Pierścień orbitalny

Ten artykuł dotyczy sztucznego obiektu obejmującego całą planetę. Aby zapoznać się z naturalnie występującymi pierścieniami, zobacz system pierścieni . W przypadku pierścieni wykonanych ze sztucznych satelitów zobacz orbitę .
Pierścień orbitalny ze stałymi uwięziami zwisającymi do ziemi. Stacje wytwarzają siłę nośną, wyginając kabel pierścieniowy w dół, gdy przez nie przechodzi.

Pierścień orbitalny to koncepcja sztucznego pierścienia umieszczonego wokół ciała i obracającego się z taką prędkością, że pozorna siła odśrodkowa jest wystarczająco duża, aby przeciwdziałać sile grawitacji . Dla Ziemi wymagana prędkość jest rzędu 10 km/s, w porównaniu z typową prędkością na niskiej orbicie okołoziemskiej wynoszącą 8 km/s. Konstrukcja ma służyć jako stacja kosmiczna lub pojazd planetarny do bardzo szybkiego transportu lub startu w kosmos .

Ponieważ kabel obraca się szybciej niż prędkość orbitalna, istnieje wypadkowa siła zewnętrzna, której przeciwdziała wewnętrzne napięcie kabla. To jest odporne na wszelkie próby zginania i pozwala na przenoszenie obciążeń. W typowych koncepcjach zmotoryzowana platforma jest umieszczana na kablu, który biegnie w przeciwnym kierunku z prędkością, która sprawia, że ​​wydaje się nieruchoma nad ziemią. Nad równikiem Ziemi platforma poruszająca się z prędkością 9,5 km/s w kierunku przeciwnym do kabla będzie wyglądać na nieruchomą i pozwoli na opuszczenie kabla w celu utworzenia windy kosmicznej . Ta winda ma prawdopodobnie tylko 500 kilometrów (310 mil) długości i można ją zbudować z istniejących materiałów.

Wymóg zbudowania kabla wielkości planety na niskiej orbicie okołoziemskiej i przyspieszenia go do prędkości większej niż orbitalna jest oczywistym problemem praktycznym. W związku z tym zaproponowano inne architektury, które wykorzystują aktywne wsparcie na różne sposoby i dzięki temu są w stanie obejść niektóre z tych ograniczeń. Pętla startowa to częściowy pierścień o długości około 2000 km, który biegnie między dwiema stacjami naziemnymi zamiast okrążać świat. Pierścień cząstek wykorzystuje szereg oddzielnych obiektów, które można wystrzelić pojedynczo, aby stworzyć kolekcję podobną do stałego pierścienia, a następnie sterować magnetycznie, z tą wadą, że nie mają wewnętrznego napięcia, a siła podnoszenia jest uzyskiwana oddzielnie. The Kosmiczna fontanna to pionowa wersja koncepcji pierścienia cząstek, która tworzy kosmiczną windę. Pierścień na uwięzi to dynamiczna struktura, która wykorzystuje co najmniej jeden kompletny i ciągły nieorbitujący pierścień o średnicy mniejszej niż średnica ciała planetarnego. Można go zbudować na powierzchni planety, rozpędzić do prędkości roboczej i mechanicznie podnieść na bardzo dużą wysokość, napinając liczne liny.

Pojęcie

Pierścień orbitalny jest nieco podobny do „klasycznej” koncepcji windy kosmicznej . W tradycyjnej windzie kosmicznej duża stacja jest umieszczana na orbicie geostacjonarnej (GEO), dzięki czemu pozostaje w jednym miejscu nad równikiem Ziemi. Następnie budowany jest kabel i opuszczany w kierunku Ziemi, podczas gdy drugi kabel, zapewniający przeciwwagę, jest budowany w górę od stacji i pozostaje na miejscu z powodu sił pływowych . Kiedy konstrukcja jest ukończona, samochody przypominające windy mogą jeździć po kablu w kosmos. Główny problem polega na tym, że żadna znana substancja, którą można wytwarzać w dużych ilościach, nie ma takiej właściwości wytrzymałość na rozciąganie potrzebna do rozciągnięcia od GEO do powierzchni. Pierścienie orbitalne wykorzystują inny mechanizm.

