StarTram

редактировать
Гипотетический космодром StarTram. Пусковая труба тянется вдаль на восток справа (в конечном итоге изгибаясь на много километров), рядом с электростанцией, которая заряжает SMES. RLV возвращаются на посадку на взлетно-посадочную полосу.

StarTram - это предлагаемая система запуска в космос, приводимая в движение магнитным полем. Первоначальная установка поколения 1 будет запускать только грузы, взлетая с горной вершины на высоте от 3 до 7 километров (от 1,9 до 4,3 миль) с эвакуированной трубой, оставшейся на местном уровне поверхности; утверждалось, что ежегодно на орбиту можно выводить около 150 000 тонн. Для системы поколения 2 для пассажиров потребуются более продвинутые технологии с более длинной дорогой, вместо этого постепенно изгибающейся в конце к более разреженному воздуху на высоте 22 км (14 миль), поддерживаемой магнитной левитацией, уменьшая g-силы, когда каждая капсула переходит из вакуумной трубки в атмосферу. В презентации SPESIF 2010 говорится, что поколение 1 может быть завершено к 2020 году или позже, если финансирование начнется в 2010 году, а поколение 2 - к 2030 году или позже.

Содержание

  • 1 История
  • 2 Описание
    • 2.1 Поколение 1 Система
    • 2.2 Система поколения 2
    • 2.3 Система поколения 1.5 (вариант с более низкой скоростью)
  • 3 Экономика и потенциал
  • 4 Проблемы
    • 4.1 Gen-1
    • 4.2 Gen-1.5
    • 4.3 Gen-2
  • 5 См. Также
  • 6 Ссылки
  • 7 Внешние ссылки

История

Гусеница в масштабе тестовой модели для магнитного ассистента запуска с более низкой скоростью. Предыдущая концепция для аналогичного Горизонтальная система помощи при запуске на магнитной подушке, но с гораздо меньшей скоростью: MagLifter.

Джеймс Р. Пауэлл изобрел концепцию сверхпроводящего maglev в 1960-х вместе со своим коллегой Гордоном Дэнби ​​, также в Брукхейвенской национальной лаборатории, которая впоследствии была преобразована в современные поезда на магнитной подвеске . Позже Пауэлл стал соучредителем StarTram, Inc. с доктором Джорджем Мэйзом, аэрокосмическим инженером, который ранее работал в Брукхейвенской национальной лаборатории с 1974 по 1997 год с особым опытом, включая повторный вход. обогрев и гиперзвуковая конструкция транспортного средства.

Конструкция StarTram была впервые опубликована в документе и патенте 2001 года со ссылкой на статью 1994 года о MagLifter. Разработанная Джоном С. Мэнкинсом, менеджером перспективных концептуальных исследований в НАСА, концепция MagLifter включала помощь при запуске на магнитной подвеске со скоростью несколько сотен м / с с короткой траекторией и прогнозируемой эффективностью 90%. Отмечая, что StarTram по сути является MagLifter, доведенным до гораздо большей степени, и MagLifter, и StarTram обсуждались в следующем году в концептуальном исследовании, проведенном ZHA для Космического центра Кеннеди НАСА, которое также рассматривалось вместе Maglev 2000 с Пауэлл и Дэнби ​​.

Последующий дизайн изменяет StarTram на версию поколения 1, версию поколения 2 и альтернативный вариант поколения 1.5.

Джон Рэзер, который работал помощником директора по космосу Технологии (разработка программ) в НАСА, сказал:

- малоизвестный факт, что в середине 1990-х годов штаб-квартира НАСА, Центр космических полетов им. Маршалла и ключевые частные новаторы предприняли попытку изменить основные парадигмы доступа и развития космоса. Как правило, эти усилия включали методы электромагнитного запуска и новые подходы к созданию электрических систем большой мощности в космосе...... StarTram был задуман, исходя из первых принципов, чтобы снизить стоимость и повысить эффективность доступа к пространству более чем в сто раз...... Общая осуществимость и стоимость подхода StarTram были подтверждены в 2005 году тщательным исследованием «совета по убийствам», проведенным в Сандийской национальной лаборатории.

