¿Es posible poner una nave espacial en órbita terrestre utilizando el frenado por corriente de Foucault lineal en una pista orbital?

La "pista espacial"

pista espacial

[He editado ligeramente esto para aclarar algunos problemas que se han planteado]

Luke Parrish me mencionó un método de lanzamiento espacial inusual y novedoso. La idea es hacer que una nave espacial pase de una velocidad ~0 a una altitud de ~300 km a una velocidad orbital completa a la misma altitud.

Una cinta, varilla o tubo conductor de 1 km a 100 km de largo (la "pista espacial" o simplemente "pista") se coloca en una órbita baja circular alrededor de la Tierra, con la longitud de la pista exactamente a lo largo de la trayectoria orbital.

Una nave espacial equipada con un potente electroimán coincide con precisión con el frente de la pista, pasando ligeramente por debajo de ella (o dentro de ella por un tubo). La nave espacial inicialmente tiene velocidad 0. El plan es usar la pista para transferir impulso a la nave espacial usando fuerzas magnéticas.

Coincidencia precisa

Acertar de forma fiable en un objetivo con solo unas pocas decenas de metros de error a una velocidad relativa de 8 km/s parece una tarea difícil. Sin embargo, se puede hacer con un grado de precisión asombroso : los cohetes tienen un error de trayectoria de aproximadamente 1 m/s, y los propulsores pueden compensar la diferencia. En el espacio, los objetos viajan en trayectorias muy predecibles.

corrientes de Foucault

El efecto de frenado de la corriente de Foucault lineal hará que la nave acelere. Durante un período de aproximadamente 0,25 a 25 segundos, nuestra nave se acelera a la velocidad orbital. Este efecto es simple y no requiere que la pista tenga ningún componente activo. Es solo una pieza de metal, el electromagnetismo hace el trabajo por nosotros .

remolino

La nave está ahora en órbita.

relación de masa

La pista pierde una cantidad de impulso igual y opuesta a la que ganó el barco. Al igual que con otras estructuras espaciales, la pista tiene una forma eficiente de recuperar su velocidad, como motores de iones ISP muy altos y paneles solares. La pérdida de velocidad máxima que la pista puede soportar en LEO sin desorbitarse rápidamente es de unos 50 m/s , por lo que la masa de la pista debe ser al menos 7800 / 50 ≈ 150 veces la masa de la nave espacial.

Hay otras razones por las que la pista debe tener mucha más masa que la nave espacial. La interacción pierde energía cinética igual a la KE de la nave espacial, que se desperdicia como calor: 30 MJ/kg , o aproximadamente 30 veces la energía para fundir aluminio. Obviamente, esto debe distribuirse en una estructura grande. Con una razón de masa de 150, el aumento de temperatura es de 200°C .

Finalmente, uno no quiere que su pista experimente una gran fuerza g. Hacerlo más masivo reduce la fuerza g que experimenta.

Recuperación de naves espaciales

Una vez que la nave espacial ha entregado su carga, se queda atrapada en órbita; la nave espacial tiene componentes costosos (los imanes y los motores), por lo que uno quiere reutilizarla. Puede volver a entrar usando el aerofrenado o usar una segunda pista espacial en un viaje retrógrado más arriba.

¿Qué tan fuerte debe ser el campo?

El frenado por corrientes de Foucault es proporcional a la velocidad relativa y al cuadrado de la fuerza del campo magnético, algo así como (1):

F ≈ V o yo t r a C k × B 2 × σ × v

Dónde V o yo t r a C k es el volumen de pista afectado por el campo. Suponemos que la nave espacial tiene una densidad de 1000 k gramo / metro 3 .

a s pag a C mi C r a F t

= F / METRO s pag a C mi C r a F t

= F / ( ρ s pag a C mi C r a F t × V o yo s pag a C mi C r a F t )

≈ V o yo t r a C k / V o yo s pag a C mi C r a F t × 1 / ρ s pag a C mi C r a F t × B 2 × σ × v

por lo tanto:

B 2 ≈ a s pag a C mi C r a F t × ρ s pag a C mi C r a F t / ( σ × v × V o yo t r a C k / V o yo s pag a C mi C r a F t )

Para una aceleración de 30 g (300 m/s/s), en una pista de aluminio ( σ = 3.77 × 10 7 ) con V o yo t r a C k / V o yo s pag a C mi C r a F t ) = 10 − 2 (el volumen de pista afectado por el campo es el 1% del volumen de la nave espacial) a una velocidad relativa de 7800 m/seg necesitaríamos:

B 2 ≈ 300 × 1000 / ( 37700000 × 7800 × 0.01 )
B ≈ 0.01 tesla

Esto es sorprendentemente alcanzable. Un electroimán superconductor podría llegar fácilmente a 0,01 Tesla (los sistemas más avanzados son 20 Tesla). A medida que se reduce la velocidad relativa, B tendría que aumentar o V o yo t r a C k tendría que aumentar, por ejemplo, aumentando el grosor y la anchura de la pista, con un aumento lineal de la sección transversal. Podemos resolver para B a una velocidad relativa de 500 m/s:

B 2 ≈ 300 × 1000 / ( 37700000 × 500 × 0.01 )
B ≈ 0.04 tesla

¿Se puede controlar?

Pregunta abierta. ¿Se puede controlar con precisión la nave espacial para que esté lo suficientemente cerca de la pista para trabajar, pero nunca colisione? ¿Podemos mantener la nave espacial estable en los otros cinco ejes mientras se acelera?

En este punto somos empujados hacia la pista de metro. La nave espacial es naturalmente estable dentro del tubo debido a las fuerzas de las corrientes de Foucault que la estabilizan en todas las direcciones excepto a lo largo del eje del tubo.

