Безопасность космического лифта - Space elevator safety

Основная статья: Космический лифт

Существуют риски, связанные с ранее никогда не использовавшимися технологиями, такими как строительство и эксплуатация космический лифт. Космический лифт будет представлять опасность для навигации как для самолетов, так и для космических кораблей. С самолетами можно справиться с помощью простых ограничений управления воздушным движением. Удары космических объектов, таких как метеороиды, спутники и микрометеориты, создают более сложную проблему для строительства и эксплуатации космического лифта.

Спутники

Если ничего не было сделано, практически все спутники с перигеи ниже верха лифта в конечном итоге столкнется с лифтовым тросом.[1] Дважды в день каждая плоскость орбиты пересекает лифт, поскольку вращение Земли раскачивает кабель вокруг экватора. Обычно спутник и кабель не совпадают. Однако, за исключением синхронизированных орбит, лифт и спутник в конечном итоге займут одно и то же место в одно и то же время, что почти наверняка приведет к разрушению конструкции космического лифта и разрушению спутника.

Большинство активных спутников способны к некоторой степени орбитального маневрирования и могут избежать этих предсказуемых столкновений, но неактивные спутники и другой орбитальный мусор должны быть либо упреждающе удалены с орбиты «сборщиками мусора», либо за ними нужно будет внимательно наблюдать и подталкивать всякий раз, когда их орбита приближается к лифту. Требуемые импульсы будут небольшими, и их нужно будет применять очень редко; а лазерная метла системы может быть достаточно для этой задачи. Кроме того, конструкция Брэда Эдварда позволяет лифту перемещаться в сторону, поскольку точка крепления находится в море и является мобильной.[нужна цитата ] Такими движениями можно также управлять, чтобы гасить поперечные колебания кабеля.

Каскад отказов

Для стабильности недостаточно того, чтобы другие волокна могли взять на себя нагрузку отказавшей пряди - система также должна выдерживать немедленные динамические эффекты отказа волокна, которое генерирует снаряды, нацеленные на сам кабель. Например, если кабель имеет рабочее напряжение 50 ГПа и Модуль для младших 1000 ГПа, его деформация будет 0,05, а запасенная упругая энергия будет 1/2 × 0,05 × 50 ГПа = 1,25 × 109 джоулей на кубический метр. Разрыв волокна приведет к тому, что пара волн снятия напряжения будет расходиться со скоростью звука в волокне, при этом сегменты волокна за каждой волной движутся со скоростью более 1000 м / с (больше, чем Начальная скорость стандарта .223 калибр (5.56 мм ) выстрел из Винтовка М16 ). Если эти быстро движущиеся снаряды не могут быть остановлены безопасно, они разорвут еще другие волокна, инициируя каскад отказов, способный разорвать кабель. Проблема предотвращения обрыва волокна, ведущего к возникновению каскада катастрофических отказов, кажется, не решена в современной литературе по наземным космическим лифтам.[нужна цитата ] Проблемы такого рода было бы легче решить в приложениях с низким напряжением (например, лунные лифты). Эту проблему описал физик. Фриман Дайсон.[2]

Коррозия

Некоторые считают, что коррозия представляет собой риск для любого тонкого троса (что требуется для большинства конструкций). В верхних слоях атмосферы атомарный кислород стабильно разъедает большинство материалов.[3] Следовательно, привязь должна быть сделана из коррозионно-стойкого материала или иметь антикоррозионное покрытие, увеличивающее вес. Золото и платина были показаны[нужна цитата ] быть практически невосприимчивым к атомарному кислороду; несколько гораздо более распространенных материалов, таких как алюминий повреждаются очень медленно и могут быть отремонтированы при необходимости.

Другие анализы показывают, что атомарный кислород не представляет проблемы на практике.[4]

Другим потенциальным решением проблемы коррозии является постоянное обновление поверхности троса (что может быть выполнено с помощью стандартных, но, возможно, более медленных лифтов). Этот процесс будет зависеть от состава троса и может выполняться в наномасштабе (путем замены отдельных волокон) или сегментами.

Ремни Radiation и Van Allen

Основная статья: Радиационный пояс Ван Аллена

Большинство из космический лифт структура будет лежать внутри Радиационный пояс Ван Аллена, и космический лифт будет проходить через Ремни Van Allen. Это не проблема для большинства грузовых перевозок, но количество времени, которое альпинист проводит в этом регионе, может вызвать радиационное отравление любому незащищенному человеку или другим живым существам.[5][6]Внутренний пояс должен быть пересечен, где (за щитом толщиной 3 мм алюминий ) мощность дозы может достигать 465 мЗв / ч.[7][8]В геостационарная орбита (на расстоянии 35 786 км) будет по-прежнему находиться внутри внешнего пояса, а мощность дозы все еще будет в диапазоне 20-25 мЗв / ч.

Кроме того, эффективность магнитосферы по отражению излучения, исходящего от Солнца, резко снижается после того, как она поднялась на несколько радиусов Земли над поверхностью. Это ионизирующее излучение может привести к повреждению материалов как в страховочном тросе, так и в подъемниках.[9]

Очевидным вариантом было бы, чтобы лифт имел экранирование для защиты пассажиров, хотя это уменьшило бы его общую вместимость. Лучшая радиационная защита требует значительных затрат по физическим причинам. В качестве альтернативы, сама защита может в некоторых случаях состоять из полезной нагрузки, например, пищи, воды, топлива или строительных / ремонтных материалов, и никаких дополнительных затрат на защиту во время всплытия не возникает.

