Magbuklod ng isang cable pababa sa lupa - pangunahing tanong ng Physics

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

Kung mayroon akong materyal na may lakas ng makunat, posible bang magkaroon ng ito mula sa pinakamababang pinaka-posibleng bagay na geostationary sa ilalim ng kapaligiran?

Hindi ba ito makaranas ng parehong isyu gaya ng anumang bagay na muling pumasok sa kapaligiran ng daigdig at napapailalim sa parehong mga epekto sa pag-init?

O

ito (dahil ito ay geo-nakatigil) ay hindi maapektuhan ng re-entry phenomenon? Gusto ko talagang pinahahalagahan ang ilang physics kung sinuman ay hanggang sa ito ... ang aking hulaan ay na ito ay sasailalim sa muling pagpasok sa kapaligiran at gusto sumunog.

Ang pangangatwiran ay, na nais kong mag-disenyo ng isang CO2 na maubos para sa Earth ... kaya ang aking tanong

6 Answers


Tom Spilker 07/14/2018.

Humihingi ka tungkol sa isang ideya na naging sa paligid para sa isang mahabang panahon: ang Space Elevator o ang Sky Hook . Sinulat ni Konstantin Tsiolkovsky ang tungkol sa isang katulad na konsepto noong 1895, bagaman ang kanyang konsepto ay para sa isang nakatayo na gusali, isang istraktura ng compression na sinusuportahan ng isang pundasyon sa Earth.

Hindi mo maibababa ang cable mula sa geo bird. Kung mayroon kang cable na nakabitin mula sa istasyon ng geo na wala sa itaas (hindi pinapansin ang dinamika ng pagkuha ng cable na iyon doon), ang bigat ng cable, hindi ganap na ginalaw ng centrifugal force sa mas mababang mga altitude, ay kukunin ito. Kailangan mong magpadala ng cable outward too, tulad na ang mass at nadagdagang centrifugal acceleration ng panlabas na segment nagbabalanse sa masa at nabawasan centrifugal acceleration ng paloob na segment. Sa sandaling ang nasa loob na bahagi ay umabot sa Earth (ang Sri Lanka ay paboritong ni AC Clarke) maaari itong ma-angkla at isang panlaban na naka-attach sa panlabas na dulo upang panatilihin ang buong bagay sa pag-igting, kahit na ang isang payload ay pinataas ang cable.

Iyan ang pangkalahatang kaakit-akit ng konsepto: kung maaari kang magtayo ng ganoong bagay, maaari mong gamitin ito sa mga "payload" na payloads hanggang sa GEO gamit lamang ang electric power. Maaari mo ring ibalik ang mga bagay mula sa GEO sa Earth para sa mga bagay tulad ng pagkumpuni o servicing.

Hanggang sa medyo kamakailan-lamang ay walang mga kilalang materyales na maaaring pangasiwaan ang makunat na stress na kasangkot. Ngunit lumilitaw na maybe carbon o boron nitride nanotubes, o diamond nanofibers, ay maaaring sapat na malakas. Ngunit ang static na makunat na stress ay bahagi lamang ng problema.

Ang isang problema ay ang " bullwhip " na problema. Ang isang payload na ipinapadala pataas ay naglalagay ng isang puwersang puwersa sa cable dahil ang tangential velocity nito ay nadagdagan, sa huli sa GEO orbital velocity. Naglulunsad ito ng wave ng pag-aalis na naglalakbay kapwa pataas at pababa sa cable. Ang alon na naglalakbay sa direksyon na ang cable thickens ay hindi masyadong maraming ng isang problema, ngunit ang alon naglalakbay sa direksyon ang cable thins lumalaki sa amplitude bilang ito paglalakbay. Ito ay ang parehong kababalaghan na nagpapahintulot sa isang tao na pumutok ng isang bullwhip: ang alon na inilunsad sa hawakan ay lumalaki sa amplitude habang papalapit ito sa napakapayat na dulo, at ang dulo ay maaaring makaabot ng supersonic na mga bilis. Nang ang payload ay lumapit sa terminal ng GEO, ang alon ay inilunsad mula sa makapal na bahagi ng cable na paglalakbay patungo sa mga mas payat na seksyon, at ang malalaking pag-aalis mula sa punto ng balanse ay maaaring magresulta sa malaki, biglaang pagbabago ng bilis na lubos na nadaragdagan ang stress sa cable.