Por supuesto, es muy importante que la nave espacial no golpee la pista. Debe ser capaz de acercarse de manera confiable lo suficiente como para unirse magnéticamente, pero sin golpear la cinta o el tubo. Hacer que el sistema sea confiable, incluso si hay una falla electrónica en alguna parte, es fundamental. Tener en cuenta la necesidad de una confiabilidad muy alta puede afectar significativamente el diseño en comparación con un diseño que asume el problema de la coincidencia. Por ejemplo, en una pista de metro, una cantidad significativa de masa podría dedicarse a ensanchar el frente para agregar margen de error.

Levitando la nave espacial debajo de la pista

Una posibilidad para una pista en forma de cinta es hacerla ligeramente ferromagnética, de modo que el electroimán proporcione una fuerza ascendente para contrarrestar la gravedad y levitar efectivamente la nave espacial debajo de la pista. El cálculo de la fuerza aquí es complicado, pero está claro que la distancia que separa la nave espacial y la pista debería ser < tamaño del electroimán de la nave espacial.

¿Es naturalmente estable?

Pregunta abierta.

No. La pista en sí está en un equilibrio inestable en órbita ya que es larga y delgada, y el gradiente de gravedad hace que los objetos en órbita quieran tener su eje largo orientado radialmente. Esta inestabilidad se puede solucionar variando la dirección de empuje de los motores de la pista.

Cuando la nave espacial está aterrizando o simplemente debido a las fuerzas de las mareas lunares, la pista sentirá una fuerza de compresión. Esto depende de la relación de masa y la longitud, más largo es bueno para la fuerza de la nave espacial, pero malo para la fuerza de marea (que crece a medida que aumenta). yo mi norte gramo t h 2 ). Para resistir el aplastamiento, la pista debe ser rígida y, para resistir el pandeo, debe tener algunas partes más anchas (por ejemplo, anillos y cables de sujeción).

¿Podrían los humanos usarlo?

¡No! Las fuerzas g son demasiado grandes/los humanos son demasiado blandos y una pista lo suficientemente larga para los humanos (700 km) sería fácilmente destrozada por las mareas de la luna. Sin embargo, la tarea principal de cualquier sistema de este tipo es transportar cantidades realmente masivas de carga.

¿Puede escalar o arrancar solo?

El sistema podría arrancar agregando más masa. A medida que la pista se hace más grande, puede acomodar naves espaciales más grandes para transportar más materiales de vía, propulsión y paneles solares, que a su vez pueden construir una pista más grande.

Sin entrar en demasiados detalles, el crecimiento de la pasarela será exponencial. Suponiendo que usamos Falcon Heavy en modo reutilizable (carga útil de 35 toneladas métricas), el arranque comenzará en 5000 toneladas y terminará cuando el cohete no necesite agregar ninguna velocidad radial (alrededor de 750 toneladas a baja altitud terrestre, velocidad 0), en en qué punto la pista será de unas 150.000 toneladas

Dado que los cohetes más pequeños no son realmente más baratos que los más grandes en este momento (especialmente en grandes cantidades), no tiene sentido comenzar con menos de 5000 toneladas para este o cualquier otro sistema de asistencia de lanzamiento en órbita.

La pista podría seguir creciendo hasta, por ejemplo, un megatón si se hicieran suficientes lanzamientos de Falcon Heavy (1300) para seguir alimentándola en masa. La pista también se puede hacer más segura a medida que se vuelve más masiva, con un área frontal más grande que hace que los accidentes sean menos probables y mitiga sus efectos.

¿Cuál es el final del juego?

Si se puede diseñar un cohete que obtenga 100 o más reutilizaciones (Falcon 9/Heavy), entonces el costo para llegar a la órbita se reduce a un pequeño múltiplo del costo del combustible para el cohete, que usando la pista da ~ $ 0,25 por kg a orbitar , aunque con algunas restricciones de tamaño y fuerza g.

Sin la pista los $ 200.000 de combustible para el FH solo entregan 35 toneladas, y se gasta una etapa superior por cada 35 toneladas de carga. Incluso a granel (supongamos que una etapa superior cuesta $ 2 millones a granel), esto es alrededor de $ 100 por kilogramo en órbita.

Claramente, la pista espacial es capaz de reducir radicalmente el costo del acceso al espacio.

¿Se gastarían mejor los recursos en bolo/tether giratorio/no rotatorio?

Tal vez. Las correas no pueden proporcionar el delta-v completo a la órbita, por lo que sus beneficios son mucho menores. Además, a medida que se han investigado más, han salido a la luz problemas más sutiles con ellos, como la necesidad de factores de seguridad muy grandes para el cable.

Las correas no giratorias (gradiente de gravedad) tienen problemas basados ​​en materiales similares a los giratorios. Los materiales simplemente no son lo suficientemente buenos para alcanzar la velocidad orbital. La pista no tiene este problema, puede llegar hasta el final.

¿Funcionaría?

Hágame saber en una respuesta si puede demostrar que este sistema es imposible o poco práctico, o si puede confirmar que el concepto es sólido.

1: https://www.physicsforums.com/threads/calculating-the-magnitude-of-eddy-currents-retarding-force.822714/

