케이블을 지구에 매달아 라. 근본적인 물리 문제

Beezer 07/11/2018. 6 answers, 4.369 views
reentry geostationary

인장 강도가있는 재료를 가지고 있다면 가능한 가장 낮은 정지 정지 물체에서부터 대기 중으로 떨어 뜨릴 수 있습니까?

지구 대기로 재 유입되는 물체와 동일한 문제가 발생하지 않으며 동일한 가열 효과를 받습니까?

또는

그것은 재진입 현상의 영향을받지 않을 것입니까? 누군가가 그것에 달려있다면 나는 정말로 약간의 물리학에 감사 할 것이다 ... 나의 추측은 그것이 대기로의 재진입의 대상이되어 연소 될 것이라는 것이다.

나는 이산화탄소 배출을 지구에 맞게 설계하고 싶다. 그러므로 나의 질문이다.

6 Answers


Tom Spilker 07/14/2018.

오랫동안 주변에 있었던 아이디어, 우주 엘리베이터 (Space Elevator) 또는 Sky Hook 에 대해 묻고 있습니다. 콘스탄틴 츠 코코 스키 (Konstantin Tsiolkovsky)는 1895 년에 유사한 개념을 썼다. 그의 개념은 지구상의 기초에 의해지지되는 압축 구조 인 서있는 건물에 관한 것이었다.

지오의 새에서 케이블을 내릴 수는 없습니다. 지리적 위치에서 케이블을 매달아 놓은 상태에서 (케이블을 잡아내는 동력을 무시하고) 케이블의 무게가 낮은 고도의 원심력에 의해 완전히 상쇄되지 않으면 케이블이 내려갑니다. 외부 세그먼트의 질량과 증가 된 원심 가속도로 인해 안쪽 세그먼트의 질량과 원심 가속도가 균형을 이루도록 케이블을 바깥쪽으로도 보내야합니다. 안쪽 세그먼트가 지구에 도착하면 (스리랑카는 AC Clarke가 좋아했습니다) 고정 된 상태 일 수 있으며 카운터로드가 외부 끝단에 부착되어 유료 하중이 케이블 위로 올라갈 때도 모든 것을 긴장 상태로 유지할 수 있습니다.

이것이 개념의 일반적인 매력입니다. 그러한 것을 만들 수 있다면 전력 만 사용하여 GEO까지 "엘리베이터"탑재량에 사용할 수 있습니다. 수리 나 정비와 같은 일을 위해 GEO에서 지구로 반환 할 수도 있습니다.

상당히 최근까지는 관련된 인장 응력을 처리 할 수있는 알려진 물질이 없었습니다. 그러나 탄소 나 붕소 나이트 라이드 나노 튜브 나 다이아몬드 나노 섬유가 충분히 강하다. 그러나 정적 인장 응력은 문제의 일부일뿐입니다.

한 가지 문제는 " bullwhip "문제입니다. 상향으로 보내지는 페이로드는 접선 속도가 궁극적으로 GEO 궤도 속도로 증가하기 때문에 케이블에 측 방향 힘을가합니다. 그러면 케이블에서 위아래로 이동하는 변위 파가 시작됩니다. 케이블이 두꺼워지는 방향으로 진행하는 파동은 그다지 문제가되지 않지만, 케이블이가는 방향으로 진행하는 파동은 진행함에 따라 진폭이 커집니다. 이것은 누군가가 bullwhip을 깨는 것을 허용하는 동일한 현상입니다. 손잡이에서 발사 된 물결은 마른 체면에 가까워 질수록 진폭이 커지고 그 끝은 초음속에 도달 할 수 있습니다. 페이로드가 GEO 종단에 가까워짐에 따라 케이블의 두꺼운 부분에서 시작된 파가 더 얇은 부분으로 이동하고 평형을 벗어난 큰 변위로 인해 갑작스러운 속도 변화가 발생하여 케이블 스트레스가 크게 증가합니다.

또 다른 명백한 문제는 궤도 파편과 운석입니다. 극한 긴장 상태의 케이블은 부분적으로 절단되지 않습니다. 균열이나 가우 즈가 크지 만 전체 케이블이 절단되는 그리피스 균열 이되는 경우, 이것은 정말 나쁜 날입니다.

