Một thang máy không gian trên Jupiter?

Một khái niệm ban đầu 100%.

Một thang máy không gian trên Sao Mộc sẽ khác nhiều so với thang máy được xây dựng trên một hành tinh rắn (Tín dụng hình ảnh: Jack Rometty).

Khái niệm

Tôi phải đến sạch Khi tôi lần đầu tiên dự định viết một bài đăng trên Medium về thang máy không gian, tôi sẽ thực hiện nó trên các ứng dụng và việc sử dụng thang máy không gian trên Trái đất. Tuy nhiên, sau chưa đầy một giờ nghiên cứu, tôi phát hiện ra rằng chủ đề này đã được tìm hiểu khá kỹ và không cần đầu vào chủ yếu dựa trên ý kiến ​​của tôi về chủ đề này. Tôi vẫn muốn làm một bài về thang máy không gian, nhưng tôi muốn làm một cái gì đó mới.

Vì vậy, tôi suy nghĩ về việc xây dựng thang máy không gian trên các hành tinh và mặt trăng khác của hệ mặt trời, trong đó tôi thấy mất tinh thần, cũng đã được nghiên cứu và ghi chép rất kỹ. Thang máy không gian trên Mặt trăng có thể được chế tạo đến các điểm Lagrangian trên Mặt trăng nơi trọng lực của Trái đất và Mặt trăng triệt tiêu lẫn nhau, và thang máy không gian trên sao Hỏa thực tế đến mức chúng có thể được chế tạo bằng công nghệ và vật liệu ngày nay, do lực hấp dẫn thấp của hành tinh và tốc độ quay vẫn tương đối nhanh.

Một khái niệm thang máy không gian sao Hỏa.

Tôi cảm thấy khá vô dụng. Tôi tự nghĩ, những hành tinh hay mặt trăng đá khác còn lại trong hệ mặt trời có thể sử dụng các ứng dụng thực tế của thang máy không gian?! Và sau đó tôi đã thay đổi câu hỏi. Tại sao nó phải là một hành tinh đá?

Tại sao sao Mộc?

Các tàu không gian của tương lai có thể sẽ phải sử dụng nhiên liệu có khối lượng thấp, không bay hơi để đạt được vận tốc và lực đẩy tối đa. Một ví dụ về tàu vũ trụ như vậy sẽ là một con tàu sử dụng ổ nhiệt hạch, kết hợp hai đồng vị hydro, deuterium và triti, thành helium để đạt được lực đẩy. Deuterium và triti là nguồn nhiên liệu tuyệt vời cho tàu vũ trụ trong tương lai, nhưng chúng ta không tìm thấy chúng thường xuyên trên Trái đất do thực tế là lực hấp dẫn của Trái đất không đủ mạnh để chứa các nguyên tử khối lượng thấp này.

Nhập Sao Mộc. Jupiter có nghĩa đen là 9/10 hydro và 1/10 helium. Tại thời điểm này, tôi đã suy nghĩ làm thế nào có thể thiết kế một thang máy không gian đến với Scoop của một số bầu khí quyển của Sao Mộc ở một đầu và vận chuyển một phần khối lượng đó qua trục thang máy đến một trạm quỹ đạo, vượt xa bầu khí quyển của Sao Mộc, để phục vụ như một kho tiếp nhiên liệu cho tàu vũ trụ liên hành tinh (hoặc thậm chí là giữa các vì sao).

Cận cảnh bầu khí quyển của sao Mộc từ tàu vũ trụ Juno.

Ứng dụng này có thể có thể được sử dụng trên bất kỳ người khổng lồ khí nào, nhưng Sao Mộc đơn giản là lựa chọn gần gũi và thiết thực nhất. Khi bạn di chuyển ra xa hệ mặt trời, bạn đã thoát khỏi phần lớn năng lượng hấp dẫn của mặt trời, lúc đó, một du khách giữa các vì sao có thể tự hỏi tại sao họ lại sử dụng nhiều nhiên liệu để tự giảm tốc độ quỹ đạo của sao Hải Vương, chỉ phải tăng tốc trở lại một lần nữa để tiếp tục hành trình.

