Авиация Безракетный космический запуск - Статические структуры

23 января 2011

Оглавление:
1. Безракетный космический запуск
2. Сравнение
3. Статические структуры
4. Динамические структуры

В данном контексте под термином «статические» понимается, что конструктивная часть системы не имеет движущихся частей. Структура как целое, часто находящаяся на орбите, движется на высоких скоростях, но части системы не двигаются относительно других прилежащих частей.

Компрессионные структуры

Компрессионные структуры для безракетного космического запуска это предложения по использованию длинных и очень крепких структур, подобных антенным мачтам на растяжках или искусственных гор, по которым может быть поднят груз.

Космическая башня

Космическая башня это башня, которая достигла бы внешнего космоса. Чтобы избежать необходимости в транспортном средстве, запускаемом с первой космической скоростью, башня должна возвышаться над границей космоса, но и башня гораздо меньшей высоты могла бы снизить лобовое сопротивление в атмосфере при подъёме. Спутники могут временно вращаться по эллиптическим орбитам, опускающимся до 135 км и ниже, но искажение орбиты, вызывающее вход в плотные слои атмосферы, будет очень быстрым, если только высота позже не будет срочно восстановлена до сотен километров. Если башня будет простираться до геосинхронной орбиты на высоте примерно 36000 км, объекты, выпущенные на такой высоте, могут затем улететь с минимальными затратами энергии и будут находиться на круговой орбите. Однако, башню такой экстремальной высоты невозможно сделать из материалов, существующих в данный момент на Земле. Набросок структуры, достигающей геосинхронной орбиты, впервые был предложен Константином Циолковским, который предложил компрессионную структуру, или "Башню Циолковского".

Структура с параллельными стенками, сделанная из обычного кирпича и камня, не может стать выше 2000 метров, поскольку кирпичи внизу раскрошатся под весом конструкции. Другие материалы позволили бы башне стать выше при конусообразной конструкции, но её стоимость возрастала бы экспоненциально с ростом высоты. Buckling may be a failure mode before exceeding a material's nominal compressive yield strength, but, aside from that and aside from design against weather, the theoretical scale height of a structure is the allowable load of its material divided by the product of density and local gravitational acceleration, where needed material cross-section increases by a factor of e over each scale height.

For common plain carbon steel under a typical allowable stress limit, its scale height is ≈ 1.635 kilometers. A 4.9 kilometer high tower of such would accordingly mass at least 20 times the weight supported at its top. In contrast, an example of a more expensive high-performance aerospace material, Amoco T300/ERL1906 carbon composite, has a scale height of 54 kilometers at a safety factor of 2, though construction challenges including wind loading would apply. Earth's atmosphere has approximately 50% of its mass under 6 kilometers elevation, 90% below 16 kilometers, and 99% below 30 kilometers of altitude.

Природные горы достигают высот до 9 км. Самая высокая конструкция, сделанная человеком, достигает на настоящий момент 0,8 км. Башня или другое средство большой высоты может стать одним из компонентов системы запуска, таким как основание для космического лифта, или опорной колонной для периферической части ускорителя массы или "стволом" космической пушки.

Alternatives other than compressive structures, such as tethers hanging down from high-altitude balloons or superconductor-based magnetic levitation, may take advantage of how the characteristic length of Kelvar and some other macro-scale material performance in tension is up to hundreds of kilometers; compressive buckling becomes no longer applicable; and setup may be simpler. Inflatable, kinetic, and electronic structures may also be options.