Isa pang halata problema ay orbital mga labi at meteorites. Ang mga cable sa ilalim ng matinding pag-igting ay hindi bahagi na bahagyang naputol. Kung ang isang crack o gouge ay malaki sapat na ito ay nagiging isang Griffith crack ang buong cable severs, at iyon ay isang talagang masamang araw.

Upang sagutin ang mga bagong na-edit at binigyang diin ang bahagi ng tanong: hindi, hindi ito sasailalim sa mga bilis ng muling pagpasok at pag-init sa karaniwang kahulugan. Ang konstruksiyon ng cable ay isang maingat na sinusubaybayan at kinokontrol na balanse ng pagpapadala ng bagong cable parehong paitaas at pababa, upang mapanatili ang net motion ng "istasyon" sa GEO constant, sa GEO velocity. Kahit na may mga bagong materyales na may mataas na makunat-lakas tulad ng carbon o boron nitride nanotubes, sa punto ng GEO, kung saan ang maximum na stress, ang kinakailangang cable diameter ay malaki, napakalaki sa "spool". Maaaring maitayo mula sa spools ng mas maliit-diameter na mga cable, o kahit na chemically gawa-gawa sa isang tuloy-tuloy na proseso. Ngunit alinman sa paraan, ang net rate ng paglapag ay magiging mababa, limitado ng pinakamataas na rate ng katha na pinahihintulutan ng proseso.

At dahil ang mga pataas at pababa na mga segment ay kanselahin ang mga puwang ng tanghential at pati na rin ang mga pwersa sa radial, pinipigilan nito ang karaniwang pagpapakilos sa mga mataas na tensiyenteng bilis na karaniwan mong nakukuha kapag bumabagsak ang nag-oorbit na bagay. Ang acceleration na ito ay nangyayari kapag ang orbiting na bagay ay nasa freefall (ibig sabihin, sumasailalim lamang sa mga puwersa ng gravitational mula sa primary , ang malaking katawan ang bagay ay nag-iisa), ngunit ang dulo ng cable ay wala sa freefall: mayroon itong malaking di-gravitational pwersa sa ito mula sa iba pang mga cable.

Ang netong resulta: hindi mo kailangang mag-alala tungkol sa pag-init ng muling pagpasok.

EDIT 2018 July 15

Nagsulat ako ng software upang kalkulahin ang kinakailangang diameter ng cable bilang isang function ng altitude, only for a static cable in position , kaya walang pag-install dinamika, walang propagating alon, at no design margin! kaya nagbibigay ito ng pinakamababang diameter na ang cable ay maaaring maging sa ilalim ng perpektong kondisyon, sa bawat punto kasama ang haba nito. Ang hakbang-hakbang na pagtaas mula sa anchor point (at ang tinukoy na tensyon sa bias doon) ay kinakalkula nito ang net acceleration dahil sa gravity at centrifugal acceleration, kinakalkula ang pagkakaiba sa pwersa ng tensile na may altitude (pagsasanib ng pataas mula sa anchor point habang papunta ito), at pagkatapos ay sa bawat hakbang ay gumagamit ng makunat lakas ng materyal upang makalkula ang diameter ng cable. Ang paglalagay sa iba't ibang mga katangian ng materyal ay nagbubunga ng mga kagiliw-giliw na resulta.

Paggamit ng Kevlar, na may lakas ng 3.62 GigaNewtons (GN) per square meter at mass density ng 1,440 kg kada cubic meter, at isang bias tension ng 1 MegaNewton (MN), ang diameter ng cable sa anchor ay ~ 1.87 cm, ngunit isang napakalaki 285 m sa punto ng GEO. Ang cable mass mula GEO down ay ~ 1.2E12 metric tons !

