Az indítási hurok vagy a Lofstrom hurok egy kábelszállító rendszer közzétett terve, amelyet arra terveztek, hogy rakományt indítson alacsony földi pályára. A projekt alapja egy hurkos zsinór (hurok), amely folyamatosan nagy sebességgel (12-14 km/s) mozog a vákuumcső belsejében. Annak érdekében, hogy a zsinór ne érintkezzen a cső falaival, mágneses felfüggesztéssel választják el őket egymástól, hasonlóan a magnetoplánhoz . Általánosságban elmondható, hogy ez az eszköz egy grandiózus szerkezet, körülbelül 2000 km hosszú, és magának a huroknak akár 80 km magasságig kell emelkednie, és a forgó zsinór lendülete miatt rajta kell maradnia. A zsinór forgása lényegében a teljes szerkezet súlyát átviszi az azt tartó mágneses csapágypárra, mindkét végén egy-egy.
Az indítóhurkot legfeljebb 5 tonna tömegű űrhajók nem rakéta indítására tervezték elektromágneses gyorsítással, mind alacsony földi pályára, mind azon túl. A gyorsítás a kábel lapos szakaszán történik, amely kívül esik a sűrű légkörön [1] .
A közzétett költségbecslés egy működőképes kilövőhurokra lényegesen alacsonyabbnak bizonyult, mint egy űrlift esetében, miközben a javasolt rendszer magasabb kilövési teljesítményt, alacsonyabb költséget és ugyanolyan vagy akár nagyobb hasznos teherbírást kínál, mint a megfelelője [2] . Az űrlifttel ellentétben nem igényel új anyagok fejlesztését [3] .
A rendszert úgy tervezték, hogy támogassa az űrturisták kilövéseit , valamint az űrkutatást és az űrtelepítést , viszonylag enyhe , 3 g -os g-erővel .
Az indítóhurkot először Keith Lofstrom írta le 1981 novemberében az American Astronautical Society olvasói fórumában és 1982 augusztusában az L5 Society News-ban. Az ötletről Lofstrom részletesebb tanulmányt készített 1983-1985-ben. [3]
1982-ben Paul Birch a Journal of the British Interplanetary Society folyóiratban publikált egy sorozatot, amelyben leírja a pályagyűrűket , valamint az általa "Partial Orbital Ring System"-nek (PSOC) nevezett tervet [4] . A SCOC finomított változatában az orbitális gyűrűk úgy vannak elrendezve, hogy a fellőtt objektumot elektromágneses tér gyorsítsa fel emberek űrbe juttatására alkalmas pálya mentén. De ha szupravezető mágneses levitációt használnak az orbitális gyűrűben , akkor elektromágneses felfüggesztést használnak az indítóhurokban.
Az indítóhurok körülbelül 2000 km méretű szerkezet. Maga a hurok felemelkedik a földfelszínről 80 km-es magasságba, ezen a 2000 km-es magasságon elhalad, ismét leereszkedik a földfelszínre, megfordul, majd ismétlődik egészen a kiindulási pontig. A hurok cső alakú, belül üreges, és hüvelynek hívják . A héj belsejében egy másik tömör cső van felfüggesztve, az úgynevezett rotor , amely egy zsinór vagy lánc. A forgórész vasból készült, átmérője körülbelül 5 cm, körben mozog a hurkon belül, 14 km/s sebességgel.
Bár a hurok nagyon hosszú, körülbelül 4000 km, maga a rotor meglehetősen vékony, körülbelül 5 cm átmérőjű, és a héj sem sokkal nagyobb. A forgórész ferromágneses vasból készül, zsinór vagy cső formájában, hosszirányú tágulási hézagokkal körülbelül méterenként. A rotort szervostabilizáló mágneses csapágyak választják el a héjtól . A köpeny tömített, és vákuum van fenntartva, hogy minimális legyen a forgórész ellenállása.
Nyugalomban a hurok a talajszinten lesz. Ezután a rotort egy lineáris motor fogja felgyorsítani , amely több száz megawatt energiát fogyaszt. A fordulatszám növekedésével a rotor meggörbül és ív alakot vesz fel. A héj a ballisztikus görbénél meredekebb ívbe kényszeríti. A rotor viszont a centrifugális erőt továbbítja a héjra, és a levegőben tartja. A hurok felveszi a kívánt formát, és ≈80 km-es maximális magassághatárt kap, ha a kábelt a talajhoz rögzíti. Egy 300 MW-os generátorral körülbelül két hónapba telik a teljes sebesség elérése. Miután teljesen felpörgött, a rotor körülbelül öt percen belül egyszer megfordul.
A szerkezet felemelése után az energia folyamatos utánpótlására lesz szükség a mágneses csapágyak energiaeloszlásának kompenzálására, a szerkezet stabilizálására, valamint a vákuumhéj tökéletlensége miatti veszteségek pótlására. Mindehhez körülbelül 200 MW teljesítményre lesz szükség, nem számítva az űrjárművek kilövéséhez szükséges többletenergiát [3] .