W wersji z pierścieniem orbitalnym pierścień kinetyczny porusza się po świecie z większą prędkością niż prędkość orbitalna po okręgu. Powoduje to wypadkową siłę zewnętrzną, której przeciwdziała grawitacja działająca na nieruchome elementy. Można to osiągnąć na dowolnej wysokości, chociaż budowanie systemu na wysokości powyżej 500 kilometrów (310 mil) w celu uniknięcia większości atmosfery jest wymogiem praktycznym. Kabel jest następnie opuszczany z pierścienia na ziemię i używany w taki sam sposób, jak tradycyjna winda kosmiczna, z tą różnicą, że kabel pionowy ma tylko 500 kilometrów (310 mil) zamiast 100 000 kilometrów (62 000 mil) długości. Ta długość mieści się w możliwościach kilku znanych materiałów.

Aby podeprzeć windę, pierścień nie jest okrągły, ale lekko eliptyczny. Dwie lub więcej stacji jest umieszczonych na najwyższych końcach ścieżki, ale poniżej punktu, w którym normalnie znajdowałoby się apogeum orbity. Stacja wygina kabel w dół podczas jego przechodzenia, aby wytworzyć siłę skierowaną do góry na stację. Wynikowa orbita dla systemu dwóch stacji wygląda bardziej na futbol amerykański niż zaokrągloną elipsę. Można zmniejszyć napięcie pierścienia orbitującego do dowolnego wymaganego poziomu, zwiększając siłę nośną generowaną przez zginanie kabla. Główną wadą jest to, że kabel windy jest teraz zawieszony w najwyższym punkcie systemu, zamiast znajdować się blisko ziemi.

Ruchomy pierścień nie musi być solidny i nie musi być całkowicie otoczony solidną osłoną. Zamiast tego na żądanej orbicie można umieścić dużą liczbę pojedynczych obiektów magnetycznych, a przejeżdżające stacje zmieniają swoją ścieżkę za pomocą magnesów. Ta wersja pierścienia ma tę zaletę, że jest znacznie prostsza w konstrukcji, ponieważ każdy element w pierścieniu jest całkowicie oddzielny i można go wystrzelić indywidualnie i nie wymaga dalszej pracy w kosmosie. Nie musi to być również pełny pierścień; w zależności od pożądanej siły podnoszenia, całkowita masa obiektów może być znacznie mniejsza niż nawet najcieńszy kabel okrążający Ziemię. Główną wadą jest to, że proces wymiany pędu losuje ich prędkość, więc potrzebny jest inny system, aby skierować obiekty z powrotem na właściwe orbity.

Historia

Szczegółowy opis koncepcji został zaproponowany i przeanalizowany przez Paula Bircha w 1982 roku, proponując masywny pierścień, który otaczałby kulę ziemską na niskiej orbicie, z której kable zwisają do powierzchni Ziemi.

W 1982 roku radziecki wynalazca Anatolij Junicki również zaproponował elektromagnetyczny tor otaczający Ziemię, który nazwał „kołem w kosmos” (później „String Transportation System”). Kiedy prędkość struny przekracza 10 km/s, siły odśrodkowe odrywają strunę od powierzchni Ziemi i unoszą pierścień w przestrzeń kosmiczną.

Andrew Meulenberg i jego studenci w latach 2008-2011 przedstawili i opublikowali szereg artykułów opartych na typach i zastosowaniach pierścieni orbitalnych o niskiej Ziemi jako „odskoczni w kosmos” ludzkości. Przegląd wymienia cztery zastosowania pierścieni orbitalnych.

Model brzozy

Paul Birch opublikował serię trzech artykułów w Journal of the British Interplanetary Society w 1982 roku, w których przedstawił matematyczne podstawy układów pierścieni.