¿No tendría que haber alcanzado ya la velocidad orbital la nave espacial para "encontrarse con precisión con la cinta"?
No. Aparece en un punto en el espacio y el tiempo para coincidir momentáneamente con el frente de la cinta. La cinta se precipita sobre él a 7,7 km/seg, a unos pocos metros por encima de su cabeza.
Este es un uso de la palabra "cita" con el que no estoy familiarizado.
Editaré la pregunta. ¡Gracias!
Creo que la aceleración es de unos 40 g, por lo que probablemente no sea adecuado para humanos.
@SteveLinton Sí, la pista espacial de 100 km es para carga, no para humanos. Una pista espacial de 700 km te lleva a una carga g aceptable para humanos (alrededor de 4,3 g). El concepto sería el mismo.
Mi comprensión de la mecánica orbital proviene completamente de Scott Manley, así que por favor, tenga en cuenta :) Señaló que acelerar algo en órbita hace que su órbita cambie. Entonces, mi pensamiento inexperto sería que el "bucle" tendría que ser una espiral "hacia afuera" para tener el final deseado de un camino "casi" orbital para la carga útil. Parece que podría ser un desafío para la construcción... (disculpas por publicar esto como RESPUESTA; soy demasiado nuevo para comentar tu publicación, lo siento)
entonces su nave espacial no comienza en órbita. Con suerte, al final de la interacción con la pista, estará en una órbita casi circular y una pequeña quemadura (500 m/s) circulará.
verdadero. Es (hipotéticamente) 250 millas / 400 km de altitud y una velocidad angular cercana a cero. Tal vez Kerbal pueda simular esto :) No tengo las matemáticas para saber cómo mantener la nave espacial en un camino "circular" (siguiendo el bucle) a 30 g y luego ser expulsado del bucle en el lugar correcto.... ! !
Bueno, recuerda que la pista está en órbita. Si pudieras igualar la velocidad con él, también estarías en órbita. Debido al mecanismo de frenado magnético, no puedes igualarlo, pero puedes acercarte y luego hacer una pequeña quemadura para compensar la diferencia.
Idea de Archimedic :)) Dame una palanca larga y un lugar para pararme y moveré la tierra :))
@Alan Rominger ha tenido una idea similar

Respuestas (8)

https://lifeboat.com/em/arrestor.pdf

"Un sistema de detención magnética en órbita para el transporte sin cohetes a la órbita terrestre"

Si el transporte a la órbita terrestre pudiera desacoplarse en las dos tareas separadas de alcanzar la altitud orbital y mantener una órbita, el transporte a la órbita sin cohetes sería posible con mejoras sencillas a la tecnología existente. La capacidad para lograr la primera tarea, alcanzar la altitud orbital, ha sido demostrada por varios sistemas de lanzamiento de cañones. La segunda tarea, mantener una órbita compensando la resistencia atmosférica y otras perturbaciones, se puede realizar mediante los métodos de propulsión de alta eficiencia y baja potencia disponibles, como los propulsores de plasma o de iones. Sin embargo, se requiere un vínculo entre estas dos tareas, a saber, capturar una carga útil a altitud orbital y acelerarla hasta la velocidad orbital. Un sistema de detención magnética puede cumplir este papel fundamental.

ingrese la descripción de la imagen aquí

y de lo contrario buscar en los escritos de Phil T. Putman, por ejemplo:

"Capture Dynamics of Coaxial Magnetic Brakes", https://sci-hub.se/10.1109/ELT.2008.20

D. Fuerza de centrado Para que la captura de un proyectil de hipervelocidad por un freno magnético no sea destructiva, el proyectil no debe hacer contacto con las paredes del tubo de captura. Afortunadamente, también se genera una fuerza de centrado en la geometría del freno coaxial.

Esto de una fuerza de centrado generada por la geometría coaxial es una razón clave para considerar un diseño coaxial (tubo). Putnam también destaca los beneficios de usar un tubo pasivo con un imán en la partícula en movimiento:

para el método basado en un imán montado en un proyectil, el tubo de captura utiliza solo componentes pasivos, lo que da como resultado un freno de hipervelocidad no destructivo con costos iniciales y operativos mínimos.

Esto es interesante, la idea es similar, excepto que la "pista" es corta y utiliza imanes superconductores para aplicar un nivel de desaceleración verdaderamente escandaloso a la carga útil (200 000 g).
@MarkOmo esta respuesta ha sido actualizada
¿Puedo aclarar algo? En las fases iniciales, la velocidad del sonido en el tubo es menor que la velocidad del proyectil. Las fuerzas magnéticas que son importantes para la estabilidad axial del tubo, por otro lado, se propagan mucho más rápido, por lo que los resultados conocidos sobre la estabilidad de la línea central siguen siendo válidos. ¿Está bien?
@AlanSE hola, pregunta secundaria, ¿qué pasó con tu blog y esas cosas? Si tiene algún fb aquí, tratamos de deducir cosas, tal vez podría ser interesante conversar.

Solo agregaré algunas consideraciones sobre las fuerzas de las mareas, gracias a @Steve Linton por mencionar esto:

Aplastado por la luna

La fuerza de marea ( https://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_force ) de la luna es bastante pequeña, alrededor 10 − 12 metro / s 2 / metro . Esto no es un problema serio.

Aplastado por la nave espacial

Cuando una nave espacial aterriza en la pista, ejerce varias fuerzas. En particular, hay una fuerza de frenado y, para pistas más largas, la nave espacial también debe estar apoyada contra la gravedad. Para pistas largas, el pandeo es un problema. También es problemático tratar con naves supersónicas y transsónicas (ver más abajo).

Pasarelas rígidas

Estas consideraciones sugieren que la pista debe hacerse rígida. Una pista de 100 km de largo probablemente sea demasiado larga. Cortar la longitud de 3 a 30 km reduciría el efecto de la curvatura de la tierra a un valor insignificante (la desviación entre una cuerda y un arco circular de 30 km es de apenas 16 metros). 30 km aumenta la aceleración que siente la nave espacial:

a = v 2 / 2 s = 7800 2 / ( 2 × 30 , 000 ) ≈ 1000 metro / s 2

1000 metro / s 2 , o 100 gramo se usó para el misil Sprint que llevaba una ojiva nuclear relativamente delicada, por lo que es razonable suponer que se puede construir una nave espacial para resistir tal aceleración sin causar grandes penalizaciones masivas. De hecho, el proyecto de lanzamiento rápido planeaba tener una aceleración de 1800 g para un proyectil que incluía un motor de cohete.