Ngunit gumagamit ng carbon nanotubes, ipagpapalagay na makakakuha ka ng malakihang pagganap bilang mahusay na pagganap ng maliit na sukat na ipinakita sa laboratoryo (63 GN per square meter at mass density ng 1,400 kg kada cubic meter), ang cable diameter sa anchor ay tanging 0.45 cm at lamang 0.77 cm sa GEO, na may isang mas mababang segment ng ~ 2,000 tonelada lamang. Ngunit ito ay isang lubos na maasahin sa mabuti pagtatantya. Ipinagpapalagay nito na ang anumang indibidwal na carbon nanotube na nagsisimula sa anchor ay patuloy na unbroken hanggang sa GEO, at ang anumang nanotubes na idinagdag habang ikaw ay pataas ay pahabain din ang lahat sa daan patungo sa GEO, at mahigpit na nakagapos sa kanilang mga kapitbahay na ang slippage ay hindi mangyari .

Kahit na ang malalaking pagganap ay 1/10 lamang ng pagganap ng lab, na binabawasan pa rin ang diameter ng cable sa GEO (kumpara sa Kevlar) sa ~ 3.1 m at kabuuang down-segment na mass ng ~ 1.7E8 tonelada.

Muli, ito ay sa ilalim ng ideal na mga kondisyon. Kapag sinimulan mo ang pagdaragdag ng lakas upang mahawakan ang mga labi ng orbital at meteorite na pinsala, ang mga dinamika tulad ng pagpapalaganap ng mga alon, mga sistema upang kontrolin ang mga dynamics, at ang dati ng kasalukuyang margin ng disenyo (kung sakaling hinihimok mo sa isang tulay, utang mo ang iyong buhay sa !), ang mga laki ng koryente ay nakakakuha ng mas malaki, kasama ang mga masa.


Punintended 07/11/2018.

Materyal na lakas / timbang na mga isyu sa tabi, ang isang elevator ng espasyo ay hindi magdudulot ng mapanirang re-entry heating kung binabaan mo ang cable (kumpara sa pag-drop ito sa isang walang kontrol na paraan), na magiging isang magandang ideya para sa maraming mga kadahilanan.

Kung ibinalik mo ang cable, ito ay magkakaroon ng maraming enerhiya ng kinetiko - eksakto kung magkano ang depende sa masa at cross-sectional area. Kaya kukunin ko ang kamay-alon na may "ng maraming". Kapag tumitigil ito sa pag-drop, ang mga masamang bagay ay mangyayari kahit gaano katagal ang cable.

  • Kung ang cable ay may sapat na katagalan upang maabot ang lupa, nakuha nito ang parallel velocity ng geostationary object ng ~ 3km / s at ang perpendikular na bilis ng hanggang 9km / s (ang masa ay nakansela para sa KE = GPE, naiwan ang 1/2 v ^ 2 = gh Mag-plug sa 9.8m / s ^ 2, ~ 36000km, i-convert at lutasin), na magkakaroon ng maraming aerobraking (na, muli, depende sa cross-sectional area). Binabati kita, nag-iisa lang kayo sa Earth
  • Kung ang cable isn't sapat na mahaba upang maabot ang lupa, ang ikarete ay aalisin sa anumang bagay na naka-attach sa geostationary object. Hindi ako makakapagbigay ng ilang back-of-the-napkin matematika dito

Ang Concorde ay nakakaranas ng ilang pagpainit sa Mach 2-ish, ngunit marahil ay hindi sapat upang maging masyado mapanira sa isang bagay na may uri ng lakas: ratio ng timbang na kailangan mo para sa isang elevator ng espasyo

Tandaan na habang pinabababa mo ang isang cable mula sa isang bagay na geostationary, kakailanganin mong i-unlool ang isang panimbang upang panatilihin ang sentro ng masa mula sa paglipat ng puwang ng geostationary nito.

