Моменты инерции указаны только в том случае, если цилиндр имеет одинаковую плотность. Увеличивая плотность вдоль «экватора», вы можете сделать ось вращения самой большой главной осью. Это устраняет необходимость в активной стабилизации.

Одним из способов достижения этого может быть добавление большого озера/моря вдоль экватора. Глубина и ширина этого водоема будут зависеть от веса надстройки, необходимой для балансировки. Я предполагаю, что это биом, который вы все равно хотели бы разместить где-то в такой большой структуре, так почему бы не вокруг экватора.

Жесткие лонжероны, расходящиеся от экватора, также изменили бы момент инерции, но, насколько я понимаю, радиус цилиндра Маккендри ограничен пределом прочности углеродных нанотрубок, поэтому я не знаю, что можно использовать для удлинения конструкций за пределы тот радиус.

Давно предлагалось перекачивать воду туда и обратно, чтобы сквош вобблировался. Если у вас есть достаточное количество воды, перемещаемой прямо под внешней обшивкой, вы можете не только гасить любые колебания, но и действовать как радиационная защита.

Просто для работы этой системы с таким большим цилиндром, как вы говорите, потребуется очень много воды и водопровода.

Другим методом могут быть развертываемые солнечные паруса.

Кроме того, если цилиндр достаточно большой, случайные движения внутри должны компенсироваться.

Произвольно большие размеры, говорите? Ну тогда...

Просто сделайте его таким большим, чтобы он не мог упасть.

В частности, сделать его длинным . В достаточно больших масштабах все нежестко, поэтому в конце концов вы дойдете до точки, где цилиндр не просто качается , а начинает скручиваться и гнуться, как прядь мокрых спагетти. Теперь я знаю, о чем вы думаете: «Звучит как ужасная идея! Я не хочу, чтобы мои колонисты были брошены на конец похожей на хлыст нити спагетти из углеродных нанотрубок, когда структура разрывается на части!» Ну, ты просто еще не сделал его достаточно большим .

Поскольку конструкция не может быть идеально жесткой, существует некоторый (очень большой) минимальный радиус кривизны, вокруг которого можно согнуть весь цилиндр, не сломав его, и он будет продолжать счастливо вращаться, в то время как вся надстройка периодически сжимается и растягивается по каждому вращение. На кратно большем радиусе напряжения станут незаметны, а локальные отклонения от идеальной прямолинейности совершенно неизмеримы для человеческого восприятия. В этот момент вы можете согнуть всю мегаструктуру в петлю, связать две торцевые крышки вместе (так, чтобы технически это по-прежнему считалось искривленным цилиндром, а не тором, который вы получите, если полностью уберете торцевые крышки), и тогда вы обнаружить, что изогнутая конструкция, состоящая из одной чрезвычайно длинной трубки без пары,

а) имеет нулевой суммарный угловой момент, б) не может кувыркаться, потому что его концы держат друг друга под контролем, в) его жизненное пространство в миллиарды раз превышает земное, и г) может толкать себя, чтобы вращаться вверх / вниз - нет строгой необходимости в солнечные паруса или реактивная масса.

Его можно заставить вибрировать из-за асимметрии в локальном распределении массы вокруг изогнутой оси, но демпфирование таких вибраций — гораздо более простая задача, и материал можно произвольно перемещать вдоль оси вращения.

Это потенциально нарушает первоначальную предпосылку, но как насчет того, чтобы сделать его очень коротким цилиндром, конечно, это уменьшит количество доступного жилого пространства, но также не даст станции более длинную ось, по которой она могла бы вращаться. Я имел в виду порядок длины цилиндров, равный его радиусу.

Я не уверен, что понимаю вашу проблему. Предположительно, ваша «труба» будет вращаться вокруг звезды или планеты, а гравитационное поле стабилизирует ее и предотвратит падение. Это связано с тем, что сила, удерживающая ближний конец «внизу», значительно больше, чем сила, оттягивающая дальний конец от «вверх».

