Space tjuder
Space Tethers är långa kablar som kan användas för framdrivning, impulsutbyte, stabilisering och attitydkontroll , eller för att bibehålla de relativa positionerna för komponenterna i ett stort utspridda satellit-/ rymdfarkostsensorsystem . Beroende på uppdragets mål och höjd, rymdfärder som använder denna form av rymdfarkostsframdrivning vara betydligt billigare än rymdfärder med raketmotorer .
Huvudtekniker
Tether-satelliter kan användas för olika ändamål, inklusive forskning om tjuderdrivning , tidvattenstabilisering och orbital plasmadynamik. Fem huvudtekniker för att använda rymdtjuder är under utveckling:
- Elektrodynamiska tjuder
Elektrodynamiska tjuder används främst för framdrivning. Dessa är ledande tjuder som bär en ström som kan generera antingen dragkraft eller drag från ett planetariskt magnetfält , på ungefär samma sätt som en elmotor gör.
- Momentum utbyte tjuder
Dessa kan antingen vara roterande tjuder, eller icke-roterande tjuder, som fångar ett ankommande rymdskepp och sedan släpper det vid ett senare tillfälle till en annan bana med en annan hastighet. Momentumutbytesförband kan användas för manövrering i omloppsbana , eller som en del av ett rymdtransportsystem från planet-yta-till-omloppsbana/omloppsbana-till-flykthastighet.
- Tjudd formation flyger
Detta är vanligtvis en icke-ledande tjuder som exakt upprätthåller ett inställt avstånd mellan flera rymdfarkoster som flyger i formation.
- Elektriskt segel
En form av solvindssegel med elektriskt laddade tjuder som kommer att pressas av drivkraften från solvindjoner .
- Universal Orbital Support System
Ett koncept för att hänga upp ett föremål från ett tjuder som kretsar i rymden.
Många användningsområden för rymdtjuder har föreslagits, däribland utplacering som rymdhissar , som skyhooks och för att göra drivmedelsfria orbitalöverföringar.
Historia
Konstantin Tsiolkovsky (1857–1935) föreslog en gång ett torn så högt att det nådde ut i rymden, så att det skulle hållas där av jordens rotation . Men vid den tiden fanns det inget realistiskt sätt att bygga den.
År 1960 skrev en annan ryss, Yuri Artsutanov , mer detaljerat om idén om en dragkabel som skulle utplaceras från en geosynkron satellit , nedåt mot marken och uppåt bort, för att hålla kabeln balanserad. Detta är rymdhiss , en typ av synkront tjuder som skulle rotera med jorden. Men med tanke på den tidens materialteknik var detta också opraktiskt på jorden.
På 1970-talet kom Jerome Pearson självständigt på idén om en rymdhiss, ibland kallad en synkron tjuder, och analyserade i synnerhet en månhiss som kan gå genom punkterna L1 och L2 , och detta visade sig vara möjligt med material som då finns.
1977 undersökte Hans Moravec och senare Robert L. Forward fysiken hos icke-synkrona skyhooks , även kända som roterande skyhooks, och utförde detaljerade simuleringar av avsmalnande roterande tjuder som kunde plocka bort föremål och placera föremål på, månen , Mars och andra planeter , med liten förlust, eller till och med en nettovinst av energi.
1979 undersökte NASA möjligheten av idén och gav riktning till studiet av bundna system, särskilt bundna satelliter.
1990 föreslog E. Sarmont en icke-roterande Orbiting Skyhook för ett Earth-to-orbit / orbit-to-escape-space Transportation System i ett papper med titeln "An Orbiting Skyhook: Affordable Access to Space". I detta koncept skulle en suborbital bärraket flyga till den nedre änden av en Skyhook, medan rymdfarkoster på väg mot högre omloppsbana, eller återvänder från högre omloppsbana, skulle använda den övre änden.
övervägde NASA och Boeing ett HASTOL- koncept, där en roterande tjuder skulle ta nyttolaster från ett hypersoniskt flygplan (med hälften av omloppshastigheten) till kretsloppet .