I-edit: Whoops, ako ay pinalo sa link sa Space Elevator. Ngunit FWIW, magkakaroon pa rin ng ilang pagpainit sa cable, na kung saan is gumagalaw, hindi alintana kung ang sentro ng mass gumagalaw.


BobT 07/11/2018.

Ito ay mahalagang ideya ng 1894 "Space Elevator" ng Tsiolkovsky. Kailangan mo ng madaling iakma ang pag-iwas sa pagpapalawak upang panatilihin ang sentro ng masa sa geostationary point. Kung tapos na tama dapat ay walang paggalaw sa mas mababang dulo. Walang kilusan ay nangangahulugan na walang air friction at kaya walang heating ...


Mick 07/12/2018.

Para sa isang bagay na nasa orbit ng geostationary dapat itong nasa layo na mga 36,000 km mula sa Earth. Iyan ay maraming materyal.

Tulad ng isang bagay na nakakakuha ng mas malapit sa Earth ito ay dapat maglakbay nang mas mabilis upang mapanatili ang isang matatag na orbita (angular momentum nalalapat), at sa loob ng kapaligiran ito ay dapat maglakbay nang mas mabagal upang maiwasan ang mga problema sa pagpainit dahil sa pagkikiskisan atbp.

Akala ko na ang anumang naturang cable o space elevator na gabay rail ay yumuko palabas (sa direksyon ng Earth's spin) sa pagitan ng mga punto ng pagtatapos nito. Sa pag-aakala na ang materyal ay may lakas na hindi masira, wala akong ideya kung ano ang magiging epekto ng mga stress at puwersa sa mga endpoint, ngunit maaari kong hulaan na magkakaroon ng problema sa ligtas na pag-angkat sa endpoint sa Earth upang ito ay hindi napunit ang libreng, at ang espasyo ng pagtatapos ay kailangang magkaroon ng sapat na sapat na mass sa angkop na distansya na lampas sa geostationary end upang maiwasan ang pagwawakas na mag-drag sa paligid ng mas mabilis kaysa sa natural na bilis ng orbit.

Akala ko din na ang paglipat ng anumang mass kasama ito ay magdagdag ng mga komplikasyon sa katatagan, masyadong mabilis o masyadong mabagal sa anumang punto ay mabilis destabilize ito, paglikha ng mga oscillations kasama ang haba nito.


CrossRoads 07/12/2018.

Ang mga satelayt sa orbit na iyon ay may posibilidad na lumipat sa isang figure na hugis 8 tulad ng nakikita mula sa lupa, upang ang mga pangangailangan upang matugunan sa paanuman din.

Mula sa http://www.satobs.org/geosats.html :

Mahigpit na nagsasalita, ang isang geostationary satellite ay nasa isang orbit na 0 degree inclination, zero na pagkawalang-kilos at isang kilalang kilusan ng 1.002701 revolutions kada araw o isang panahon ng 1436 minuto bawat rebolusyon. Ang Earth rotates isang beses sa tungkol sa 23 oras at 56 minuto (1436 minuto); ang natitirang 4 na minuto ay nagbibigay-daan sa Earth upang i-rotate sa karagdagang, compensating para sa maliwanag na pagbabago sa posisyon ng Araw. Ito ay nagmumula sa paggalaw ng Earth sa orbit nito tungkol sa Araw. Sa katunayan karamihan sa geostationary satellite ay talagang geosynchronous. Ang pagkakaroon ng ibig sabihin ng motions sa pagitan ng 0.9 sa 1.1 revolutions sa bawat araw sila ay pinahihintulutan sa naaanod sa isang kahon bago ang mga pagwawasto ay ginawa sa pamamagitan ng thrusters board. Ang laki ng kahon na ito ay idinidikta ng mga kinakailangan sa misyon. Halimbawa, ang kahon para sa satellite broadcast ng TV ay tinutukoy ng beamwidth ng mga pagkaing pagtanggap na ginamit.