새롭게 편집되고 강조된 부분에 대답하기 위해 : 아니오, 재진입 속도와 일반적인 감각으로 가열되지 않아야합니다. 케이블의 건설은 새로운 케이블을 상향 및 하향으로 보내 GEO의 "역"의 순 동작을 GEO 속도로 일정하게 유지하기 위해 신중하게 감시되고 제어 된 균형을 유지합니다. 탄소 나 붕소 질화물 나노 튜브와 같은 새로운 고 인장 강도 재료의 경우에도 응력이 최대 인 GEO 지점에서 필요한 케이블 직경이 너무 커서 스풀에 비해 너무 큽니다. 직경이 작은 케이블의 스풀로 제작되거나 화학적으로 연속 공정으로 제작 될 수도 있습니다. 그러나 어느 방향 으로든, 순 하강 률은 낮을 것이며, 공정이 허용하는 최대 가공 속도에 의해 제한됩니다.

상향 및 하향 구간은 반경 방향의 힘뿐만 아니라 접선 방향의 힘도 제거하기 때문에 궤도에 진입하는 물체가 내려갈 때 일반적으로받는 높은 접선 속도로의 일반적인 가속을 방지합니다. 그 가속은 선회하는 물체가 자유 낙하 상태에있을 때 발생한다. (즉, 물체가 궤도를 선회하는 큰 물체가 primary 에서 중력을 받는다.) 그러나 케이블의 끝은 자유 낙하가 아니다. 그것은 큰 비 중력 나머지 케이블에서.

그물 결과 : 당신은 재진입 난방에 대해 걱정할 필요가 없습니다.

EDIT 2018 July 15

필자는 고도에 따라 필요한 케이블 직경을 계산할 수있는 소프트웨어를 작성 했으므로 only for a static cable in position 설치할 수 있으므로 설치 역학이 없으며 전파가 전파 no design margin! 그래서 그것은 길이에 따른 각 지점에서 케이블이 완벽한 조건 하에서있을 수있는 최소 직경을 제공합니다. 앵커 지점 (그리고 거기에 지정된 바이어스 장력)에서 단계적으로 위쪽으로 중력과 원심 가속도로 인한 순 가속도를 계산하고 고도와의 차등 인장력을 계산하고 (앵커 포인트에서 위쪽으로 통합) 각 단계에서 재료의 인장 강도를 사용하여 케이블 지름을 계산합니다. 다른 재료 특성을 넣으면 흥미로운 결과를 얻을 수 있습니다.

Kevlar를 사용하여 인장 강도가 평방 미터 당 3.62 GigaNewton (GN)이고 1,400 kg / m3의 질량 밀도와 1 MegaNewton (MN)의 바이어스 장력을 가진 앵커의 케이블 직경은 ~ 1.87 cm이지만 GEO 지점에서 무려 285 m. GEO의 케이블 질량은 ~ 1.2E12 metric tons .

그러나 탄소 나노 튜브를 사용 하면 실험실에서 보여준 작은 규모의 성능 (평방 미터당 63 GN 및 1 미터당 1,400 kg의 질량 밀도)만큼 큰 성능을 얻을 수 있다고 가정하면 앵커의 케이블 직경은 0.45cm, GEO에서 단지 0.77cm, 다운 세그먼트 분량은 2,000 톤에 불과하다. 그러나 이것은 매우 낙관적 인 견적이다. 그것은 앵커에서 시작되는 모든 개별 탄소 나노 튜브가 GEO로 끊임없이 unbroken 이어지고, 앞으로 나아갈 때 추가되는 모든 나노 튜브도 GEO 에까지 확장 되어서 이웃 사람들에게 너무 강하게 묶여서 미끄러지지 않는다고 가정합니다 발생합니다 .

대규모 성능이 실험실 성능의 1/10에 불과하더라도 GEO의 케이블 직경 (케블라 대비)은 3.1m, 전체 다운 세그먼트 질량은 1.7E8 톤으로 줄었습니다.

다시 말하지만, 이것은 이상적인 조건하에 있습니다. 궤도 파편과 운석 손상을 다루기위한 힘을 추가하기 시작하면 전파와 같은 역 동학, 역학을 제어하는 ​​시스템, 그리고 항상 존재하는 디자인 마진 (다리를 가로 질러 운전 한 적이 있다면 그 삶에 빚이 있습니다. 케이블 크기는 대중과 함께 상당히 커집니다.