Для использования космического лифта пассажирами-людьми Радиационный пояс Ван Аллена следовательно, он должен быть освобожден от заряженных частиц. Это было предложено проектом High Voltage Orbiting Long Tether.[10][11]

Обычнее и быстрее вход в атмосферу такие методы, как аэротормоз могут использоваться на спуске для минимизации радиационного облучения. Сжигание с орбиты требует относительно мало топлива и дешево.

В случае отказа

Если, несмотря на все эти меры предосторожности, лифт все равно будет отключен, итоговый сценарий зависит от того, где именно произошла поломка:

Вырезать возле точки привязки

Если лифт разрезать в его якорной точке на поверхности Земли, внешняя сила, создаваемая противовесом, заставит весь лифт подняться вверх на более высокую орбиту или вообще покинуть гравитацию Земли.[12] Максимальный высота отрезанного верхнего конца кабеля будет зависеть от деталей лифта масса распределение.

Разрезан примерно до 25000 км

Если разрыв произошел на большей высоте, примерно до 25000 км, нижняя часть лифта опустилась бы на Землю и задрапировалась бы вдоль экватора к востоку от точки привязки, тогда как теперь неуравновешенная верхняя часть поднялась бы на более высокую орбиту.[13] Некоторые авторы (например, писатели-фантасты Дэвид Геррольд в Прыжки с планеты и Ким Стэнли Робинсон в Красный Марс ) предположили, что такая авария будет катастрофической, когда тысячи километров падающего кабеля создадут полосу метеоритных разрушений вдоль поверхности планеты. Однако в большинстве конструкций кабелей верхняя часть любого кабеля, падающего на Землю, сгорает. атмосфера.[нужна цитата ] Кроме того, поскольку предлагаемые исходные кабели имеют очень низкую массу (примерно 1 кг на километр) и плоские, нижняя часть, вероятно, осядет на Землю с меньшей силой, чем лист бумаги, из-за сопротивление воздуха по пути вниз.[нужна цитата ]

Выше 25000 км

Если бы разрыв произошел со стороны противовеса лифта, нижняя часть, включая теперь «центральную станцию» лифта, начала бы падать и продолжила бы спускаться обратно, если бы ни одна из частей троса внизу не вышла из строя. В зависимости от размера он либо сгорит при повторном входе, либо ударится о поверхность. Механизм, позволяющий немедленно перерезать кабель под станцией, предотвратил бы возвращение станции и привело бы к ее продолжению на высокой и слегка измененной орбите. Моделирование показало, что по мере того как нисходящая часть космического лифта «оборачивается» вокруг Земли, нагрузка на оставшуюся длину кабеля увеличивается, в результате чего его верхние части отламываются и отбрасываются.[13] Детали того, как эти части ломаются, и траектории, которые они выбирают, очень чувствительны к начальным условиям.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кларк, Артур К. (12 августа 2003 г.). «Космический лифт:« мысленный эксперимент »или ключ ко Вселенной? (Часть 3)». Справочник по космическому лифту. Архивировано из оригинал 16 июля 2011 г.. Получено 8 февраля 2011.
  2. ^ ван Пельт, Мишель. Космические тросы и космические лифты. ISBN  978-0-387-76556-3.
  3. ^ де Руджи, А. «Коррозия в космосе» (PDF). Европейское космическое агентство. Получено 8 февраля 2011.
  4. ^ Эдвардс, Брэдли Карл. "Космический лифт: исследование II фазы".
  5. ^ Келли Янг (13-11-2006). «Космические лифты:« Первый этаж, смертельная радиация!"". Новый ученый.
  6. ^ ЯВЛЯЮСЬ. Йоргенсена; S.E. Патамиаб и Б. Гассенд (февраль 2007 г.). «Соображения о пассивной радиационной защите предлагаемого космического лифта». Acta Astronautica. Elsevier Ltd. 60 (3): 189–209. Bibcode:2007AcAau..60..198J. Дои:10.1016 / j.actaastro.2006.07.014.
  7. ^ "Определение дозы радиации миссии Аполлон-11" (PDF).
  8. ^ "Информационная система космической среды ЕКА".
  9. ^ "Зонды Ван Аллена и доза радиации" (PDF).
  10. ^ Мирнов, Владимир; Ючер, Дефне; Данилов Валентин (10–15 ноября 1996 г.). Высоковольтные тросы для усиленного рассеяния частиц в ремнях Ван Аллена. 38. Колледж-Парк, Мэриленд: Американское физическое общество, Отделение физики плазмы. п. 7. Bibcode:1996APS..DPP..7E06M. OCLC  205379064. Реферат № 7E.06.
  11. ^ «Высоковольтный орбитальный длинный трос (HiVOLT): система восстановления радиационных поясов Ван Аллена». Безлимитные Тетеры. Получено 2011-06-18.
  12. ^ Эдвардс, Брэдли Карл (август 2005 г.). "Подъем в небеса". Архивировано из оригинал на 2005-10-25. Журнал Cite требует | журнал = (помощь)
  13. ^ а б c Гассенд, Блейз (2004). «Анимация сломанного космического лифта». Получено 2007-01-14.

внешняя ссылка