Az induláshoz a járművet a nyugati rakodóállomásról lelógó "liftkábelre" emelik fel 80 km magasságból, és a felső fokozat vezetősíneire helyezik. A gyorsító egység mágneses teret hoz létre, melynek hatására örvényáramok keletkeznek a gyorsan mozgó rotorban . Ők emelik a hasznos terhet a kábel fölé és tolják előre 3g (30 m/s²) gyorsulással. A hasznos terhet a forgórész addig gyorsítja, amíg el nem éri a szükséges keringési sebességet, majd elhagyja a gyorsító szakaszt.
Ha stabil vagy körkörös pályára van szükség, akkor abban a pillanatban, amikor a hasznos teher eléri a pálya legmagasabb pontját, be kell kapcsolni a fedélzeti rakétahajtóművet („booster”) vagy más eszközt, amely a pálya megfelelő pályára irányításához szükséges. a Föld körül [3] .
Az örvényáramú módszer kompakt, könnyű és erős, de nem hatékony. Minden indításkor a teljesítményveszteség miatt a rotor hőmérséklete 80 fokkal emelkedik. Ha az indítósúlyok túl közel vannak egymáshoz, a forgórész hőmérséklete megközelítheti a 770 °C-ot (1043 K), ami után a rotor anyaga elveszíti ferromágneses tulajdonságait, és a tömítése megsérül.
A 80 km-es körpályás pályák az aerodinamikai fékezés miatt instabilok (az űrhajó gyorsan veszít a magasságból és a Földre zuhan), de az ilyen pályákon kívül maga az indítóhurok is képes a hasznos terheket közvetlenül a menekülés feletti sebességet igénylő pályákra ejteni. sebesség : gravitációs manővert hajt végre a Hold körül, és más távoli pályára esik, beleértve a trójai pontokhoz legközelebb esőket is .
Az indítóhurokból körpályára való kilövés biztosításához egy viszonylag kis méretű gyorsítómotorra lesz szükség, amely az apogeus ponton bekapcsol és korrigálja a pályát. A geoszinkron pályára (GSO) való bejutáshoz körülbelül 1,6 km/s-os sebességet kell növelni, és 500 km-es magasságban alacsony pályát (LO) kell elérni, ami a mindössze 120 m/s sebességhez járul hozzá. szükséges. A hagyományos rakétákhoz hozzávetőlegesen 10, illetve 14 km/s sebesség-növekedés szükséges az NO és a GSO eléréséhez [3] .
Lofstrom kilövőköre közel van az Egyenlítőhöz, és csak egyenlítői pályára tud elindulni. Más orbitális síkok azonban elérhetők magassági fordulattal, holdperturbációval vagy aerodinamikai módszerekkel.
Az indítóhurok maximális indítási sebessége óránként körülbelül 80, és végső soron a forgórész hőmérséklete és hűtési ideje korlátozza, de ehhez 17 GW nagyságrendű teljesítményre lesz szükség . Egy szerényebb, 500 MW-os teljesítmény napi 35 kilövésre lenne elegendő [3] .
Ahhoz, hogy a kilövőkör gazdaságilag életképes legyen, olyan ügyfelek megjelenése szükséges, akiknek kellően nagy kilövési kapacitásigényük van.
Lofstrom becslése szerint ahhoz, hogy a hurok kezdeti, körülbelül 10 milliárd dolláros költsége egy éven belül megtérüljön, évi 40 000 tonna rakományt kellene elindítani, míg a pályára állítás költsége körülbelül 300 dollár/kg. Ha a kezdeti beruházást 30 milliárd dollárra emelik (egy erősebb hurok építése érdekében), a hurok évente 6 millió tonna rakományt tud majd elindítani, és ötéves megtérülési idő mellett az űrbe indítás költsége kevesebb, mint 3 USD/kg [5] .
Az indítási hurok várhatóan magas indítási arányt (óránként több indítást, időjárástól függetlenül) tud majd biztosítani, és ez a rendszer gyakorlatilag nem szennyezi a környezetet. A rakétaindítások a kipufogógázok magas hőmérséklete miatt nitrátszennyezést okoznak, és az üzemanyag típusától függően üvegházhatású gázok szabadulhatnak fel. Az indítóhurok, mint egyfajta elektromos erőmű környezetbarát, bármilyen energiaforrásról üzemelhet: geotermikus, nukleáris, nap-, szél- vagy bármilyen más, akár időszakos típusú energiaforrásról, hiszen a rendszerben hatalmas beépített energiatároló található. .