Uppdrag
En tjudersatellit är en satellit som är ansluten till en annan via ett mellanrum. Ett antal satelliter har sänts upp för att testa tether-teknologier, med varierande grad av framgång.
Typer
Det finns många olika (och överlappande) typer av tjuder.
Momentum utbytes tjuder, roterande
Momentumutbytesförband är en av många applikationer för rymdförband. Momentum utbytestjuder finns i två typer; roterande och icke-roterande. En roterande tjuder kommer att skapa en kontrollerad kraft på ändmassorna av systemet på grund av centrifugalacceleration. Medan tjudersystemet roterar kommer föremålen på vardera änden av tjudet att uppleva kontinuerlig acceleration; accelerationens storlek beror på tjurets längd och rotationshastigheten. Momentumutbyte sker när en ändkropp frigörs under rotationen. Överföringen av momentum till det frigjorda föremålet kommer att göra att den roterande tjuren förlorar energi och därmed förlorar hastighet och höjd. Men med hjälp av elektrodynamisk tjuderframdrivning , eller jonframdrivning, kan systemet sedan förstärka sig självt med liten eller ingen utgift av förbrukningsbar reaktionsmassa.
Skyhook
En skyhook är en teoretisk klass av kretsande tjuderdrivning avsedd att lyfta nyttolaster till höga höjder och hastigheter. Förslag till skyhooks inkluderar design som använder tjuder som snurrar i hypersonisk hastighet för att fånga höghastighetsnyttolaster eller flygplan på hög höjd och placera dem i omloppsbana.
Elektrodynamik
Elektrodynamiska tjuder är långa ledande ledningar, till exempel en utplacerad från en tjudersatellit, som kan fungera på elektromagnetiska principer som generatorer , genom att omvandla deras kinetiska energi till elektrisk energi , eller som motorer , omvandla elektrisk energi till kinetisk energi. Elektrisk potential genereras över ett ledande tjuder genom dess rörelse genom jordens magnetfält. Valet av metallledare som ska användas i en elektrodynamisk tjuder bestäms av en mängd olika faktorer. Primära faktorer inkluderar vanligtvis hög elektrisk ledningsförmåga och låg densitet . Sekundära faktorer, beroende på applikationen, inkluderar kostnad, styrka och smältpunkt.
En elektrodynamisk tjuder profilerades i dokumentärfilmen Orphans of Apollo som teknik som skulle användas för att hålla den ryska rymdstationen Mir i omloppsbana.
Formationsflygande
Detta är användningen av en (vanligtvis) icke-ledande tjuder för att koppla ihop flera rymdfarkoster. Tethered Experiment for Mars Inter-Planetary Operations (TEMPO³) är ett föreslaget experiment från 2011 för att studera tekniken.
Universal Orbital Support System
En teoretisk typ av icke-roterande bundna satellitsystem, det är ett koncept för att tillhandahålla rymdbaserat stöd till saker som hänger ovanför ett astronomiskt objekt. Orbitalsystemet är ett kopplat masssystem där den övre stödjande massan (A) placeras i en bana runt en given himlakropp så att den kan stödja en upphängd massa (B) på en specifik höjd ovanför himlakroppens yta, men lägre än (A).
Tekniska problem
Gravitationsgradientstabilisering
Istället för att rotera ände för ände kan tjudrar också hållas raka av den lilla skillnaden i tyngdkraften över deras längd.
