Космическая лифтовая система Луна - Земля Российский патент 2018 года по МПК B64G1/16 

Область техники.

Изобретение относится к космической технике и предназначено для безракетного вывода грузов на околоземную орбиту, освоения ближнего космоса, Лунной поверхности и спуска грузов на Землю.

Уровень техники.

Ранее предлагался вариант космического лифта с использованием спутника на геостационарной орбите, на высоте 35786. Натяжение троса, закрепленного на экваторе Земли, должна обеспечивать центробежная сила противовеса, летящего на высоте 100000 км. Конструкция предполагает использование центробежной силы противовеса, вызванной суточным вращением Земли. Чем больше груза поднимет противовес, тем больше будет натяжение троса, а лифтовая кабина после геостационарной орбиты будет набирать ускорение. Из-за ограниченной удельной прочности материалов масса лифта будет слишком большой, а его несущая способность – крайне низкой.

Сущность изобретения.

С целью более дешевого вывода грузов на околоземную орбиту, к Луне и обратно, возможно построение космического лифта Луна-Земля.

Изобретение основано на использовании гравитационно-инерционного поля в двойной системе «Земля-Луна».

Привязанность Луны к Земле, на расстоянии в среднем 380000 км, позволяет рассчитывать на техническую возможность, осуществить транспортную привязку двух планет. Основной и самый обычный принцип работы лифта - вертикальный канат, поднимающий и опускающий кабину с грузами.

Для достижения намеченной цели необходимо определиться с точками привязки. Чисто гипотетически, будем считать расположение нижней точки на Земле, а верхней на Луне. Луна смотрит на Землю одной стороной, поэтому закрепить трос на ее поверхности возможно, в принципе, в любом понравившемся месте. Однако лучшим вариантом будет место, на Северном или Южном полюсе Луны. Это позволит, гипотетически, уменьшить количество периодов пересечения орбиты тросовой системы лифта, с геостационарными орбитами спутников над экватором Земли, минимизировать действия по стабилизации натяжения троса, а так же использовать более мягкие климатические условия полюсов Луны, по сравнению с экваториальными, при строительстве и эксплуатации причалов космического лифта.

Конструктивной особенностью космического лифта является применение главного лифтового модуля (ГЛМ) на орбите неустойчивого равновесия, т.е. вблизи точки L₁, в зоне «естественной невесомости» между Землей и Луной, на расстоянии около 60000 км от Луны.

ГЛМ предназначен не только для управления лифтовой космической системой, но и для построения на его основе космической базы освоения ближайшего космоса.

Вывод ГЛМ на орбиту равновесия (в район L₁) проводится в три этапа: первый, доставка частей модуля на орбиту Луны; второй, сборка и наладка модуля на орбите Луны; и третий этап, вывод модуля на орбиту естественной невесомости между Землей и Луной.

Возможен вариант строительства ГЛМ непосредственно на расчетной орбите, в зоне естественной невесомости, между Землей и Луной. Части (блоки) ГЛМ доставляются на расчетную орбиту вокруг Земли, где производится общая сборка ГЛМ. При готовности ГЛМ к использованию, при пролете зоны естественной невесомости между Землей и Луной, включают тормозные двигатели и снижают скорость полета ГЛМ, до скорости синхронного полета между Луной и Землей.

До момента тросовой фиксации ГЛМ с Луной, потребуется стабилизация полета ГЛМ в автономном полете в зоне невесомости. Во время стабильного полета в зоне невесомости, с ГЛМ отстрелить в сторону Луны управляемый зонд с концом троса. Отстрел зонда с тросом необходимо произвести, с расчетом сдвига центра тяжести ГЛМ в сторону Земли, чтобы исключить падение всей конструкции на Луну.

На первоначальном этапе, для создания противовеса тросу, опускающемуся на Луну, необходимо сдвигать главный лифтовой модуль (ГЛМ) в сторону Земли.

Предварительно на лунной поверхности монтируется лебедка, причал космического лифта, для принятия троса с ГЛМ. Лебедка крепится анкерами на монолитной горной поверхности.

Управляемый зонд с тросом, при помощи реактивных двигателей, доставляет трос в место расположения лифтового причала на лунной поверхности.

После закрепления конца троса на лебедке Луны, главный лифтовой модуль, за счет притяжения Земли, натянет трос в рабочее состояние, а лебедками на Луне и на модуле можно будет регулировать оптимальное натяжение троса, механический выбор центра невесомости, чтобы не допустить его перегруз или падение на Луну.

Конструктивной особенностью космолифта между Луной и ГЛМ является его стабилизация натяжением троса за счет притяжения, в основном ГЛМ - к Земле. При подъеме грузов с Луны, общий центр тяжести смещается в сторону Луны. Компенсируется силовая нагрузка подъема груза за счет сдвига ГЛМ в сторону Земли. Одновременно с подъемом груза и сдвига центра тяжести в сторону Земли производится сдвиг ГЛМ в упомянутую выше зону невесомости.

