Какова наилучшая конструкция для стыковки с вращающейся космической станцией?

5. Док статичен, станция крутится. Груз и пассажиры раскручиваются до станционной скорости в промежуточной внутренней точке перехода на пути с корабля на станцию.

Это делает структуру станции более сложной (хотя и не такой сложной, как 4), но значительно упрощает процедуру стыковки. Здесь следует учитывать ваши приоритеты, этап наивысшего риска — во время стыковки, и, следовательно, эта часть процесса должна быть максимально упрощена. Это также позволяет более крупным кораблям состыковываться с вашей станцией, при этом их масса не влияет на вращающуюся массу станции.

Я думаю, что согласование скоростей путем «посадки» корабля на внутреннюю часть кольцевой станции без втулки может быть другим решением.

Использование шасси и торможение до полной остановки, затем руление к ближайшему стыковочному порту со скоростью 1g.

Это позволяет избежать инженерных проблем, связанных с вращающимися уплотнениями.

№2 — метод золотого стандарта. Посмотрите, как это делается в фильме « Космическая одиссея 2001 года» .

Корабль выстраивается в стыковочном отсеке

В 2001 году мы видим самую простую конфигурацию. Заставить аудиторию 1968 года вообще принять вращающуюся космическую станцию ​​было достаточно большим скачком. На станции есть оба дока, какие только могут быть. (Один полный, отсюда и красные огни).

Это кажется ужасно скудным, но с лифтом их может быть гораздо больше . Гравитация направлена ​​наружу, поэтому палубы имеют цилиндрическую форму — вы «опускаете» корабль на «ангарную палубу» (может иметь много палуб, поддерживающих много-много кораблей). Этот сценарий представляет собой наземных конюхов с буксирами на каждом уровне, но Вавилон 5 поднимается на ступеньку выше.

«Лифт» Вавилона-5 может двигаться по трем осям, как турболифты «Звездного пути»: вниз к ангарной палубе, затем радиально и вперед к определенной стыковочной станции. Тем временем в стыковочном узле на место встала еще одна лифтовая платформа, ожидающая следующего корабля. Таким образом, он может зациклиться за минуту или две. Это касается только вращающейся секции, я игнорирую стационарные доки на Вавилоне-5.

Ваше альтернативное предложение — останавливать станцию ​​каждый раз, когда вы пристыковываетесь. Вы никогда не захотите останавливать вращающуюся станцию . Причина в воде. Освобожденная от гравитации обычная вода, которую люди используют на станции, попадет туда, куда вы даже не могли себе представить. Часть из них может попасть туда через конденсат. Эта вода и последующая за ней коррозия станут кошмаром для техобслуживания.

Проблема с № 1 заключается в том, что расчеты массы и баланса должны быть очень точными, и многие другие вещи должны быть выполнены правильно, иначе рывок будет иметь грушевидную форму, и космический корабль столкнется со станцией . Это никогда не бывает хорошо. Даже военно-морские корабли очень плохо реагируют на столкновения. Такое столкновение наверняка будет фатальным для звездолета и потенциально опасным для космической станции, в зависимости от стандарта ее конструкции. Подъем дополнительной массы с земли просто для того, чтобы укрепить станцию ​​от столкновений при стыковке, — это чистое безумие, в этом было бы больше смысла, если бы материальная часть была добыта в космосе.

Поскольку станция вращается, она сама имеет большой запас энергии, и структура постоянно находится под нагрузкой, чтобы удерживать эту энергию. Значительное структурное повреждение станции может вызвать эффект домино, который может полностью разрушить станцию.

С другой стороны, «с края» — отличный способ запуска кораблей , особенно истребителей, как показано в «Вавилоне-5». Центростремительная сила обеспечивает чистый отрыв. Обратите внимание, что корабль все еще приземляется в ступице, а затем лифты перемещают его в положение запуска.

Ваши варианты 3-5 имеют серьезную проблему: у вас есть вращающаяся секция на космической станции. Посмотрите на все вышеупомянутые структурные угрозы, о которых я только что говорил. Это очень большой и сложный шарнир, похожий на изощренные рельсы, используемые для перемещения Чернобыльской арки на месте, за исключением того, что они используются круглосуточно и без выходных и местами предположительно герметичны.