Punintended 07/11/2018.

물질 강도 / 무게 문제는 제쳐두고, 우주 엘리베이터 는 케이블을 내릴 때 (제어되지 않은 방식으로 떨어 뜨리는 것과 반대되는) 파괴적인 재진입 난방을받지 않을 것입니다. 이는 여러 가지 이유로 좋은 생각입니다.

케이블을 떨어 뜨리면 많은 질량의 운동 에너지가 축적 될 것입니다. 정확히 질량과 단면적에 얼마나 많은 에너지가 의존할까요? 그래서 나는 손짓으로 "많이". 낙하를 멈 추면 케이블 길이에 관계없이 불량 일이 발생합니다.

  • 케이블이 땅에 떨어질만큼 충분히 길다면 정지 궤적 물체의 평행 속도는 ~ 3km / s 이고 수직 속도는 최대 9km / s입니다 (KE = GPE는 질량이 취소되고 1/2 v ^ 2 = gh가됩니다). . 플러그인 9.8m / s ^ 2, ~ 36000km, 변환 및 해결), 둘 다 횡폭 면적에 의존하는 에어 브레이크를 많이 겪습니다. 축하합니다. 지구를 궤도에 진입 한 것뿐입니다.
  • 케이블 isn't 지면에 부딪 칠 정도로 길면 스톱은 정지 된 물체에 부착 된 것이 무엇이든 빠져 나갈 것입니다. 나는 이것에 대해 냅킨 수학을 제공하지도 않을 것이다.

Concorde는 Mach 2-ish에서 약간 의 열기를 경험 하지만, 강도와 함께 무언가를 파괴 할 정도는 아닙니다. 우주 엘리베이터에 필요한 중량비

정지 된 물체에서 케이블을 내릴 때 질량 중심이 정지 궤도에서 벗어나지 않도록 카운터 웨이트를 풀어야합니다.

편집 : 으악, 나는 Space Elevator 링크에 맞았다. 그러나 FWIW는 질량 중심 is 움직이는 지에 관계없이 움직이는 케이블에 여전히 열이있을 것입니다.


BobT 07/11/2018.

이것은 본질적으로 Tsiolkovsky의 1895 년 "Space Elevator" 아이디어입니다. 질량 중심을 정지 점에 유지하려면 조정 가능한 평형 추가 더 멀리 있어야합니다. 올바르게 끝나면 하단에 아무런 움직임이 없어야합니다. 움직임이 없어 공기 마찰이 없으므로 난방이 필요하지 않습니다 ...


Mick 07/12/2018.

정지 궤도에있는 것이면 지구로부터 약 36,000km 떨어져 있어야합니다. 그것은 많은 물질입니다.

무언가가 지구에 더 가까워지면 안정된 궤도 (각운동량이 적용됨)를 유지하기 위해 더 빨리 움직여야하며 대기 내에서는 마찰로 인한 가열 문제를 피하기 위해 더 천천히 이동해야합니다.

그러한 케이블이나 우주 엘리베이터 가이드 레일은 끝점 사이에서 (지구의 회전 방향으로) 바깥쪽으로 휘었을 것이라고 상상합니다. 재료가 깨지지 않을 힘이 있다고 가정하면, 응력과 힘이 종점에 어떤 영향을 미치는지 알지 못하지만, 종점을 지구에 안전하게 고정시키는 데 문제가있을 것이라고 추측 할 수 있습니다. 자유롭게 찢어지지 않았으며 공간 끝은 자연 정지 궤도보다 빠르게 끝나는 것을 방지하기 위해 정지 궤도 끝을 넘은 적당한 거리에 추가적인 충분한 질량을 가져야합니다.

나는 또한 그것을 따라 질량을 움직이는 것이 안정성에 합병증을 더할 것이고, 어떤 시점에서 너무 빠르거나 너무 느리면 그것을 빠르게 불안정하게 만들 것이고, 그 길이를 따라 진동을 일으킬 것이라고 상상한다.


CrossRoads 07/12/2018.

