حلقه پرتاب

حلقه پرتاب (مقیاس رعایت نشده است). خط قرمز نشان‌دهنده خود حلقه متحرک و خطوط آبی کابل‌های ثابت هستند.

حلقه پرتاب (به انگلیسی: Launch loop) یا حلقه لوفستروم (به انگلیسی: Lofstrom loop)، سامانه‌ای پیشنهادی برای پرتاب اجسام به مدار با استفاده از یک سیستم متحرک کابل‌مانند است که درون غلافی قرار گرفته، از دو انتها به زمین متصل شده و در بخش میانی خود بر فراز جو معلق است. طرح مفهومی این ایده توسط کیت لوفستروم منتشر شد و یک سازه فعال مَگْلِوْ ترابری کابلی را توصیف می‌کند که طولی در حدود ۲٬۰۰۰ کیلومتر (۱٬۲۴۰ مایل) دارد و در ارتفاعی تا ۸۰ کیلومتر (۵۰ مایل) نگه داشته می‌شود. یک حلقه پرتاب در این ارتفاع به واسطه تکانه یک تسمه که در سراسر سازه در گردش است، معلق می‌ماند. این گردش، در عمل، وزن سازه را به یک جفت یاتاقان مغناطیسی، یکی در هر انتها، که آن را پشتیبانی می‌کنند، منتقل می‌کند.

حلقه‌های پرتاب برای دستیابی به پرتاب فضایی غیر راکتی وسایل نقلیه با وزن ۵ تن از طریق شتاب‌دهی الکترومغناطیسی طراحی شده‌اند تا به مدار زمین یا حتی فراتر از آن پرتاب شوند. این امر توسط بخش مسطح کابل که یک مسیر شتاب‌دهی بر فراز جو تشکیل می‌دهد، محقق می‌شود.[۱]

این سامانه برای پرتاب انسان‌ها به منظور گردشگری فضایی، اکتشاف فضایی و اسکان در فضا مناسب طراحی شده و شتاب نسبتاً پایین ۳’‘جی’' را فراهم می‌کند.[۲]

تاریخچه

حلقه‌های پرتاب توسط کیت لوفستروم در نوامبر ۱۹۸۱ در بخش «انجمن خوانندگان» خبرنامه انجمن فضانوردی آمریکا و در اوت ۱۹۸۲ در خبرنامه انجمن ال۵ توصیف شدند.

در سال ۱۹۸۲، پاول برچ مجموعه‌ای از مقالات را در ‘’ژورنال انجمن بین‌سیاره‌ای بریتانیا‘’ منتشر کرد که در آن حلقه مداری‌ها را توصیف نمود و شکلی از آن را که «سامانه حلقه مداری جزئی» (Partial Orbital Ring System یا PORS) نامید، شرح داد.[۳]

ایده حلقه پرتاب با جزئیات بیشتری در حدود سال‌های ۱۹۸۳–۱۹۸۵ توسط لوفستروم توسعه یافت.[۲][۴] این طرح، نسخه تکمیل‌شده‌ای از PORS است که به‌طور خاص برای تشکیل یک مسیر شتاب‌دهی مَگْلِوْ مناسب برای پرتاب انسان به فضا تنظیم شده است؛ اما در حالی که حلقه مداری از شناوری مغناطیسی ابررسانا استفاده می‌کرد، حلقه‌های پرتاب از تعلیق الکترومغناطیسی (EMS) بهره می‌برند.

شرح

بخش شتاب‌دهنده حلقه پرتاب (کابل بازگشت نشان داده نشده است)

یک توپ بزرگ را در جزیره‌ای تصور کنید که گلوله‌ای را به لایه‌های بالایی جو شلیک می‌کند. گلوله در پرواز اولیه خود مسیری تقریباً سهموی را دنبال می‌کند، اما پسا آن را کند کرده و باعث می‌شود در مسیری بسیار عمودی‌تر به زمین بازگردد. می‌توان با محصور کردن مسیر پیش‌بینی‌شده در یک لوله و تخلیه هوای آن، مسیر را کاملاً بالستیک کرد. معلق نگه داشتن چنین لوله‌ای بسته به طول مسیر، یک مشکل اساسی خواهد بود. با این حال، می‌توان از خود گلوله برای تأمین این نیروی بالابرنده، حداقل به‌طور موقت، استفاده کرد. اگر لوله دقیقاً در امتداد مسیر پرواز گلوله نباشد، بلکه کمی پایین‌تر از آن قرار گیرد، با عبور گلوله از داخل لوله، به سمت پایین رانده می‌شود و در نتیجه نیرویی رو به بالا بر لوله وارد می‌کند. برای معلق ماندن، این سامانه به شلیک مداوم گلوله‌ها نیاز دارد.