Ang paglipad mula sa perpektong posisyon ay lumitaw dahil sa mga anomalya sa patlang ng gravitational ng Earth, sa ito altitude atmospheric drag ay hindi pagsasaalang-alang. Ang gravitational na impluwensya ng Moon ay nagbibigay din ng isang out-of-plane lakas masyadong, na dahan-dahan pinatataas ang orbital pagkahilig patungo na ng Buwan tungkol sa Earth (na kung saan mismo ay nag-iiba sa pagitan ng 18 at 29 degrees). Ang satellite ngayon ay may kaugaliang upang ilarawan ang isang figure-ng-walong landas track; Layunin ng mga controllers sa lupa na paghigpitan ito sa kahon na nabanggit mas maaga dahil ang sapat na orbit-keeping fuel ay nananatiling. Ang pag-alis na ito ay pinahihintulutang palaguin ang mga tseke sa kaso ng ilang mga satellite ng komunikasyon upang magbigay ng mas mahusay na coverage ng mga rehiyon ng polar na kung saan ay kung hindi man ay mahirap (mula sa mga pole isang geostationary satellite ay halos mangingisda ang abot-tanaw). Ang net na koneksyon sa mga istasyon ng pananaliksik ng US sa Antartiko ay nakamit sa ganitong paraan.


Acccumulation 07/12/2018.

Kung ang spacecraft ay nasa geosynchronous orbit, pagkatapos ay sa pamamagitan ng kahulugan ito ay umiikot sa Earth, kaya kung mayroon kang isang cable umiikot sa parehong angular bilis ng spacecraft, pagkatapos ay ito din ay gumagalaw sa Earth, at din sa kapaligiran ng Earth . Dahil walang kamag-anak na paggalaw sa pagitan ng cable at mga kapaligiran nito, walang magiging dahilan upang ito ay "sunugin".

Gayunman, tandaan na para sa geosynchronous orbit na mapanatili, ang center of mass dapat na nasa geosynchronous altitude. Kung ang spacecraft ay may cable na nakabitin sa ibaba nito, pagkatapos ay ang buong spacecraft + cable system ay dapat na nasa geosynchronous orbit, kaya ang spacecraft ay nangangailangan ng altitude na mas mataas kaysa sa kung ano ang magkakaroon nito ng walang cable, o magkaroon ng cable na pagpapalawak sa itaas nito upang humadlang ang bigat ng cable sa ibaba nito.

Isa pang isyu na ang "nakalawit" ay nagpapahiwatig na ilalabas mo ang cable mula sa orbita. Kung ikaw ay nasa freefall, pagkatapos ay sa pamamagitan ng kahulugan walang lokal na gravity sa iyong sanggunian frame, kaya hindi mo maaaring "drop" ng cable: kung maglagay ka ng isang cable sa labas ng iyong spacecraft, ito ay lutang lamang doon.

Kung nakuha mo ito nang malaki sa ibaba mo, hindi ito mananatili doon. Sinabi ni Tom Spilker na mahuhuli nito ang spacecraft, ngunit ito ay nagkakamali. Ang isang mas malaking radius ay nangangahulugan ng mas mababang bilis ng angular, ngunit mas mataas na linear velocity. Kung ikaw ay sa anumang paraan ayusin ang cable na sa parehong angular bilis ng spacecraft, pagkatapos ay ito ay talagang pull ang spacecraft pababa. Ngunit kung ang cable ay nagsisimula sa linear, sa halip na angular, bilis ng spacecraft, at inilalagay sa isang mas mababang altitude, ang bilis nito ay masyadong mataas upang mapanatili ang pabilog na orbit sa altitude na iyon. Sa halip, ito ay pumapasok sa isang elliptical orbit, at sa frame ng reference ng mga tao sa spacecraft, ang cable ay lilitaw sa orbita sa paligid ng mga ito.

Related questions

Hot questions

Language

Popular Tags