Yıldız Tramvayı - StarTram

StarTram bir roket fırlatıyor.

Varsayımsal StarTram uzay limanı. Fırlatma tüpü, SMES'i şarj eden elektrik santralinin yanında, sağda doğuya doğru uzanıyor (sonunda birçok kilometre uzağa kıvrılıyor) . RLV'ler piste inmek için geri dönüyor .

StarTram , maglev tarafından tahrik edilen önerilen bir uzay fırlatma sistemidir . İlk Nesil 1 tesisi, yalnızca yerel yüzey seviyesinde kalan boşaltılmış bir tüp ile 3 ila 7 kilometre (9.800 ila 23.000 ft) yükseklikteki bir dağ zirvesinden fırlatılarak kargo fırlatacaktı; Yılda yaklaşık 150.000 ton yörüngeye kaldırılabileceği iddia edildi. Yolcular için 2. Nesil sistem için daha ileri teknoloji gerekli olacaktır; bunun yerine, sonunda 22 kilometre (72.000 ft) irtifada daha ince havaya doğru kademeli olarak kıvrılan, manyetik kaldırma ile desteklenen , her bir kapsülün hareket ettiği g-kuvvetlerini azaltan daha uzun bir yol ile daha ileri teknoloji gerekecektir. vakum tüpünden atmosfere geçişler . Bir SPESIF 2010 sunumu, fonların 2010'da başlaması halinde 1. Nesil'in 2020 veya daha sonra, 2. Nesil'in ise 2030 veya daha sonra tamamlanabileceğini belirtti.

Tarih

Daha düşük hızlı manyetik fırlatma yardımı için test modeli ölçeğinde bir iz.

Benzer şekilde bir maglev yatay fırlatma destek sistemi için ancak çok daha düşük hızda önceki bir konsept: MagLifter.

James R. Powell , 1960'larda bir meslektaşı olan Gordon Danby ile birlikte , daha sonra modern maglev trenleri olarak geliştirilen Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda süper iletken maglev konseptini icat etti . Daha sonra Powell, daha önce 1974'ten 1997'ye kadar Brookhaven Ulusal Laboratuvarı'nda yeniden giriş ısıtması ve hipersonik araç tasarımı gibi özel uzmanlığa sahip bir havacılık mühendisi olan Dr. George Maise ile birlikte StarTram, Inc.'i kurdu .

Bir StarTram tasarımı ilk olarak 2001 tarihli bir makale ve patentte yayınlandı ve MagLifter ile ilgili 1994 tarihli bir makaleye atıfta bulundu. NASA'da Gelişmiş Konsept Çalışmaları yöneticisi olan John C. Mankins tarafından geliştirilen MagLifter konsepti, kısa yol, %90 öngörülen verimlilik ile birkaç yüz m/sn için maglev fırlatma yardımını içeriyordu. StarTram'ın esasen MagLifter'ın çok daha uç bir noktaya götürüldüğünü belirtmek, hem MagLifter hem de StarTram, ertesi yıl ZHA tarafından NASA'nın Kennedy Uzay Merkezi için gerçekleştirilen ve Maglev 2000 tarafından Powell ve Danby ile birlikte düşünülen bir konsept çalışmasında tartışıldı .

Sonraki tasarım, StarTram'ı 1. nesil versiyona, 2. nesil versiyona ve alternatif nesil 1.5 varyantına dönüştürür.

NASA'da Uzay Teknolojisi (Program Geliştirme) Direktör Yardımcısı olarak görev yapan John Could , şunları söyledi:

1990'ların ortalarında NASA Genel Merkezi, Marshall Uzay Uçuş Merkezi ve kilit özel yenilikçiler tarafından uzaya erişim ve gelişimin temel paradigmalarını değiştirmek için çaba sarf edildiği az bilinen bir gerçektir. Genel olarak bu çabalar, elektromanyetik fırlatma yöntemlerini ve uzayda yüksek güçlü elektrik sistemleri için yeni yaklaşımları içeriyordu. ...

StarTram, maliyeti düşürmek ve uzaya erişim verimliliğini yüzden fazla kat artırmak için ilk prensiplerden tasarlandı. ...

StarTram yaklaşımının genel fizibilitesi ve maliyeti, 2005 yılında Sandia Ulusal Laboratuvarı'nda yürütülen kapsamlı bir “cinayet kurulu” çalışmasıyla doğrulandı.