حلقه پرتاب اساساً نسخه پیوسته‌ای از این مفهوم است. به جای یک توپ که گلوله‌ای شلیک می‌کند، یک راه‌انداز جرمی کابلی را در یک مسیر مشابه شتاب می‌دهد. این کابل توسط یک لوله تخلیه‌شده از هوا احاطه شده است که با استفاده از آهنرباهای الکتریکی که کابل را به پایین فشار می‌دهند، در هوا معلق می‌ماند. هنگامی که کابل در انتهای دیگر مسیر به زمین بازمی‌گردد، توسط یک راه‌انداز جرمی دوم گرفته شده، ۱۸۰ درجه خم می‌شود و در مسیر مخالف به بالا فرستاده می‌شود. نتیجه، یک حلقه واحد است که به‌طور مداوم در حال حرکت است و لوله را در هوا معلق نگه می‌دارد.

برای استفاده از این سامانه به عنوان یک پرتابگر فضایی، یک حلقه پرتاب باید حدود ۲٬۰۰۰ کیلومتر طول و ۸۰ کیلومتر ارتفاع داشته باشد. حلقه به شکل یک لوله است که به آن ‘‘غلاف’’ (sheath) گفته می‌شود. در داخل غلاف، یک لوله پیوسته دیگر به نام ‘‘روتور’’ (rotor) شناور است که نوعی تسمه یا زنجیر محسوب می‌شود. روتور یک لوله آهنی با قطر تقریبی ۵ سانتی‌متر (۲ اینچ) است که با سرعت ۱۴ کیلومتر بر ثانیه (۳۱٬۰۰۰ مایل بر ساعت) در اطراف حلقه حرکت می‌کند. معلق نگه داشتن این سامانه به مقدار قابل توجهی نیروی بالابر نیاز دارد و مسیر حاصل بسیار مسطح‌تر از مسیر بالستیک طبیعی روتور است.[۲]

به دلیل احتمال خرابی حلقه و سقوط آن به زمین، معمولاً در نظر گرفته می‌شود که بین دو جزیره و خارج از مسیرهای کشتیرانی پرتردد اجرا شود.

قابلیت معلق ماندن

در حالت سکون، حلقه در سطح زمین قرار دارد. سپس روتور تا رسیدن به سرعت مورد نظر شتاب می‌گیرد. با افزایش سرعت روتور، خم شده و یک قوس تشکیل می‌دهد. سازه توسط نیروی روتور که تلاش می‌کند یک مسیر سهموی را دنبال کند، بالا نگه داشته می‌شود. لنگرهای زمینی آن را مجبور می‌کنند تا پس از رسیدن به ارتفاع ۸۰ کیلومتری، موازی با زمین حرکت کند. پس از بالا رفتن، سازه برای غلبه بر انرژی تلف‌شده به توان مداوم نیاز دارد. انرژی اضافی برای تأمین نیروی هر وسیله نقلیه‌ای که پرتاب می‌شود، مورد نیاز خواهد بود.[۲]

پرتاب محموله‌ها

برای پرتاب، وسایل نقلیه توسط یک کابل «آسانسور» که از سکوی بارگیری ایستگاه غربی در ارتفاع ۸۰ کیلومتری آویزان است، بالا برده شده و روی مسیر قرار می‌گیرند. محموله یک میدان مغناطیسی اعمال می‌کند که جریان گردابی را در روتور سریع‌الحرکت ایجاد می‌کند. این کار هم محموله را از کابل بلند کرده و هم آن را با شتاب ۳’‘جی’’ (۳۰ متر بر ثانیه مربع) به جلو می‌کشد. سپس محموله بر روی روتور حرکت می‌کند تا به سرعت مداری مورد نیاز برسد و مسیر را ترک کند.[۲]