Любая серьезная проблема с вращающейся секцией может привести к тому, что секции станции будут притираться друг к другу, а если взаимные конструкции начнут впиваться друг в друга, это будет наносить все больший ущерб. Тогда это будет состязание между тем, а) трение разрушающихся частей станции приведет их к относительной остановке, или же структура станции будет повреждена до такой степени, что разорвется на части.

Или и то, и другое: когда станция останавливается, вращение обеих секций усредняется по массе. Это делает вращение внеосевым и неупорядоченным, а центробежные силы действуют в другом направлении, чем когда-либо на станции, включая невращающуюся секцию, которая вообще не рассчитана на центробежную силу . Вращающиеся секции будут крениться, как тонущий корабль, со всеми этажами, теперь расположенными под углом. Но это будет столпотворение на невращающейся секции, где все, что не привязано, будет врезаться в стены каждого отсека, опять же, см. Структурные повреждения. Я не знаю, какое топливо используют ваши корабли, но теперь они разбиваются о стены стыковочной площадки... Если это обычное бинарное топливо, у вас теперь взорваны топливные баки, теперь у вас есть пожар в доке, и под «пожаром» я могу подразумевать «взрыв».

Вращающиеся секции жесткие и не очень практичные.

Более практичным подходом была бы невращающаяся космическая станция, у которой есть невращающийся «постоянный док» рядом с вращающимся, с кабелем между двумя кораблями. Канатные дороги ходят вверх и вниз по кабелю. Каждая станция может немедленно перерезать шнур и подруливающее устройство друг от друга в подготовленном « маневре отрыва ». Канатная дорога имеет достаточно аварийных двигателей, чтобы вернуться на любую станцию, если она выйдет из строя.

Давайте рассмотрим варианты один за другим:

1. Очень легко загнать корабль в невесомый док. Очень сложно посадить ракету на что-то невесомое. Этот вариант требует последнего и ничего не дает. Ни один разработчик космической станции никогда бы серьезно не подумал об этом.

2. Звучит разумно. Однако это сильно ограничивает количество доков. Вы легко получаете только два дока, и вам нужны какие-то безумные конструкции, чтобы обеспечить любые дополнительные.

   Это также требует, чтобы космические корабли действительно могли вращаться с достаточно высокой скоростью. Это не данность: грузовой корабль, скорее всего, будет лишь очень тонким щитом от микрометеоритов и какой-то чрезвычайно легкой конструкцией, удерживающей груз на месте. Он не был предназначен для приема больших сил от груза в каком-либо другом направлении, кроме направления его единственного главного двигателя. Раскручивание такого корабля с любой серьезной скоростью приведет к тому, что груз разлетится во все стороны...

3. Имхо лучшее решение. Вы можете строить свои доки сколь угодно большими, вы можете строить столько стыковочных колец между вращающимися кольцами станций, сколько хотите, и, самое главное, вы можете стыковать любые корабли, даже самые хрупкие.

   Вам нужно только добавить секции передачи, где вы раскручиваете груз перед тем, как передать его во вращающуюся часть станции, и разгружаете его, прежде чем передать его в доки.

4. Опять же, вы возражаете пришвартованным кораблям против гравитации, на которую они, возможно, не рассчитаны. Вы ведь хотите разрешить любому кораблю состыковываться и торговать с вашей космической станцией, не так ли?

cmasters ответ хороший. Но у меня есть дополнительный аргумент в пользу первого решения: топливная экономичность. Допустим, станция имеет радиус 1000 м. С$a_{centripetal}=\frac{v^2}{r}$, чтобы обеспечить гравитацию 1G на своей поверхности, он должен вращаться с поверхностной скоростью$v = \sqrt{1000\times10} = 100 m/s$

В зависимости от технологии и высоты орбиты это может быть или не быть значительным deltaV. Но если ваша станция действительно большая и вращается далеко от своего центрального тела, скорость ее вращения на поверхности может быть близка к орбитальной скорости входящих и исходящих передач. Это означает, что, используя боковые доки, вы можете сэкономить значительное количество торможения и повторного ускорения, замедляясь только до скорости, соответствующей скорости вращения станции, и плавно пристыковываться к крюкам, которые на мгновение кажутся вам неподвижными.