W najprostszym projekcie systemu pierścieni orbitalnych obracający się kabel lub ewentualnie nadmuchiwana struktura kosmiczna jest umieszczana na niskiej orbicie okołoziemskiej nad równikiem. Nie na orbicie, ale poruszające się po tym pierścieniu, wsparte elektromagnetycznie na magnesach nadprzewodzących , znajdują się stacje pierścieniowe, które pozostają w jednym miejscu nad jakimś wyznaczonym punktem na Ziemi. Z tych stacji pierścieniowych zwisają krótkie kable wind wykonane z materiałów o wysokim stosunku wytrzymałości na rozciąganie do masy.

Chociaż ten prosty model działałby najlepiej nad równikiem, Paul Birch obliczył, że ponieważ stacja pierścieniowa może być używana do przyspieszania pierścienia orbitalnego na wschód, a także do utrzymywania uwięzi, możliwe jest celowe spowodowanie precesji pierścienia orbitalnego wokół Ziemi zamiast pozostawać nieruchomym w przestrzeni, podczas gdy Ziemia obraca się pod nią. Precesując pierścień raz na 24 godziny, Pierścień Orbitalny będzie unosił się nad dowolnym wybranym południkiem na powierzchni Ziemi. Kable zwisające z pierścienia są teraz geostacjonarne bez konieczności osiągania wysokości geostacjonarnej lub umieszczania ich w płaszczyźnie równikowej. Oznacza to, że korzystając z koncepcji pierścienia orbitalnego, jedną lub wiele par stacji można umieścić nad dowolnymi punktami na Ziemi lub przenieść w dowolne miejsce na kuli ziemskiej. Zatem dowolny punkt na Ziemi może być obsługiwany przez kosmiczną windę. Można też zbudować całą sieć pierścieni orbitalnych, które przecinając bieguny mogłyby pokryć całą planetę i być w stanie przejąć większość transportu towarowego i pasażerskiego. Szereg wind i kilka geostacjonarnych stacji pierścieniowych umożliwia odbieranie materiału z asteroid lub Księżyca i delikatne umieszczanie tam, gdzie potrzebne są składowiska. Energia elektryczna wytworzona w tym procesie wystarczyłaby na rozbudowę systemu i ostatecznie mogłaby utorować drogę do terraformowania i astroinżynierii całego układu słonecznego na solidnych podstawach ekonomicznych.

Szacowany koszt

Jeśli został zbudowany przez wystrzelenie niezbędnych materiałów z Ziemi, koszt systemu oszacowany przez Bircha w latach 80. wynosił około 31 miliardów dolarów (w przypadku systemu „bootstrap”, który miał zostać powiększony do 1000-krotności jego początkowego rozmiaru w ciągu następnego roku, co w innym przypadku kosztowałoby 31 bilionów dolarów), jeśli zostanie wystrzelony przy użyciu sprzętu pochodzącego z wahadłowca, podczas gdy może spaść do 15 miliardów dolarów w przypadku produkcji kosmicznej, zakładając, że dostępny jest duży orbitalny zakład produkcyjny, który dostarczy początkowe 180 000 ton stali, aluminium i żużla po niskich kosztach , a nawet niższe z pierścieniami orbitalnymi wokół Księżyca. Koszt systemu na kilogram do umieszczenia ładunków na orbicie wyniósłby około 0,05 USD.

Rodzaje pierścieni orbitalnych

Najprostszym typem byłby okrągły pierścień orbitalny w LEO .

Paul Birch zdefiniował również dwa inne typy:

  • Ekscentryczne układy pierścieni orbitalnych – są to pierścienie, które mają postać zamkniętego kształtu o zmiennej wysokości
  • Częściowe systemy pierścieni orbitalnych – jest to zasadniczo pętla startowa

Ponadto zaproponował koncepcję „światów ponadświatowych”, takich jak „planety” nadjowiszowe i nadgwiazdowe. Są to sztuczne planety, które byłyby podtrzymywane przez siatkę pierścieni orbitalnych, które byłyby umieszczone nad planetą, nadolbrzymem, a nawet gwiazdą.