-  Dr.

Açıklama

1. Nesil Sistem

Gen-1 sistemi, mürettebatsız tekneyi 130 kilometrelik (81 mil) uzunluğundaki bir tünelden 30 g'da hızlandırmayı, çıkışın mekanik panjuru kısa bir süre açıkken vakum kaybını önleyen bir plazma penceresi ile bir MHD pompasıyla havayı boşaltmayı önermektedir . ( Plazma penceresi önceki yapılardan daha büyüktür, 3 metre (9.8 ft) çap için 2.5 MW tahmini güç tüketiminin kendisi). Referans tasarımda çıkış, 6.000 metre (20.000 ft) yükseklikte bir dağ zirvesinin yüzeyindedir; burada, saniyede 8.78 kilometre (5.46 mi/s) 10 derecelik bir açıyla fırlatma hızı, kargo kapsüllerini düşük dünya yörüngesine götürdüğünde . yörünge daireselleşmesi için saniyede 0,63 kilometre (0,39 mi/s) sağlayan küçük bir roket yanığı ile birlikte. Doğuya ateşlenirse Dünya'nın dönüşünden bir bonus ile , nominal yörünge hızının çok ötesinde ekstra hız, atmosferik sürüklemeden saniyede 0,8 kilometre (0,50 mi/s) dahil olmak üzere yükseliş sırasındaki kayıpları telafi eder .

2 metre (6 ft 7) çapında ve 13 metre (43 ft) uzunluğunda 40 tonluk bir kargo gemisi, atmosferik geçişin etkilerini kısaca yaşayacaktır. 0.09'luk etkin bir sürtünme katsayısı ile, dağdan fırlatılan uzun mermi için tepe yavaşlaması anlık olarak 20 g'dır, ancak ilk 4 saniye içinde yarıya iner ve kalan atmosfer kütlesinin üzerinden hızla geçerken azalmaya devam eder.

Fırlatma borusu çıktıktan sonra ilk anlarda, optimal bir burun şeklinde ısıtma hızı, yaklaşık 30 kW / cm'dir ² de durgunluk noktası da çok daha az üzerinde en fazla burun, ancak 10 kW / cm altına düşer ² birkaç içinde saniye. Terleme suyu soğutması planlanır, kısaca saniyede ≈ 100 litre/m ² su tüketilir. Merminin sudaki kütlesinin yüzde birkaçının yeterli olduğu hesaplanmıştır.

Gen-1 için tünel tüpünün kendisinde süper iletkenler, kriyojenik soğutma gereksinimleri yoktur ve hiçbiri yerel zemin yüzeyinden daha yüksekte değildir. Elektrik enerjisi depolama yöntemi olarak SMES'in olası kullanımı dışında , süper iletken mıknatıslar yalnızca hareket eden uzay aracında bulunur ve ivme tüneli duvarlarında nispeten ucuz alüminyum döngülere akım indükler, aracı 10 santimetre boşlukla havaya kaldırırken, bu arada ikinci bir alüminyum seti duvarlardaki döngüler, aracı hızlandıran bir AC akımı taşır: doğrusal bir senkron motor .

Powell , düşük dünya yörüngesine kilogram başına 10.000 ila 25.000 ABD Doları arasındaki mevcut roket fırlatma fiyatlarının aksine, 35 tonluk yüklerin günde 10'dan fazla kez fırlatılmasıyla, başta donanım maliyetleri olmak üzere, toplam yükün kilogramı başına 43 ABD doları olacağını tahmin ediyor . Düşük dünya yörüngesinin hızına ulaşmak için elektrik enerjisinin tahmini maliyeti, yükün kilogramı başına 1 doların altındadır: kilovat saat başına 6 sent çağdaş endüstriyel elektrik maliyeti, saniyede 8,78 kilometre (5,46 mi/s) fırlatma kinetik enerjisi başına 38,5 MJ kilogram ve kütlesel yükün %87,5'i, bu lineer elektrik motoru ile yüksek verimlilikte hızlandırılmıştır .

2. Nesil Sistem

Sanatçının, Gen-1'den daha iddialı bir mega yapı olan ve atmosfer kütlesinin %96'sının üzerine çıkan StarTram Generation 2 izlenimi .