Ett icke-roterande förankringssystem har en stabil orientering som är inriktad längs den lokala vertikalen (på jorden eller annan kropp). Detta kan förstås genom inspektion av figuren till höger där två rymdfarkoster på två olika höjder har kopplats samman med en tjuder. Normalt skulle varje rymdfarkost ha en balans mellan gravitationskrafter (t.ex. F g1 ) och centrifugalkrafter (t.ex. F c1 ), men när de binds samman av ett tjuder börjar dessa värden att förändras i förhållande till varandra. Detta fenomen uppstår eftersom, utan tjudret, skulle massan på högre höjd färdas långsammare än den lägre massan. Systemet måste röra sig med en enda hastighet, så tjudet måste därför sakta ner den nedre massan och påskynda den övre. Centrifugalkraften hos den tjudrade överkroppen ökas, medan den hos kroppen på lägre höjd minskas. Detta resulterar i att överkroppens centrifugalkraft och underkroppens gravitationskraft är dominerande. Denna skillnad i krafter riktar naturligt in systemet längs den lokala vertikalen, som ses i figuren.
Atomiskt syre
Objekt i låg omloppsbana om jorden utsätts för märkbar erosion från atomärt syre på grund av den höga omloppshastigheten med vilken molekylerna träffar samt deras höga reaktivitet. Detta kan snabbt erodera ett tjuder.
Mikrometeoriter och rymdskräp
Enkla enkelsträngade tjuder är mottagliga för mikrometeoroider och rymdskräp . Flera system har sedan dess föreslagits och testats för att förbättra motståndet mot skräp:
- US Naval Research Laboratory har framgångsrikt flugit en långvarig 6 km lång, 2-3 mm diameter tjuder med ett yttre lager av Spectra 1000 fläta och en kärna av akrylgarn. Denna satellit, Tether Physics and Survivability Experiment (TiPS), lanserades i juni 1996 och förblev i drift i 10 år och bröt slutligen i juli 2006.
- Robert P. Hoyt patenterade ett konstruerat cirkulärt nät, så att en avskuren tråds spänningar skulle omfördelas automatiskt runt den avskurna tråden. Detta kallas en Hoytether. Hoytethers har en teoretisk livslängd på decennier.
- Forskare med JAXA har också föreslagit nätbaserade tjuder för sina framtida uppdrag.
Stora skräpbitar skulle fortfarande klippa de flesta tjuder, inklusive de förbättrade versionerna som listas här, men dessa spåras för närvarande på radar och har förutsägbara banor. En tjuder kan vickas för att undvika kända skräpbitar, eller propeller kan användas för att ändra omloppsbanan och undvika en kollision. [ citat behövs ]
Strålning
Strålning, inklusive UV-strålning, tenderar att försämra tjudermaterial och minska livslängden. Tjuder som upprepade gånger korsar Van Allen-bälten kan ha markant lägre liv än de som stannar i låg omloppsbana runt jorden eller hålls utanför jordens magnetosfär.
Konstruktion
Egenskaper hos användbara material
Tjuderegenskaper och material är beroende av applikationen. Det finns dock några vanliga egenskaper. För att uppnå maximal prestanda och låg kostnad skulle tjuder behöva tillverkas av material med kombinationen av hög hållfasthet eller elektrisk ledningsförmåga och låg densitet. Alla rymdtjuder är mottagliga för rymdskräp eller mikrometeoroider. Därför måste systemdesigners bestämma om en skyddande beläggning behövs eller inte, inklusive i förhållande till UV och atomärt syre . Forskning pågår för att bedöma sannolikheten för en kollision som skulle skada tjudet. [ citat behövs ]
För applikationer som utövar höga dragkrafter på tjudet måste materialen vara starka och lätta. Vissa nuvarande tjuderdesigner använder kristallina plaster som polyeten med ultrahög molekylvikt , aramid eller kolfiber . Ett möjligt framtida material skulle vara kolnanorör , som har en uppskattad draghållfasthet mellan 140 och 177 GPa (20,3–25,6 miljoner psi), och en bevisad draghållfasthet i intervallet 50-60 GPa för vissa individuella nanorör. (Ett antal andra material erhåller 10 till 20 GPa i vissa prover på nanoskalan, men att översätta sådana styrkor till makroskalan har hittills varit utmanande, med, från och med 2011, CNT-baserade rep är en storleksordning mindre starka , ännu inte starkare än mer konventionell kolfiber i den skalan).
