基本介紹
- 中文名：發射環
- 外文名：Launch loop
- 本質：非火箭航天發射裝置
簡介,歷史,原理,保持在高空,啟動有效載荷,容量和能力,經濟學,比較,啟動循環的優點,啟動循環的困難,
簡介
發射迴路或Lofstrom迴路是一種建議的系統，用於將物體發射到太空軌道，使用一個移動的類似電纜的系統，該系統位於兩端連線到地球的護套內，懸掛在中間大氣層之上。設計理念由Keith Lofstrom出版，描述了一種主動結構磁懸浮電纜傳輸系統，其長度約為2,000公里（1,240英里），並保持在高達80公里（50英里）的高度。通過在結構周圍循環的帶的動量，發射迴路將在該高度處保持。實際上，這種循環將結構的重量轉移到一對磁軸承上，每個軸承一個，支撐它。
發射迴路旨在通過電磁加速它們來實現重量為5000公斤的車輛的非火箭太空發射，以便將它們投射到地球軌道甚至更遠的地方。這可以通過電纜的扁平部分來實現，該部分在大氣上方形成加速軌道。
該系統旨在適合用於太空旅遊，太空探索和太空殖民的人類發射，並提供相對較低的3g加速度。
歷史
發射迴路由Keith Lofstrom在1981年11月的美國宇航學會新聞報的讀者論壇和1982年8月的L5新聞中描述。
1982年，Paul Birch在英國行星際學會雜誌上發表了一系列論文，描述了軌道環，並描述了一種稱為部分軌道環系統（PORS）的形式。Lofstrom在1983-1985年期間更詳細地研究了發射循環的想法。它是PORS的一個充實版本，專門用於形成適合將人類射入太空的磁場加速軌道; 但是，雖然軌道環使用超導磁懸浮，但發射環使用電磁懸浮（EMS）。
原理
建議發射迴路為長2,000公里，高80公里的結構。 環路在地球上空80公里處運行2000公里，然後下降到地面，然後回到自身上升回到地球上方80公里處，沿著反向路徑然後循環回到起點。 環將是管的形式，稱為護套。 漂浮在護套內的是另一個連續管，稱為轉子，它是一種帶或鏈。 轉子是一個直徑約5厘米（2英寸）的鐵管，以14千米/秒（31,000英里/小時）的速度繞環路移動。
保持在高空
靜止時，環路處於地面水平。然後轉子加速到達速度。隨著轉子速度的增加，它會彎曲以形成弧形。該結構由來自轉子的力保持，該力試圖遵循拋物線軌跡。地錨在到達80公里的高度時迫使它與地面平行。一旦升起，該結構需要連續的功率來克服消散的能量。需要額外的能量來為任何發射的車輛提供動力。
啟動有效載荷
為了發射，車輛在一條“電梯”電纜上升起，該電纜從80公里處的西站裝載碼頭垂下，並放置在軌道上。有效載荷施加磁場，該磁場在快速移動的轉子中產生渦流。這既可以將有效載荷從電纜上抬起，也可以將有效載荷與3g（30 m /s2）的加速度一起拉出。然後有效載荷騎在轉子上，直到達到所需的軌道速度，然後離開軌道。
如果需要穩定或圓形軌道，一旦有效載荷達到其軌道的最高部分，則需要使用機載火箭發動機（"kick motor"）或其他裝置將軌道環形化到適當的地球軌道。
渦流技術緊湊，重量輕且功能強大，但效率低下。每次發射時，由於功率耗散，轉子溫度增加80開爾文。如果發射間隔太近，則轉子溫度可能接近770°C（1043 K），此時鐵轉子失去其鐵磁性能，轉子密封性就會丟失。
容量和能力
近地點80公里的閉合軌道很快衰減並重新進入，但除此類軌道外，發射環本身也能夠直接將有效載荷注入逃逸軌道，重力輔助軌道穿越月球，其他非軌道封閉的軌道，如靠近Trojan points。
為了使用發射迴路進入圓形軌道，需要使用有效載荷發射相對較小的"kick motor"，該有效載荷將在遠地點發射並使軌道環形化。對於地球同步軌道插入，這將需要提供約1.6km/s的Δ-v，對於近地軌道在500km處的環形化將需要僅為120m/s的Δ-v。常規火箭需要大約14和10km/s的Δ-vs分別到達地球同步軌道和近地軌道。
Lofstrom設計中的發射迴路靠近赤道並且只能直接進入赤道軌道。然而，其他軌道平面可能通過高空平面變化，月球擾動或空氣動力學技術到達。
發射迴路的發射速率容量最終受到轉子溫度和冷卻速率的限制，達到每小時80個，但這需要一個17吉瓦的發電站;一個更適中的500兆瓦發電站足以每天發射35次。
經濟學
對於經濟上可行的發射迴路，需要具有足夠大的有效載荷發射要求的客戶。