اگر به یک مدار پایدار یا دایره‌ای نیاز باشد، پس از اینکه محموله به بالاترین نقطه مسیر خود رسید، یک موتور راکت روی آن (“موتور ضربه‌ای” یا kick motor) یا وسیله دیگری برای دایره‌ای کردن مسیر به مدار مناسب زمین مورد نیاز است.[۲]

تکنیک جریان گردابی فشرده، سبک و قدرتمند است، اما بازده کمی دارد. با هر پرتاب، دمای روتور به دلیل اتلاف توان، ۸۰ کلوین افزایش می‌یابد. اگر پرتاب‌ها با فاصله زمانی بسیار کمی انجام شوند، دمای روتور می‌تواند به ۷۷۰ درجه سانتی‌گراد (۱۰۴۳ کلوین) نزدیک شود که در این نقطه، روتور آهنی خواص فرومغناطیسی خود را از دست داده و مهار روتور از بین می‌رود.[۲]

ظرفیت و قابلیت‌ها

مدارهای بسته‌ای که حضیض آن‌ها ۸۰ کیلومتر است، به سرعت دچار واپاشی شده و مجدداً وارد جو می‌شوند، اما علاوه بر چنین مدارهایی، یک حلقه پرتاب به تنهایی قادر است محموله‌ها را مستقیماً به مدارهای گریز، مسیرهای کمک گرانشی از کنار ماه و دیگر مدارهای بازمانند نزدیکی نقاط تروجان تزریق کند.

برای دسترسی به مدارهای دایره‌ای با استفاده از حلقه پرتاب، یک «موتور ضربه‌ای» نسبتاً کوچک باید همراه با محموله پرتاب شود که در اوج مداری شلیک کرده و مدار را دایره‌ای می‌کند. برای قرار گرفتن در مدار زمین‌هم‌زمان (GEO)، این موتور باید دلتا-وی حدود ۱٫۶ کیلومتر بر ثانیه فراهم کند؛ برای دایره‌ای کردن مدار پایینی زمین (LEO) در ارتفاع ۵۰۰ کیلومتری، به دلتا-وی تنها ۱۲۰ متر بر ثانیه نیاز است. راکت‌های معمولی برای رسیدن به GEO و LEO به ترتیب به دلتا-وی حدود ۱۴ و ۱۰ کیلومتر بر ثانیه نیاز دارند.[۲]

حلقه‌های پرتاب در طراحی لوفستروم نزدیک به خط استوا قرار می‌گیرند[۲] و فقط می‌توانند مستقیماً به مدارهای استوایی دسترسی پیدا کنند. با این حال، ممکن است از طریق تغییر صفحه مداری در ارتفاعات بالا، اغتشاشات قمری یا تکنیک‌های آیرودینامیکی به صفحات مداری دیگر دست یافت.

ظرفیت نرخ پرتاب یک حلقه پرتاب در نهایت به دما و نرخ خنک‌سازی روتور محدود می‌شود و به ۸۰ پرتاب در ساعت می‌رسد، اما این امر به یک نیروگاه ۱۷ گیگاواتی نیاز دارد؛ یک نیروگاه скромнееتر ۵۰۰ مگاواتی برای ۳۵ پرتاب در روز کافی است.[۲]

صرفه اقتصادی

برای اینکه یک حلقه پرتاب از نظر اقتصادی مقرون‌به‌صرفه باشد، به مشتریانی با نیازهای پرتاب محموله در مقیاس بزرگ نیاز دارد.