Ellentétben az űrliftekkel, amelyeknek napokon belül át kell haladniuk a sugárzási övön , az indítóhurok utasai a sugárzási öv alatti alacsony földi pályára indíthatók, vagy néhány óra alatt áthaladhatnak rajta. Ez a helyzet hasonló az Apollo űrhajósok helyzetéhez, akiknek a sugárzási dózisa 200-szor alacsonyabb, mint amit egy űrlift adhat [6] .
Ellentétben az űrliftekkel, amelyek teljes hosszában űrtörmelékekkel és meteoritokkal való ütközés veszélyének vannak kitéve, az indítóhurok olyan magasságban található, ahol a pályák a légellenállás miatt instabilok. Űrtörmelék nem marad ott sokáig, az installációval való ütközésének esélye meglehetősen kicsi. Míg az űrlift élettartama néhány év nagyságrendű, az indítóhurok károsodása vagy megsemmisülése viszonylag ritka. Ráadásul maga az indítóhurok még baleset esetén sem jelent jelentős űrszemétforrást. Valamennyi lehetséges töredékének perigeuma lesz, amely metszi a légkört, vagy sebességük kisebb lesz, mint az első kozmikus.
Az indítóhurok emberszállításra van igazítva, mert a 3g-os maximális gyorsulás biztonságos benne, az emberek túlnyomó többsége kibírja [3] . Ráadásul sokkal gyorsabb utat biztosít a világűr eléréséhez, mint az űrlift.
Az indítóhurok csendesen fog működni, a rakétákkal ellentétben nem lesz zajhatása.
Végül, a rakomány pályára állításának alacsony költsége alkalmassá teszi a nagyszabású kereskedelmi űrturizmusra , sőt az űrtelepítésre is .
A sodratlan hurok hatalmas mennyiségű mozgási energiát tárol majd . Mivel a maglev rendszer rendkívül redundáns lesz, a kis területen bekövetkező hiba nem befolyásolja a rendszer teljesítményét. Ha azonban a szerkezet jelentős tönkremenetele történik, a teljes tárolt energia felszabadul (1,5 × 10 15 joule vagy 1,5 petajoule), ami egy atombomba robbanásnak felel meg , 350 kilotonna TNT-egyenértékben (bár sugárzás nélkül ) sugárzás). Bár ez óriási energiamennyiség, nem valószínű, hogy az egész szerkezet megsemmisül a nagyon nagy mérete miatt, és azért sem, mert meghibásodás észlelése esetén az energia nagy része egy speciálisan biztosított helyre kerül. Lehetséges, hogy intézkedéseket kell hozni a kábel 80 km magasságból történő leengedésére minimális sérüléssel, például ejtőernyőkről. Ezért a biztonság érdekében és asztrodinamikus okokból az indítóhurkot az óceán fölé kell telepíteni az Egyenlítő közelében, távol a településektől.
Az indítóhurok közzétett kialakítása elektronikusan vezérelt mágneses lebegtetést követel meg az energiaveszteség minimalizálása és az egyéb okok által okozott kábelcsillapítás stabilizálása érdekében. Az instabilitás elsősorban a forgórészekben és a kábelben is fellép.
A forgótányérok potenciálisan instabilok, mert a forgórész mágnesektől távolodva a mágneses vonzás csökkenését eredményezi, míg a mágnesek felé haladva fokozza a vonzást. Akárhogy is, instabilitás lép fel. Ezt a problémát a mágnesek erősségét szabályozó szervovezérlő rendszerek segítségével oldják meg. Bár a szervók megbízhatósága nagy forgórész fordulatszámon kutatás tárgyát képezi, a rendszer meghibásodása esetén nagyon sok soros szervoszakasz elveszik, amelyek a rotort tartalmazzák.
A kábel szakaszai is osztoznak ebben a lehetséges sorsban, bár az erők itt sokkal kisebbek. Van azonban egy másik lehetséges instabilitás is, ami abban rejlik, hogy a kábel/köpeny/rotor kanyaroghat (mint egy Lariat lánc), ráadásul ennek a folyamatnak az amplitúdója korlátozás nélkül növekedhet ( rezonancia ). Lofstrom úgy véli, hogy ez az instabilitás valós időben is szabályozható szervómechanizmusokkal, bár ezt még senki nem tette meg.
Ahhoz, hogy a rendszerben a vákuum elfogadható szinten maradjon, sok, a hosszban egyenletesen elosztott vákuumszivattyúra lesz szükség (azaz 80 kilométeres magasságban is), amelyek folyamatosan dolgoznak a kiszivattyúzáson, hogy kompenzálják a szivárgást.
A nehézséget a szükséges elektromos energia beszerzése jelenti az óceán közepén.
Alexander Bolonkin sok technikai problémát vett észre Lofstrom projektjében [7] [8] [9] . Különösen a másfél méteres acéllemezek közötti tágulási hézagoknál lehetséges a beszorulás, a súrlódási erők 28 km-es fordulási sugárnál is nagyok[ a tény jelentősége? ] .
| Rakéta nélküli űrindítás | |
|---|---|
| |