Таким образом, ваша реальная проблема, ИМХО, будет заключаться в том, чтобы взаимодействие между гравитацией и инерцией не разорвало структуру. Боюсь, для этого вам понадобятся эти «частичные решения», вам нужно противостоять инерции. На самом деле, ИМХО, это было бы хорошо, поскольку, если масса, вращающаяся в противоположных направлениях, является внешним корпусом, она будет работать как радиационная защита и позволит вам вращать реальную среду обитания без фактического выброса реактивной массы, что является нетривиальным преимуществом, как вращение конструкции. что большой не простая проблема. Он также будет работать как защита от физических воздействий. Это также сделало бы наличие «невращающегося» среднего слоя, который вам, вероятно, понадобится для стыковочного места, хранилища, сенсорной системы, солнечной энергии и тому подобного, довольно тривиальным.

Так что, хотя внешний корпус, вращающийся в противоположных направлениях, звучит сложно, я думаю, что на самом деле это самое простое решение в целом, если учесть все другие проблемы, связанные со строительством большой среды обитания. Самое главное, это надежное решение, которое зависит от общей структуры среды обитания, а не от сложных активных и динамических систем. Он не выйдет из строя из-за программной ошибки или перегорания предохранителя. Любые неудачи будут явными, а не скрытыми или обманчивыми. И, вероятно, он будет работать очень долго даже без обслуживания, если он предназначен для этого.

Длинный тонкий цилиндр динамически нестабилен, и в течение длительного периода времени, в течение которого цилиндр McKendree будет работать, почти наверняка возникнет какое-то условие или набор условий, которые создадут динамическую нестабильность и заставят цилиндр опрокинуться.

Учитывая огромные размеры цилиндра, использование подвижного балласта или даже ракетных двигателей кажется неосуществимым, количество материалов, которые необходимо переместить, или количество расходуемой реакционной массы будет огромным (действительно, сам акт перемещения мегатонн балласта или перекачки миллиардов литров реакционной массы может быть достаточно, чтобы цилиндр стал нестабильным).

Мое предложение состояло бы в том, чтобы использовать гигантские солнечные паруса, прикрепленные к цилиндру, чтобы обеспечить мягкие, долгосрочные крутящие моменты для поддержания стабильности цилиндра. Форма парусов будет « Heliogyro », которая обеспечивает управление отдельными «лопастями», чтобы обеспечить некоторый точный контроль величины и направления крутящего момента. На иллюстрации показан предлагаемый гелиогир для миссии к комете Галлея, и, учитывая довольно низкую величину «тяги», масштаб лопастей гелиогира для цилиндра Маккендри будет соответствовать масштабу самого цилиндра.

Предложение JPL Heliogyro

Поскольку размер цилиндра будет обеспечивать огромную инерцию, мягкое и долгосрочное приложение крутящих моментов лопастями гелиогира должно поддерживать вращение цилиндра в пределах, препятствующих нестабильности.

Изменить, чтобы заменить мертвую ссылку

Кажется, нет ответа, предлагающего единственное очевидное решение, кроме тех, которые вы упомянули (и не приняли во внимание) в вопросе: просто увеличьте момент инерции вдоль оси цилиндра, чтобы вращение вдоль этой оси стало его наиболее стабильное состояние.

Это, конечно, требует добавления гораздо большей массы. Но поскольку такого рода структуры все равно должны быть построены в космосе, это не обязательно является большой проблемой. Просто прикрепите несколько захваченных астероидов толстым кольцом вокруг середины цилиндра и соедините их углеродными нанотрубками. Кольцо должно выходить из цилиндра как можно дальше, учитывая материальные ограничения удерживающих его нанотрубок.

Конечно, ваш цилиндр может быть настолько большим, что вы уже находитесь на пределе прочности на растяжение углеродных нанотрубок. В таком случае этот план вообще не сработает, так как масса кольца будет оказывать еще большую центробежную силу, чем сам цилиндр. Из-за этого цилиндр, использующий этот метод стабилизации, должен быть намного меньше теоретического максимума. Тем не менее, он все еще может быть огромным.

(Должен отметить, что этот ответ несколько ироничен. Я не уверен, что он действительно сработает, потому что объект такого масштаба на самом деле не будет вести себя как твердое тело. Кольцо будет вращаться в одну сторону, в то время как два концы цилиндра хотят кувыркаться, и это может привести к тому, что все это дело разорвется на части. Я не знаю, можно ли предотвратить это или нет. Я подозреваю, что в действительности единственными способами сделать это являются какие-то стабилизация или какая-то масса, вращающаяся в противоположных направлениях, причем последнее, вероятно, гораздо более практично.)