Pierścienie orbitalne w fikcji

Wydrukować

W zakończeniu Arthura C. Clarke'a Fountains of Paradise (1979) nawiązuje się do pierścienia orbitalnego, który jest przymocowany w odległej przyszłości do kosmicznej windy, która jest podstawą powieści.

Arthur C. Clarke's 3001: The Final Odyssey (1997) przedstawia pierścień orbitalny utrzymywany w górze przez cztery ogromne wieże nadające się do zamieszkania (przypuszczalnie następców wind kosmicznych) na równiku.

W mandze Battle Angel Alita (1990-1995) widoczny jest nieco zniszczony pierścień orbitalny.

Powieść Star Trek , Ring Around the Sky, przedstawia rozpadający się pierścień na orbicie nad planetą Kharzh'ulla, połączony szeregiem kosmicznych wind z powierzchnią.

Pierścienie orbitalne są szeroko stosowane w internetowej witrynie Orion's Arm, poświęconej tworzeniu światów opartej na współpracy .

Trzecia część książki Neala Stephensona Seveneves z 2015 roku ma pierścień orbitalny wokół Ziemi bez Księżyca.

Media wizualne i gry

W filmie Starship Troopers pokazano pierścień orbitalny otaczający Księżyc.

Druga iteracja serii anime Tekkaman zawiera kompletny pierścień, choć opuszczony i w ruinie z powodu wojny i bez powiązań powierzchniowych.

Seria anime Kiddy Grade również wykorzystuje pierścienie orbitalne jako miejsce startowe i dokujące dla statków kosmicznych. Pierścienie te są połączone z dużymi wieżami wystającymi z powierzchni planet.

Anime Mobile Suit Gundam 00 również wyróżnia się pierścieniem orbitalnym, który składa się głównie z połączonych paneli słonecznych. Pierścień jest połączony z ziemią trzema windami kosmicznymi. Pierścień ten skutecznie zapewnia Ziemi prawie nieograniczoną moc. W dalszej części serii pierścień pokazuje również stacje kosmiczne zamontowane na jego powierzchni.

Bitwa otwierająca Gwiezdne wojny: Wojny klonów , sezon 6, odcinek 1, rozgrywa się na stacji kosmicznej Ringo Vinda w kształcie pierścienia, otaczającej planetę Ringo Vinda.

Również we wszechświecie Gwiezdnych Wojen , stocznie Kuat, to kolejny pierścień orbitalny wokół świata Kuat. W Star Wars: Legends Dac, ojczyzna Calamari i Quarrenów, ma ogromną stocznię orbitalną, która otacza ich oceaniczną planetę.

We wszechświecie Warhammera 40 000 Mars ma duży pierścień orbitalny zwany Pierścieniem Żelaza. Jest używany głównie jako stocznia dla statków międzygwiezdnych. Jest to największa budowla wzniesiona przez człowieka w galaktyce. Planeta Medusa również posiada taki pierścień, zwany Telstarax, pochodzący z Ciemnej Ery Technologii, ale jest on w dużej mierze splądrowany i zniszczony.

Gra X3 Terran Conflict zawiera swobodnie unoszący się wokół Ziemi pierścień orbitalny, który zostaje rozbity przez eksplozję, a następnie zdeorbitowany w X3: Albion Prelude

W grze Xenoblade Chronicles 2 wokół podstawy pierścienia orbitalnego rośnie gigantyczne drzewo.

W Escape Velocity: Nova Earth nie krąży już wokół niej księżyc, ponieważ przez wieki był rozbierany, a teraz istnieje jako pierścień orbitalny wokół planety. Ponad połowa z nich należy do koncernu Sigma Shipyard.

W grze Stellaris . wokół skolonizowanych planet można budować pierścienie orbitalne Mogą działać jako zwykłe stacje kosmiczne lub mogą zwiększać produkcję swoich planet za pomocą budynków i modułów.

Notatki

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Media związane z pierścieniem orbitalnym w Wikimedia Commons

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Orbital_ring&oldid=1142489097 ”