Thiết kế

Một thang máy không gian truyền thống bao gồm bốn thành phần chính; một mỏ neo để phục vụ như một căn cứ, một trạm quỹ đạo (hoặc vật thể lớn) để phục vụ như một đối trọng, một trục hoặc dây buộc nối hai, và một người leo núi, hoặc xe thang máy, lên và xuống trục. Một thang máy không gian phải được thiết kế sao cho tâm khối lượng của toàn bộ quỹ đạo kết cấu theo quỹ đạo địa tĩnh, sao cho lực hướng tâm của đối trọng chính xác bằng lực hấp dẫn trên neo, được gắn chặt vào bề mặt hành tinh. Tether luôn luôn căng thẳng, do đó thang máy không gây ra trọng lượng nào trên Trái đất và quỹ đạo không cần thêm năng lượng (ngoài các bộ đẩy cơ động) để giữ cho thang máy không gian ổn định.

Một thang máy không gian dựa trên trái đất, không yêu cầu năng lượng đầu vào để duy trì ổn định.

Thiết kế một thang máy không gian để hoạt động trong bầu khí quyển của sao Mộc sẽ khá khác biệt. Do Sao Mộc không có bề mặt vững chắc, mỏ neo neo sẽ phải là một cấu trúc khí quyển, đứng vững với sức căng của dây cáp và lực khí động học. Việc sao Mộc thiếu bề mặt rắn cũng có nghĩa là về mặt kỹ thuật nó không có quỹ đạo địa tĩnh. Tuy nhiên, điều này không cấm việc xây dựng thang máy không gian, miễn là trung tâm của quỹ đạo khối lượng lớn Sao Mộc trong quỹ đạo tròn, ổn định. Đây là khái niệm tương tự như việc kéo dài các dây cáp có khối lượng bằng nhau ra khỏi một trong hai đầu của ISS, một hướng về Trái đất và một từ Trái đất. Trung tâm của khối lượng sẽ luôn là ISS, vì vậy quỹ đạo của nó sẽ tiếp tục ổn định. Đó là, cho đến khi đầu Trái đất của dây cáp chạm vào bầu khí quyển

Đây là nơi thang máy không gian của tôi lệch nhiều nhất so với thiết kế truyền thống. Bởi vì một đầu của thang máy không gian Jupiter sẽ luôn ở trong bầu khí quyển theo thiết kế, nên đầu đó sẽ liên tục gặp lực ngược và bởi vì lực đó chỉ ở một đầu của thang máy không gian, cũng tạo ra mô-men xoắn. Điều này sẽ đòi hỏi lực đẩy từ cả neo và cơ sở quỹ đạo để chống lại cặp lực-mô-men xoắn này để duy trì quỹ đạo ổn định.

Một sơ đồ của thang máy không gian Sao Mộc, hiển thị lực cản của khí quyển dưới dạng độ dốc.

Thiết kế của mỏ neo có thể tương tự như thiết bị đẩy ramjet ở đây trên Trái đất, nơi hydro siêu âm đi vào một đầu, được làm nóng bằng cách sử dụng một loạt vi sóng hoặc laser, và sau đó trục xuất với vận tốc nhanh hơn để tạo ra lực đẩy cần thiết để chống lại lực cản từ khí quyển. Trên đường đi, một phần trăm khối lượng này sẽ được thu thập và gửi lên trục thang máy để được lưu trữ trong cơ sở quỹ đạo cho trạm tiếp nhiên liệu, và được sử dụng cho bộ đẩy phản lực của trạm. Lúc đầu, tôi hình dung mỏ neo để rơi xuống bầu khí quyển của sao Mộc, nơi áp lực tương tự như trên Trái đất: 1 bar.

Thiết kế sơ bộ neo neo khí quyển của tôi.

Trung tâm khối lượng của thang máy có thể sẽ quay quanh tương đối gần bề mặt của Sao Mộc (nơi áp lực của nó tương tự như trên Trái đất, 1 bar), có khả năng chỉ cao hơn một nghìn km. Điều này có nghĩa là vận tốc khí quyển của mỏ neo sẽ rất lớn. Để giải thích cho điều này, trục neo và trục thang máy phải được thiết kế với các mặt cắt ngang của máy bay siêu âm kim cương. Toàn bộ chiều dài của trục sẽ bao gồm một số phần nối, có thể dài hàng trăm mét hoặc mỗi phần, để cho phép linh hoạt trong thiết kế.