StarTram'ın Gen-2 varyantının, düşük g kuvveti , fırlatma tüpünde 2 ila 3 g hızlanma ve bu kadar yüksek irtifada (22 kilometre (14 mil)) yükseltilmiş bir çıkış olması amaçlanan yeniden kullanılabilir mürettebatlı kapsüller için olması gerekiyordu. bu tepe aerodinamik yavaşlama ≈ 1g olur . NASA test pilotları bu g-kuvvetlerini birçok kez ele almış olsa da , düşük ivme, genel halkın en geniş yelpazesine uygunluk sağlamayı amaçlamaktadır.

Nispeten yavaş hızlanma ile Gen-2 sistemi 1.000 ila 1.500 kilometre (620 ila 930 mi) uzunluğa ihtiyaç duyar. Tüpün uzunluğunun yükseltilmemiş çoğunluğunun maliyetinin kilometre başına birkaç on milyonlarca dolar olduğu tahmin ediliyor; bu, orantılı olarak, eski Süper İletken Süper Çarpıştırıcı projesinin (başlangıçta olması planlanan) tünelleme kısmına birim uzunluk başına yarı benzer bir masraf. 72 kilometrelik (45 mil) 5 metrelik (16 ft) çaplı vakum tüneli 2 milyar dolara kazıldı) veya Powell'ın Maglev 2000 sisteminin önemli maliyet düşürücü ilave yenilikler talep ettiği bazı mevcut maglev tren hatlarına . Antarktika'nın deniz seviyesinden 3 kilometre (9.800 ft) üzerindeki bir alanı, özellikle buz tabakasının tünel açması nispeten kolay olduğu için, bir yerleşim seçeneğidir.

Yükseltilmiş uç kısım için, tasarım, manyetik kaldırmanın, bir kütle sürücüsünün fırlatma tüpünü yükseltme alternatiflerinden (bağlı balonlar, sıkıştırılmış veya şişirilmiş havacılık-malzeme mega yapıları ) nispeten daha ucuz olduğunu düşünür . Topraklama kablolarında 280 megaamp'lik bir akım, deniz seviyesinden 22 kilometre (72.000 ft) yükseklikte (yer seçimine bağlı olarak yerel arazinin biraz üzerinde daha az) 30 Gauss gücünde bir manyetik alan oluştururken , borunun yükseltilmiş son kısmındaki kablolar 14 ters yönde megaamperler, metre başına 4 tonluk bir itici kuvvet oluşturur; Bunun, 2 ton/metrelik yapıyı , büyük ölçekte bir germe yapısı olan açılı bağlarına kuvvetli bir şekilde bastırmasını sağlayacağı iddia ediliyor . Örneğinde niyobyum-titanyum 2 x 10 taşıyan süperiletken ⁵ cm başına amper ² , levitated platformu, bir 23 cm 7 kabloları olurdu ² bakır sabitleyici içeren zaman iletken kesitinin (3.6 metrekare olarak).

1.5 Nesil Sistem (düşük hız seçeneği)

Bir alternatif, Gen-1.5, bir dağın tepesinden, deniz seviyesinden yaklaşık 6000 metre yükseklikte, ≈ 270 kilometre (170 mi) tünelden ≈ 3 g'da hızlanan, saniyede 4 kilometre (2.5 mi/s) hızla yolcu uzay aracını fırlatacaktı .

İnşaat maliyetleri Gen-2 versiyonundan daha düşük olsa da, Gen-1.5, roket tahriki gibi başka yollarla 4+ km/sn sağlanmasını gerektirerek diğer StarTram varyantlarından farklı olacaktır. Bununla birlikte, roket denkleminin doğrusal olmayan doğası, hala böyle bir araç için yük fraksiyonunu, elektromanyetik fırlatma ile desteklenmeyen geleneksel bir roketinkinden önemli ölçüde daha büyük hale getirir ve yüksek kullanılabilir ağırlık marjlarına ve güvenlik faktörlerine sahip bir aracın kütlesi çok daha kolay olmalıdır. -Mevcut saniyede 8 kilometre (5,0 mi/s) roketlerden daha ucuza üretin veya hızlı dönüş ile yeniden kullanılabilir hale getirin. Dr. Powell, mevcut fırlatma araçlarının "arıza noktalarına yakın, çok sınırlı yedeklilik ile çalışan birçok karmaşık sisteme sahip olduğunu" ve ağırlığa göre aşırı donanım performansının en büyük masraf kaynağı olduğunu belirtiyor. (Yakıtın kendisi, yörüngeye gitmek için mevcut maliyetlerin %1'i düzeyindedir ).