لوفستروم تخمین می‌زند که یک حلقه اولیه با هزینه تقریبی ۱۰ میلیارد دلار و بازگشت سرمایه یک‌ساله، می‌تواند سالانه ۴۰٬۰۰۰ تن محموله را پرتاب کرده و هزینه‌های پرتاب را به ۳۰۰ دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش دهد. با ۳۰ میلیارد دلار و ظرفیت تولید برق بیشتر، حلقه قادر به پرتاب ۶ میلیون تن محموله در سال خواهد بود و با در نظر گرفتن دوره بازگشت سرمایه پنج‌ساله، هزینه‌های دسترسی به فضا با یک حلقه پرتاب می‌تواند تا ۳ دلار به ازای هر کیلوگرم کاهش یابد.[۵]

مقایسه‌ها

مزایای حلقه‌های پرتاب

در مقایسه با آسانسورهای فضایی، نیازی به توسعه مواد جدید با استحکام کششی بالا نیست، زیرا سازه با پشتیبانی از وزن خود توسط انرژی جنبشی حلقه متحرک، و نه با استحکام کششی، در برابر گرانش زمین مقاومت می‌کند.

انتظار می‌رود حلقه‌های پرتاب لوفستروم با نرخ بالایی (چندین پرتاب در ساعت، مستقل از آب و هوا) پرتاب انجام دهند و ذاتاً آلاینده نیستند. راکت‌ها به دلیل دمای بالای گازهای خروجی، آلودگی‌هایی مانند نیترات‌ها را در اگزوز خود ایجاد می‌کنند و بسته به انتخاب پیشران، می‌توانند گازهای گلخانه‌ای تولید کنند. حلقه‌های پرتاب به عنوان نوعی از پیشرانش الکتریکی می‌توانند پاک باشند و با انرژی زمین‌گرمایی، هسته‌ای، بادی، خورشیدی یا هر منبع انرژی دیگری، حتی منابع متناوب، کار کنند، زیرا این سامانه دارای ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی داخلی عظیمی است.

برخلاف آسانسورهای فضایی که باید طی چندین روز از کمربند وان آلن عبور کنند، مسافران حلقه پرتاب می‌توانند به مدار پایینی زمین که پایین‌تر از این کمربندها قرار دارد، یا در عرض چند ساعت از میان آنها پرتاب شوند. این وضعیت مشابه وضعیتی است که فضانوردان آپولو با آن روبرو بودند که دوز تابش آنها حدود ۰٫۵٪ از مقداری بود که آسانسور فضایی به سرنشینان خود می‌داد.[۶]

برخلاف آسانسورهای فضایی که در تمام طول خود در معرض خطرات زباله‌های فضایی و شهاب‌سنگ‌ها قرار دارند، حلقه‌های پرتاب در ارتفاعی قرار می‌گیرند که مدارها به دلیل پسا هوا ناپایدار هستند. از آنجایی که زباله‌ها در این ارتفاع باقی نمی‌مانند، فقط یک شانس برای برخورد با سازه دارند. در حالی که دوره فروپاشی آسانسورهای فضایی از مرتبه سال تخمین زده می‌شود، انتظار می‌رود آسیب یا فروپاشی حلقه‌ها به این روش نادر باشد. علاوه بر این، خود حلقه‌های پرتاب حتی در صورت وقوع حادثه، منبع قابل توجهی از زباله‌های فضایی نیستند. تمام زباله‌های تولید شده دارای حضیضی هستند که با جو برخورد می‌کند یا در سرعت گریز قرار دارند.

حلقه‌های پرتاب برای حمل و نقل انسان طراحی شده‌اند و شتاب ایمن ۳’‘جی’’ را فراهم می‌کنند که اکثریت قریب به اتفاق مردم قادر به تحمل آن هستند،[۲] و راهی بسیار سریع‌تر از آسانسورهای فضایی برای رسیدن به فضا خواهند بود.

حلقه‌های پرتاب در حین کار بی‌صدا خواهند بود و برخلاف راکت‌ها، هیچ‌گونه آلودگی صوتی ایجاد نمی‌کنند.

در نهایت، هزینه‌های پایین حمل محموله توسط آنها، با گردشگری فضایی در مقیاس بزرگ و حتی اسکان در فضا سازگار است.

