Впервые идею космического лифта предложил К. Э. Циолковский в 1895 году. Трос закрепляется на поверхности Земли и удерживается на орбите за счет действия центробежной силы на противовес. Противовесом может являться астероид или просто свободный конец троса. Со свободного троса проще запускать космические грузы.

     В 1960 году аспирант Ленинградского технологического института Юрий Арцутанов в одной из центральных газет опубликовал статью: “В космос на электровозе”, где впервые изложил концепцию “Космического лифта”. Предположительно, такой способ в перспективе может быть на порядки дешевле использования ракет-носителей.

     Концепция космического лифта доктора Брадли Эдвардс в отчете NIAC: “Космический лифт – это лента, один конец которой прикреплен к поверхности Земли, а другой находится на геосинхронизированной орбите в космосе (на высоте 100000 км), лента постоянно находится в натянутом состоянии. Скорость капсулы будет составлять 11 км/с. Также можно построить лифт грузоподъемностью до 100 тонн”. Дата запуска космического лифта была намечена на 12 апреля 2018г, но была перенесена на 2031г 22 апреля 2011г.

     Создание лифта оценивается 7-12 млрд. долларов США. НАСА уже финансирует соответствующие разработки американского Института научных исследований, включая разработку подъемника, способного самостоятельно двигаться по тросу. Есть несколько вариантов конструкции. Почти все они включают основание (базу), трос (кабель), подъемник и противовес. Основание расположено на поверхности Земли или судна, где прикреплен трос и начинается подъем груза.

     Трос должен быть изготовлен из материала с чрезвычайно высоким отношением предела прочности к удельной плотности. Наиболее подходящий материал углеродные нанотрубки. В эксперименте ученых из Университета Южной Калифорнии (США) однослойные углеродные нанотрубки продемонстрировали удельную прочность, в 117 раз превышающую показатель стали и в 30 – кевлар. Удалось выйти на показатель в 98,9 ГПа, максимальное значение длины нанотрубки составило 195 мм. Технология плетения таких волокон еще только зарождается.

     Для укорачивания троса предлагается башня высотой до 100 км, которая кроме экономии на тросе, позволяет избежать влияния атмосферных процессов. Еще способ – сделать основание лифта подвижным. Движение даже со скоростью 100м/с уже даст выигрыш в круговой скорости на 20% и сократит длину кабеля на 20-25%, что облегчит его на 50 и более процентов. Если же “заякорить” кабель на сверхзвуковом самолете, или поезде, то выигрыш в массе кабеля уже будет измеряться не процентами, а десятками раз (но не учтены потери на сопротивление воздуха).

     На высоте троса  в 144000км тангенциальная составляющая скорости составит 10,93км/с. Строительство ведется на геостационарной станции. Это единственное место, где можно причалить космический аппарат. Все грузы, предназначенные для строительства космического лифта, необходимо доставлять на эту орбиту космическими ракетами. Доставка грузов на станцию будет гораздо дороже стоимости всех узлов и материалов, необходимых для столь грандиозного строительства.

     Финансирование проекта уже ведется, но до сих пор не решен вопрос перемещения лифта по тросу. Трос имеет переменное сечение по диаметру, поэтому пока неизвестно, каким способом лифт должен с ним взаимодействовать. Неизвестно также, каким путем доставлять на лифт энергию для его разгона. Для приемлемого времени доставки грузов на орбиту лифт должен перемещаться со скоростью гоночного автомобиля. Передача энергии за счет лазерного излучения – далеко не самый экономичный способ транспортировки энергии. В ближайшем будущем не предвидится решения возникших проблем.

     Совершенно другое дело, когда космический лифт будет находиться на низкой орбите 120 – 150 километров. На этой орбите скорость вращения станции будет незначительно выше первой космической скорости. Аппараты, вращающиеся вокруг станции, должны входить в плотные слои атмосферы Земли на высоте примерно 80 – 90 километров над уровнем моря. Значит, длина троса, удерживающего аппараты, будет равна 30 – 70 километров в зависимости от выбранной орбиты. По сравнению со 100 тысячами километров троса, который необходим для лифта, расположенного на стационарной орбите – это уже реальная задача.

