Lanzamiento de bucle - Enciclopedia
Un lanzamiento en espiral, o bucle de Lofstrom, es un sistema propuesto para lanzar objetos en órbita utilizando un sistema de cable en movimiento situado dentro de una envoltura unida a la Tierra en dos extremos y suspendida sobre la atmósfera en el medio. El concepto de diseño fue publicado por Keith Lofstrom y describe un sistema de transporte de cables magnéticos levitados activos que tendría unos 2,000 km (1,240 millas) de largo y se mantendría a una altitud de hasta 80 km (50 millas). Un lanzamiento en espiral estaría sostenido a esta altitud por el momento de una cinta que circula alrededor de la estructura. Esta circulación, en efecto, transfiere el peso de la estructura a un par de rodamientos magnéticos, uno en cada extremo, que la sostienen.
Los lanzamientos en espiral están diseñados para lograr el lanzamiento no balístico de vehículos que pesen 5 toneladas métricas mediante la aceleración electromagnética de manera que se proyecten en órbita terrestre o incluso más allá. Esto se lograría por la parte plana del cable que forma una pista de aceleración por encima de la atmósfera.
El sistema está diseñado para ser adecuado para el lanzamiento de humanos para el turismo espacial, la exploración espacial y la colonización espacial, y proporciona una aceleración relativamente baja de 3g.
Historia
Los lanzamientos en espiral fueron descritos por Keith Lofstrom en el Foro de Lectores del boletín de la Sociedad Astronáutica Americana en noviembre de 1981 y en el boletín L5 de agosto de 1982.
En 1982, Paul Birch publicó una serie de artículos en el Journal of the British Interplanetary Society que describían anillos orbitales y describía una forma que llamó Sistema de Anillo Orbital Parcial (PORS).
La idea del lanzamiento en espiral se trabajó en más detalle alrededor de 1983-1985 por Lofstrom. Es una versión desarrollada del PORS específicamente diseñada para formar una pista de aceleración magnética levitada adecuada para lanzar humanos al espacio, pero mientras que el anillo orbital utilizaba levitación magnética superconductiva, los lanzamientos en espiral utilizan suspensión electromagnética (EMS).
Descripción
Considere un gran cañón en una isla que dispara una bala hacia la alta atmósfera. La bala seguirá una trayectoria aproximadamente parabólica en el vuelo inicial, pero la resistencia del aire la ralentizará y la causará para regresar a la Tierra en una trayectoria mucho más vertical. Podría hacer que la trayectoria fuera puramente balística encerrando la trayectoria predicha en un tubo y quitando el aire. Suspender tal tubo sería un problema significativo dependiendo de la longitud de la trayectoria. Sin embargo, se puede utilizar la bala para proporcionar esta fuerza de elevación, al menos temporalmente. Si el tubo no está exactamente a lo largo de la trayectoria de vuelo de la bala, sino un poco por debajo, a medida que la bala pasa a través del tubo, se forzará a descender, produciendo así una fuerza ascendente en el tubo. Para mantenerse flotando, el sistema requeriría que las balas se dispararan continuamente.
El lanzamiento en espiral es esencialmente una versión continua de este concepto. En lugar de que un cañón dispare una bala, un impulsor de masa acelera un cable en una trayectoria similar. El cable está rodeado por un tubo vacío, que se sostiene en el aire empujando hacia abajo el cable usando imanes. Cuando el cable cae de vuelta a la Tierra en el otro extremo de la trayectoria, se captura por un segundo impulsor de masa, doblado 180 grados, y se envía de vuelta en la trayectoria opuesta. El resultado es un solo bucle que viaja continuamente y mantiene el tubo flotando.