Una tubería larga se puede endurecer agregando un anillo en el centro y cables: la pistola de lanzamiento rápido de 1 km de largo (bajo el mar en este caso) se veía así:

ingrese la descripción de la imagen aquí

30 km serán más difíciles que 1 km, pero en el espacio algunos aspectos de las estructuras son más fáciles, por ejemplo, la resistencia del aire es mucho menor y la desaceleración del aterrizaje de la nave espacial será de 0,3 g. Las aleaciones de aluminio son capaces de resistir las fuerzas involucradas, por lo que la estructura debe resistir mientras sea lo suficientemente rígida para no pandearse. Sin embargo, podría ser necesario un mayor margen de seguridad, aumentando la masa de 300x a 1000x la masa de la nave espacial.

Aquí hay una compensación: si la pista es más corta, puede ser menos masiva sin ser aplastada o pandeada. Sin embargo, una pista más corta dificulta la construcción de una nave espacial eficiente para interactuar con ella.

Destruido por ondas de choque

Otro problema que quizás no fue inmediatamente obvio al considerar el diseño es que la nave espacial en el diseño de referencia viaja a 7800 metro / s con respecto a la pista, que es mayor que la velocidad del sonido en aluminio ( 6300 metro / s ).

Si la nave espacial es supersónica o transsónica con respecto al metal de la pista, podrían acumularse ondas de choque dañinas frente a ella. No me queda claro si se trata de un problema de "fin del juego".

También está la velocidad del sonido de las ondas transversales en aluminio, sobre 3000 metro / s .

El berilio tiene un mejor rendimiento en estos aspectos: 12800 metro / s y 8000 metro / s respectivamente. Pero obtener una gran cantidad de berilio podría ser costoso: 1 tonelada de berilio cuesta $ 500,000 (lo que significa que $ 1 mil millones le permiten comprar 2000 toneladas... ¡aunque esto es más que la producción anual actual de berilio!).

Hablando de ondas de choque, debe considerar que debido a la atmósfera enrarecida en LEO, la fuerza de sus ondas de choque será significativamente menor que en las aplicaciones terrestres. Escribiré un script de python más tarde esta noche o mañana para confirmar esto, pero no creo que las ondas de choque sean lo suficientemente significativas como para dañar/destruir la pista. Me preocupa más la calefacción.
¡Gracias! El calentamiento de la pista no parece ser un problema siempre que la relación de masa sea decente. 200-300x la masa de la nave da como resultado un aumento de temperatura de 100 grados en la pista. No creo que esto sea un problema para metales como el aluminio.
Puede que esté equivocado, pero no me refería al calor por fricción, sino al calor ambiental debido al flujo que pasa por la onda de choque y la transferencia de calor asociada del gas enrarecido con la pista. Siento que hay algo más que nos falta con respecto a este problema en particular.
Bueno, la altitud se puede ajustar hacia arriba si se desea menos atmósfera. La ventaja de ser más bajo es (a) menos energía requerida del cohete y (b) menos basura espacial en altitudes más bajas.
Sí, como todo, es una compensación. Afortunadamente, si la aerodinámica se convierte en un problema (que dudo que lo sea), aumentar la altitud marginalmente reducirá significativamente la resistencia, especialmente en LEO, ya que la densidad atmosférica es exponencialmente proporcional a su altitud.
sí de acuerdo, no creo que la atmósfera sea un problema.
El pandeo es un problema, ¿y esto sugiere que la vía debería hacerse rígida? Todo lo contrario. La longitud citada es de 1 km a 100 km, el Burj Khalifa no alcanza el mínimo. La densidad de masa lineal sugiere algo más parecido a una formación de vuelo orbital unida por una cuerda que a una "estructura". Su punto de propagación de ondas supersónicas es bueno. Vale la pena considerar si el diseño de ingeniería dejaría todo acoplado eléctrica/mecánicamente, o si tendría segmentos entrelazados (superpuestos) para aislar esos efectos.
@AlanSE - ¡Qué bueno saber de ti! ¿Estaría potencialmente interesado en colaborar en un artículo sobre el puerto espacial?
@AlanSE No estoy seguro de los beneficios de dividir el puerto espacial. Si lo divides en partes, no ayudas a cada parte contra las fuerzas axiales, solo haces que cada parte acelere más en respuesta a la fuerza de la nave y corres el riesgo de una colisión entre las partes.
@AlanSE y no creo que ayudes mucho contra las fuerzas no axiales. Todas las piezas tienen que estar perfectamente alineadas, porque si no son una colisión de naves espaciales o incluso escapar por el hueco es posible. Entonces, si tiene la capacidad de alinearlos con control activo, creo que puede usarlo para evitar el pandeo. Y si es supersónico (como usted señaló), de todos modos no hay fuerzas de pandeo. Es un punto de debate importante, gracias por mencionarlo y me alegro de tenerte en la discusión.
Me he metido en un tema mucho más complejo de lo que esperaba. La estructura de QuickLaunch coincide muy vagamente con mi visión de cómo se vería esto, pero por razones totalmente diferentes. Se necesitaría una red de amarre de control activo para evitar, alinear y mantener la formación de micrometeoritos a través de la explotación dinámica de las fuerzas de marea. El último punto es mi propia propuesta especulativa. En régimen subsónico, la compresión es transitoria, tal vez tenga 100 km de largo, pero el pandeo solo puede ocurrir dentro de, digamos, segmentos de 100 m como fenómeno local, que no necesita un control activo.
@AlanSE: me parece que desea reducir la cantidad de molestias que genera la pista en forma de control activo, etc. En, digamos, 275 km, la cantidad de basura espacial se reduce y los pequeños micrometeoritos pueden protegerse con un escudo antilátigo. .
todavía queda la duda de si quieres rígido o blando. Mi "intuición terrícola" me dice que quieres un tubo de aluminio rígido que tenga una masa de 300 veces la carga útil, y quieres subsónico. Un tubo de 20 m de ancho es rígido contra el pandeo durante aproximadamente 1 km, por lo que hay menos cosas que controlar
Las opciones de disquete podrían ser cosas como globos toroidales aluminizados inflables. Entonces tienes que hacer mucho trabajo para mantenerlos a todos en formación, pero es menos esfuerzo construirlos. Un tubo subsónico rígido requeriría cierta cantidad de ensamblaje en órbita (soldadura, por ejemplo).

