой ток создать невозможно (авторы в своих оценках полагали ток в 5 ампер).

Поэтому для случая больших грузопотоков авторы предлагают, кхм, интересную альтернативу: поддерживать орбиту ротаватора, замедляя им груз, оправляемый с Луны. Работа системы в целом будет выглядеть так: после запуска полезного груза ротоватором с околоземной орбиты, с Луны к Земле отправляется корабль, груженный лунным грунтом. Он захватывается крюком ротоватора в наивысшей точке поворота. В низшей точке он выгружает грунт, который падает в земную атмосферу и сгорает где-нибудь над Тихим Океаном. Сам корабль возвращается на Луну за следующей порцией.

Таким образом, мы внезапно возвращаемся к теме предыдущего поста. У Луны есть реально ценный экспортный ресурс – это просто булыжники. Если человечеству вздумается, например, строить солнечные электростанции на геостационарной орбите – это ресурс понадобится в объемах десятков тысяч тонн. Учитывая, что использование ротоватора позволяет снизить характеристическую скорость, требующуюся для достижения геопереходной орбиты, раза в два, а размеры и стоимость ракеты зависят от характеристической скорости экспоненциально – лунные булыжники реально ценнее золота (в смысле, что каждый отправленный с Луны булыжник позволит сэкономить средства, большие, чем стоимость золотого слитка того же веса). https://vk.com/hard_sci_fi_ideas