— Доктор Скорее

Описание

Система 1-го поколения

Система 1-го поколения предлагает разгонять судно без экипажа со скоростью 30 g через туннель длиной 130 км (81 миль)., с плазменным окном, предотвращающим потерю вакуума при кратковременном открытии механической заслонки на выходе, откачивается воздух с помощью насоса MHD. (Плазменное окно больше, чем у предшествующих конструкций, само потребление мощности оценивается в 2,5 МВт для диаметра 3 метра (9,8 фута)). В эталонном проекте выход находится на поверхности горной вершины высотой 6000 метров (20000 футов), где скорость старта 8,78 км / с (5,46 миль / с) под углом 10 градусов принимает груз. капсулы на низкую околоземную орбиту в сочетании с горением небольшой ракеты, обеспечивающей 0,63 км / с (0,39 миль / с) для циркуляризации орбиты. С бонусом от вращения Земли при стрельбе на восток дополнительная скорость, значительно превышающая номинальную орбитальную скорость, компенсирует потери во время всплытия, включая 0,8 км в секунду (0,50 миль / с) от сопротивление атмосферы.

40-тонное грузовое судно, 2 метра (6 футов 7 дюймов) в диаметре и 13 метров (43 фута) в длину, на короткое время испытает воздействие атмосферного прохода. При эффективном коэффициенте сопротивления 0,09 пиковое замедление для выпущенного с горы удлиненного снаряда на мгновение составляет 20 g, но уменьшается вдвое в течение первых 4 секунд и продолжает уменьшаться по мере того, как он быстро проходит над основной массой оставшейся атмосферы.

В первые моменты после выхода из пусковой трубы скорость нагрева с оптимальной формой носа составляет около 30 кВт / см в точке торможения, хотя намного меньше на большей части носа, но падает ниже 10 кВт / см в течение нескольких секунд. Планируется транспирационное водяное охлаждение с кратковременным потреблением до 100 литров / м воды в секунду. По расчетам, достаточно нескольких процентов массы снаряда в воде.

Сама туннельная труба для Gen-1 не имеет сверхпроводников, не требует криогенного охлаждения, и ничто из этого не находится на более высокой высоте, чем местная поверхность земли. За исключением возможного использования SMES в качестве метода накопления электроэнергии, сверхпроводящие магниты находятся только на движущемся космическом корабле, наводя ток в относительно недорогие алюминиевые петли на стенках ускорительного туннеля, поднимая корабль с зазором 10 сантиметров, в то время как Между тем, второй набор алюминиевых петель на стенах пропускает переменный ток, ускоряющий аппарат: линейный синхронный двигатель.

Пауэлл прогнозирует общие расходы, в первую очередь затраты на оборудование, в размере 43 долларов на килограмм полезной нагрузки с 35- тонна полезной нагрузки запускается более 10 раз в день, в отличие от нынешних цен на запуск ракет от 10 000 до 25 000 долларов за килограмм на низкую околоземную орбиту. Расчетная стоимость электроэнергии для достижения скорости низкой околоземной орбиты составляет менее 1 доллара за килограмм полезной нагрузки: 6 центов за киловатт-час современные затраты на промышленную электроэнергию, 8,78 км / с ( 5,46 миль / с) запуск кинетической энергии 38,5 МДж на килограмм и 87,5% массы полезной нагрузки, ускоренной с высоким КПД этим линейным электродвигателем.

2-го поколения Система

Представление художника о StarTram Generation 2, мегаструктуре более амбициозной, чем Gen-1, превышающей 96% массы атмосферы.

Вариант StarTram 2-го поколения предназначен для многоразовых капсул с экипажем, рассчитан на низкую перегрузочную силу, от 2 до 3 g ускорение в пусковой трубе и выход на такой большой высоте (22 км (14 миль)), что максимальное аэродинамическое замедление становится 1g. Хотя летчики-испытатели НАСА несколько раз справлялись с этими перегрузками, низкое ускорение предназначено для того, чтобы дать право на участие самому широкому кругу людей.

При таком относительно медленном ускорении системе Gen-2 требуется длина от 1000 до 1500 километров (от 620 до 930 миль). Стоимость большей части длины трубки без возвышения оценивается в несколько десятков миллионов долларов на километр, что пропорционально примерно аналогичным расходам на единицу длины туннельной части бывшего сверхпроводящего суперколлайдера проект (первоначально планировалось выкопать 72 километра (45 миль) 5-метрового (16 футов) вакуумного туннеля за 2 миллиарда долларов) или к некоторым существующим железнодорожным линиям maglev, где Powell ' s Система Maglev 2000 требует значительных дальнейших инноваций по снижению затрат. Район Антарктиды на высоте 3 км (1,9 мили) над уровнем моря является одним из вариантов размещения, особенно потому, что ледяной щит считается относительно легким для прохождения туннеля.