دشواری‌های حلقه‌های پرتاب

یک حلقه در حال کار، مقدار بسیار زیادی انرژی در تکانه خطی خود خواهد داشت. در حالی که سیستم تعلیق مغناطیسی بسیار افزونه خواهد بود و خرابی بخش‌های کوچک تأثیر چندانی نخواهد داشت، اما اگر یک خرابی بزرگ رخ دهد، انرژی موجود در حلقه (۱٫۵×۱۰۱۵ ژول یا ۱٫۵ پتاژول) به کل انرژی آزاد شده در یک انفجار بمب هسته‌ای (معادل ۳۵۰ کیلوتن معادل تی‌ان‌تی) نزدیک می‌شود، هرچند که تشعشعات هسته‌ای منتشر نمی‌کند.

در حالی که این مقدار انرژی قابل توجه است، بعید است که به دلیل اندازه بسیار بزرگ سازه، بخش زیادی از آن را تخریب کند و زیرا بیشتر انرژی در هنگام تشخیص خرابی، به‌طور عمدی در مکان‌های از پیش تعیین‌شده تخلیه می‌شود. ممکن است لازم باشد اقداماتی برای پایین آوردن کابل از ارتفاع ۸۰ کیلومتری با حداقل آسیب، مانند استفاده از چتر نجات، انجام شود.

بنابراین، به دلایل ایمنی و مکانیک مداری، حلقه‌های پرتاب برای نصب بر فراز اقیانوسی نزدیک به خط استوا و به دور از مناطق مسکونی در نظر گرفته شده‌اند.

طراحی منتشر شده از یک حلقه پرتاب به کنترل الکترونیکی شناوری مغناطیسی برای به حداقل رساندن اتلاف توان و پایدارسازی کابل که در غیر این صورت کم-میرا (under-damped) است، نیاز دارد.

دو نقطه اصلی ناپایداری، بخش‌های چرخشی (turnaround) و خود کابل هستند.

بخش‌های چرخشی به‌طور بالقوه ناپایدار هستند، زیرا حرکت روتور به دور از آهنرباها باعث کاهش جاذبه مغناطیسی می‌شود، در حالی که حرکت نزدیک‌تر باعث افزایش جاذبه می‌شود. در هر دو حالت، ناپایداری رخ می‌دهد.[۲] این مشکل به‌طور معمول با سیستم‌های کنترل سروو موجود که قدرت آهنرباها را تغییر می‌دهند، حل می‌شود. اگرچه قابلیت اطمینان سروو یک مسئله بالقوه است، اما با توجه به سرعت بالای روتور، برای از بین رفتن مهار روتور، لازم است که بسیاری از بخش‌های متوالی از کار بیفتند.[۲]

بخش‌های کابل نیز با این مشکل بالقوه روبرو هستند، هرچند نیروها بسیار کمتر است.[۲] با این حال، یک ناپایداری اضافی در این است که مجموعه کابل/غلاف/روتور ممکن است دچار حالت‌های حرکت پیچشی (meandering) (مشابه زنجیر کمندی) شوند که دامنه آنها بدون محدودیت رشد می‌کند. لوفستروم معتقد است که این ناپایداری نیز می‌تواند به صورت بی‌درنگ توسط مکانیزم‌های سروو کنترل شود، اگرچه این امر هرگز آزمایش نشده است.

طرح‌های رقیب و مشابه

در آثار الکساندر بولونکین اشاره شده است که پروژه لوفستروم مشکلات حل‌نشده بسیاری دارد و با فناوری فعلی فاصله زیادی دارد.[۷][۸][۹] به عنوان مثال، پروژه لوفستروم دارای اتصالات انبساطی بین صفحات آهنی ۱٫۵ متری است. سرعت آنها (تحت تأثیر گرانش و اصطکاک) می‌تواند متفاوت باشد و بولونکین ادعا می‌کند که ممکن است در لوله گیر کنند؛ و نیرو و اصطکاک در بخش‌های چرخشی زمینی با قطر ۲۸ کیلومتر، عظیم است. در سال ۲۰۰۸،[۱۰] بولونکین یک کابل حلقه‌بسته چرخان ساده را برای پرتاب دستگاه‌های فضایی به روشی مناسب برای فناوری فعلی پیشنهاد کرد.