Notas sobre el estado de la técnica

He tenido este concepto en wikiversity por un tiempo y recientemente inicié una conversación con el OP en twitter, así es como comenzó esta pregunta.

Lo que me inspiró a empezar a pensar en ello al principio fue un comentario en Reddit de Dani Eder sobre la posibilidad de aterrizar en la Luna usando una pista recubierta de metal e inducción magnética + calentamiento por julios (que a veces se denomina fricción magnética, y también es el principio de un freno de corrientes de Foucault). Esto me hizo pensar en formas de aterrizar en asteroides de manera más económica mediante el uso de cables de alta resistencia a la tracción asegurados con un arpón, o algún mecanismo similar, con un revestimiento de metal para permitir el frenado por corrientes de Foucault. Me di cuenta de que el lugar lógico para usar esto es la órbita terrestre, aproximadamente a la mitad de escribir la página de la wikiversidad.

Desde entonces, algunas personas mencionaron que Kingsbury y Arnold tenían la misma idea básica, pero no pude ubicar un número del artículo, y los únicos resúmenes que pude encontrar se referían a eso como un cañón de bobina orbital. Recientemente, encontré una copia del artículo aquí , y pude confirmar mi sospecha de que, de hecho, estaban hablando de un cañón de bobina que atrapa y dispara una embarcación, no de una simple pista de corrientes de Foucault. Creo que su versión adolece de demasiada complejidad.

Otros aquí han mencionado ideas similares. El Eddy Current Brake to Lunar Orbit de Lunarpedia parece la misma idea, pero para la órbita lunar.

Cómo llamarlo

Esto ha evolucionado mucho porque mucha gente parece haber originado la idea por separado, y todavía no es una idea lo suficientemente popular como para tener un término común. Llamé a esto una pista de aterrizaje de hipervelocidad en un punto (HLT-LEO para la versión de órbita terrestre baja), pero 'Space Runway' también encaja. También podría ser una pista orbital (análoga al anillo orbital de Birch). Roger Arnold y Donald Kingsbury lo llamaron Spaceport, y Phil T. Putman lo llamó Arrestor. También se puede considerar una versión suave de la idea de accidente de transporte de Edward F. Marwick.

¿De cuánta masa arrancar?

Creo que el punto de partida de 5000 toneladas en el OP (nota: 100 veces más pequeño que Arnold & Kingsbury) es probablemente un sistema demasiado grande para atraer mucho interés, pero este concepto se puede reducir considerablemente a partir de ahí. Podría ser tan poco como 100 toneladas, o incluso 1 tonelada. La razón principal por la que no iría a 1 tonelada sería porque las cargas útiles de un kilogramo más o menos son difíciles de atravesar la atmósfera.

Por otro lado, el OP destaca que los avances recientes en cohetes reutilizables reducen sustancialmente el costo de una estructura de 5000 toneladas. Entonces, un sistema tan grande no es inconcebible y puede tener más sentido económico para una empresa como SpaceX.

¿Cómo debe tener forma?

Una idea relativamente simple es usar un tubo. La nave vuela hacia el tubo y la inducción electromagnética hace que sea repelida por las paredes. Otra forma sería tener una pista magnética alrededor de la cual la nave envuelva un tubo. Alternativamente, puede ser posible usar una pista de metal no magnético alrededor de la cual la nave se extiende enrollada en forma de U (U invertida, de modo que la gravedad la empuje en tensión con el campo magnético).

Una de las ideas más interesantes podría ser un enjambre lineal de satélites que actúe como una pista, sin estar conectados físicamente. El problema aquí podría ser que no necesitan estar demasiado separados, ya que la nave no estaría acelerando cuando sus bobinas no interactúan con nada. Una forma de evitar esto sería alargar las bobinas en la dirección de desplazamiento. Así que imagine una hoja plana de bobinas que se dobla en una U invertida, lo suficientemente larga como para que siempre cubra al menos un satélite.

La principal ventaja de swarm es un método de arranque "sin construcción". Puede comenzar con 1000 satélites, luego, en el transcurso de 100 días con 10 lanzamientos por día, aumentar el enjambre al doble, sin tener que resolver problemas de construcción basada en el espacio (soldadura, etc.). Los componentes estarían equipados con propulsores de iones programables y volarían solos hasta su lugar.

Incluso si asumimos la forma de un tubo, la pista se puede segmentar en muchos tubos colocados de extremo a extremo, con la separación suficiente para evitar que colisionen antes de que los propulsores de iones los redirijan a sus posiciones originales. Esta sería una forma de abordar los problemas que tienen que ver con que la velocidad del sonido en el aluminio (6700 m/s) sea menor que la diferencia inicial de velocidad (7800 m/s).

Otra forma de configurar la pista sería como una estructura de tensegridad. La velocidad del sonido/fuerzas mecánicas a través de fibras de alta resistencia bajo tensión tiende a ser mayor que la velocidad orbital, por lo que la reducción de la tensión causada por la inercia de la nave que se transfiere a la primera parte de la pista es absorbida por la última parte de la misma. pista, distribuyendo el impulso más rápidamente.

¿Se deben usar superconductores?

Según Lofstrom, los superconductores son difíciles de manejar . Entonces, si bien pueden ser útiles en algunos de los diseños de mayor escala, creo que esto prohíbe los diseños de menor escala y probablemente introduce una complejidad de ingeniería innecesaria. Pero sin ellos, está la cuestión de cómo crear el campo magnético y si tienes que usar imanes permanentes (lo que quizás no funcione tan bien para algunas de las posibilidades de diseño anteriores).

