Amarração de troca de impulso - Momentum exchange tether

Uma corda de troca de momento é um tipo de corda espacial que poderia teoricamente ser usada como um sistema de lançamento ou para mudar as órbitas de naves espaciais. As amarras de troca de momento criam uma força controlada nas massas finais do sistema devido à pseudo-força conhecida como força centrífuga . Enquanto o sistema de amarração gira, os objetos em cada extremidade da corda experimentam aceleração contínua; a magnitude da aceleração depende do comprimento da corda e da taxa de rotação. A troca de momento ocorre quando um corpo final é liberado durante a rotação. A transferência de impulso para o objeto liberado fará com que a corda giratória perca energia e, portanto, perca velocidade e altitude. No entanto, usando o empuxo eletrodinâmico da corda ou a propulsão iônica, o sistema pode então se recarregar com pouco ou nenhum gasto de massa de reação consumível.

Uma corda não rotativa é uma corda rotativa que gira exatamente uma vez por órbita, de modo que sempre tem uma orientação vertical em relação ao corpo principal. Uma espaçonave chegando na extremidade inferior desta corda, ou partindo da extremidade superior, obterá impulso da corda, enquanto uma espaçonave partindo da extremidade inferior da corda, ou chegando na extremidade superior, adicionará impulso à corda .

Em alguns casos, os sistemas de troca de momento têm a intenção de funcionar como esquemas de transporte equilibrado, onde uma espaçonave que chega ou carga útil é trocada por outra que sai com a mesma velocidade e massa, e então nenhuma mudança líquida ocorre no momento ou momento angular.

Sistemas de amarração

Estabilização das marés

Uma corda giratória e uma corda estabilizada por maré em órbita

A estabilização por gradiente de gravidade, também chamada de "estabilização da gravidade" e "estabilização das marés", é um método simples e confiável para controlar a atitude de um satélite que não requer sistemas de controle eletrônico, motores de foguete ou propelente.

Este tipo de corda de controle de atitude tem uma pequena massa em uma extremidade e um satélite na outra. As forças de maré esticam a corda entre as duas massas. Existem duas maneiras de explicar as forças das marés. Em um deles, a massa da extremidade superior do sistema está se movendo mais rápido do que a velocidade orbital para sua altitude, de modo que a força centrífuga o faz querer se afastar ainda mais do planeta que orbita. Ao mesmo tempo, a massa da extremidade inferior do sistema está se movendo a menos que a velocidade orbital para sua altitude, então ele deseja se mover para mais perto do planeta. O resultado final é que a corda está sob tensão constante e deseja ficar pendurada na orientação vertical. Os satélites simples costumam ser estabilizados dessa maneira; seja com amarras ou como a massa é distribuída dentro do satélite.

Como qualquer objeto pendurado livremente, ele pode ser mexido e começar a balançar. Uma vez que não há arrasto atmosférico no espaço para diminuir a oscilação, uma pequena garrafa de fluido com defletores pode ser montada na espaçonave para amortecer as vibrações do pêndulo por meio da fricção viscosa do fluido.

Amarras eletrodinâmicas

Os elétrons fluem através da estrutura condutiva da corda para a interface do sistema de energia, onde fornece energia para uma carga associada, não mostrada. (Fonte: Patente dos EUA 6.116.544, "Electrodynamic Tether And Method of Use".)

Em um forte campo magnético planetário , como ao redor da Terra, uma corda condutora pode ser configurada como uma corda eletrodinâmica . Isso pode ser usado como um dínamo para gerar energia para o satélite ao custo de diminuir sua velocidade orbital, ou pode ser usado para aumentar a velocidade orbital do satélite colocando energia na corda do sistema de energia do satélite. Assim, a corda pode ser usada para acelerar ou desacelerar uma espaçonave em órbita sem usar qualquer propelente de foguete.

Ao usar esta técnica com uma corda giratória, a corrente através da corda deve alternar em fase com a taxa de rotação da corda para produzir uma força de desaceleração consistente ou uma força de aceleração consistente.

Seja desacelerando ou acelerando o satélite, a corda eletrodinâmica empurra o campo magnético do planeta e, portanto, o momento ganho ou perdido, em última análise, vem do planeta.

Sky-hooks

Um gancho celeste é uma classe teórica de propulsão de corda orbital destinada a elevar cargas úteis a altas altitudes e velocidades. Sky-hooks simples são essencialmente elevadores parciais, estendendo-se a alguma distância abaixo da órbita da estação base e permitindo a inserção orbital pelo levantamento da carga. A maioria das propostas gira a corda de modo que seu momento angular também forneça energia para a carga, acelerando-a até a velocidade orbital ou além, enquanto diminui a velocidade da corda. Alguma forma de propulsão é então aplicada à corda para recuperar o momento angular.