Ý tưởng ý tưởng cho trục thang máy, với trục hydro ở giữa và hai trục vận chuyển của con người ở bên ngoài. Cũng lưu ý các khớp, trong ba chiều, sẽ là khớp bóng để cho phép linh hoạt 360 độ.

Cuối cùng, trạm quỹ đạo chỉ cần các cổng kết nối để cho phép tiếp nhiên liệu và bộ đẩy của chính nó để cung cấp một mô-men xoắn phản tác dụng cho mô-men xoắn khí quyển từ trước đó. Khái niệm thiết kế tổng thể có thể được nhìn thấy dưới đây.

Khái niệm thiết kế cuối cùng (không theo tỷ lệ, lol).

Crunching số

Tôi biết ngay rằng có quá nhiều biến để thử và tính toán tất cả các biến này bằng tay, vì vậy tôi đã tạo ra một chương trình MATLAB để giúp tôi giải quyết lặp lại cho một thiết kế tối ưu. Bước đầu tiên là thiết lập một số đặc điểm xác định thang máy của tôi để không có quá nhiều biến số. Tôi đã sử dụng rất nhiều trực giác kỹ thuật của mình để chọn một số thông số ban đầu. Các tham số với sự biện minh được bao gồm dưới đây:

  • Cơ sở quỹ đạo ở 2000 km, nơi áp suất khí quyển của Sao Mộc giống như Trái đất LEO (nơi có quỹ đạo ISS). Đây là độ cao đủ cao để cho phép tàu vũ trụ tiếp nhiên liệu, nhưng cũng giảm thiểu chiều dài thang máy, tiết kiệm chi phí cho vật liệu và xây dựng.
  • Các hệ số kéo siêu âm của trục và neo tương ứng là 0,2 và 0,5, vì các hệ số kéo siêu âm thường tương đối thấp.
  • Mặt cắt ngang trục thang máy là hình kim cương với chiều dài 10 mét và chiều rộng 3,5 mét. Điều này đủ lớn để cho phép tải trọng lớn được vận chuyển lên xuống, cũng như khối lượng hydro.
  • Kích thước neo là lượng tiêu thụ 35 * 35 mét với chiều dài 100 mét.
  • 12 kg / s hydro được thu thập để đổ đầy bể tiếp nhiên liệu. Điều này là đủ để lấp đầy Saturn V trong ~ 46 giờ, có vẻ công bằng.

Bước tiếp theo là xác định lực kéo trên trục thang máy. Công thức cho lực kéo như sau:

Lực kéo theo công thức.

Ở đâu:

  • rho = mật độ không khí
  • A = diện tích bề mặt trong luồng không khí
  • C_D = Hệ số kéo
  • v = vận tốc dòng khí

Xác định lực kéo trên neo là dễ dàng, bởi vì tất cả các tham số đó không đổi ở độ cao không đổi, giống như một chiếc máy bay. Tuy nhiên, trục thang máy giống như một chiếc máy bay, và giống như vung một cái xô trên một sợi dây xung quanh bạn rất nhanh. Xô (trạm quỹ đạo) có vận tốc nhanh nhất, trong khi vận tốc của dây (trục) phụ thuộc vào khoảng cách từ bạn và có tốc độ chậm hơn gần với cơ thể bạn. Đây là lý do tại sao việc giải quyết lực kéo trên trục thang máy rất khó khăn. Nghĩa đen là mọi biến số đều thay đổi Mật độ khí quyển của sao Mộc trở nên khó khăn hơn ở độ cao lớn hơn và vận tốc sẽ đến gần trạm quỹ đạo nhanh hơn.

Một thang máy không gian đơn giản hóa đến mức nó chỉ là một thùng nước quay tròn. (* Không nghi ngờ xô trẻ yếu đuối không được hiển thị *)

Việc giải quyết mật độ không khí của sao Mộc là một vấn đề vì tôi không thể tìm thấy bất kỳ loại mô hình trực tuyến nào đại diện cho điều kiện khí quyển của sao Mộc. Tôi đã phải thực sự phát minh ra các công thức của riêng mình để mô hình áp suất và nhiệt độ dựa trên dữ liệu từ Wikipedia, và sau đó sử dụng định luật khí lý tưởng để giải quyết mật độ không khí. Khi tôi đã có tất cả các biến số này, tôi có thể tạo thành một tích phân để giải quyết vấn đề kéo cáp.