Для приподнятой конечной части конструкция учитывает магнитную левитацию, чтобы быть относительно менее дорогостоящим, чем альтернативные варианты подъема пусковой трубы массового движителя (привязные аэростаты, сжимаемые или надутые аэрокосмические материалы мегаструктуры ). Ток в 280 мегаампер в заземляющих кабелях создает магнитное поле силой 30 Гаусс на высоте 22 км (14 миль) над уровнем моря (несколько меньше над местностью в зависимости от выбора места), в то время как кабели на приподнятом конце часть трубки несет 14 Мегаампер в обратном направлении, создавая силу отталкивания 4 тонны на метр; Утверждается, что это будет удерживать конструкцию плотностью 2 тонны / метр, сильно давящую на ее угловые тросы, растягивающую структуру в большом масштабе. В примере сверхпроводника ниобий-титан, несущего 2 × 10 ампер на см, левитирующая платформа будет иметь 7 кабелей с поперечным сечением проводника 23 см (3,6 кв. Дюйма) каждый, включая медный стабилизатор.

Система поколения 1.5 (вариант с более низкой скоростью)

Альтернатива, Gen-1.5, могла бы запускать пассажирский космический корабль со скоростью 4 километра в секунду (2,5 мили / с) с вершины горы на высоте около 6000 метров над уровнем моря. уровень от 270 километров (170 миль) туннеля с ускорением на 3 g.

Хотя стоимость строительства будет ниже, чем у версии Gen-2, Gen-1.5 будет отличаться от других вариантов StarTram, требуя 4+ км / s должны быть обеспечены другими средствами, такими как ракетная тяга. Однако нелинейный характер уравнения ракеты по-прежнему делает долю полезной нагрузки для такого транспортного средства значительно больше, чем у обычной ракеты, не оснащенной электромагнитным запуском, и транспортного средства с высоким доступным запасом массы и Коэффициенты безопасности должно быть намного проще производить в массовом порядке по дешевке или делать многоразовые с быстрым оборотом, чем нынешние ракеты со скоростью 8 км / с (5,0 миль / с). Д-р Пауэлл отмечает, что современные ракеты-носители «имеют много сложных систем, которые работают на грани отказа, с очень ограниченным резервированием», при этом высокая производительность оборудования по сравнению с весом является основным фактором затрат. (Само топливо составляет порядка 1% от текущих затрат на орбиту ).

. В качестве альтернативы, Gen-1.5 может быть объединен с другой неракетной системой запуска, например, Momentum Обменный трос, аналогичный концепции HASTOL, который был предназначен для вывода на орбиту аппарата со скоростью 4 км / с (2,5 мили / с). Поскольку тросы подвержены сильно экспоненциальному масштабированию такой трос было бы намного проще построить с использованием современных технологий, чем тот, который сам по себе обеспечивает полную орбитальную скорость.

Длина пускового туннеля в этом предложении может быть уменьшена, принимая соответственно более высокие силы на пассажиров. A туннель от 50 до 80 километров (от 31 до 50 миль) будет генерировать силы 10-15 g, которые физически подготовленные летчики-испытатели успешно выдержали в испытаниях на центрифугах, но более медленное ускорение с более длинным туннелем снизит требования к пассажирам и снизит пиковую мощность, что, в свою очередь, снизит затраты на кондиционирование s.

Экономика и потенциал

Утверждается, что концепция наземного оборудования StarTram может повторно использоваться после каждого запуска без значительного технического обслуживания, поскольку это будет, по сути, большой линейный синхронный электродвигатель. Это сместило бы большую часть «требований для выхода на орбиту к надежной наземной инфраструктуре», не имеющей ни высоких характеристик по сравнению с требованиями к массе, ни таких, как 25 000 долларов США за килограмм летного сухого веса затрат Спейс шаттл. Конструкторы оценивают стоимость строительства для поколения 1 в 19 миллиардов долларов, что составляет 67 миллиардов долларов для поколения 2 с возможностью пассажиров.