Bolo

Um Bolo, ou corda rotativa, é uma corda que gira mais de uma vez por órbita e cujos pontos finais têm uma velocidade de ponta significativa (~ 1 - 3 km / s). A velocidade máxima dos pontos finais é limitada pela resistência do material do cabo e o fator de segurança para o qual foi projetado.

O objetivo do Bolo é acelerar ou desacelerar uma espaçonave que atraca com ele sem usar nenhum dos propulsores a bordo da espaçonave e alterar a trajetória de voo orbital da espaçonave. Efetivamente, o Bolo atua como um estágio superior reutilizável para qualquer espaçonave que atracar com ele.

O impulso dado à espaçonave pelo Bolo não é gratuito. Da mesma forma que o Bolo muda o momento da espaçonave e a direção da viagem, o momento orbital e o momento rotacional do Bolo também são alterados, e isso custa energia que deve ser substituída. A ideia é que a energia de reposição viria de uma fonte mais eficiente e de menor custo do que um motor de foguete químico. Duas possíveis fontes de menor custo para essa energia de reposição são um sistema de propulsão iônica ou um sistema de propulsão eletrodinâmico que faria parte do Bolo. Uma fonte essencialmente gratuita de energia de reposição é o momento obtido de cargas úteis a serem aceleradas na outra direção, sugerindo que a necessidade de adicionar energia dos sistemas de propulsão será mínima com o comércio espacial equilibrado e bidirecional.

Rotovator

Se a velocidade orbital e a taxa de rotação da corda estiverem sincronizadas, no conceito do rotovator a ponta da corda se move em um ciclóide, e no ponto mais baixo é momentaneamente estacionário em relação ao solo, onde pode "enganchar" uma carga útil e balançá-la para órbita.)

Rotovators são amarras giratórias com uma direção de rotação de modo que o ponto final inferior da corda se mova mais devagar do que a velocidade orbital da corda e a extremidade superior se mova mais rápido. A palavra é uma valise derivada das palavras rotor e elevador .

Se a corda for longa o suficiente e a taxa de rotação alta o suficiente, é possível que o ponto final inferior cancele completamente a velocidade orbital da corda, de modo que o ponto final inferior fique estacionário em relação à superfície planetária em que a corda está orbitando. Conforme descrito por Moravec, este é "um satélite que gira como uma roda". A ponta da corda se move em aproximadamente um ciclóide , no qual fica momentaneamente estacionária em relação ao solo. Nesse caso, uma carga que é "agarrada" por um mecanismo de captura na corda giratória durante o momento em que está estacionária seria recolhida e colocada em órbita; e, potencialmente, pode ser liberado no topo da rotação, ponto em que está se movendo com uma velocidade significativamente maior do que a velocidade de escape e, portanto, pode ser liberado em uma trajetória interplanetária. (Tal como acontece com o bolo, discutido acima, o momento e a energia dados à carga útil devem ser compensados, ou com um motor de foguete de alta eficiência, ou com o momento obtido da carga útil movendo-se na outra direção.)

Em corpos com atmosfera, como a Terra, a ponta da corda deve ficar acima da atmosfera densa. Em corpos com velocidade orbital razoavelmente baixa (como a Lua e possivelmente Marte ), um rotovator em órbita baixa pode potencialmente tocar o solo, proporcionando assim um transporte barato de superfície, bem como lançando materiais no espaço cislunar . Em janeiro de 2000, a The Boeing Company concluiu um estudo de sistemas de lançamento de tethers , incluindo tethers de dois estágios, encomendados pelo Instituto de Conceitos Avançados da NASA .

Earth launch assist bolo

Infelizmente, um rotovator Terra-para-órbita não pode ser construído com os materiais disponíveis atualmente, uma vez que a espessura e a massa da corda para lidar com as cargas no rotovator seriam anormalmente grandes. Um rotovator "diluído" com dois terços da velocidade de rotação, no entanto, reduziria pela metade as tensões de aceleração centrípeta.

Portanto, outro truque para obter menores tensões é que, em vez de pegar uma carga do solo em velocidade zero, um rotovator poderia pegar um veículo em movimento e colocá-lo em órbita. Por exemplo, um rotovator pode pegar uma aeronave Mach 12 da atmosfera superior da Terra e colocá-la em órbita sem o uso de foguetes, e também pode pegar tal veículo e baixá-lo para o vôo atmosférico. É mais fácil para um foguete atingir a velocidade de ponta mais baixa, então foi proposto um "estágio único para amarrar". Um deles é chamado de HASTOL (Hyper-sonic Airplane Space Tether Orbital Launch). A respiração de ar ou o foguete para amarrar poderiam economizar uma grande quantidade de combustível por vôo e permitiriam um veículo mais simples e mais carga.