     Вращающиеся емкости имеют аэродинамические крылья, которые за счет подъемной силы крыла удерживают на нужной орбите станцию при подъеме большого количества грузов. Назначение этого лифта не только поднимать грузы с Земли, но и захватывать из плотных слоев атмосферы воздух. В аэродинамической емкости воздух сжимается за счет набегающего потока и за счет расширения подается на станцию по шлангу. Проходя по шлангам, воздух охлаждается, а на станции сжижается. При создании космических поселений в космосе потребуется огромное количество воздуха.

     В плотных слоях атмосферы емкости находятся недолго, но этого времени достаточно, чтобы аппарат разогрелся до высокой температуры. Разогрев происходит за счет аэродинамического сопротивления, а также за счет сжатия воздуха во входном устройстве аппарата. Большую часть времени аппарат вращается в сильно разреженном пространстве, где он охлаждается за счет излучения тепловых лучей. После охлаждения он снова попадает в плотные слои атмосферы и снова разогревается. Цикл повторяется. Для запуска космонавтов на орбиту длину троса нужно увеличить в три раза, соответственно увеличится высота орбиты, за счет чего снижаются перегрузки. При увеличении длины троса значительно уменьшится центробежное ускорение, за счет которого разгоняется космический аппарат.

На рисунке 1 показан главный вид космического лифта.

На рисунке 2 показан вид А.

     1 – жилой отсек станции, 2 – емкость для сжатого и сжиженного воздуха, 3 – переходной отсек стыковочных узлов, 4 – стыковочные узлы, 5 – стыковочный узел для перекачки жидкого воздуха в буксир.

     6 – переходной отсек с осью для шарниров, 7 – центральные маятники, 8 – задние маятники, 10 – шарнир заднего маятника, 11 – солнечные батареи, 12 – крепление солнечных батарей.

     13 – ось задних маятников, 14 – шарнир центрального маятника, 15 – аэродинамические емкости для сжатого воздуха, на которой имеется специальный захват прибывающих с Земли грузов, 16 – аэродинамическое крыло емкости.

     17 – обтекатель входного устройства, 18 – входное устройство, 19 – тросы со шлангами центральных рычагов, 20 – тросы со шлангами задних рычагов, 21 – шарниры крепления емкости к тросам.

                                      Космический лифт работает следующим образом.

     Аэродинамические емкости центрального шарнира вращаются по ходу полета станции. Аналогично вращаются колеса при движении автомобиля, но у колес при соприкосновении с поверхностью Земли нулевая скорость, а у предлагаемой системы эта скорость равна примерно половине орбитальной скорости. Если станция летит по орбите Земли со скоростью, например, 9 км/с, то при минимальном расстоянии аэродинамической емкости от Земли, примерно 80 километров, скорость будет 4,5 км/с. В принципе, можно получить и меньшую скорость полета относительно Земли, если это приведет к снижению стоимости полетов.

     После поворота аэродинамической емкости на 180 градусов, она окажется на максимальном удалении от поверхности Земли. Скорость емкости в наивысшей точке (220 километров) будет — 13,5 км/сек. Увеличивая угловую  скорость вращения аэродинамической емкости, можно превысить третью космическую скорость. Все зависит от возникающих усилий при вращении и прочности имеющихся материалов. Вращающиеся аэродинамические емкости строго уравновешены, поэтому станция движется по орбите без смещений и колебаний.

     На центральном шарнире вращается четыре емкости, их может быть и больше. Задний шарнир вращается в противоположную сторону относительно центрального шарнира. Там тоже все силы уравновешены. Вращаясь в противоположную сторону, аэродинамические емкости проходят в плотных слоях атмосферы с удвоенной скоростью относительно центральных емкостей. Поэтому они будут захватывать больше воздуха, а значит, будут испытывать большее аэродинамическое сопротивление. Для их вращения необходимо прикладывать больший вращающий момент для поддержания постоянных оборотов.