Alternatif olarak, Gen-1.5 , yörüngeye saniyede 4 kilometre (2.5 mi/s) bir araç götürmesi amaçlanan HASTOL konseptine benzer bir Momentum Değişim Tether gibi başka bir roket olmayan uzay fırlatma sistemi ile birleştirilebilir . Bağlar yüksek oranda üstel ölçeklemeye tabi olduğundan , böyle bir bağın mevcut teknolojileri kullanarak inşa edilmesi, kendi başına tam yörünge hızı sağlayan bir bağdan çok daha kolay olacaktır.

Bu önerideki fırlatma tüneli uzunluğu, yolcular üzerinde buna uygun olarak daha büyük kuvvetlerin kabul edilmesiyle azaltılabilir. Bir ≈ 50 ila 80 km (31 mil 50) tünel kuvvetleri üretmek olur ≈ 10-15 g fiziksel olarak uygun test pilotları santrifüj testlerde başarılı bir şekilde ulaşan, ama yolcu gereksinimlerini hafifletmek ve tepe azaltacak daha uzun bir tünel ile daha yavaş bir hızlanma güç çekişi, bu da güç koşullandırma giderlerini azaltacaktır.

Ekonomi ve potansiyel

StarTram yer tesisi konseptinin, esasen büyük bir lineer senkron elektrik motoru olacağından, kapsamlı bakım gerektirmeden her başlatmadan sonra yeniden kullanılabilir olduğu iddia ediliyor . Bu, ne ağırlık gereksinimlerine göre yüksek performansa ne de Uzay Mekiği'nin kilogram başına 25.000 dolarlık uçulabilir kuru ağırlık maliyetlerine göre yüksek performansa sahip olmaması amaçlanan "yörüngeye ulaşma gereksiniminin" çoğunu sağlam bir yer altyapısına kaydıracaktır . Tasarımcılar, 1. Nesil için 19 milyar dolarlık bir inşaat maliyeti tahmin ediyor ve yolcu kapasiteli 2. Nesil için 67 milyar dolar oluyor.

Saniyede 4 kilometre (2,5 mi/s) fırlatma hızı gibi alternatif Nesil 1.5 tasarımı, Gen-1'in saniyede 8,8 kilometre (5,5 mi/s) ve Maglifter tasarımı (0,2 milyar dolardı) arasında hız açısından orta düzeyde olacaktır. 50 tonluk bir araç durumunda saniyede 0,3 kilometre (0,19 mi/s) fırlatma yardımı için tahmini maliyet ).

2. Nesil hedefi, kişi başına 13.000 ABD dolarıdır. Tahmin edildiği gibi, Gen-2 tesisi başına on yılda 4 milyona kadar insan yörüngeye gönderilebilir.

Zorluklar

Gen-1

Gen-1 için en büyük zorluk, araştırmacılar tarafından yeterince uygun fiyatlı depolama, hızlı teslimat ve güç gereksinimlerinin ele alınması olarak görülüyor.

İhtiyaç duyulan elektrik enerjisi depolaması için (ortalama 50 gigawatt ve tepe noktası yaklaşık 100 gigawatt ile 30 saniyede boşaltılır), bu sıra dışı ölçekte KOBİ'lerin maliyet performansının kilojoule başına yaklaşık bir dolar ve kW-tepe başına 20 dolar olması beklenir . Bu, ölçek açısından yeni olacak, ancak diğer daha küçük darbeli güç enerji depolama sistemlerinde elde edilenden çok farklı olmayan planlanmış maliyet performansı olacaktır (hızlı deşarjlı modern süper kapasitörlerin 1998 ile 2006 yılları arasında maliyeti 151$/kJ'den 2.85$/kJ'ye düşmesi ve daha sonra olacağı tahmin edilmektedir). birkaç saniye ya da deneysel railgun için kW-zirve başına 10 $ olabilir kurşun asit bataryalar, kJ başına bir dolar ulaşmak compulsator güç kaynakları). Çalışma, darbeli MHD jeneratörlerinin bir alternatif olabileceğini belirtiyor.