Добавьте фланец вокруг «экватора», широкое кольцо из плотного материала, соосное с цилиндром, выступающее из стенки цилиндра в пространство на полпути между торцевыми крышками. Возможно сделать его обод особенно плотным или толстым. Это увеличило бы момент инерции относительно продольной оси больше, чем момент инерции относительно поперечной оси.

Лучший способ - это тот, который вы упомянули. Если вам просто не нужно столько места, подумайте о нескольких цилиндрах меньшего размера. Если вы против этого из эстетических соображений, я думаю, мы можем рассмотреть несколько других вариантов.

Вы также можете попробовать систему противовеса. Компьютеризированная система смещения веса может компенсировать влияние движения внутри цилиндра. Смещение жидкого балласта может предотвратить вращение, но это не совсем энергоэффективно.

Стабилизировать с помощью подруливающих устройств или аналогичных средств. Еще один способ стабилизации — использование ракет или какой-либо другой двигательной установки будущего для противодействия нежелательному вращению. Однако у ракет может закончиться топливо, поэтому, может быть, они используют магниты, чтобы манипулировать собой в магнитном поле планеты или солнца?

Гироскопические стабилизаторы маховика

Их два, по одному на каждую из описанных вами осей. Эти маховики будут препятствовать сдвигу цилиндра и удерживать его на месте. Гироскопические стабилизаторы работают по закону сохранения углового момента. Или, может быть, вам нужен только один - мне кажется, такой гигантский вращающийся цилиндр уже будет действовать как маховик. Таким образом, вам может понадобиться только один дополнительный маховик для его стабилизации.

из http://veemgyro.com/wp-content/uploads/2015/11/White_Paper_1403-How_Gyros_Create_Stabilizing-Torque.pdf

Чем больше импульс, тем больше стабилизации вы можете получить. У вас могут быть большие маховики снаружи цилиндра. Или у вас могут быть очень быстро вращающиеся маховики. Или у вас может быть много маховиков среднего размера, которые работают вместе.

Вы находитесь в космосе, поэтому вам не нужно беспокоиться о том, что атмосфера замедлит работу ваших маховиков, если вы держите их снаружи.

(Дополнительная) крутая вещь о маховиках заключается в том, что вы также можете хранить в них энергию в виде кинетической энергии, и поэтому эти маховики будут выполнять двойную функцию. Вы можете использовать эту энергию для переналадки цилиндра или любых других нужд, которые у вас есть.

Используйте солнце, чтобы держать его устойчивым . Не Солнце , заметьте, но если вы не хотите делать глупую идею сделать его полуокнами, вам нужно иметь маленькое солнце внутри цилиндра, который вы питаете солнечными панелями снаружи, если вам случится быть возле звезды. Я предполагаю, что он может быть таким тяжелым, как вы сочтете удобным — вам нужна только оболочка, излучающая свет, но местное солнце также является отличным местом, чтобы скрыть уродливую промышленность, используя преимущества условий нулевой гравитации.

Поскольку людям не нужен день все время, а строить гигантское портативное солнце только для того, чтобы выключать его наполовину, — пустая трата времени, это солнце будет проходить вверх и вниз по главной оси цилиндра каждый день. . Каждый раз, когда он проходит вверх или вниз по этой оси, он наматывает одни нити (вы сказали, наноуглерод), которые его связывают, и отпускает другие. К опорам может быть привязана путевая инфраструктура. Конечно, очень эффективное рекуперативное торможение делает этот процесс «эластичным» — вы на самом деле не выбрасываете много энергии, когда используете нити для управления им.

В любом случае, контролируя траекторию движения солнца или, что то же самое , направление, в котором солнце прилагает большую силу во время своего дневного круга, под тщательным техническим контролем главного инженера Ра, солнце будет прикладывать к этому цилиндру достаточный крутящий момент в достаточном количестве направлений, чтобы его можно было продолжал вращаться в правильном направлении, несмотря на все незначительные движения на поверхности.