För vissa tillämpningar beräknas dragkraften på tjuret vara mindre än 65 newton (15 lbf). Materialval i detta fall beror på syftet med uppdraget och designbegränsningar. Elektrodynamiska tjuder, som den som används på TSS-1R, [ förtydligande behövs ] kan använda tunna koppartrådar för hög konduktivitet (se EDT ).
Det finns designekvationer för vissa tillämpningar som kan användas för att hjälpa designers att identifiera typiska kvantiteter som driver materialvalet.
Rymdhissekvationer använder vanligtvis en "karakteristisk längd", Lc , som också är känd som dess "självbärande längd" och är längden på den icke avsmalnande kabeln som den kan bära i ett konstant 1 g gravitationsfält .
- ,
där σ är spänningsgränsen (i tryckenheter) och ρ är materialets densitet.
Hypersoniska skyhook-ekvationer använder materialets "specifika hastighet" som är lika med den maximala tangentiella hastigheten som en spinnbåge kan uppnå utan att gå sönder:
För roterande tjuder (rotovatorer) är värdet som används materialets "karakteristiska hastighet", vilket är den maximala spetshastighet en roterande og avsmalnande kabel kan uppnå utan att gå sönder,
Den karakteristiska hastigheten är lika med den specifika hastigheten multiplicerad med kvadratroten ur två.
Dessa värden används i ekvationer som liknar raketekvationen och är analoga med specifik impuls eller avgashastighet. Ju högre dessa värden är, desto effektivare och lättare kan tjuret vara i förhållande till den nyttolast som de kan bära. Så småningom kommer dock massan av tjuderframdrivningssystemet att begränsas i den nedre delen av andra faktorer såsom momentumlagring.
Praktiskt material
och med Föreslagna material inkluderar Kevlar , polyeten ultrahög molekylvikt, kolnanorör M5 -fiber . M5 är en syntetfiber som är lättare än Kevlar eller Spectra. Enligt Pearson, Levin, Oldson och Wykes i deras artikel "The Lunar Space Elevator", skulle ett M5-band 30 mm brett och 0,023 mm tjockt kunna bära upp 2000 kg på månens yta . Den skulle också kunna rymma 100 lastfordon, var och en med en vikt på 580 kg, jämnt fördelade längs med hissen. Andra material som kan användas är T1000G kolfiber, Spectra 2000 eller Zylon.
Material |
Densitet ρ (kg/m³) |
Stressgräns σ (GPa) |
Karakteristisk längd L c = σ / ρg (km) |
Specifik hastighet V s = √ σ / ρ (km/s) |
Röding. hastighet V c = √ 2 σ / ρ (km/s) |
---|---|---|---|---|---|
Enkelväggiga kolnanorör (individuella molekyler uppmätta) | 2266 | 50 | 2200 | 4.7 | 6.6 |
Aramid , polybensoxazol (PBO) fiber (" Zylon ") | 1340 | 5.9 | 450 | 2.1 | 3.0 |
Toray kolfiber (T1000G) | 1810 | 6.4 | 360 | 1.9 | 2.7 |
M5 fiber (planerade värden) | 1700 | 9.5 | 570 | 2.4 | 3.3 |
M5 fiber (befintlig) | 1700 | 5.7 | 340 | 1.8 | 2.6 |
Honeywell förlängd kedja av polyetenfiber ( Spectra 2000) | 970 | 3.0 | 316 | 1.8 | 2.5 |
DuPont Aramidfiber (Kevlar 49) | 1440 | 3.6 | 255 | 1.6 | 2.2 |
Kiselkarbid [ citat behövs ] | 3000 | 5.9 | 199 | 1.4 | 2.0 |
Form
Avsmalnande
För gravitationsstabiliserade tjuder, för att överskrida den självbärande längden, kan tjudermaterialet avsmalna så att tvärsnittsarean varierar med den totala belastningen vid varje punkt längs kabelns längd. I praktiken betyder detta att den centrala tjurstrukturen måste vara tjockare än spetsarna. Korrekt avsmalning säkerställer att dragspänningen vid varje punkt i kabeln är exakt densamma. För mycket krävande applikationer, såsom en jordrymdhiss, kan avsmalningen minska de överdrivna förhållandena mellan kabelvikt och nyttolast. I stället för avsmalning kan ett modulärt stegvis tjudersystem användas för att uppnå samma mål. Flera tjuder skulle användas mellan stegen. Antalet tjuder skulle bestämma styrkan hos ett givet tvärsnitt.