Nhiệt độ và áp suất khí quyển của sao Mộc với độ cao.

Khi tôi có lực kéo tổng thể là một phần không thể thiếu trên chiều cao, tôi có thể xác định lực và mô-men xoắn mà bầu khí quyển của sao Mộc sẽ tạo ra trên thang máy. Giống như vung chiếc xô đó từ trước qua con đường của một chiếc máy thổi lá đẩy nó về phía sau. Điều này sẽ cho phép tôi xác định lực của các động cơ sẽ cung cấp lực đẩy phản tác dụng cho lực cản khí quyển này. Đây là một phương trình thống kê đơn giản:

Hình ảnh nói lên tất cả.

Lúc đầu, tôi dự tính sử dụng một động cơ hoàn toàn riêng biệt để cung cấp lực đẩy, như ổ nhiệt hạch hoặc tên lửa hóa học được cải tiến bằng cách sử dụng một số hydro được thu thập. Nhưng sau đó tôi nhận ra rằng chiếc mỏ neo này đã được thiết kế giống như một lượng khí khổng lồ hút vào không khí như một máy bay phản lực, và tất cả những gì cần làm là thu thập hydro cần thiết cho cơ sở quỹ đạo, và sau đó đốt nóng phần còn lại của nó như địa ngục tăng vận tốc của nó ra phía cuối đảo ngược để tạo lực đẩy. Để xác định nhiệt độ này, tôi sẽ cần phải biết tốc độ khí thải cần thiết và để xác định rằng tôi sẽ cần phải giải quyết cho tốc độ dòng chảy khối. Dễ như ăn bánh.

Phương trình tốc độ dòng chảy lớn.Phương trình lực đẩy.

Đây là khu vực tiếp nhận của chúng tôi. Được rồi, do đó, có một vấn đề nhỏ là không mở rộng vòi của tôi đến áp suất xung quanh (Pe-Po trong phương trình), điều này sẽ làm mất đi một chút từ lực đẩy tổng thể của tôi, nhưng tôi đã chạy nhanh một số và thấy rằng nó không ảnh hưởng đến nó rất nhiều khi bạn nói về lực đẩy theo thứ tự 10⁸ N (Vâng, đây là số tiền chúng tôi có thể cần). Vì vậy, đối với ý định và mục đích của tôi, lực đẩy thực sự chỉ là tốc độ dòng chảy nhân với tốc độ khí thải. Điều này sẽ cho phép tôi giải quyết vận tốc khí thải và đến lượt nó, nhiệt độ của buồng đốt cháy đốt cháy giả định một cấu hình ramjet tiêu chuẩn.

Nhiệt độ buồng cần thiết cho chiếc máy bay ramjet này đã vượt xa các động cơ ramjet truyền thống ở đây trên Trái đất, do đó, một phương pháp khác ngoài đốt cháy là cần thiết để làm nóng không khí đến nhiệt độ thích hợp. Tại thời điểm này, chỉ có một giải pháp; lò vi sóng. Nhưng lò vi sóng mất điện. Để giải quyết vấn đề về năng lượng, bạn thực sự phải tìm ra cách đốt nóng khí đi vào với tốc độ ~ 40.000 m / s từ khoảng 200 K đến> 8000 K trong khoảng cách chiều dài bên trong của neo (có thể là một trăm mét?). Vâng, chúng ta sẽ cần một lò phản ứng hạt nhân mạnh mẽ.

Mặt trời, trong đó 8000 K nóng hơn bề mặt của Lốc

Bây giờ chúng ta có một cái xô quay xung quanh Sao Mộc với vận tốc siêu âm gào thét trong bầu khí quyển và chống lại tất cả các lực lượng bằng bộ động cơ riêng của nó, vận chuyển khối lượng lên một trục 2000 km đến một trạm quỹ đạo để phục vụ như một trạm tiếp nhiên liệu. Điều này đặt ra thêm một vấn đề nữa là Isaac Isaac Newton ở mức tốt nhất (hoặc tệ nhất).

Khi bạn vận chuyển khối lượng liên tục lên một trục thang máy, bạn sẽ tạo ra một lực dẫn xuống cấu trúc thang máy. Nó không nhiều (so với khối lượng của toàn bộ thang máy), nhưng nó sẽ đủ để làm mất ổn định quỹ đạo của nó trong vài ngày hoặc vài tuần. Điều này chỉ đơn giản có thể được chống lại bằng cách thiết kế mỏ neo như một loại máy bay, ở một góc tấn công nhỏ để tạo ra lực nâng lên trên thang máy để giữ cho nó ổn định.

