Сможете ли вы поймать космический корабль с поездом на Луне?

Это умная противоположность старой концепции пусковой установки с рельсотроном в горах.

Есть несколько практических трудностей. Во-первых, мы едва можем построить стационарную железнодорожную инфраструктуру, способную развивать скорость 400 км/ч, а тем более 8300. Большинство современных маглевов ездят медленнее , и не только из-за сопротивления воздуха. Оказывается, ошибка в 1-2 см при съемке и строительстве, а также незначительные отклонения в силе магнита приводят к очень ухабистой езде. Нет оснований ожидать, что кинетические проблемы уменьшатся по мере увеличения скорости. Обслуживание становится намного дороже по мере увеличения скорости.

Еще одна большая практическая трудность та же самая, с которой приходится сталкиваться при перехвате ракет: две очень быстрые массы, которые должны точно встретиться . 8300 км/ч — это 2,31 км/с (чуть меньше скорости убегания 2,38 км/с, так что ошибка округления может оказать большое, э-э, влияние). Чтобы 1-метровый стыковочный захват правильно зацепился, оба корабля должны достичь одной и той же целевой точки с интервалом менее 0,0004 секунды.

Вернемся к направляющей. Он должен содержать силы «поезд плюс сцепленный космический корабль» по вертикали и по горизонтали. И иногда эта вертикальная сила может быть высокоимпульсной или сильно колеблющейся, поскольку комбинированное транспортное средство стабилизируется в течение нескольких секунд после захвата. Кажется, что большая часть вашей силы должна быть направлена ​​на то, чтобы просто удерживать поезд вертикально на направляющей против этих неожиданных вертикальных сил... чтобы его не оторвало и не утащило в космос (или не врезало в направляющую) из-за этой надоедливой ошибки округления. в вертикальном векторе космического корабля.

Наконец, самая большая проблема заключается в том, что просто нет способа сделать так, чтобы эта штука вышла из строя во многих условиях. Любая поломка направляющей будет катастрофой. Перебои в подаче электроэнергии во время движения поезда были бы катастрофическими. Малейшая ошибка в измерении положения или скорости космического корабля привела бы к пропущенным встречам (и огромной трате энергии)… или к катастрофе.

Основная проблема, которую я вижу, заключается в том, что вы разгоняете левитирующий объект до скорости, очень близкой к космической скорости Луны. Это накладывает две проблемы:

• Если не затормозить, поезд подпрыгнет на много километров ввысь. Потребуется несколько минут, чтобы снова упасть на землю на чрезвычайно высокой скорости. На самом деле, если корабль столкнется и передаст поезду импульс, поезд может даже покинуть Луну.
• Чтобы прилипнуть к планете во время полета так близко или на скорости, превышающей ее скорость убегания, требуется аморальное количество направленной вниз силы. И корабль, и поезд должны быть изготовлены из сплава унобтаний-адамантий-уру.

Зачем тебе поезд? В других ответах очень хорошо сказано, что даже самая маленькая ошибка приведет к катастрофе, даже если все остальное можно будет заставить работать. Но, если вы не стремитесь к импровизированной сцене типа «Миссия невыполнима» (в этом случае все пойдет), тогда поезд излишен.

Вот что вы могли бы сделать: вместо трассы магнитной подвески фиксированной ширины построить последовательность тороидальных магнитов вдоль очень вытянутого горизонтального конуса. Задайте первому диаметр в один километр, а последнему сделайте чуть шире космического корабля. Корабль пролетает через первый, слегка замедляется и корректирует свой курс к центральной оси. Следующий замедляет его еще больше и снова корректирует курс, и так далее. К тому времени, как вы доберетесь до последнего, ваш корабль будет отцентрирован и достаточно медлителен.

К сожалению, есть куча причин, по которым это все еще не сработает. Простое создание магнитного поля со значительной силой в большом объеме было бы непозволительно. Объемная энергия магнитного поля равна$B^2/2\mu_0$, который работает на$10^7/8\pi\>\> J/m^3$для поля 1т. Расчет полной энергии внутри$100\:km\times1\:km$конус остается в качестве упражнения для читателя. Как и энергия, которая будет передана космическому кораблю во время торможения, и нагрузки на тороиды, и результат приближения, которое слишком далеко от оси, и то, как работают замедление и коррекция курса, и. .. Неа. Извините, нет.

Редактировать, признание

После публикации я увидел, что Кайл, по сути, предложил тот же подход и даже разработал ответы, которые мне было лень вычислять. Я уступаю вам, сэр.

Я не читал роман и, следовательно, не знал о его использовании там. Я самостоятельно придумал эту идею, и мое решение решает многие проблемы, упомянутые в других ответах. Мой подход:

• Это часть большой системы. Трасса огибает весь экватор. Это дает вам достаточно времени, чтобы привести систему в соответствие с целевым космическим кораблем. Хотя вам нужна точность менее миллисекунды, у вас есть достаточно времени, чтобы сопоставить поезд захвата с космическим кораблем — совпадение не должно быть проблемой. Это также удаляет режим отказа «отказ к останову». Если у вас есть проблема, вы можете просто продолжать.