Tjocklek
För roterande tjuder som inte påverkas nämnvärt av tyngdkraften varierar också tjockleken, och det kan visas att arean, A, ges som en funktion av r (avståndet från centrum) enligt följande:
där R är tjuderradien, v är hastigheten i förhållande till mitten, M är spetsmassan, är materialdensiteten och T är den designade draghållfastheten.
Massförhållande
Att integrera arean för att ge volymen och multiplicera med densiteten och dividera med nyttolastmassan ger ett nyttolastmassa/tjudermassaförhållande på:
där erf är den normala sannolikhetsfelsfunktionen .
Låt ,
sedan:
Denna ekvation kan jämföras med raketekvationen , som är proportionell mot en enkel exponent på en hastighet, snarare än en hastighet i kvadrat. Denna skillnad begränsar effektivt delta-v som kan erhållas från en enda tjuder.
Redundans
Dessutom måste kabelformen vara konstruerad för att motstå mikrometeoriter och rymdskräp . Detta kan uppnås med användning av redundanta kablar, såsom Hoytether; redundans kan säkerställa att det är mycket osannolikt att flera redundanta kablar skulle skadas nära samma punkt på kabeln, och följaktligen kan en mycket stor mängd total skada uppstå över olika delar av kabeln innan fel inträffar.
Materialstyrka
Bönstjälkar och rotovatorer är för närvarande begränsade av styrkan hos tillgängliga material. Även om ultrahöghållfasta plastfibrer ( Kevlar och Spectra ) tillåter rotovatorer att plocka massor från ytan av månen och Mars, kan en rotovator från dessa material inte lyftas från jordens yta. I teorin kan högtflygande, överljuds (eller hypersoniska ) flygplan leverera en nyttolast till en rotovator som doppade ner i jordens övre atmosfär kort på förutsägbara platser i hela jordens tropiska (och tempererade) zon. Från och med maj 2013 är alla mekaniska tjuder (orbital och hissar) i paus tills starkare material finns tillgängliga.
Lastfångst
Lastfångst för rotovatorer är inte trivialt, och underlåtenhet att fånga kan orsaka problem. Flera system har föreslagits, som att skjuta nät mot lasten, men alla lägger till vikt, komplexitet och ett annat felläge. Minst en demonstration i labbskala av ett fungerande gripsystem har dock uppnåtts.
Förväntad livslängd
För närvarande är de starkaste materialen i spänning plaster som kräver en beläggning för skydd mot UV-strålning och (beroende på omloppsbanan) erosion av atomärt syre. Bortskaffande av spillvärme är svårt i vakuum , så överhettning kan orsaka kopplingsfel eller skador.
Styrning och modellering
Pendelrörelseinstabilitet
Elektrodynamiska tjuder utplacerade längs den lokala vertikalen ("hängande tjuder") kan drabbas av dynamisk instabilitet. Pendulär rörelse gör att tjudervibrationsamplituden byggs upp under inverkan av elektromagnetisk interaktion. När uppdragstiden ökar kan detta beteende äventyra systemets prestanda. Under några veckor kan elektrodynamiska tjuder i jordens omloppsbana bygga upp vibrationer i många lägen, eftersom deras omloppsbana interagerar med oregelbundenheter i magnetiska och gravitationsfält.