Esto es algo que quizás querríamos ver en términos de cómo diseñar bobinas que puedan manejar altas temperaturas, sin que sean demasiado costosas en términos de requisitos de masa. Tenga en cuenta que se autoalimentan una vez que la inducción comienza a activarse. El tungsteno quizás podría conducir la electricidad a temperaturas lo suficientemente altas como para conducir o irradiar rápidamente. Otro enfoque posible sería usar 'bobinas' que consisten en plasma, ya que las partículas en movimiento no necesitan ser electrones.

Es probable que las bobinas de alta temperatura no deban estar dentro de la nave espacial, por lo que estoy pensando en la línea de un carro que viaja a lo largo de una pista con la nave espacial colgando de él.

¿Debería estar ya en movimiento la nave?

Este concepto puede funcionar con la nave estacionaria con respecto a la tierra en el punto de intercepción. Sin embargo, como señalan Kingsbury y Arnold, la mayor parte de la energía cinética proviene de la mayor diferencia de velocidad. Su artículo sugiere interceptar con la mitad de la velocidad orbital ya agregada por el 'más ligero' (cohete). Esto también es consistente con algunos de los lanzadores de proyectiles realistas. La mitad de la velocidad orbital cuesta 1/4 de la energía para alcanzarla. Además, una nave que se mueve a alrededor de 4000 m/s en lugar de 8000 m/s con respecto a la vía se mueve a una velocidad subsónica para el aluminio, y la longitud de la vía podría ser 1/4 de esa longitud. Esto también permite el uso de bobinas en la embarcación (o el carro al que está unida) que no necesitan manejar una carga de corriente tan alta. La desventaja es que esto no

> La quema orbital es alrededor de 20 veces más 'costosa' en términos de energía que levantar la misma cantidad de masa a una altura determinada. .................................................... ...... ............................................ .... ............................................... .......... Sí, el verdadero ahorro de costes es el enorme aumento de los márgenes de su barco. Incluso si todavía usa un combustible químico como LOx/RP1 o LOx/CH4, ir a solo 2,4 km/seg de delta-v hace posible pasar de una fracción de masa del barco del 5 % al 25 % (¡quintuplicar la masa!) y todavía me queda otro 30-50% para la carga útil.
> "Creo que deberíamos confiar en ceñirnos a los imanes no superconductores" ............................... ..................... ............................. .................................................................... ......................... ......................... ............................... Quiere un campo potente y no quiere generar ningún calor en el interior tu barco Y quieres que sea ligero también. Creo que esto empujará a los superconductores, con la sinergia de que el hidrógeno líquido como combustible puede usarse para enfriar los imanes.
> "La formación lineal de muchas pequeñas unidades 'inteligentes' podría funcionar mejor". .................................................... ...... ............................................ .... ............................................... .......... ................................................. ................ Es posible, pero creo que lo mejor es una estructura contigua que esté constantemente en ligera tensión. Si agrega un ligero arrastre en la parte posterior y pone empuje en la parte delantera, creo que se estabiliza.
@RokoMijic Ahora que algunos cohetes usan metano líquido como combustible, también podría ser posible usarlo como refrigerante, ya que algunos superconductores de alta temperatura ( en.wikipedia.org/wiki/High-temperature_superconductivity ) tienen temperaturas críticas por encima del punto de ebullición del metano. (-161,5 C).
@Pitto Sí, ese es un buen punto. Metano en el Magship como combustible y refrigerante.

Esta es una de un montón de ideas de lanzamiento espacial que implican "cargar" un objeto masivo en órbita de algún tipo con energía y momento angular. Luego, de alguna manera lo conecta a una carga útil relativamente pequeña de algún tipo y transfiere el momento angular y la energía a la carga útil. Como ejemplo bastante extremo, podría poner en órbita una carga muy pequeña simplemente lanzándola verticalmente desde la Tierra para que estuviera frente a la ISS en el momento justo. Terminaría orbitando, incrustado en el escudo de meteoritos en la parte delantera de la ISS, que se habría ralentizado minuciosamente. Generalmente queremos algo un poco más suave que esto, pero desde la perspectiva de la física es básicamente lo mismo.

Una variante son las estructuras como un molinete o un ascensor espacial, que utilizan una gran estructura giratoria para permitirte atracar sin violencia.

No se obtiene algo a cambio de nada, por supuesto, se necesita reactivar la estructura o capturar las cargas útiles entrantes que van más rápido que la velocidad orbital de vez en cuando o la estructura sale de órbita.

Desde el punto de vista de la ingeniería, el freno magnético aquí parece bastante factible. Es posible que la pista deba enfriarse durante un tiempo después de cada captura, ya que se ha disipado bastante energía en ella. La cita inicial obviamente sería un poco delicada, pero creo que el gran problema probablemente sea la estabilidad. Una estructura tan larga está lejos de ser rígida, y no estoy seguro de qué la mantiene estirada. Además de las fuerzas de su funcionamiento, sobre él también estarán actuando las mareas lunares y solares. Si se deforma aunque sea un poco, perderá el contacto con la carga útil o chocará con ella, ninguno de los cuales es bueno.