• Космический корабль сцеплен с длинными разъемами. Космический корабль находится на орбите с очень низким перицентром, но в случае ошибки он не врежется в Луну. Провалите схватку, и вы просто снова пойдете вокруг.

• Поезда на маглеве ограничены скоростью из-за нахождения в атмосфере. У вас нет проблем с колесами на гусенице, нет проблем с отталкиванием воздуха в сторону. Переход на 2000 м/с вместо 100 м/с не будет большой проблемой.

• Вся система безопаснее, если поезд действительно движется со скоростью выше орбитальной. (Обратите внимание, что концы захватов по своей природе должны быть выше орбитальной скорости, и если сам поезд находится выше орбиты, это не проблема.) Способ, которым вы не даете ему улететь, заключается в том, что у него 4 рельса, а не два, как обычно. Это может быть либо фактически над поездом, либо у поезда может быть часть, которая проходит между рельсами и едет по направленным вниз рельсам под ним. Механически последний проще, но я не знаю, можно ли уберечь магниты от помех.

При использовании поезд набирает скорость, а затем регулирует ее скорость так, чтобы он попадал под космический корабль, когда он достигает перицентра. Чтобы быть простым, но расточительным, вы можете просто держать поезд прямо под космическим кораблем. Захваты запускаются вверх. Если они по какой-то причине не работают, вы просто заводите их обратно и пробуете снова на следующей орбите. Если они сцепляются, космический корабль сначала вытягивается на круговую орбиту, а затем лебедкой опускается на тележку с захватом, где он более прочно соединен на этапе торможения.

Обратите внимание, я сказал, что это часть более крупной системы: этот трек полезен не только для посадки космического корабля. Поскольку поезд превышает орбитальную скорость, его можно использовать как для запуска, так и для посадки. Не только это, но если вы сделаете его мощным, он может генерировать довольно высокие скорости. Орбита составляет 1,73 км/с (на 100 км, мне не повезло найти ее на 0 км), что создает центробежную силу 1,62 м/с (соответствует лунной гравитации). Давайте ускорим наш поезд, чтобы космический корабль ощущал 1 g снаружи. Теперь он движется со скоростью 12,2 км/сек. Отпустите его, и он покинет Луну со скоростью более 10 км/сек (помните Оберта, не надо просто вычитать скорость убегания). Очень немногие аппараты НАСА превзошли эту скорость, но это далеко не предел этой системы. Давайте увеличим его до 5 г, примерно столько, сколько мы хотим для пилотируемого запуска. Теперь он выбрасывается со скоростью 54 км/сек и почти ничего не теряет из-за гравитации Луны. Это дает вам все, от удара по солнцу до побега от солнца. Беспилотные миссии можно запускать еще быстрее.

Да. Ты можешь сделать это.

Это буквально каждый стыковочный маневр на орбите. Приведенные выше ответы охватывают большинство важных аспектов, но мнение о том, что это практически невозможно, немного глупо. Вам все равно понадобится изрядное количество топлива на космическом корабле, так как он в первую очередь отвечает за выстраивание рандеву, поезд может только ускоряться или замедляться, и когда транспортное средство приближается, у него будут все шесть степеней свободы.

Если бы потребовались какие-либо изменения наклона, вам нужно было бы загрузить топливо, но ваш конкретный вариант использования решает эту проблему. Что касается того, что я нигде этого не видел, когда я изучал циклы запуска (в основном с использованием самоподвешивающегося линейного ускорителя — поезда на магнитной подвеске — для запуска полезной нагрузки прямо на орбиту), я обнаружил, что на Земле это, возможно, худшая идея, чем космический лифт. Что требует определенных усилий. Но на Луне вы можете иметь ускоритель на поверхности и выбрасывать полезные нагрузки прямо на очень эллиптическую орбиту, а в апогее просто двигаться по кругу. Если вы не сделаете круговое движение, полезная нагрузка вернется и скользит по поверхности в перигее — потенциально плохой день. Но в этом весь смысл того, чем вы занимаетесь, запустите процесс запуска в обратном порядке, и все готово.

Некоторые из приведенных выше ответов вызвали некоторые обоснованные опасения по поводу железнодорожной части вашей системы. Тем не менее, эти проблемы в первую очередь связаны с инженерными проблемами управления, которые, хотя и очень сложны, вероятно, решаемы при наличии достаточного количества времени, денег и стимула (я могу вспомнить некоторые большие программы с большим количеством времени и денег, которые, кажется, не приносят многого, поэтому №3 важно). Я определенно рекомендую вам подумать, почему у ваших людей были и причины, и средства для решения такой сложной проблемы.