Толщина канатов, их прочность и вес - в обе стороны от ГЛМ - могут быть весьма большими, но создающийся противовес из «двух рычагов», в сторону Луны и в сторону Земли, будет являться устойчивой системой, не требующей дополнительных энергетических затрат для корректировки полета. Чем прочнее и одновременно тяжелее трос, от ГЛМ уходящий к Луне, тем длиннее и тяжелее трос, от ГЛМ уходящий к Земле.

Первоначальный канат, связывающий ГЛМ с Луной, должен быть легким и предназначенным только, для стабилизации полета ГЛМ при сдвиге к Земле, закреплении фала на лебедке Луны и дальнейшего спуска основных канатных систем на поверхность Луны.

Первую часть лифтовой дороги, от Луны до ГЛМ, возможно, построить с полноценной кабиной для перевозки не только грузов, но и космонавтов. Прочности современных канатов, для построения полноценного лифта между Луной и ГЛМ, вполне достаточно.

Система космической лифтовой связи ГЛМ с Луной, позволит экономить топливные ресурсы. Лететь на 60000 км ближе, т.е. разгонная скорость выхода на расчетную орбиту естественной невесомости, меньше чем на орбиту Луны. Сход с орбиты естественной невесомости практически без затратный, объект спускается по тросу до необходимой высоты над Землей, либо небольшим тормозным импульсом выводится из зоны невесомости и притяжение Земли обеспечит ускорение до необходимой скорости полета на низких орбитах Земли или возвращение космических аппаратов на Землю.

Это первый этап строительства лифта.

ГЛМ станет грандиозным сооружением в космосе между Землей и Луной, его размеры почти не будут ограничены ни весом, ни объемом, т.к. он может находиться в области естественной невесомости. Не потребуется дорогостоящее гироскопическое оборудование для стабилизации полета всего комплекса и топливо для корректировки полета.

Открывается возможность строительства производственной базы, с почти идеальными характеристиками невесомости. Размеры солнечных батарей могут быть в сотни раз большими по сравнению с самим модулем. Правда, недостаток освещенности будет испытываться, так как лифтовой модуль за лунный месяц полета, будет дважды находиться в тени. Один раз будет находиться в тени Земли, второй раз в тени Луны.

При обеспечении электропитанием ГЛМ от автономного атомного реактора, открываются фантастические перспективы обеспечения жизни деятельности человека в космосе.

Экраны солнечных батарей, должны размещаться по внешнему периметру ГЛМ, надежно прикрывать ГЛМ от прямого солнечного света и от солнечной радиации.

Предполагается, что в сторону Луны от ГЛМ будет спускаться до нескольких десятков тросовых систем, с отдельным креплением лебедок на поверхности Луны для каждого троса. Большая механическая, площадная, поверхностная привязка всей системы к Луне, необходима для удержания все более возрастающего веса канатной системы, наращиваемой в сторону Земли.

Постоянная лифтовая связь ГЛМ с Луной позволит осуществить углубленное изучение поверхности Луны и приступить к освоению ее богатств.

ГЛМ позволит принимать космические корабли, без необходимости подлета к Луне, процесса торможения при посадке и разгона при взлете и ухода с орбиты Луны.

Процесс построения лифтовой дороги между Луной и ГЛМ займет около десяти лет. За это время, при целенаправленном подходе, возможно создание более прочных и легких канатов, что позволит осуществить второй этап строительства лифта от ГЛМ до Земли.

Первоначальный этап строительства космического лифта позволит: отработать принципы строительства тросовых систем; возможность отрывных нагрузок от лунных пород; изучить детальную структуру «естественной невесомости» между Землей и Луной, в т.ч. влияние Солнечной гравитации (например, в момент нахождения всех объектов на одной линии).

Вторая космическая лифтовая подсистема, это трос со стыковочным узлом, опущенный с лебедки ГЛМ в стратосферу Земли.

Сложность строительства второй части космолифта, заключается в необходимости постоянного поддержания ГЛМ в «центре невесомости», при пропорциональном увеличении массовых и силовых нагрузок на тросы в стороны Земли и Луны.

При этом трос, уходящий от Земли в сторону ГЛМ, постепенно должен усиливаться (утолщаться), а тросовая система, уходящая от Луны к ГЛМ, должна увеличивать свои нагрузочные способности менее резко по всей длине, от Луны до ГЛМ. Т.е. необходимо вначале увеличивать нагрузочные свойства тросов между Луной и ГЛМ, а уже после пропорционально увеличивать нагрузку в сторону Земли.