Конструктивную целостность транспортного средства можно сохранить, если сориентировать его так, чтобы он воспринимал нагрузки по своей оси тяги.

Для быстрых пассажирских лайнеров и военных кораблей с высокопроизводительными двигателями экономия может не стоить дополнительной сложности, но для массовых перевозок между двумя станциями на высокой юпитерианской орбите это может означать, что вы можете полностью исключить двигатели большой тяги из своих грузовых кораблей.

Думаю , это вариант №3.

Есть проблема с центробежной гравитацией, вращающиеся предметы хотят вращаться вокруг своего центра тяжести; так что если вес распределяется не совсем равномерно по ободу, то центр вращения смещается и "вращение" становится хаотичным. т.е. не получится, конструкция начнет кувыркаться (хоть и на месте).

По этой причине вам нужна автоматическая компенсация, массивные устройства, которые могут удерживать кольцо в равновесии, чтобы люди и предметы перемещались внутри вашего кольца, они двигались в контрапункте, чтобы центр тяжести (точка баланса) оставался в центре вращения. .

Я думаю, что лучшим решением для стыковки будет стыковка в центральной точке кольца, вокруг которого все вращается. Представьте велосипедную шину с толстыми спицами. Резиновое кольцо — это жилая зона, спицы — это и ходовые трубы, и «рельсы», несущие автоматически движущиеся противовесы. Концентратор — это док-станция.

Добавим к ступице передаточный цилиндр, который может вращаться против направления вращения всего колеса. Теперь для тех, кто находится внутри ступицы, этот цилиндр кажется вращающимся, но для корабля вне ступицы цилиндр кажется неподвижным, в то время как станция кажется вращающейся.

Таким образом, корабль приближается к стационарному для него транспортному цилиндру и может сделать с ним шлюзовую камеру. Предметы (люди и вещи) покидают корабль и входят в хаб; внутри него они невесомы. Они занимают места или иным образом крепятся к стенам. Воздушный шлюз закрыт. Транспортный корабль может уйти.

Затем, с точки зрения космической станции, этот вращающийся транспортный цилиндр «замедляется» до тех пор, пока он полностью не раскрутится вместе со станцией, не приобретет центробежную силу тяжести (указывая на его стенки) и пассажиры и груз не смогут выйти из цилиндра в собственно концентратор, где они могут затем подняться на лифте «вниз» по одной из спиц в жилые районы. Компьютеры космической станции будут автоматически перемещать противовесы вверх и вниз по внешней стороне спиц, чтобы поддерживать баланс при перемещении новых грузов.

Пассажирам все это может показаться очень похожим на современный опыт авиакомпаний. Ожидание, пристегивание, ускорение, ожидание, торможение перед посадкой, ожидание, вылет из самолета, сбор багажа, навигация по пункту назначения (нахождение нужной спицы, пола и т. д.).

Космический трап.

https://thompsen13.artstation.com/projects/d9g3W?album_id=42421

Этого нет в списке, но он ближе всего к №1. Это меньше швартовка, чем швартовка. Крюки радиально отходят от станции на несколько километров. * Корабли зацеплены. Тогда они остаются на месте. Управление полетом передается станции, которая контролирует скорость корабля, чтобы удерживать позицию в конце своей линии. Трап продлевается вдоль линии и используется для перевозки материалов и людей туда и обратно.

Преимущества

1: Вам не нужно втягивать корабли. Оставьте их на конце троса. Сохранение углового момента означает, что кораблю, тянущемуся внутрь к станции, необходимо замедлить скорость, чтобы сохранить свое положение относительно периметра станции.

2: Вы не приближаете корабли слишком близко к станции, рискуя столкнуться. Или повреждение станции, если корабль взорвется.

3: Вы держите корабли на расстоянии вытянутой руки, контролируя доступ в случае угрозы на борту корабля.

4: Если корабль потеряет управление, получит удар или неожиданно отойдет, это повредит трос и трап, а не саму станцию.

5. Корабли могут быть большими, и их может быть много. Швартовка кораблей по периметру круга намного больше, чем периметр станции, дает больше места для кораблей и больше/больше кораблей.

6. Вы можете изменить положение пришвартованных кораблей в соответствии с необходимостью.