MagLifter için General Electric , 1997-2000'de bir dizi hidroelektrik volan darbeli güç jeneratörünün kJ başına 5.40$ ve kW-tepe başına 27$'a eşit bir maliyetle üretilebileceğini tahmin etti. Powell'a göre StarTram için SMES tasarım seçimi puls üreteçlerinden daha iyi (daha ucuz) bir yaklaşımdır.

Gen-1 için tahmin edilen en büyük tek sermaye maliyeti , başlangıçta DC deşarjından AC akım dalgasına kadar, birkaç saniye boyunca 100 gigawatt'a kadar çok yüksek güçle uğraşan ve kW başına 100 $ olduğu tahmin edilen bir maliyetle güç koşullandırmadır. -doruğa ulaşmak. Yine de, darbeli güç anahtarlama cihazları için nispeten daha yüksek gereksinimleri olan bir bobin tabancası fırlatıcısının diğer bazı potansiyel uygulamalarıyla karşılaştırıldığında (bir örnek, 1977'de NASA Ames çalışmasından sonra 7,8 kilometre (4,8 mil) uzunluğunda bir kaçış hızı tasarımıdır. Her zaman yarı iletken tabanlı olmayan yerden fırlatma), Gen-1'in 130 km'lik ivme tüp uzunluğu, enerji girdisi gereksinimlerini daha uzun bir hızlanma süresi boyunca yayar. Bu, en yüksek giriş gücü işleme gereksinimlerinin aracın bir tonu başına yaklaşık 2 GW'dan fazla olmamasını sağlar. Tünelin kendisi için daha büyük bir masrafın telafisi yapılır, ancak tünelin, toplam sistem maliyetinin küçük bir kısmı olan, metreküp kazı başına 1500 ABD Doları dahil olmak üzere yaklaşık 4,4 milyar ABD Doları olduğu tahmin edilmektedir.

Gen-1.5

Gösterilen kızak , Holloman Hava Kuvvetleri Üssü'nde manyetik kaldırma olmadan 2,9 km/s hıza ulaştı. Holloman AFB ayrıca bir maglev yüksek hızlı test pisti geliştirme programı yürütüyor. Bir 2006 raporu, genel Savunma Bakanlığı hipersonik test uygulamaları için maglev versiyonu için gelecekteki bir hedef olarak Mach 10 hızını (3.4 km/s) verdi .

2,9 km/s'lik mevcut kara hız rekoru, 20 milyon dolarlık bir projede, çoğunlukla helyum dolu bir tünelde 5 kilometrelik raylı bir kızakla elde edildi. Bir dağın yüzeyinden 4 km/s hızda yolcu RLV'lerinin fırlatılması için StarTram'ın Gen-1.5 versiyonu, çok daha büyük bir araçla önemli ölçüde daha yüksek hız olacaktır. Bununla birlikte, hava veya gaz sürüklenmesi olmayan uzun bir vakum tünelinde, havaya yükselmenin hiper hızlı fiziksel ray temasını önlediği ve 3 kat daha yüksek beklenen finansman ile bu hızlanacaktır . Yüksek başlangıç ​​sermaye maliyeti de dahil olmak üzere birçok zorluk, Gen-2'nin havalandırılmış fırlatma tüpüne sahip olmasa da, Gen-1 ile örtüşecektir.

Gen-2

Gen-2, yükseltilmiş fırlatma tüpü ile hem aracı hem de tüpün bir kısmını havaya kaldırarak (yalnızca aracı havaya kaldıran Gen-1 ve Gen-1.5'in aksine) özel bir ekstra zorluk sunar. 2010 yılı itibarıyla işletim maglev sistemleri treni yaklaşık 15 milimetre (0.59 inç) havaya kaldırır. StarTram'ın Gen-2 versiyonu için, rayı 22 kilometreye (72.000 ft) kadar havaya kaldırmak gerekir, bu mesafe 1,5 milyon kat daha fazladır.