В то время как другие авторы дали отличные ответы относительно сложности, на самом деле мы наблюдаем реверсирование двигателя массы на Луне, используемого для запуска полезной нагрузки. Взятый таким образом, а не как поезд, это выполнимо, хотя и несколько вызывающе сложно. Возможно, беспилотные грузовые капсулы были бы более разумным использованием системы (что также снижает ограничения из-за сил торможения пассажиров-людей.

По сути, вместо того, чтобы пытаться посадить полезную нагрузку на движущуюся платформу поезда, капсула просто нацелена на горловину воронки большого диаметра, которая является движущей силой массы. Проходя через каждую катушку, капсула проходит через магнитное поле и, подобно проводу в генераторе, вырабатывает электричество, которое собирается инфраструктурой привода массы и сохраняется в гигантских батареях конденсаторов, бешено вращающихся маховиках или любой другой электрической системе. используется в настоящее время.

Иллюстрация возможной конструкции драйвера массы. «Уловитель массы» просто работал бы в обратном направлении.

Поскольку это беспилотная капсула, длина системы может составлять всего 200 м (см. здесь ), а пилотируемая капсула может иметь длину в десятки или даже 100 км, чтобы уменьшить нагрузки при замедлении или ускорении.

Когда стручок достаточно замедлится, он может «приземлиться» на рельс, но большую часть пути он будет подвешен в магнитном поле и ни к чему физически не прикасаться.

Ваш массивный поезд на магнитной подвеске, очевидно, левитирует и ускоряется с помощью (электро)магнитов и должен быть во много раз тяжелее космического корабля.

Энергия для питания этих магнитов должна поступать откуда-то на планете, например, с атомной электростанции или, возможно, за счет солнечной энергии. На Марсе не будет ископаемого топлива, и хотя ядерное топливо может быть доставлено с Земли, других видов топлива не будет; это разрушило бы цель.

Для меня очевидным решением является размещение атомной электростанции и электромагнитов в космосе , в нескольких миллионах километров от Марса. Та же самая магнитная энергия, которая используется для подъема и ускорения этого гигантского поезда, может быть приложена к самому кораблю на очень большом расстоянии в космосе, и вам не придется решать проблему допусков на неровном и, возможно, смещающемся (и обязательно вращающемся) ) поверхность планеты.

В космосе вам не нужно иметь дело со сбивающими с толку факторами силы, такими как движущаяся марсианская атмосфера (она тонкая, но есть погода), рельеф местности, марсианские пыльные бури и компенсирующие векторы вращения или искривления планет. Это более чистая и простая среда, и для инженеров это позволяет гораздо большую точность и более близкие подходы, крошечные толчки от рулевых ракет могут изменить курс на сотые доли сантиметра.

Таким образом, ваш корабль может перемещаться на такое же расстояние от рельсов, рельсы имеют ту же длину, что и на Марсе (и могут быть короче, потому что в космосе у вас может быть шесть рельсов, окружающих корабль в точках шестиугольника), мощность применяется то же самое. Но рельсы могут быть совершенно прямыми, траектория космического корабля идеально прямой и отцентрованной. Сами рельсы можно соединить в кольцо, чтобы они оставались выровненными. Они могут быть такими же массивными (или намного массивнее), чем поезд; железо очень дешево в космосе (астероиды). С атомной электростанцией любое смещение тормозной установки можно скорректировать с помощью магнитного двигателя с ядерным двигателем (ускоряющего атомы со скоростью, близкой к скорости света, в направлении, противоположном желаемому направлению движения).

После достаточного замедления корабля он приземляется на парашюте, как это делают наши зонды, или вы даже можете направить его на орбиту и (роботизированно) отправить на парашюте только припасы на поверхность планеты. Тогда корабль можно было бы развернуть, и точно такие же рельсовые пушки в космосе разогнали бы его от Марса обратно на Землю.

Он может быть пустым или может перевозить экипаж и продукты на Землю. Как бы эти возвращаемые товары ни попали на орбиту Марса, отправить на орбиту только их будет менее энергозатратно, чем отправить их ВМЕСТЕ с кораблем.

По этой схеме (которую я тут придумал на лету) корабль никогда не покидает космос, поэтому космический корабль может быть просто космическим кораблем, его не надо проектировать, чтобы он работал как на земле (Земля или Марс), выдерживал запуск напряжения, иметь шасси или даже быть ориентированным на силу тяжести, это может быть, например, постоянно вращающийся цилиндр с центробежной силой тяжести 0,25G, более удобный для пассажиров (умывание, сон, приготовление пищи, устранение, упражнения, работа и т. д.) и более удобен для упаковки и хранения (вам не нужно все завязывать или завязывать).

Конечно, этот цилиндрический корабль может иметь центробежную секцию и невращающуюся секцию невесомости, если невесомость нужна для хранения или полезна для некоторых научных или технических операций.