A empresa Tethers Unlimited, Inc. (fundada por Robert Forward e Robert P. Hoyt ) chamou essa abordagem de "Tether Launch Assist". Também é conhecido como bolas espaciais . Os objetivos da empresa foram direcionados para desorbitar módulos de assistência e amarras marítimas como em 2020, no entanto.

A investigação dos conceitos de "Tether Launch Assist" em 2013 indicou que o conceito pode se tornar marginalmente econômico em um futuro próximo, assim que os rotovators com relação potência / massa suficientemente alta (~ 10 W / kg) forem desenvolvidos.

Elevador espacial

Sky-hook não rotativo proposto pela primeira vez por E. Sarmont em 1990

Um elevador espacial é uma amarração espacial presa a um corpo planetário. Por exemplo, na Terra , um elevador espacial iria do equador até bem acima da órbita geossíncrona.

Um elevador espacial não precisa ser alimentado como um rotovator, porque ele obtém qualquer momento angular necessário do corpo planetário. A desvantagem é que ele é muito mais longo e, para muitos planetas, um elevador espacial não pode ser construído com materiais conhecidos. Um elevador espacial na Terra exigiria forças materiais fora dos limites tecnológicos atuais (2014). No entanto, os elevadores espaciais marcianos e lunares podem ser construídos com materiais modernos. Um elevador espacial em Fobos também foi proposto.

Os elevadores espaciais também têm maiores quantidades de energia potencial do que um rotovator, e se partes pesadas (como uma "chave de fenda") caíssem, elas entrariam novamente em um ângulo íngreme e impactariam a superfície em velocidades orbitais próximas. Na maioria dos projetos antecipados, se o próprio componente do cabo caísse, ele queimaria antes de atingir o solo.

Sistema de transporte Cislunar

Energia potencial no sistema Terra-Lua. Como a Lua tem um potencial de energia mais alto, as amarras podem trabalhar juntas para pegar um objeto da Lua (a pequena covinha à direita) e colocá-lo mais perto da Terra em LEO, essencialmente sem levar nenhum propelente e até mesmo gerando energia ao fazer isso.

Embora possa ser pensado que isso requer uma entrada de energia constante, pode de fato ser demonstrado que é energeticamente favorável para levantar carga da superfície da Lua e jogá-la em uma órbita terrestre inferior e, portanto, pode ser alcançado sem qualquer uso significativo de propelente, uma vez que a superfície da Lua está em um estado de energia potencial comparativamente mais alto. Além disso, esse sistema poderia ser construído com uma massa total inferior a 28 vezes a massa das cargas úteis.

Rotovators podem, portanto, ser carregados por troca de momento . O carregamento momentâneo usa o rotovator para mover a massa de um local "mais alto" em um campo de gravidade para um local "mais baixo". A técnica para fazer isso usa o efeito Oberth , onde liberar a carga útil quando a corda está se movendo com velocidade linear mais alta, menor em um potencial gravitacional dá mais energia específica e, finalmente, mais velocidade do que a energia perdida pegando a carga útil em um gravitacional mais alto potencial, mesmo que a taxa de rotação seja a mesma. Por exemplo, é possível usar um sistema de dois ou três rotovators para implementar o comércio entre a Lua e a Terra . Os rotovators são carregados pela massa lunar (sujeira, se as exportações não estiverem disponíveis) despejada na Terra ou perto dela, e podem usar o momento assim obtido para impulsionar os bens terrestres para a lua. O momento e a troca de energia podem ser equilibrados com fluxos iguais em qualquer direção ou podem aumentar com o tempo.

Sistemas semelhantes de rotovators poderiam teoricamente abrir um transporte barato em todo o sistema solar .

Sistema de catapulta de cabo de amarração

Um sistema de catapulta de cabo de amarração é um sistema em que duas ou mais amarras condutoras longas são mantidas rigidamente em linha reta, presas a uma massa pesada. A energia é aplicada às amarras e captada por um veículo que possui motores de ímã linear, que usa para se empurrar ao longo do comprimento do cabo. Perto do final do cabo, o veículo libera uma carga útil e desacelera e para a si mesmo, e a carga útil continua em alta velocidade. A velocidade máxima calculada para este sistema é extremamente alta, mais de 30 vezes a velocidade do som no cabo; e velocidades de mais de 30 km / s parecem ser possíveis.

Referências