Para utilizar el sistema como lanzador espacial, un lanzamiento en espiral sería aproximadamente de 2,000 km de largo y 80 km de alto. El bucle estaría en la forma de un tubo, conocido como la envoltura. Flotando dentro de la envoltura hay otro tubo continuo, conocido como el rotor, que es una especie de cinta o cadena. El rotor es un tubo de hierro de aproximadamente 5 cm (2 pulgadas) de diámetro, que se mueve alrededor del bucle a 14 km/s (31,000 millas por hora). Mantener el sistema flotando requiere una cantidad significativa de elevación, y la trayectoria resultante es mucho más plana que la trayectoria balística natural del rotor.
Debido a la posibilidad de que el bucle fracase y caiga a la Tierra, generalmente se considera que se ejecuta entre dos islas fuera de las rutas de transporte marítimo intensivo.
= Capacidad de mantenerse en el aire =
Cuando está en reposo, el bucle está a nivel del suelo. Luego, el rotor se acelera hasta la velocidad. A medida que la velocidad del rotor aumenta, se curva para formar un arco. La estructura se sostiene por la fuerza del rotor, que intenta seguir una trayectoria parabólica. Los anclajes terrestres lo forzan a ir paralelo a la Tierra al alcanzar la altura de 80 kilómetros. Una vez elevada, la estructura requiere energía continua para superar la energía disipada. Se necesitaría una energía adicional para alimentar cualquier vehículo que se lance.
= Lanzamiento de cargas =
Para lanzar, los vehículos se elevan en un cable de "ascensor" que cuelga del muelle de carga del oeste a 80 km y se colocan en la pista. La carga aplica un campo magnético que genera corrientes inducidas en el rotor en movimiento rápido. Esto tanto eleva la carga远离 el cable, como la arrastra con una aceleración de 3g (30 m/s²). La carga luego se desplaza por el rotor hasta alcanzar la velocidad orbital requerida y dejar la pista.
Si se necesita una órbita circular o estable, una vez que la carga alcanza la parte más alta de su trayectoria, se necesita un motor de cohete a bordo ("motor de impulsión") u otro medio para circularizar la trayectoria en la órbita terrestre adecuada.
La técnica de las corrientes inducidas es compacta, ligera y potente, pero ineficiente. Con cada lanzamiento, la temperatura del rotor aumenta en 80 kelvins debido a la disipación de energía. Si los lanzamientos se espacian demasiado cerca uno del otro, la temperatura del rotor puede alcanzar los 770 °C (1043 K), en cuyo punto el rotor de hierro pierde sus propiedades ferromagnéticas y se pierde la contención del rotor.
= Capacidad y capacidades =
Las órbitas cerradas con un perigeo de 80 km se desintegran y reingresan rápidamente, pero además de tales órbitas, un lanzamiento en espiral también sería capaz de inyectar directamente cargas en órbitas de escape, trayectorias de asistencia gravitacional alrededor de la Luna y otras órbitas no cerradas, como cerca de los puntos de Troya.
Para acceder a órbitas circulares utilizando un lanzamiento en espiral, se necesitaría lanzar con la carga un "motor de impulsión" relativamente pequeño que se dispararía en el apogeo y circularizaría la órbita. Para la inserción en GEO, esto necesitaría proporcionar un delta-v de aproximadamente 1.6 km/s, para circularizar en LEO a 500 km se necesitaría un delta-v de solo 120 m/s. Los cohetes convencionales requieren delta-vs de aproximadamente 14 y 10 km/s para alcanzar GEO y LEO respectivamente.
Los lanzamientos en espiral en el diseño de Lofstrom se sitúan cerca del ecuador y pueden acceder solo a órbitas ecuatoriales. Sin embargo, otras planos orbitales podrían alcanzarse mediante cambios de planos de altitud altos, perturbaciones lunares o técnicas aerodinámicas.
La capacidad de lanzamiento de un lanzamiento en espiral está limitada en última instancia por la temperatura y la tasa de enfriamiento del rotor a 80 por hora, pero eso requeriría una planta eléctrica de 17 GW; una planta eléctrica más modesta de 500 MW es suficiente para 35 lanzamientos por día.