¡Gracias! > "lo que lo mantiene estirado" ... Entonces, podría poner la propulsión (motores de iones) en la parte delantera, entonces toda la estructura estará constantemente bajo una tensión muy leve a medida que acelera para recuperar el impulso perdido y habrá un ligero arrastre atmosférico para superar a esa altitud.
> "Si se deforma, aunque sea un poco, perderá el contacto con la carga útil"... la idea es que los electroimanes tiren de algún material ferromagnético en la pista + la gravedad tirando hacia abajo dará cierta autoridad de control para corregir pequeños problemas. Para emergencias, la nave espacial podría tener propulsores de respuesta muy rápida (¿gas a alta presión, tal vez?) para alejarse rápidamente. La pista debe ser inteligente y conocer su forma, por lo que debe haber un poco de tiempo para responder.
@RokoMijic Creo que en este punto uno realmente necesitaría hacer una simulación para ver cuán graves son las inestabilidades y cuánto combustible se necesitaría para mantener todo donde debe estar. Además, realmente me acabo de dar cuenta de que esto está a solo 300 km de altura. Todavía hay una resistencia aerodinámica notable a esa altitud y necesitarías algunos motores de iones bastante masivos (y MUCHA potencia) para mantenerlo en órbita, incluso cuando no estaba atrapando cargas útiles.
Podrías ir más alto. La cuestión es que a medida que subes, hay más basura espacial. No sé cuál es la compensación correcta. Además, no sé cómo calcular el arrastre de un objeto muy largo y delgado en un régimen de flujo molecular. ¿Incluso tienes algún arrastre?
Lo de las mareas no parece ser tan malo. La luna es más poderosa que el sol, y creo que termina ejerciendo una aceleración de marea de 0,1 m/s^2 en una distancia de 100 km. Entonces, en promedio, la cosa se separará o (aplastará) a 0.05 m / s ^ 2. Creo que la separación está bien. El aluminio tiene suficiente fuerza específica para tomar eso. Sin embargo, la aplastante fuerza de las mareas podría ser un problema grave. 0,05 m/s^2 es mucho para un motor de iones.
¿Sabes si sería un problema que la nave espacial viajara por la pista a velocidades mayores que la velocidad del sonido en el metal? ¡El único metal con una velocidad del sonido mayor que la velocidad orbital es el berilio!
@RokoMijic Me preocuparía que las mareas lo flexionaran y que el vehículo capturado no se mantuviera a la distancia adecuada.
@loren pechtel: las mareas lunares y solares son bastante débiles. Creo que el máximo de la luna es 10^(-12) m/s^2/m. Por cierto, he visto que diste algunos comentarios muy astutos a AlanSE sobre sus globos de gravedad. Sin duda agradecería más comentarios de alguien como tú. Y AlanSE para el caso.
Pero sobre el tema de la flexión de las mareas, creo que la pista querría ser lineal y rígida. No habría flexión y la pista necesitaría una combinación de resistencia mecánica contra la flexión y elementos activos para mantenerse recta.

En respuesta a dos de sus preguntas:

¿Es naturalmente estable? No. Las fuerzas de marea tenderán a torcer cualquier cosa en órbita para que su eje mayor apunte en la dirección radial; Para mantener la cinta de lanzamiento horizontal, necesitará medidas activas para contrarrestar esto. Las cosas empeoran cuando te das cuenta de que en los 25 segundos que necesitas para que tu nave espacial alcance la velocidad orbital, caerá unos 3000 metros. Su cinta de lanzamiento debe estar inclinada, lo que empeorará el par.

¿Podrían los humanos usarlo? No. ¿Ves esa caída de 3000 metros para la versión de alta aceleración? Una versión apta para humanos, con su menor aceleración, implicaría una caída de 160.000 metros antes de que la nave espacial alcance la velocidad orbital, más de la mitad del camino de regreso a la Tierra.

> "en los 25 segundos que necesita su nave espacial para alcanzar la velocidad orbital, caerá unos 3000 metros". ........... ............ ................. ......... ...... ............. ....... la idea es levitarlo magnéticamente debajo de la pista usando algunos materiales ferromagnéticos. Una vez que la nave espacial esté levitada, no caerá. La fuerza del electroimán se puede ajustar para lograr una levitación controlada.
> " Las fuerzas de marea tenderán a torcer cualquier cosa en órbita para que su eje largo apunte en la dirección radial" ........................... ................................ ¿Es eso realmente cierto incluso si el objeto tiene la forma de un arco de órbita? ? Hmm, supongo que el objeto está en un equilibrio inestable... así que necesitas tener propulsores de control en varios puntos a lo largo de él. El poder de estos sería pequeño, ya que solo necesitan mantener el equilibrio.
@RokoMijic, el par de marea le sucede a cualquier objeto que no sea rotacionalmente simétrico. El único objeto que no lo experimentará es una esfera.
Está en equilibrio, solo inestable, ¿verdad?
¿Crees que se puede estabilizar teniendo la estructura bajo tensión constante, el empuje principal está en el frente de la pista? ¿Cómo calcularías eso?
@RokoMijic, No. Poner motores en la parte delantera de la pista eliminará la falla por pandeo de la cinta, pero aún está sujeto al efecto (falta de) de la falacia del cohete del péndulo en la estabilidad.
¿Se aplica aquí la falacia del péndulo? La cinta de 100 km de largo no es rígida, por lo que en realidad no es lo mismo que la configuración de esa falacia.
@RokoMijic, sí, todavía se aplica. Al cohete no le importa dónde está el motor, solo en qué dirección está apuntando. Poner el motor en la parte delantera mejora la dinámica estructural interna de la cinta, pero no la dinámica orbital de lo que hace la cinta en su conjunto.
En realidad creo que tienes razón. La tensión nunca puede tirar hacia los lados, la cinta es inestable. Todo lo que hace la tensión es hacer que quiera estar recto y evitar que se doble, como dijiste. Sin embargo, estar bajo tensión al menos ayuda de la siguiente manera: puede aplicar una fuerza en la parte posterior y, mientras la parte posterior y la parte delantera se mantengan en su lugar, el resto hará lo mismo. Incluso podría curvarse correctamente por sí solo...

Solo publicando una actualización importante a esta pregunta. Resulta que hay algo de arte previo aquí, pero está extremadamente bien escondido.

El concepto de un anillo en órbita que frena magnéticamente las cargas útiles fue concebido por primera vez (hasta donde yo sé) en 1979 por Arnold y Kingsbury en "The Spaceport, Part I", Analog Science Fiction/Science Fact, vol. 99, No. 11, noviembre de 1979, págs. 48-67 y "The Spaceport, Part II", Analog Science Fiction/Science Fact, vol. 99, núm. 12, diciembre de 1979, págs. 60-77.