     Разгон грузов происходит только за счет центральных аэродинамических емкостей, поэтому для равновесия системы моменты центрального и заднего шарниров должны быть равны. Это достигается постоянным разгоном грузов центральным шарниром. Шарниры не только должны вращаться вокруг оси, но и каждый рычаг может еще дополнительно отклоняться в одну и другую сторону за счет создания вращающего момента электродвигателем. Это позволит подбирать траекторию для надежного захвата груза с транспортного средства, а также уравновешивается сила аэродинамического сопротивления воздуха в плотных слоях атмосферы.

     С поверхности Земли полезный груз разгоняется за счет воздушно–реактивных систем: это может быть мощная пушка, стреляющая воздушно-реактивными снарядами или аэрокосмическая система, состоящая из самолетов. Эти системы за счет воздуха могут поднимать полезный груз на высоту 80 километров и разгонять его до скорости 5-7км/с. Набрав необходимую скорость и высоту, воздушный аппарат будет корректировать траекторию в течение определенного времени. За это время космическая катапульта нагонит цель и их скорости сравняются на несколько десятков секунд. На станции за счет отклонения рычага емкость плавно подведут к самолету, автоматический захват жестко соединится с доставляемым грузом, а в это время воздушный аппарат отсоединится от полезной нагрузки.

     Освободившееся воздушное транспортное средство возвратится на Землю, а груз будет вращаться вокруг станции, разгоняясь до необходимой скорости. При достижении  нужной скорости груз отсоединится от аэродинамической емкости. При этом разгоне груз отнимет у станции определенный импульс, чтобы восстановить свою орбиту аэродинамические емкости имею крылья. За счет подъемной силы крыла емкости ослабят натяжение троса, а неуравновешенная центробежная сила противоположной емкости будет разгонять станцию в нужном направлении. Для этого крылья должны регулировать подъемную силу в нужной точке. Станция за счет подъемной силы крыльев очень жестко опирается на воздух, сохраняя устойчивую орбиту и скорость полета.

     Шарниры поворачиваются на осях за счет электродвигателей, вращающихся в противоположных направлениях. Аэродинамические емкости испытывают сопротивление воздуха, а центральные емкости отдают еще часть импульса на разгон полезной нагрузки. Именно поэтому электродвигатели вращаются в противоположные стороны, постоянно соблюдая равенство вращающего момента. За равновесием всех сил должна следить автоматическая система управления. В отличие от космического лифта, привязанного к поверхности Земли, решаются сразу несколько проблем. Полезный груз разгоняется станцией за счет электрической энергии, вырабатываемой солнечными батареями, которая передается по кабелю. Эта система рассчитана на выведение полезных грузов на орбиту с небольшой массой.

     Для выведения на орбиту космонавтов и пассажиров, а так же грузов с большой массой, для снижения нагрузки на трос, их разгон необходимо ограничить 10 ускорениями свободного падения. В этом случае длину троса необходимо увеличить более чем в три раза, а маневрирование в плотных слоях атмосферы производить за счет изменения длины троса.  Соответственно и размеры всей системы значительно возрастут, но это уже получится другая конструкция системы, которая рассмотрена в следующей статье. Основное назначение предлагаемой системы заключается в том, чтобы всасывать разреженный воздух, переводить его на более высокую орбиту, а там сжижать.

     Сжиженный воздух  отсасывают прибывающие к стыковочному узлу буксиры, и доставляют столь ценный продукт на другие космические станции. Одновременно с закачкой воздуха центральная емкость захватывает небольшие полезные грузы, разгоняет их и переводит на более высокую орбиту. Постоянное движение потока воздуха по шлангам к станции, то есть к оси вращения, создается вращающий момент, который снижает нагрузку на электродвигатели. Предлагаемая система удешевит доставку грузов на орбиту в десятки раз. Появится возможность создавать в космосе космические поселения, в которых будут жить космические жители.

                                                                                                  Автор:                            Н.Т.Бобоед

                                                                                                                                          14.02.2012г.