그 궤도에있는 위성은 지구에서 보았을 때 8 자 형태 로 움직이는 경향이 있으므로 어떻게 든 해결해야합니다.

http://www.satobs.org/geosats.html에서 :

엄밀히 말하면, 정지 위성은 0도 기울기, 0 편심 및 1 일 평균 1.002701 회전의 공전 또는 1 회 전당 1436 분의주기에있게됩니다. 지구는 약 23 시간 56 분에 한 번 회전합니다 (1436 분). 남은 4 분 동안 지구가 더 회전하여 태양의 위치 변화를 보완 할 수 있습니다. 이것은 태양에 관한 지구의 궤도에서 지구의 움직임으로부터 발생합니다. 사실 대부분의 정지 위성은 실제로 정지 동기입니다. 하루에 0.9에서 1.1 회전 사이의 평균 동작을 가짐으로써 선상의 스러 스터가 수정하기 전에 상자를 가로 질러 표류 할 수 있습니다. 이 상자의 크기는 임무 요구 사항에 따라 결정됩니다. 예를 들어, TV 방송 위성 박스는 사용 된 받침 접시의 빔 폭에 의해 결정됩니다.

이상적인 위치에서의 드리프트는 지구 중력장의 이상으로 인해 발생하며,이 고도에서 대기 드래그는 고려 사항이 아닙니다. 달의 중력 영향은 지구 밖의 달에 대한 궤도 기울기를 서서히 증가시키는 평면 밖의 힘을 제공합니다 (그 자체는 18도에서 29도 사이입니다). 위성은 이제 8 자릿수의 지상 트랙을 묘사하는 경향이 있습니다. 지상 관제사는 충분한 궤도 유지 연료가 남아 있다면 앞에서 언급 한 상자로이를 제한하려고합니다. 이 방랑은 극히 적은 지역 (극지방 인공위성이 지평선을 거의 방목 할 것임)에서 더 나은 범위의 극지방을 제공하기 위해 소수의 통신 위성의 경우에는 확인되지 않은 채로 성장할 수 있었다. 남극의 미국 연구소에 대한 순 연결성은 이러한 방식으로 달성되었습니다.


Acccumulation 07/12/2018.

우주선이 정지 궤도에 있다면, 정의에 따라 지구와 함께 회전합니다. 따라서 우주선과 동일한 각속도로 케이블을 회전 시키면 지구와 지구의 대기와 함께 움직일 것입니다 . 케이블과 그 주변 환경 사이에는 상대적인 움직임이 없기 때문에 케이블이 "불에 타지"않을 것입니다.

그러나 정지 된 궤도가 유지되기 위해서는 center of mass 정지 동기 고도에 있어야합니다. 우주선이 그 아래에 매달려있는 케이블을 가지고 있다면 우주선 + 케이블 시스템 전체가 정지 궤도에 있어야하므로 우주선은 케이블이없는 고도보다 높은 고도를 필요로하거나 케이블이 상공을 통해 상쇄되도록해야합니다 그 밑에있는 케이블의 무게.

또 다른 문제는 "댕글 링"은 케이블을 궤도에서 풀어 내고 있음을 의미합니다. 만약 당신이 자유 낙하 상태라면, 정의에 따라 기준 프레임에 국부적 인 중력이 없으므로 케이블을 "떨어 뜨릴"수 없습니다. 케이블을 우주선 외부에 놓으면 그냥 떠있게됩니다.

당신이 당신보다 훨씬 아래에 있다면, 거기 머물러 있지 않을 것입니다. Tom Spilker는 우주선을 당길 것이라고 주장했으나 이것은 잘못된 것입니다. 반경이 클수록 각속도는 낮지 만 선 속도가 빠릅니다. 케이블을 우주선과 동일한 각속도로 배치해야한다면, 실제로 우주선을 당길 것입니다. 그러나 케이블이 우주선의 각속도가 아닌 선형에서 시작하여 더 낮은 고도에 배치되면 속도가 너무 높아서 해당 고도에서 원형 궤도를 유지할 수 없습니다. 대신 타원형 궤도에 진입 할 것이고, 우주선에있는 사람들의 참조 틀에서 케이블이 궤도를 도는 것처럼 보일 것입니다.

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