На конечном этапе строительства космолифта, тросовая система будет выглядеть как «указка», тонким концом привязана к Земле и с толстым основанием «ручкой», начинающейся в зоне естественной невесомости и заканчивающейся (с небольшим сужением) на поверхности Луны.

Для стабилизации конструкции, необходимо будет сдвигать центр тяжести ГЛМ в сторону Земли, а по мере увеличения длины троса в сторону Земли, возвращать ГЛМ в точку невесомости.

Длинна троса, спускаемого с ГЛМ на Землю, составит около 300000 км. Период строительства второй очереди космического лифта растянется до 15 лет.

ГЛМ, расположенный в зоне естественной невесомости между Землей и Луной, с лебедочно-тросовой системой, удлиненной до стратосферы Земли, передает и принимает челноки космического лифта встречающим самолетам с Земли.

В период ближайшего прохождения Луны от Земли, спускаемый конец троса, летит со скоростью около 1300 км/час, это немного больше скорости звука, на высоте от 10 до 20 км над Землей, на удалении от плоскости эклиптики 1500 км. При помощи, закрепленного на конце троса, стыковочного узла, производится прием (передача) космического лифтового челнока с (на) борта встречающего самолета.

Стыковочным узлом (основанием) второй части космолифта, полезная нагрузка, за счет эллиптической орбиты Луны, с ускорением до 80 м/с², выносится на высоту до 50000 км, приобретая орбитальную скорость до 4,5 км/сек. Обратным ходом, с тем же ускорением, челнок (кабина лифта) возвращается к Земле.

Подъем челнока космолифта на высотах более 50000 км над Землей также может осуществляться за счет энергетической установки на ГЛМ.

Приблизительно со скоростью до 40 метров в секунду, необходимо изменять длину троса при эксплуатации космолифта над поверхностью Земли. Причем, полезная транспортная нагрузка, при минимальном расстоянии между Землей и Луной, может быть максимальной, а при максимальном удалении между планетами, минимально допустимой.

Период пролета стыковочного узла в стратосфере Земли довольно мал и будет составлять не более 10 часа, с изменением высоты полета до 10 км. За это время необходимо, первому встречающему самолету снять космический лифтовой челнок с лифтового троса, а второму самолету загрузить на лифтовой канат, отправляемый в космос лифтовой челнок.

Эллиптическая орбита Луны вокруг Земли, изменение расстояния до 50000 км, создают трудность в постоянной эксплуатации космолифта. Установить лебедки с общим рабочим диапазоном в 50000 км на Луне и в ГЛМ, практически не возможно и нецелесообразно.

При этом размещение лебедок с тросом длинной 50000 км на Луне и в ГЛМ, с целью поддержания стыковочной площадки над Землей, на оптимальной для нас высоте, не только дорогостоящий и сложный, но, с технической точки зрения, весьма не оперативно управляемый организм.

Конструктивной особенностью третьей (пока гипотетической) космической лифтовой подсистемы является наращивание длинны троса с лебедки встречающего самолета, из стратосферы Земли до высоких широт Земли, с возможностью более надежной (комфортной) передачи челнока космолифта с тросовой системы на борт транспортного самолета. Такой вариант более предпочтительный, по сравнению с стратосферным.

Процесс отвода троса от экватора сложный, но теоретически – особенно для условно невесомого (сверхпрочного) троса - возможный. Т.к. нижняя часть троса практически легкая, под воздействием атмосферы, она будет отклоняться в верхних слоях атмосферы, на высотах от 20 до 30 км, трос будет практически стелиться горизонтально земной поверхности. Это позволит на первоначальном этапе, увеличить длину троса над поверхностью Земли, с лебедки встречающего самолета до 10000 км. Захватить конец троса на сверх звуковой скорости и увести его в сторону одного из полюсов Земли, дело техники современной авиации.

Один раз в лунный месяц, в то время, когда Луна находится на самом близком расстоянии от Земли, в течении 1-2 суток. Используется встречающий самолет, оборудованный лебедкой с гипотетическим тросом 6000 км. После стыковки тросов в стратосфере, встречающий самолет уходит в сторону полюса Земли на расстояние 6000 км от экватора, с одновременным снижением на высоту 5-10 тыс. метров, это позволяет снизить скорость полета конца троса до 500 км/час. Следом за встречающим самолетом спускается лифтовой челнок из космоса.

Транспортный самолет захватывает трос, принимает на борт лифтовой челнок, от- стыковывается от троса и уносит челнок на Землю.

Второй транспортный самолет, с лифтовым челноком, захватывает трос со встречающего самолета и принимает его на свою лебедку. Транспортный самолет с челноком, летит в сторону экватора на оптимальной высоте, наматывая дополнительный трос на лебедку.