Mọi thứ khác được để lại cho khoa học. Sau đó, tôi đã chạy chương trình nhiều lần với nhiều độ cao neo khác nhau để tìm ra cái nào mang lại kết quả hấp dẫn nhất. Dưới đây là một số ví dụ:

Neo ở 0 km (áp suất khí quyển 1 bar), với các ràng buộc thiết kế quan trọng được làm nổi bật.

Đầu tiên tôi thử với neo ở 1 bar áp suất khí quyển, hoặc 0 km. Đầu tiên lưu ý rằng lực đẩy là khổng lồ, thứ gì đó theo thứ tự 10¹³ N, hoặc gần một triệu tên lửa Saturn V. Thứ hai, tốc độ dòng chảy rất lớn và có lẽ sẽ đủ để xé bất kỳ loại cấu trúc neo nào thành từng mảnh. Vận tốc khí thải là một phần khá lớn của tốc độ ánh sáng và nhiệt độ buồng đốt nóng hơn bề mặt của các ngôi sao khổng lồ màu xanh. Cuối cùng, công suất cần thiết để làm nóng buồng đó bằng lò vi sóng và / hoặc laser là thứ gì đó giống như đầu ra của 25.000 lò phản ứng phân hạch hạt nhân hiện đại. Điều này chỉ là ngớ ngẩn. Rõ ràng, mỏ neo cần phải cao hơn trong bầu khí quyển nơi lực cản sẽ thấp hơn.

Sau nhiều lần lặp lại, tôi hài lòng nhất với các thông số của thang máy khi mỏ neo ở độ cao 237 km:

Neo ở 237 km, với các hạn chế thiết kế quan trọng được làm nổi bật.

Lực đẩy ở đây hơi cao, ~ 5 * 10⁸ N (15 Saturn V) và nhiệt độ buồng vượt quá 8000 K bằng một lượng khá (nóng hơn bề mặt của mặt trời), nhưng nhiều tính chất khác khá công bằng. Tốc độ dòng chảy dưới 2000 kg / s, đây không phải là mức độ căng thẳng không thể tin được trên mỏ neo, và tốc độ khí thải nằm trong phạm vi của các tên lửa phân hạch và hợp hạch theo lý thuyết của tương lai gần (ish). Công suất cần thiết để đốt nóng khí đến với vận tốc phù hợp tương đương với các lò phản ứng phân hạch cỡ trung hiện đại cung cấp năng lượng cho các thành phố trên Trái đất và bầu khí quyển vẫn đủ dày để thu thập đủ nhiên liệu cho trạm tiếp nhiên liệu của chúng ta.

Phần kết luận

Nó là khả thi? Không phải với công nghệ ngày nay, không. Chúng ta sẽ cần thực hiện một vài bước nhảy trong lực đẩy, năng lượng hạt nhân, điều khiển nhiệt và khoa học vật liệu để ý tưởng này trở nên thiết thực.

Nhưng nó có thực tế không? Hoàn toàn có thể. Nếu tàu chỉ phải mang đủ nhiên liệu để đến Sao Mộc, thay vì vận chuyển tất cả nhiên liệu để lấy lại, tàu có thể được chế tạo lớn hơn và nhanh hơn, lần lượt tăng khả năng mang và phạm vi hoạt động.

Thành phố đám mây, Bespin, từ loạt phim Chiến tranh giữa các vì sao.

Cuối cùng, nó sẽ được mát mẻ? Đúng vậy! Chỉ cần nghĩ về việc nó sẽ tuyệt vời như thế nào khi có một cấu trúc khổng lồ thu thập nhiên liệu quay quanh Sao Mộc ở mức thấp của quỹ đạo! Nó sẽ là một kỳ công khoa học và kỹ thuật lớn. Hơn nữa, nó sẽ trông tuyệt vời khi tiếp cận các con tàu, giống như một trong những thành phố nổi kỳ lạ từ Star Wars trên Bespin (chỉ lộn ngược?)

Tôi đã dành quá nhiều thời gian cho dự án này? Chắc là đúng. Cảm ơn đã đọc!