¿Podrían los humanos usarlo? Improbable, pero tal vez. A altas aceleraciones, lo que acaba matando a la gente es la diferencia de densidad entre cavidades como tus pulmones y el resto de tu cuerpo. La gente ha teorizado que con la respiración líquida , los humanos podrían sobrevivir a aceleraciones continuas de hasta 1000G.

Es una idea muerta.

  1. Tal fugitivo tiene un costo insano.
  2. Ese fugitivo debe tener poder.
    1. electroimanes
    2. sistema de refrigeración.
  3. Tiene que tener propulsores y combustible a bordo para estabilizar su órbita + tenga en cuenta la tercera ley de Newton.
  4. El tirón orbital en propulsores iónicos o propulsores químicos con reabastecimiento de combustible es una alternativa mucho más eficiente.
> ese fugitivo debe poder.. 2.1. electroimanes 2.2. sistema de refrigeración. ......................... ......................... ............... ......................... .......... ............................... .................... ..... ................................................. ..... ... ............................... No hay electroimanes en la pista
> El tirón orbital en propulsores de iones o/y propulsores químicos con reabastecimiento de combustible es una alternativa mucho más eficiente. ......................... ......................... ............... ......................... .......... ............................... .................... ................... ¿Cómo sería posible que eso funcione? Un remolcador orbital no puede poner una carga útil en órbita...
> tal fuga tiene un costo de locos.......................... .................. ...................... ............................. ... ..................................... ............. ............................................................ .. ........ ............................................. ....... .. ..... ..... Más de una gran cantidad de masa en órbita, un gran costo fijo tiene sentido para reducir el costo por kg. La pista debe compararse con alternativas como un bucle de lanzamiento, una correa giratoria, etc. Todas tienen grandes costos iniciales. La pregunta es si esto es mejor.
@Roko Mijic, el remolcador orbital se coloca en LEO, las cargas útiles se entregan a ese remolcador de forma clásica (como la nave espacial Progress a la ISS)
Una nave espacial equipada con un potente electroimán coincide con precisión con el frente de la pista, pasando ligeramente por debajo de ella (o dentro de ella por un tubo). La nave espacial inicialmente tiene velocidad 0. El plan es usar la pista para transferir impulso a la nave espacial usando fuerzas magnéticas.................................... ........ No importa dónde se coloquen los imanes (en la nave espacial o en el fugitivo mismo) == los electroimanes necesitan una fuente de energía, por lo que la historia está a punto de tener una sobrecarga de peso insana.
¡Bienvenido al Space SE! Tenga en cuenta que nos gustan las oraciones más redondas, las referencias, etc. Aunque en una pregunta tan obvia quizás no sea un gran problema.
Importa mucho dónde están los imanes. En el post se muestra que el campo magnético requerido es bastante débil, 0.01 Tesla. Incluso podría ser posible hacer que el sistema funcione con imanes permanentes de tierras raras que pueden tener campos de hasta 1-2 Tesla. La otra opción son los electroimanes superconductores que no requieren energía para mantener un campo. Los imanes resistivos también son una opción, aunque probablemente no sea la mejor.
imanes permanentes o electroimanes, necesitarán un enfriamiento sofisticado. En resumen, cualquier forma no proporciona un ahorro significativo de peso y energía.
¿Por qué necesitarías enfriar un imán permanente? Un imán superconductor necesitaría refrigeración, pero esto podría lograrse con argón líquido. Más importante aún, el campo que necesita no es muy grande. 0,01 Tesla es pequeño para un imán superconductor.
¿Crees que habría corrientes de Foucault inducidas dentro del imán permanente? No me parece. Creo que la tasa de cambio de B dentro del imán en sí será cero, lo que significa que no hay EMF inducido. En el marco de referencia del imán (barco), todos los campos magnéticos son estáticos. Hay una corriente inducida en la tubería porque en su marco de referencia se mueve el campo magnético.
> aquí hay una corriente inducida en la tubería porque en su marco de referencia el campo magnético se está moviendo........................... .................................................... .................................................... ....................................... "moviéndose" significa que cambia.
no entiendo tu comentario Creo que está equivocado: las leyes de la física dicen que un campo magnético estático no induce ninguna corriente. Otras personas también han cometido los mismos errores, obviamente es un concepto erróneo común que debe abordarse.
el imán en movimiento induce corrientes en el conductor (tubería) y esas corrientes se oponen al movimiento del imán. En realidad, la corriente inducida tiene un campo magnético propio y ese campo no es estacionario en relación con el imán en movimiento. En resumen, las corrientes de Foucault también estarán sobre/a través de la tubería y el imán.
cita: Hay otras razones por las que la pista debe tener mucha más masa que la nave espacial. La interacción pierde energía cinética igual a la KE de la nave espacial, que se desperdicia como calor: 30 MJ/kg, o aproximadamente 30 veces la energía para fundir aluminio. Obviamente, esto debe distribuirse en una estructura grande. Con una relación de masa de 150, el aumento de temperatura es de 200°C.
El campo generado por las corrientes de Foucault es estacionario con respecto al barco.
Sé que es un poco confuso pensar en esto con dos marcos de referencia diferentes, pero imagina que fijo un imán en su lugar con una varilla larga y luego paso una tubería sobre el imán. El imán será atraído por este efecto, con una fuerza constante; aunque la tubería se mueve sobre el imán, el campo que genera es estacionario y mi imán ni siquiera puede decir que la tubería se está moviendo. ¿Cómo sabría si el campo lo genera una tubería en movimiento o un electroimán estacionario?
youtube.com/watch?v=mUBTQMTUUK4 si las corrientes de Foucault se oponen al movimiento del imán, ¿cómo podrían tener un campo estacionario en relación con?
¿Es posible poner una nave espacial en órbita terrestre utilizando el frenado por corriente de Foucault lineal en una pista orbital?
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