При подлете к экватору, транспортный самолет набирает максимальную высоту и скорость, с целью захвата челноком стыковочного узла космического лифтового троса. После надежной фиксации стыковочного узла с челноком и отсоединения дополнительного троса, на высоте 10-12 тыс.км, производится плавная передача всей нагрузки кабины лифта (челнока) на космический трос лифта. Транспортный самолет от стыковывается от челнока. К этому времени, Луна начинает удаляться от Земли и поднимает челнок на высоту до 50000 км. Расчетная скорость подъема челнока, при удалении Луны от Земли составит от 70 до 80 метров в секунду, это пиковая силовая нагрузка на всю лифтовую конструкцию.

При следующем сближении Луны с Землей, подъемный узел лифтового челнока, используя минимальное количество энергии, наезжает на тросовую систему космолифта устремляющуюся к Земле. Таким, «пошаговым» образом, с минимальными энергетическими затратами, возможен подъем челнока лифта до главного лифтового модуля.

Такая конструктивная схема подъема, позволяет многократно экономить энергетические ресурсы при выводе грузов в ближний космос.

Замена челноков на тросовой системе космолифта производится в районе высоких широт Земли двумя транспортными самолетами. Первый забирает прибывший из космоса челнок, второй пристыковывает к подъемному тросу убывающий в космос челнок.

С учетом уменьшения силы притяжения Земли и увеличения орбитальной скорости, рассчитать толщину троса на определенной высоте, можно только на хорошем компьютере.

В связи с тем, что нагрузка на трос до «центра невесомости» между Землей и Луной будет постоянно расти, необходимо наращивать прочность троса от ГЛМ в стороны Земли и Луны.

Таким образом, на первом и втором этапах строительства, тросовые системы вначале доставляются на ГЛМ и уже с него отстреливаются и опускаются на поверхность Луны и Земли.

Идеальным условием для строительства второй части космолифта является, налаживание производства несущего, космического, лифтового троса в одном из промышленных блоков ГЛМ. Используя естественную невесомость, космический вакуум и солнечную энергетику, возможно налаживание промышленного производства тросов необходимой прочности (по мере прогресса в материаловедении).

Первые части космической лифтовой «дороги» необходимо сделать в виде полой трубы. Сама труба будет являться канатом лифта. А подъем и спуск полезных веществ осуществлять в газовой среде, создавая давления и разряжения на разных концах трубы-лифта. Своеобразный «Космический Газпром». Такая концепция построения кажется с виду более реальной, при существующих материалах, для изготовления канатов. В дальнейшем, наращивая подъемные силы каната, использовать его по предназначению.

Последствием нагрузки троса на Луну может стать изменение ее орбиты и удаленности от Земли, что возможно учесть и предотвратить в будущем.

Изобретение относится к космическим транспортным (тросовым) системам для безракетного перемещения грузов в ближнем космосе. Главный лифтовой модуль (ГЛМ) космической лифтовой системы (КЛС) размещён в окрестности коллинеарной точки Лагранжа L₁ системы «Земля-Луна». Управляющие лебедочно-тросовые системы (ЛТС) установлены на видимой поверхности Луны и на ГЛМ. Эти ЛТС регулируют длины тросов для поддержания устойчивого положения КЛС путём постоянного сдвига её центра тяжести в сторону Земли относительно точки L₁. Нижний конец КЛС достигает стратосферы, где предусмотрена его стыковка с самолетом с Земли при передаче челночных грузов. Эллиптичность орбиты Луны позволяет выводить грузы на высоты 50000 км и более над Землей. ГЛМ является развивающейся космической базой для перспектив освоения лунно-земного космоса. Технический результат состоит в экономии массы и энергоресурсов при реализации грузопотоков с Земли в космос и обратно. 2 з.п. ф-лы.

1. Космическая лифтовая система (КЛС) Луна-Земля для безракетного вывода объектов в космос и спуска грузов на Землю, состоящая из нескольких лебедочно-тросовых систем (ЛТС), связывающих главный лифтовой модуль, размещаемый в окрестности коллинеарной точки Лагранжа L₁, с одной стороны - с видимой поверхностью Луны, а с другой стороны - с околоземной областью, причем лебедки, установленные на поверхности Луны и в главном лифтовом модуле, обеспечивают управление длинами тросов для поддержания постоянного сдвига центра тяжести КЛС в сторону Земли относительно указанной точки Лагранжа L₁.

2. Космическая лифтовая система по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивает прием и передачу челночных грузов между стыковочным узлом ЛТС, достигающим стратосферы, и самолетом с Земли.

3. Космическая лифтовая система по п. 1, отличающаяся тем, что обеспечивает вывод полезной нагрузки на высоты 50000 км и более над Землей, а также возвращение полезной нагрузки с указанных высот на Землю - при прохождении Луной, соответственно, апогея и перигея ее орбиты вокруг Земли.