= Economía =
Para que un lanzamiento en espiral sea económicamente viable, se necesitarían clientes con requisitos de lanzamiento de carga suficientemente grandes.
Lofstrom estima que un bucle inicial de aproximadamente 10 mil millones de dólares con un retorno de la inversión de un año podría lanzar 40,000 toneladas métricas por año y reducir los costos de lanzamiento a 300 / kg. Por 30 mil millones de dólares, con una mayor capacidad de generación de energía, el bucle sería capaz de lanzar 6 millones de toneladas métricas por año, y dados un período de retorno de la inversión de cinco años, los costos para acceder al espacio con un lanzamiento en espiral podrían ser tan bajos como 3 / kg.
Comparaciones
= Ventajas de los lanzamientos en espiral =
En comparación con los ascensores espaciales, no se tienen que desarrollar nuevos materiales de alta resistencia, ya que la estructura resiste la gravedad terrestre apoyando su propio peso con la energía cinética del bucle en movimiento, y no por resistencia a la tracción.
Los lanzamientos en espiral de Lofstrom se esperan que lancen a altas tasas (muchos lanzamientos por hora, independientemente del clima) y no son inherentemente contaminantes. Los cohetes crean contaminación como nitratos en sus escapes debido a la alta temperatura de escape, y pueden crear gases de efecto invernadero dependiendo de las opciones de propelente. Los lanzamientos en espiral como forma de propulsión eléctrica pueden ser limpios y pueden funcionar con energía geotérmica, nuclear, eólica, solar o cualquier otra fuente de energía, incluso intermitente, ya que el sistema tiene una gran capacidad de almacenamiento de energía integrada.
A diferencia de los ascensores espaciales que tendrían que viajar a través de los cinturones de Van Allen durante varios días, los pasajeros de los lanzamientos en espiral pueden ser lanzados a la órbita baja terrestre, que está debajo de los cinturones, o a través de ellos en pocas horas. Esto sería una situación similar a la que enfrentaron los astronautas del Apolo, que tenían dosis de radiación de aproximadamente el 0.5% de lo que el ascensor espacial daría.
A diferencia de los ascensores espaciales que están sujetos a los riesgos de desechos espaciales y meteoritos a lo largo de su longitud completa, los lanzamientos en espiral estarán situados a una altitud donde las órbitas son inestables debido a la resistencia del aire. Dado que los desechos no persisten, solo tienen una oportunidad de impactar la estructura. Mientras que el período de colapso de los ascensores espaciales se espera que sea del orden de los años, los daños o el colapso de los bucles de esta manera se espera que sea raro. Además, los lanzamientos en espiral no son una fuente significativa de desechos espaciales, incluso en un accidente. Todos los desechos generados tienen un perigeo que interseca la atmósfera o está a la velocidad de escape.
Los lanzamientos en espiral están destinados para el transporte humano, para proporcionar una aceleración segura de 3g que la mayoría de las personas serían capaces de tolerar bien y sería una manera mucho más rápida de alcanzar el espacio que los ascensores espaciales.
Los lanzamientos en espiral serían silenciosos en su funcionamiento y no causarían ninguna contaminación acústica, a diferencia de los cohetes.
Finalmente, sus bajos costos de carga son compatibles con el turismo espacial a gran escala y hasta la colonización espacial.
= Dificultades de los lanzamientos en espiral =
Un bucle en movimiento tiene una cantidad extremadamente grande de energía en su momento lineal. Si bien el sistema de suspensión magnética sería altamente redundante, con fallos de secciones pequeñas que tienen prácticamente ningún efecto, si ocurriera un fallo mayor, la energía del bucle (1.5×1015 julios o 1.5 petajulios) se acercaría a la misma liberación de energía total que una explosión de bomba nuclear (350 kilotones de TNT equivalente), aunque no emite radiación nuclear.