پروژه دیگری به نام کابل فضایی (space cable)، طرحی کوچک‌تر از جان نپمن است که برای کمک به پرتاب راکت‌های معمولی و گردشگری زیرمداری در نظر گرفته شده است. طرح کابل فضایی به جای یک روتور پیوسته، مانند معماری حلقه پرتاب، از پیچ‌های گسسته استفاده می‌کند. نپمن همچنین به صورت ریاضی نشان داده است که ناپایداری پیچشی را می‌توان مهار کرد.[۱۱][۱۲]

قلاب آسمانی (skyhook) یکی دیگر از مفاهیم سامانه پرتاب است. یک قلاب آسمانی می‌تواند چرخان یا غیرچرخان باشد. قلاب آسمانی غیرچرخان از مدار پایینی زمین تا بالای جو زمین آویزان است (کابل قلاب آسمانی به زمین متصل نیست).[۱۳] قلاب آسمانی چرخان این طرح را تغییر می‌دهد تا سرعت انتهای پایینی خود را کاهش دهد؛ کل کابل به دور مرکز گرانش خود می‌چرخد. مزیت این کار، کاهش سرعت بیشتر برای وسیله نقلیه پرتابی است که به سمت انتهای پایینی قلاب آسمانی چرخان پرواز می‌کند که باعث افزایش بار و کاهش هزینه پرتاب می‌شود. دو عیب این روش عبارتند از: زمان بسیار کم برای اتصال وسیله نقلیه پرتابی در انتهای پایینی قلاب آسمانی چرخان (تقریباً ۳ تا ۵ ثانیه)، و عدم انتخاب در مورد مدار مقصد.

جستارهای وابسته

تسمه (مکانیک) ترابری کابلی شناوری مغناطیسی راه‌انداز جرمی مهندسی کلان‌مقیاس پرتاب فضایی غیر راکتی حلقه مداری آسانسور فضایی تفنگ فضایی فواره فضایی گردشگری فضایی استارترام پیشرانه افسار

منابع

  1. ↑ Forward, Robert L. (1995), "Beanstalks", Indistinguishable From Magic, ISBN 0-671-87686-4
  2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 نسخه PDF از نشریه حلقه پرتاب لوفستروم در سال ۱۹۸۵ (کنفرانس AIAA)
  3. ↑ پاول برچ • Orbital Rings - I 12 بایگانی‌شده در ۲۰۰۷-۰۷-۰۷ توسط Wayback Machine
  4. ↑ December 1983 Analog magazine
  5. ↑ اسلایدهای حلقه پرتاب برای کنفرانس ISDC2002
  6. ↑ Young, Kelly (13 November 2006). "Space elevators: 'First floor, deadly radiation!'". New Scientist.
  7. ↑ Bolonkin, Alexander (2006). Non-Rocket Space Launch and Flight. Elsevier. ISBN 978-0-08-044731-5.
  8. ↑ Bolonkin, Alexander (10–19 October 2002). Optimal inflatable space towers with 3–100 km height. World Space Congress. Houston, TX, USA. IAC–02–IAA.1.3.03.
  9. ↑ Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 56, 2003, No.9/10, pp.314-327
  10. ↑ Bolonkin A.A. , New Concepts, Ideas, and Innovations in Aerospace, Technology and Human Science, NOVA, 2008, 400 pgs.
  11. ↑ Knapman, J. (2009-01-01). "The Space Cable - Capability and Stability". Journal of the British Interplanetary Society. 62: 202–210. Bibcode:2009JBIS…62…202K. ISSN 0007-084X. {{cite journal}}: Check |bibcode= length (help)
  12. ↑ Knapman, John (2009). "Stability of the space cable". Acta Astronautica (به انگلیسی). 65 (1–2): 123–130. Bibcode:2009AcAau…65…123K. doi:10.1016/j.actaastro.2009.01.047. {{cite journal}}: Check |bibcode= length (help)
  13. ↑ Smitherman, D. V. "Space Elevators: An Advanced Earth-Space Infrastructure for the New Millennium". NASA/CP-2000-210429. Archived from the original on 2007-02-21.

پیوند به بیرون

در ویکی‌انبار پرونده‌هایی دربارهٔ حلقه پرتاب موجود است.
This article is issued from ویکی‌پدیا. The text is available under Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 unless otherwise noted. Additional terms may apply for the media files.