En plan för att kontrollera vibrationerna är att aktivt variera förbindningsströmmen för att motverka tillväxten av vibrationerna. Elektrodynamiska tjuder kan stabiliseras genom att minska deras ström när den skulle mata svängningarna och öka den när den motverkar oscillationer. Simuleringar har visat att detta kan kontrollera tjudervibrationer. [ citat behövs ] Detta tillvägagångssätt kräver sensorer för att mäta tjudervibrationer, som antingen kan vara ett tröghetsnavigeringssystem i ena änden av tjudet, eller satellitnavigeringssystem monterade på tjudet, som sänder sina positioner till en mottagare i änden.
En annan föreslagen metod är att använda spinnande elektrodynamiska tjuder istället för hängande tjuder. Den gyroskopiska effekten ger passiv stabilisering och undviker instabiliteten.
Ökar
Som nämnts tidigare har ledande tjuder misslyckats på grund av oväntade strömstötar. Oväntade elektrostatiska urladdningar har skadat tjuder (t.ex. se Tethered Satellite System Reflight (TSS-1R) på STS-75 ), skadad elektronik och svetsad tjudhanteringsmaskineri. Det kan vara så att jordens magnetfält inte är så homogent som vissa ingenjörer har trott.
Vibrationer
Datormodeller visar ofta att tjuder kan gå av på grund av vibrationer.
Mekanisk tjuderhanteringsutrustning är ofta förvånansvärt tung, med komplexa kontroller för att dämpa vibrationer. Den klättrare på ett ton som Brad Edwards föreslagit för sin rymdhiss kan upptäcka och dämpa de flesta vibrationer genom att ändra hastighet och riktning. Klättraren kan också reparera eller utöka ett tjuder genom att snurra fler trådar.
De vibrationslägen som kan vara ett problem inkluderar hopprep, tvärgående, längsgående och pendel.
Tjuder är nästan alltid avsmalnande, och detta kan avsevärt förstärka rörelsen vid den tunnaste spetsen på piskliknande sätt.
Andra problem
En tjuder är inte ett sfäriskt föremål och har en betydande utsträckning. Det betyder att det som ett utsträckt objekt inte är direkt modellerbart som punktkälla, och det betyder att massacentrum och tyngdpunkt vanligtvis inte är samlokaliserade. Den omvända kvadratlagen gäller alltså inte utom på stora avstånd, på det övergripande beteendet hos en tjuder. Banorna är därför inte helt keplerska, och i vissa fall är de faktiskt kaotiska.
Med bolusdesigner kan rotation av kabeln som samverkar med de icke-linjära gravitationsfälten som finns i elliptiska banor orsaka utbyte av orbitalt rörelsemängd och rotationsvinkelmomentum. Detta kan göra förutsägelser och modellering extremt komplexa.
Se även
- STJÄRNOR-II
- Framdrivning av rymdfarkoster
- Rymduppskjutning utan raket
- Orbital ring – teoretisk konstgjord ring placerad i jordens omloppsbana
externa länkar
Text
- ProSEDS, ett tjuderbaserat framdrivningsexperiment
- Specialprojektgrupp
- NASA tjudra översikt
- Tethers Unlimited Incorporated
- "Tethers In Space Handbook" ML Cosmo och EC Lorenzini tredje upplagan december 1997 Arkiverad 2007-10-06 på Wayback Machine
- NASA IAC-rapport om orbitalsystem
- SpaceTethers.com, applet för rymdtjudsimulator
- USA National Public Radio - Space Tethers: Slinging Objects in Orbit?
- ESA - YES2-projektet
- ESA - Studenter testar "rymdposttjänst" under Foton-uppdraget
- The Space Show #531 Robert P. Hoyt diskuterar rymdtjuder på Space Show
- NASAs webbplats på TSS-1R
- NASA Tether Origami
- New Scientist-artikel
- Tether Physics and Survivability Experiment Arkiverad 2011-07-18 på Wayback Machine
- Tethers Unlimited • Publikationer arkiverade 2006-11-10 på Wayback Machine
- Tethers in Space Handbook (PDF)
- Tethers in Space, en demonstration av framdrivning utan drivmedel i omloppsbana ISBN 978-90-8891-282-5