İki iletken çizgi arasındaki kuvvet , ( Amper'in kuvvet yasası ) ile verilir. Burada F kuvveti olan geçirgenliği , elektrik akımı , hatları ve uzunluğu mesafeye. Uygulamak için 4.000 kg / m (8.100 Ib / yd) hava içinde 20 km (12 mil) (bir mesafe boyunca ≈ 1) öğütülmüş ≈ 280 x 10 ⁶ levitated halinde bir gereklidir ≈ 14 x 10 ⁶ A . Karşılaştırma için, yıldırımdaki maksimum akım yaklaşık 10 ⁵ A'dır , yıldırımın özellikleri cf , ancak bir iletkenden akan bir akımın içerdiği dirençli güç kaybı voltaj düşüşüyle ​​orantılıdır, havada milyonlarca voltluk bir yıldırım deşarjı için yüksektir, ancak sıfır dirençli bir süperiletken için ideal olarak sıfır . ${\displaystyle F=(\mu I_{1}I_{2}l)/(2\pi r)}$${\displaystyle \mu =\mu _{0}\mu _{r}}$${\displaystyle I_{1},I_{2}}$${\görüntüleme stili l}$${\görüntüleme stili r}$${\görüntüleme stili \mu _{r}}$${\görüntüleme stili I_{1}}$${\ Displaystyle I_{2}}$

Performansı da niyobyum-titanyum süperiletken teknik olarak yeterli değildir (5 x 10 bir kritik akım yoğunluğunun ⁵ A / cm ² , belirsizlikler levitated platformu, bir emniyet faktörü sonra pratik olarak bu% 40 hakkında manyetik alan koşulları altında) hakkında ekonomi, Gen-1 için varsayılan kA-metre başına 2 ABD doları ile karşılaştırıldığında, Gen-2 için kA-metre süperiletken başına 0,2 ABD doları tutarında çok daha iyimser bir varsayımı içerir (Gen-1'in fırlatma tüpünün hiçbirini havaya kaldırmaz, ancak süper iletken kullanır büyük bir KOBİ için kablo ve piyasaya sürülen maglev zanaat içinde ). NbTi, soğutma için mevcut ölçek ekonomileri altında tasarım seçimiydi, çünkü şu anda kA-metre başına 1 dolara mal olurken, yüksek sıcaklık süper iletkenleri şimdiye kadar iletkenin kendisi için kA-metre başına çok daha pahalıya mal oluyor.

10 g'a kadar ivmeye sahip bir tasarım düşünülürse (bu, Apollo 16'nın yeniden giriş ivmesinden daha yüksektir ), Gen-2 sisteminin bir yolcu versiyonu için tüm parkur en az 326 kilometre (203 mil) uzunluğunda olmalıdır. . Bu uzunluk, kuvveti hesaplamak için sonsuz bir çizgi için yaklaşımın kullanılmasına izin verir. Önceki, yolun yalnızca son kısmının nasıl havaya kaldırıldığını ihmal eder, ancak daha karmaşık bir hesaplama, yolun birim uzunluğu başına kuvvet sonucunu yalnızca %10-20 oranında değiştirir (f _gl = 1 yerine 0,8 ila 0,9).

Araştırmacıların kendileri, havaya kaldırmanın uygulanan kuvvet açısından işe yarayıp yaramayacağı konusunda herhangi bir şüphe olmadığını düşünüyorlar (Ampere'nin kuvvet yasasının bir sonucu), ancak birincil zorluğu, tüpün dikilmesinin pratik mühendislik karmaşıklıkları olarak görüyorlar. mühendislik analizi, rüzgarın neden olduğu bükülmeyi ele almaya odaklandı. Aktif yapı çarpanı ile rüzgar kuvveti aşan yapı ağırlığı dışında, net kaldırma kuvveti ile yüksek irtifa, teorik olarak rehberlik döngüler tarafından ele hafif bir kavis, çok ince bir hava rüzgar altında kilometre başına metrelik bir bölümü tarafından viraj hesaplanır 200+ ipleri gergin tutmak için ve bilgisayar kontrollü kontrol iplerinin yardımıyla.

Ayrıca bakınız

• roket dışı uzay fırlatma
• Roket kızağı fırlatma
• aşı
• Bir uzay limanı olarak yüksek irtifa platform istasyonu
• ThothX Kulesi

Referanslar

Dış bağlantılar

• Başlangıç ​​Ana Sayfası