Si bien esta es una cantidad significativa de energía, es poco probable que destruya gran parte de la estructura debido a su gran tamaño y porque la mayoría de la energía se desecharía a preseleccionados lugares cuando se detecta el fallo. Podrían necesitarse medidas para bajar el cable desde la altitud de 80 km con el mínimo daño, como el uso de paracaídas.
Por lo tanto, por razones de seguridad y astrodinámica, los lanzamientos en espiral están destinados a estar instalados sobre el océano cerca del ecuador, muy lejos de la habitabilidad.
El diseño publicado de un lanzamiento en espiral requiere control electrónico de la levitación magnética para minimizar la disipación de energía y estabilizar el cable de otro modo subamortiguado.
Los dos puntos principales de inestabilidad son las secciones de cambio de dirección y el cable.
Las secciones de cambio de dirección son potencialmente inestables, ya que el movimiento del rotor alejado de los imanes reduce la atracción magnética, mientras que el movimiento hacia ellos aumenta la atracción. En cualquier caso, ocurre inestabilidad. Este problema se resuelve rutinariamente con sistemas de control de servo que varían la fuerza de los imanes. Aunque la fiabilidad del servo es un problema potencial, se necesitarían muchos secciones consecutivas que fallen para que se pierda la contención del rotor.
Las secciones del cable también comparten este problema potencial, aunque las fuerzas son mucho más bajas. Sin embargo, existe una inestabilidad adicional en que el cable / envoltura / rotor pueden someterse a modos de meandros (similares a una cadena de Lariat) que crecen en amplitud sin límite. Lofstrom cree que esta inestabilidad también se puede controlar en tiempo real mediante mecanismos de servo, aunque esto nunca se ha intentado.
= Diseños competidores y similares =
En los trabajos de Alexander Bolonkin se sugiere que el proyecto de Lofstrom tiene muchos problemas sin resolver y que está muy lejos de la tecnología actual. Por ejemplo, el proyecto de Lofstrom tiene juntas de expansión entre placas de hierro de 1.5 metros. Sus velocidades (debido a la gravedad, la fricción) pueden ser diferentes y Bolonkin afirma que podrían atascarse en el tubo; las fuerzas y la fricción en las secciones de cambio de dirección de 28 km de diámetro son gigantescas. En 2008, Bolonkin propuso un cable cerrado rotado simple para lanzar el instrumental espacial de una manera adecuada para la tecnología actual.
Otro proyecto, el cable espacial, es un diseño más pequeño de John Knapman que está destinado a proporcionar asistencia de lanzamiento para cohetes convencionales y turismo suborbital. El diseño del cable espacial utiliza broches discretos en lugar de un rotor continuo, como en la arquitectura del lanzamiento en espiral. Knapman también ha demostrado matemáticamente que la inestabilidad de meandros puede ser controlada.
El skyhook es otro concepto de sistema de lanzamiento. Un skyhook podría ser rotatorio o no rotatorio. Un skyhook no rotatorio cuelga de una órbita baja terrestre hasta justo por encima de la atmósfera terrestre (el cable del skyhook no está unido a la Tierra). El skyhook rotatorio cambia este diseño para reducir la velocidad del extremo inferior; todo el cable gira alrededor de su centro de gravedad. La ventaja de esto es una mayor reducción de velocidad para el vehículo de lanzamiento volando al extremo inferior del skyhook rotatorio, lo que permite una mayor carga útil y costos de lanzamiento más bajos. Las dos desventajas de esto son: la reducida cantidad de tiempo disponible para que el vehículo de lanzamiento se enganche en el extremo inferior del skyhook rotatorio (aproximadamente 3 a 5 segundos) y la falta de elección sobre el destino orbital.
Ver también
Referencias
Enlaces externos
www.launchloop.com
SpaceCable Otra idea similar para el asistencia de lanzamiento / viaje de turismo suborbital / viajes recreativos de alta altitud
Space Elevator Stage 1: Through the Stratosphere, John Knapman, Keith Lofstrom, presentación en el centro de conferencias de Microsoft, agosto de 2011.