Альтернативная конструкция поколения 1.5, такая как скорость запуска 4 км в секунду (2,5 миль / с), будет промежуточным с точки зрения скорости между 8,8 км / с (5,5 миль / с) Gen-1 и разработкой Maglifter (ориентировочная стоимость 0,3 км / с (0,19 миль / с) составляла 0,2 млрд долларов) помощь при запуске в случае 50-тонного автомобиля).

Цель поколения 2 - 13 000 долларов на человека. По оценкам, до 4 миллионов человек могут быть отправлены на орбиту за десять лет на одно предприятие Gen-2.

Проблемы

Gen-1

Самая большая проблема для Gen-1 считается исследователями достаточно доступным хранилищем, быстрой доставкой и удовлетворением требований к мощности.

Для хранения необходимой электроэнергии (разряженной в течение 30 секунд со средней величиной около 50 гигаватт и пиковой мощностью около 100 гигаватт), Показатели затрат SMES в таком необычном масштабе, как ожидается, составят около доллара за килоджоуль и 20 долларов за пиковый кВт. Это было бы новшеством по масштабу, но не сильно отличалось бы от запланированных показателей затрат по сравнению с другими меньшими системами накопления энергии в импульсном режиме (такими как современные суперконденсаторы с быстрым разрядом, стоимость которых упала с 151 долл. США за кДж до 2,85 долл. США за кДж в период с 1998 по 2006 г., хотя прогнозируется позднее. дойти до доллара за кДж, свинцово-кислотные батареи, которые могут стоить 10 долларов за киловатт за несколько секунд, или экспериментальные источники питания с рельсотронами компульсатор ). В исследовании отмечается, что альтернативой могут быть импульсные МГД-генераторы.

Для MagLifter General Electric подсчитала в 1997-2000 годах, что набор гидроэлектрических генераторов импульсной мощности с маховиком может быть произведен по стоимости, равной 5,40 долларов за кДж и 27 долларов за кВт-пик. Для StarTram выбор конструкции SMES является лучшим (менее дорогостоящим) подходом, чем генераторы импульсов согласно Пауэллу.

Самая большая прогнозируемая капитальная стоимость для Gen-1 - это согласование мощности, от начальный разряд постоянного тока на волну переменного тока, работающий в течение нескольких секунд с очень высокой мощностью, до 100 гигаватт, при стоимости, оцененной в 100 долларов за пик кВт. Тем не менее, по сравнению с некоторыми другими потенциальными реализациями пусковой установки койлгана с относительно более высокими требованиями к импульсным устройствам переключения мощности (примером является конструкция космической скорости длиной 7,8 км (4,8 мили) после того, как в исследовании NASA 1977 г. как выжить при прохождении через атмосферу после запуска с земли), которые не всегда основаны на полупроводниках, длина ускорительной трубки Gen-1 составляет 130 км, что позволяет распределить потребности в энергии на более длительный период ускорения. Это приводит к тому, что требования к максимальной входной мощности не превышают примерно 2 ГВт на тонну транспортного средства. Требуется компромисс в виде больших затрат на сам туннель, но туннель оценивается примерно в 4,4 миллиарда долларов, включая 1500 долларов за кубический метр земляных работ, меньшую часть общей стоимости системы.

Gen-1.5

Изображенное сани развили 2,9 км / с без магнитной левитации на базе ВВС Холломан. Holloman AFB также выполняет программу строительства высокоскоростного испытательного трека на магнитной подвеске. В отчете за 2006 год указано скорость 10 Маха (3,4 км / с) в качестве будущей цели для версии на магнитной подвеске для общих приложений гиперзвуковых испытаний Министерства обороны.

Текущий рекорд наземной скорости 2,9 км / с были получены на санях на 5 км рельсового пути, в основном в заполненном гелием туннеле, в рамках проекта стоимостью 20 миллионов долларов. Версия StarTram Gen-1.5 для запуска пассажирских RLV со скоростью 4 км / с от поверхности горы будет иметь значительно более высокую скорость с гораздо более массивным транспортным средством. Однако они будут ускоряться в длинном вакуумном туннеле без сопротивления воздуха или газа, с левитацией, препятствующей физическому контакту с рельсами на гиперскоростях, и с ожидаемым финансированием на 3 порядка больше. Многие проблемы, включая высокие начальные капитальные затраты, будут пересекаться с Gen-1, хотя у него не будет левитирующей пусковой трубы Gen-2.