Lofstrom估計，耗資約100億美元且一年回收的初始迴路可能每年發射40,000公噸，並將發射成本降至300美元/公斤。 300億美元，具有更大的發電能力，該環路每年能夠發射600萬噸，並且在五年的投資回收期內，通過發射迴路進入太空的成本可能低至3美元/公斤。
比較
啟動循環的優點
與太空電梯相比，不需要開發新的高抗拉強度材料，因為該結構通過移動環的動能而不是拉伸強度來支撐其自身重量來抵抗地球的重力。
Lofstrom的發射迴路預計將以高速率發射（每小時多次發射，與天氣無關），並且本身並未造成污染。由於排氣溫度高，火箭在排氣中會產生硝酸鹽等污染，並且可能會根據推進劑的選擇產生溫室氣體。作為電力推進形式的發射迴路可以是清潔的，並且可以在地熱，核能，風能，太陽能或任何其他電源上運行，甚至是間歇性的，因為該系統具有巨大的內置電力存儲容量。
與太空電梯不同，太空電梯必須經過幾天的范艾倫安全帶，發射迴路的乘客可以發射到地球軌道下方的低地球軌道，或者在幾個小時內通過它們。這與阿波羅太空人所面臨的情況類似，他們的輻射劑量比太空升降機低200倍。
與太空電梯沿其整個長度存在空間碎片和隕石風險的太空電梯不同，發射迴路應位於軌道因空氣阻力而不穩定的高度。由於碎片不會持續存在，因此只有一次機會影響結構。儘管太空電梯的坍塌期預計為數年，但預計以這種方式損壞或坍塌的情況很少見。此外，即使在事故中，發射迴路本身也不是空間碎片的重要來源。產生的所有碎片都有一個與大氣相交或處於逃逸速度的近地點。
發射迴路用於人類運輸，提供安全的3g加速度，絕大多數人能夠容忍，並且比空間電梯更快地到達空間。
與火箭不同，發射迴路在運行中會很安靜，並且不會造成任何聲音污染。
最後，它們的低有效載荷成本與大規模商業太空旅遊甚至太空殖民化兼容。
啟動循環的困難
運行循環在其線性動量中將具有極大量的能量。雖然磁懸浮系統是高度冗餘的，但是小截面的故障基本上沒有影響，如果確實發生了重大故障，環路中的能量（1.5×1015焦耳或1.5千焦耳）將接近相同的總能量釋放。核彈爆炸（相當於350千噸的TNT），雖然沒有發射核輻射。
雖然這是一種大量的能量，但由於其非常大的尺寸，這不太可能破壞很多結構，並且因為當檢測到故障時，大部分能量將故意傾倒在預選位置。可能需要採取措施將電纜從80公里高度降低到最小的損壞，例如降落傘。
因此，出於安全和天體動力學原因，發射迴路旨在安裝在赤道附近的海洋上，遠離居住地。
已發布的發射迴路設計需要電磁控制磁懸浮，以最大限度地降低功耗並穩定其他欠阻尼電纜。
不穩定的兩個主要問題是轉向部分和電纜。
轉向部分可能是不穩定的，因為轉子遠離磁鐵的運動會減少磁吸引力，而靠近的運動會增加吸引力。在任何一種情況下，都會發生不穩定。現有的伺服控制系統通常可以解決這個問題，該系統可以改變磁鐵的強度。雖然伺服可靠性是一個潛在的問題，但在轉子的高速運轉時，很多連續的部分都需要失效才能使轉子密封失效。
電纜部分也有這個潛在的問題，儘管力量要低得多。然而，存在另外的不穩定性，因為電纜/護套/轉子可能經歷曲折模式（類似於Lariat鏈），其在幅度上無限制地增長。 Lofstrom認為，這種不穩定性也可以通過伺服機制實時控制，儘管從未嘗試過。
競爭和類似的設計
在Alexander Bolonkin的著作中，有人認為Lofstrom的項目存在許多未解決的問題，並且與現有技術相差甚遠。例如，Lofstrom項目在1.5米鐵板之間有伸縮縫。它們的速度（在引力，摩擦力下）可以是不同的，Bolonkin聲稱它們可以楔入管中; 並且地面28 km直徑轉向部分的力和摩擦是巨大的。 2008年，Bolonkin提出了一種簡單的旋轉閉環電纜，以適合當前技術的方式發射空間裝置。
另一個項目是太空電纜，是約翰·克納普曼（John Knapman）設計的小型設計，用於傳統火箭和亞軌道旅遊的發射輔助。空間電纜設計使用離散螺栓而不是連續轉子，與發射迴路結構一樣。 John Knapman也在數學上證明了曲折的不穩定性可以被解決。
天鉤是另一種發射系統概念。 Skyhook可以是旋轉的也可以是非旋轉的。不旋轉的天鉤從低地球軌道垂直下降到地球大氣層正上方（天鉤電纜未連線到地球上）。旋轉天鉤改變了這種設計，降低了下端的速度;整個電纜圍繞其重心旋轉。這樣做的優點是飛行到旋轉天鉤底端的運載火箭的速度降低甚至更大，這使得有效載荷更大並且發射成本更低。這樣做的兩個缺點是：到達的運載火箭可以大大縮短在旋轉天鉤下端的連線時間（大約3到5秒），並且缺乏關於目的地軌道的選擇。