7. Корабли отправляются, вылетая по прямой линии, по касательной к окружности они тоже пришвартовались.

*(плохие размышления о геометрии здесь удалены!)

У всех есть свои достоинства и недостатки, и это будет зависеть от того, какие именно устройства инженерам удастся спроектировать лучше, а также от различных технологических уровней, доступных материалов и так далее.

• Чтобы крюки работали, катушка с кабелем может выпускать кабель так, чтобы крюк двигался медленнее, чем край станции. Как только корабль пойман, вы можете постепенно замедлить выпуск и начать наматывать его обратно. Для более длинных кабелей и более быстро вращающихся станций потребуются более прочные кабели. Электромагнит также может быть лучше, чем крюк.
• Порт будет испытывать напряжение сдвига при вращении. Корабли также будут каждый раз тратить топливо на вращение (если только вы не используете маневровые гироскопы) — может быть, вместо этого лучше иметь мини-крюк. Две «руки» выходят из носа корабля и цепляются за крюки со всего порта. У пассажиров не должно быть головокружение сильнее, чем у экипажа станции, если только вы не задействуете реактивные двигатели на полную катушку. Просто закрой окна.
• Более того, таким образом станция обеспечивает энергию для согласования угловых скоростей.
• Передача импульса кажется, что она будет работать только для станций, спроектированных так, чтобы иногда быть невесомыми. Для большой станции было бы непрактично отключать всю гравитацию для каждого дока. Вращающийся док – наиболее оптимальный вариант этого.
• Вероятно, самый простой вариант, если только вы по какой-то причине не хотите иметь статический раздел.

Я думаю, вы также забыли: 1. Векторы тангенциальной скорости корабля к краю станции, чтобы соответствовать скоростям при максимальном сближении 2. Поворачивается боком и катится по инерции 3. При максимальном сближении направляйтесь к станции, чтобы следовать по орбите вокруг станции 4. Быстро прикрепляйтесь к стыковочный порт, чтобы не тратить топливо

Наиболее реалистичным мне кажется заставить корабль вращаться. Никаких дополнительных устройств не требуется, просто регулярно обслуживайте порт.

Считаю невращающуюся по оси станции втулку оптимальным вариантом (ИМХО скорее всего единственный вариант). Прибывающие и уходящие корабли обычно не имеют избыточной тяги и, как указывали другие, не обязательно рассчитаны на то, чтобы выдерживать нагрузку вращения. Кроме того, это позволяет иметь несколько стыковочных портов, так как они больше не должны находиться точно на оси, поскольку единственное соединение с основными частями станции осуществляется через концентратор.

Задача проектирования заключается в том, как соединить невращающуюся осевую ступицу с остальной частью вращающейся станции. Я не инженер, но может быть трудно создать герметичный шов между двумя массивными объектами, один из которых вращается вокруг другого. Поэтому может быть проще держать ступицу в нулевом давлении, а также в невесомости. Итак, в какой-то точке вдоль оси нам нужна камера, где пассажиры могут выбрать одну из медленно вращающихся лестниц, а затем немного спуститься (здесь очень низкая «гравитация») в шлюз.

Другое решение состоит в том, что вращающаяся конструкция не обязательно должна быть внешней стеной, удерживающей атмосферу. Внешняя стенка станции не вращается. Любой приближающийся корабль может прикрепиться где угодно. Люди садятся на вращающуюся надстройку внутри, чтобы испытать вращательную гравитацию. Груз хранится и легко перемещается по внешней невесомой оболочке.

Небольшой невращающийся стыковочный трап кажется лучшим выбором. Если он около 3 метров в диаметре, то это не сложная инженерная задача. Большой космической станции не нужно вращаться очень быстро, поэтому 3-4-метровая «вертушка», от которой отходит трап, может совершать один оборот каждые несколько минут. Установите несколько предохранительных соединений и внутреннее уплотнение на каждом конце, чтобы обеспечить аварийное вращение посередине трапа или компенсировать движение между кораблем и станцией, и все будет хорошо.

Вероятно, было бы безопаснее подключаться только при пересадке пассажиров и грузов, а в противном случае парковаться в нескольких километрах от него. В качестве альтернативы, поскольку стыковка может оказаться сложным маневром, я бы предложил использовать на станции стыковочные шаттлы с высококвалифицированными пилотами и/или компьютеризированным управлением полетом.

Я хочу представить себя пристыковывающимся к гигантской космической станции, около 20 000 км по краю, в форме сферы, и она «вращается» со скоростью примерно одна сотая RPM (оборота в минуту). Существует единственная «стыковочная станция», как и в ситуации 2, на одном из полюсов, называемая «залив Мак-Мердо, Антарктида». У людей в McMurdo кружится голова? Нет. Они даже не могут сказать, что они «вращаются». Если бы я приземлился на космическом корабле, у меня бы закружилась голова? Нет. Даже несмотря на то, что на краю этого гигантского космического корабля люди «путешествуют» со скоростью около 1670 км/час. Этот космический корабль — Земля, и всем, кто находится на ее поверхности, он кажется неподвижным.

Другими словами, идея «вращения» подобна идее «движения» — в пространстве, на скоростях, намного меньших скорости света, все это в основном относительно, и мы чувствуем только ускорение, а не какое-либо «абсолютное скорость". Вернитесь к мысленному эксперименту Эйнштейна: если бы вы находились внутри ракетного корабля, разгоняющегося до такой степени, что ваши ноги касались пола при удобной гравитации, имитирующей землю, равной 1 г, могли бы вы сказать, было ли это вызвано гравитацией или запуском ракетного двигателя? ? предполагая, что вы игнорируете такие вещи, как видение стен и т. д.? Другими словами, если вы стоите на светофоре и видите, как другая машина выкатывается задом из вашего окна, но по какой-то причине не можете видеть фон, тогда ваш мозг иногда задается вопросом, действительно ли они катятся назад или вы катитесь вперед? Если вы едете в поезде, двигающемся со скоростью 245 миль в час, и вы бросаете мяч из окна, бросаете ли вы мяч со скоростью 245 миль в час? Нет, вы уронили его на скорости 0 миль в час, только по отношению к земле он движется со скоростью 245 миль в час.

Я оспариваю идею о том, что люди будут испытывать головокружение от вращения с постоянной скоростью больше, чем астронавты могут «почувствовать», что они движутся с линейной постоянной скоростью 25 000 миль в час. Если бы у космонавта, астронавта или тайконавта не было окон, чтобы видеть далекие звезды, я не верю, что они вообще смогли бы сказать, что они вообще вращаются, учитывая достаточно низкую скорость вращения. Мы действительно чувствуем только «ускорение», или, быстрое изменение скорости, мы не чувствуем абсолютную скорость. Это верно для линейной скорости, и я полагаю, что это верно и для скорости вращения. Учитывая достаточно низкие обороты.

Теперь возникает проблема, если вы вращаетесь слишком быстро... но насколько быстро? Быстрый поиск в Google показывает, что число оборотов в минуту для космической станции, которая вращается для имитации земной гравитации, будет где-то от 1 до 3 оборотов в минуту, в зависимости от радиуса станции. Насколько быстр 1 об/мин для человеческого разума?

Встаньте посреди своего этажа. Теперь возьмите секундомер и установите его на одну минуту. Теперь повернитесь так, чтобы сделать полный круг за одну минуту. Это один оборот в минуту. У тебя закружилась голова? Может ли ваш мозг вообще сказать, что вы вращаетесь? Закройте глаза и сделайте это. Можно ли сказать, что вы вообще вращались?

Почти тот же принцип, что и в виртуальной реальности. Если вы закроете глаза и пойдете по прямой линии, большую часть времени вы не сможете этого сделать, потому что ваш мозг даже не может сказать, что такое прямолинейное движение. Это не так важно. Вот как виртуальная реальность может имитировать ходьбу по пути, даже если вы находитесь в крошечной комнате — он обманом заставляет вас ходить по кругу, даже не зная об этом, потому что показывает, как вы идете по относительно прямому пути, используя искаженную оптику. Наш мозг не так чувствителен к движению, как нам нравится думать.

Другими словами, на мой взгляд, вариант 2 не является проблемой. Кроме проблемы с тем, чтобы заставить два корабля вращаться с очень близкой скоростью вращения. Если мы смотрим такой фильм, как «Интерстеллар», это кажется довольно драматичным — но только потому, что команда Криса Нолана показывала нам фоновые звезды, планету и т. д., накачивала музыку, в то же время показывала драматические моменты персонажей.

В реальности представьте, что вы пришвартованы к какому-то огромному вращающемуся кораблю. На некотором расстоянии экран просмотра будет показывать только корабль. Нет фона. Теперь, предполагая, что число оборотов в минуту достаточно низкое, вы даже не почувствуете вращение, точно так же, как вы не почувствуете, как вращение в вашей комнате вращается со скоростью 1 об/мин. По сути, это будет такая же обычная процедура стыковки со «стационарной» космической станцией, за исключением того, что вы должны «исправить» свое «вращение»… что мы уже делаем каждый раз, когда «Союз» стыкуется с МКС. Он должен быть устойчивым по отношению к другому кораблю, и для этого у него есть креновые двигатели, если по какой-то причине произойдет какой-то непреднамеренный крен.

По мере того, как вы приближаетесь, и станция становится большой в вашем поле зрения, само вращение становится иллюзией — вы и станция на самом деле стоите на месте, вращается остальная вселенная. Но поскольку вы не можете видеть эту вселенную, вы даже не замечаете.

Это похоже на иллюзию, которую мы видим на Земле каждый день. Я не чувствую себя вращающимся вокруг оси на скорости 1600 км/ч. Я вижу луну и звезды, вращающиеся вокруг меня, если я смотрю вверх и жду достаточно долго. Хотя я не чувствую, что вращаюсь вокруг. Я чувствую себя неподвижно. Земля кажется неподвижной. Дороги, здания и горы кажутся мне неподвижными и неподвижными. Я также не чувствую себя вращающимся вокруг Солнца. Я не чувствую ни вращения нашего спирального рукава вокруг центра нашей Галактики, ни движения нашего галактического скопления относительно других. Это относительно.

Так что, по моему скромному мнению, реальный вариант — номер 2.

Другие варианты привнесут в станцию ​​неуравновешенную массу и вызовут колебание, что является гораздо более серьезной проблемой. Что касается стационарной части станции, которая включает в себя какую-то сверхсложную систему воздухонепроницаемых токосъемных колец для соединения стационарной части с основной частью, опять же, больше проблем.

Да и топлива, необходимого для вращения, очень мало. Помните, что в космосе практически нет трения. Что, если на корабле закончилось топливо или отказали двигатели? Затем либо люди могут выйти и выйти в открытый космос, либо станция может отправить спасательную капсулу, например, маленький буксир, который может прикрепиться к кораблю и заставить его вращаться.

Как только он начнет вращаться, потребуется почти нулевая дополнительная движущая сила, он будет продолжать вращаться сам по себе. Так же, как вращаются планеты, даже если к ним не привязаны ракеты.

Теперь... я понимаю, что здесь есть большой вопрос. Как люди могут чувствовать 1 g на космической станции, если она вращается, но ничего не чувствуют в центре? Какой смысл во всей этой ротации, если никто ничего от нее не почувствует?

Это относится к решающему фактору искусственной гравитации, который, возможно, мы можем также назвать искусственным симулированным гравитационным ускорением посредством центростремительного движения. Искусственная гравитация здесь полностью зависит от расстояния от центра вращающегося объекта. Совсем как на карусели, или на ярмарочной прогулке, или даже как фигуристка - когда ее руки прижаты к телу, на них не так много чувств, но когда она их разветвляет, как она разводит руки в широкую позу, она чувствует, что руки становятся «тяжелее». Другими словами, в центре вращения искусственная гравитация практически равна нулю. Только на краю корабля есть какое-то ощущение искусственной гравитации — и то только потому, что ваше тело ускоряется, соприкасаясь с кораблем, когда вы выходите на ринг. Вы определенно почувствуете вес, идущий на вас, когда вы будете путешествовать по трубам Джеффриса или чему-то еще от центрального стыковочного отсека до внешнего кольца, где все живут. Но это не значит, что в центре станции будет искусственная гравитация.

Конечно, пока кто-нибудь не построит его... Я бы не сказал, что уверен на 100%!!! Но спасибо за чтение, если вы прошли через все это.