Gen-2

Gen-2 представляет особую дополнительную проблему с его приподнятая пусковая труба, левитирующая как транспортное средство, так и часть трубы (в отличие от Gen-1 и Gen-1.5, которые только левитируют транспортное средство). По состоянию на 2010 год действующие системы магнитной подвески поднимают поезд примерно на 15 миллиметров (0,59 дюйма). Для версии StarTram Gen-2 необходимо поднимать путь на расстояние до 22 километров (14 миль), что на расстояние больше в 1,5 миллиона раз.

Сила между двумя проводящими линиями определяется как F = (μ I 1 I 2 l) / (2 π r) {\ displaystyle F = (\ mu I_ {1} I_ {2} l) / (2 \ pi r)}F = (\ mu I_ {1} I_ {2} l) / (2 \ pi r) , (закон силы Ампера ). Здесь F - сила, μ = μ 0 μ r {\ displaystyle \ mu = \ mu _ {0} \ mu _ {r}}\ mu = \ mu _ {0} \ mu _ {r} проницаемость, I 1, I 2 {\ displaystyle I_ {1}, I_ {2}}I_ {1}, I_ {2 } электрические токи, l {\ displaystyle l}l длина линий и r {\ displaystyle r}r их расстояние. Для воздействия 4000 кг / м (8100 фунтов / ярд) на расстояние 20 километров (12 миль) в воздухе (μ r {\ displaystyle \ mu _ {r}}\ mu _ {r} ≈ 1) по земле I 1 {\ displaystyle I_ {1}}I_ {1} ≈ 280 x 10A необходимо, если левитирует I 2 {\ displaystyle I_ {2}}I_ {2} ≈ 14 x 10 А. Для сравнения: в молнии максимальный ток около 10А, ср. свойства молнии, хотя рассеиваемая резистивная мощность, связанная с током, протекающим по проводнику, пропорциональна падению напряжения, высока для разряда молнии в миллионы вольт в воздухе, но в идеале равна нулю для нулевого сопротивления сверхпроводник.

Хотя характеристики сверхпроводника ниобий-титан технически достаточны (критическая плотность тока 5 x 10 А / см в соответствующих условиях магнитного поля для левитирующей платформы, 40% от практики после фактора безопасности), неопределенности в экономике включают гораздо более оптимистичное предположение для Gen-2 в размере 0,2 доллара за кА-метр сверхпроводника по сравнению с 2 долларами за кА-метр, принятыми для Gen-1 (где Gen-1 не имеет любая из его пусковых труб левитирует, но использует сверхпроводящий кабель для большого SMES и внутри запущенного корабля maglev ). NbTi был выбран в качестве конструктивного решения при доступной экономии на масштабе для охлаждения, поскольку в настоящее время он стоит 1 доллар за кА-метр, в то время как высокотемпературные сверхпроводники до сих пор по-прежнему стоят намного дороже для самого проводника за кА-метр.

Если учитывая конструкцию с ускорением до 10 g (что выше, чем ускорение при входе в атмосферу Apollo 16 ), тогда вся трасса должна быть не менее 326 километров (203 миль) долго для пассажирской версии системы Gen-2. Такая длина позволяет использовать приближение бесконечной линии для вычисления силы. Предыдущее не учитывает, как левитирует только последняя часть пути, но более сложный расчет изменяет результат для силы на единицу длины только на 10-20% (f gl = от 0,8 до 0,9 вместо 1).

Сами исследователи не считают, что есть какие-либо сомнения в отношении того, будет ли левитация работать с точки зрения приложенной силы (следствие закона силы Ампера), но видят главную проблему в практических инженерных сложностях монтажа трубы, в то время как значительная часть инженерного анализа была сосредоточена на обработке изгиба, вызванного ветром. Активная конструкция рассчитана на изгиб на долю метра на километр под действием ветра в очень разреженном воздухе на большой высоте, небольшая кривизна, теоретически компенсируемая петлями наведения, с чистой силой левитации, превышающей вес конструкции. сила ветра в 200+ раз, чтобы удерживать тросы натянутыми, и с помощью управляемых тросов с компьютерным управлением.

См. также

Ссылки

Внешние ссылки

На Викискладе есть материалы, связанные с StarTram.
Последняя правка сделана 2021-06-09 08:10:05
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте