1) Никто не построил ионный двигатель, который может взлететь с Земли. Ваша система может взлететь с такого места, как Фобос, но не более того. (И это не сработало бы даже там.)

2) Самые прочные провода не унесут вас дальше стратосферы, прежде чем они сломаются под собственным весом. Если у вас есть самые прочные кабели, которые мы можем построить для поддержки проводов, мы сможем попасть в космос, но подняться туда проще, чем набрать скорость, чтобы выйти на орбиту.

Лазерный двигатель мог бы быть лучшим вариантом, если бы были доступны неограниченная мощность и воображаемая технология.

То есть наземный лазер с питанием от земли нацелен на основание ракеты, а тепло от лазера обеспечивает энергию для нагрева топлива, которое вырабатывается для создания тяги.

Конечно, это не было продемонстрировано на каком-либо серьезном уровне, но есть небольшие проекты, рассматривающие это.

Есть проблемы с созданием достаточно мощных лазеров, которые могут достаточно точно наводиться в течение всего времени полета ракеты. Верхние ступени, конечно, по-прежнему будут необходимы, так как первая ступень МОЖЕТ оставаться в пределах прямой видимости достаточно долго, чтобы работать, но верхние ступени довольно быстро исчезнут из виду.

В последнее время я также изучаю этот подход. Похоже, что волокна из углеродных нанотрубок (УНТ) могут стать многообещающим вариантом в ближайшем будущем для «запуска ракеты по кабелю» из-за их превосходной проводимости и высокой прочности.

--------- Вот некоторые идеи и расчеты ----------

Рассмотрим электрический кабель из волокон углеродных нанотрубок диаметром$1mm$и длина$600km$, нацеленный на космический запуск на Международную космическую станцию ​​(орбита$408 km$, скорость$7.7066 km/s$). https://en.wikipedia.org/wiki/Международная_Космическая_Станция

Вес кабеля будет$π (0.5 mm)^2 (600 km) (2100 kg/m^3) = 989.6 kg$, куда$2100 kg/m^3$плотность графита.

Намотать трос и надеть его на ракету, одним концом соединив с землей источника электропитания, и постепенно сбрасывать (освобождать) трос с ракеты во время пуска так, чтобы относительная скорость троса была равна нулю относительно земли при отпускании.

Теперь расчет необходимой мощности .

Предположим, что общий вес ракеты$10,000kg$, с орбитальной скоростью$7.7066 km/s$и ускорение$3 g$, мощность, необходимая для ускорения ракеты при пуске, равна$10,000kg \times 4 g \times 7.7066 km/s = 3.018 GW$.

Это обязательно максимальная мощность, так как когда ракета достигает большой высоты, ее вес будет уменьшаться (постепенно), а ускорение будет намного меньше 3g.

Давайте посмотрим, сможет ли углеродная нанотрубка позволить себе такую ​​мощность. Рассмотрите возможность использования переменного тока с напряжением$1000kV$, что уже возможно в реальности. https://en.wikipedia.org/wiki/Electric_power_transmission#Advantage_of_high-voltage_power_transmission

Нам нужен кабель для проведения электрического тока$3.018 GW / 1000kV = 3018A$.

Емкость одиночной УНТ$10^9 A/cm^2$, что соответствует максимальному$2,500,000A$для нашего кабеля (диаметром 1 мм) достаточно. В то время как на практике испытанное волокно из УНТ дает только$10^5 A/cm^2$, но с композитом CNT-Copper это может быть$10^7 A/cm^2$. (Данные из «Материалы из углеродных нанотрубок высокой мощности» https://pdfs.semanticscholar.org/4831/a85d7d32e170ab0eb3639da68aa5ed2de03c.pdf )

Причем диаметр кабеля может быть рассчитан так, что чем ближе к земле, тем больше диаметр. Затем около$30km$высоте, мы могли бы вставить устройство (капля с ракеты) на провод, чтобы преобразовать напряжение в$10MV$или даже больше для оставшегося кабеля. Высокое напряжение для большой высоты может быть вариантом с точки зрения поля пробоя воздуха ($3 MV/m$).

Вот некоторые возможные проблемы.

i) Нагрев провода может быть проблемой. Проводящее сопротивление нанотрубки составляет 1,0×10–8 Ом·м, что в нашем кабеле (диаметром 0,5 мм) составляет 0,04 Ом·м. Тогда тепло на 1-метровом проводе за одну секунду составляет (3018А) ^ 2 * 0,04 Ом = 364 кДж, без учета «емкостного сопротивления». Мой расчет может быть не точен.

ii) Кабель в воздухе может быть поврежден (возможно, ветром). Поскольку диаметр кабеля всего 1 мм, он не кажется прочным, даже сильный ветер может его сломать. Освобожденный кабель в воздухе со временем упадет (может быть, это не основная проблема из-за сопротивления воздуха и тонкого кабеля), что означает, что нам нужно сбросить больше кабеля, чем реальная высота.$600km$длины кабеля для орбиты$400km$запуск - это всего лишь оценка, а она зависит от многих факторов длины кабеля. Кроме того, нам нужно дополнительное устройство для извлечения кабеля после запуска, может быть, мы сможем использовать какой-нибудь двигатель на батарейках для сбора кабеля.

iii) Скорость сбрасывания кабеля с ракеты (относительно ракеты) слишком высока,$7.7066 km/s$. Возможно, некоторые приемы более разумной намотки кабеля снизят скорость падения, и можно будет применить технологию маховика.

iv) Электродвигатель для питания ракеты. Наконец, самая большая проблема, на мой взгляд, заключается в том, чтобы построить легкий мощный двигатель для питания ракеты электричеством от кабеля, особенно на большой высоте, где плотность воздуха низкая. Эту проблему можно решить, рассмотрев запуск двухступенчатой ​​ракеты, в то время как кабельный подход предназначен только для первой ступени, и применить водородное топливо для второй ступени. Другим способом может быть сжатие воздуха во время запуска и использование электричества для ускорения сжатого воздуха до высокой скорости на большой высоте. Кроме того, кислород можно было бы получать из воздуха, если бы была принята двухступенчатая ракета. Может быть интересно еще какое-то обсуждение.

v) Облако в$10km$может быть проблемой. Во влажном воздухе,$1000KV$напряжение будет (может) сломаться. В качестве опции может быть установлено дополнительное устройство над облаком для передачи напряжения. От земли к облаку, применяй$100kV$напряжение, но с большим током, следовательно, более толстый кабель.

--- Обновить ----

Ом тепла исправлен, и теперь это$364KWm$, что невозможно для кабеля диаметром 0,5 мм. Решение может заключаться в повышении напряжения от$1000KV$к$20MV$и, следовательно, уменьшение тока от$3018A$к$150.9A$, следовательно, новая теплота будет$910Wm$.

vi) Передача энергии только по одному единственному проводу является сложной задачей. https://en.wikipedia.org/wiki/Single-wire_transmission_line Из изобретения Теслы принцип заключается в том, что ракета может действовать как конденсатор, в то время как это невозможно, когда ракета достигает большой высоты. Кроме того, конденсатор кабеля в воздухе может повлиять на этот принцип.