Лифт на небо поставил рекорды с прицелом на будущее
До тех пор пока только отдельные группы инженеров-оптимистов бьются над созданием космического лифта. Но великий фантаст Артур Кларк, 30 лет назад популяризовавший данное сооружение в романе «Фонтаны рая», в конце жизни сказал, что лифт на орбиту реально выстроят через десятилетие по окончании того, как над данной идеей прекратит смеяться последний человек.
Соревнование Space Elevator Games 2009 года стало пускай маленьким, но примечательным шагом к мечте о космическом лифте (space elevator), идею которого в общем виде выдвинул Константин Циолковский ещё в 1895 году. Состязание, организованное Spaceward Foundation и NASA, прошло с 4 по 6 ноября в Южной Калифорнии, на территории центра Драйдена (Dryden Flight Research Center), в границах известной авиабазы Эдвардс.
Нынешние «игры» были во многом примечательны. И в первую очередь тем, что в первый раз питаемый лазерным лучом робот-лифт поднялся на высоту порядка одного километра. Да, в случае если раньше маленькие прототипы космических подъёмников вскарабкивались на натянутые при помощи кранов ленты высотой в 50 и 100 метров, сейчас трос длиной более чем в один километр спустили с парящего вертолёта!
Зачётная же расстояние гонки составила 900 метров (старт считался не от уровня почвы).
Вертолёт над авиабазой Эдвардс – далеко не спутник. Но эти испытания в первый раз говорят о том, что мысль подъёма робота с лазерным едой на громадную высоту – технически реализуема (иллюстрация и фото Spaceward Foundation).
Как и раньше, аппараты имели возможность пользоваться только энергией, отправляемой по лучу снизу: так как ясно, что на подъём в настоящем космическом лифте никаких аккумуляторная батарей не хватит. Так что неспециализированный принцип построения роботов не изменился: комплект солнечных батарей, подсвечиваемых замечательным наземным лазером, плюс электромотор с роликами, обхватывающими трос. Не напрасно это состязание в рамках Space Elevator Games именуется Power Beaming Challenge (либо Climber Competition).
Приз за него составлял $900 тысяч, при условии что аппарат преодолеет всю расстояние со скоростью не ниже 2 метров в секунду, и $1,1 миллиона — в случае если его скорость достигнет 5 м/с. Это впечатляющие требования, учитывая, что за все прошлые годы данного соревнования лучшим достижением было преодоление 100 метров со скоростью 1,8 м/с.
Задуманная в 2004 году битва прототипов космических лифтов в первый раз проведёна была в 2005-м. Но лишь в 2009-м один из аппаратов смог выполнить твёрдые требования, за каковые устроители состязания вручили победителю приз (фотографии Spaceward Foundation).
О предыстории нынешнего состязания и прошлых удачах прототипов возможно определить из этого ролика.
В 2009 году на участие в соревновании подали заявки шесть команд, но реально за победу боролись только три квалифицировавшихся: Kansas City Space Pirates (маленькая компания, практически — клуб любителей робототехники), USST (студенческая команда из канадского университета Саскачевана, демонстрировавшая в прошлые годы хорошие результаты) и LaserMotive — промышленная компания из Сиэтла. Эта тройка привезла в пустыню Мохаве трудящиеся роботы-лифты.
Для подъёма роботов употреблялся металлической трос диаметром около 5 мм. Внизу он заканчивался не у самой почвы, а на высоте в пара десятков метров (в том месте и была точка старта), где разделялся на три «якорных» троса, заканчивавшихся цепями, каковые крепились к цементным блокам.Вертолёт (перед его пилотом необходимо снять шляпу) должен был снабжать постоянное натяжение данной «дороги» и удержание её в положении, предельно близком к вертикальному.
По окончании установки аппарата на стартовую точку пилот натягивал трос, и команда давала роботу сигнал к подъёму (фотографии Spaceward Foundation).
В первоначальный сутки состязаний LaserMotive выполнила два полных подъёма. Первый за 4 секунды и 2 минуты, второй за 4 60 секунд и 1 секунду. Со скоростью в 3,73 м/с LaserMotive была квалифицирована как претендент на $0,9-миллионный приз.
Вот, кстати, её первая попытка.
Вторым претендентам всё время что-то мешало. То у аппаратов были неприятности кроме того со стартом, то со скоростью либо высотой подъёма. К примеру, «пиратам» из Канзас-Сити удалось довести свой автомобиль до отметки в 850 метров за продолжительные 8 мин., но тут судьи были вынуждены отключить питающий лазер — закрылось временное окно, в то время, когда над местом соревнований не пролетали никакие спутники.
На них замечательный луч в теории имел возможность бы воздействовать, так что для безопасности устроители «игр» сверяли все графики подъёмов с пролётами космических аппаратов над данной точкой.
Аппарат от LaserMotive: лёгкая пирамидальная рамка, электрика, блок и электроника солнечный панелей размером приблизительно 2 х 2 фута (0,6 х 0,6 м). На первом снимке – взвешивание робота. Слева направо: Энди Петро (Andy Petro), представитель программы NASA «Вызовы столетия» (Centennial Challenges), в рамках которой и проходят «Игры космических лифтов», Бен Шелеф (Ben Shelef), глава Spaceward Foundation, и один из начальников LaserMotive Дэвид Бэшфорд (David Bashford).
На втором кадре Дэвид стоит около аппарата, подготавливаемого к подъёму. На правом нижнем – виден низ автомобили, покрытый фотоэлектрическими ячейками (фотографии Spaceward Foundation, AP Photo/NASA, Tom Tschida, LaserMotive, kcby.com).
Не обращая внимания на собственное явное лидерство, во второй сутки LaserMotive также совершила несколько восхождений. Она продемонстрировала ещё минуты секунд: 3 минуты 49 и лучшее 3 время 48 секунд. Скорость в 3,95 м/с уже достаточно близко подошла к планке, за которой «лифтёрам» из Сиэтла светил основной приз.
Действительно, с целью достижения данной скорости LaserMotive облегчила собственного робота: в первоначальный сутки к собственному весу машинки в 4,8 кг её создатели додавали груз весом 0,58 кг, а во второй сутки вес нужной нагрузки сократили до 0,4 кг. Это воображало определённый риск, поскольку если бы кто-то из соперников также преодолел зачётную границу в 2 м/с, очень многое решал бы как раз вес нужной нагрузки, которую робот поднимал на протяжении соревнования.
Поясним, в случае если команда делает задание (другими словами аппарат поднимается на всей протяженности троса со скоростью не нижеуказанной в правилах), конечное место претендента определяется собранными баллами. А они вычисляются так: скорость подъёма (в м/с) умножается на массу нужной нагрузки (в кг) и делится на личный вес робота.
Последний, к слову, ограничен 50 килограммами, но мощность, передаваемая на него по лучу, правилами не ограничена. На практике все автомобили были намного легче. Так вот, в первоначальный сутки с меньшей скоростью, но большей нагрузкой LaserMotive собрала 0,45 балла, а во второй — 0,325, не обращая внимания на более большой темп восхождения.
Такое внимание устроителей к весовым параметрам роботов не просто так. Само собой разумеется, эти машинки имеют мало неспециализированного с теми лифтами, каковые когда-нибудь смогут подниматься по тросу к звёздам. Но уже на данный момент хорошо бы отработать решения и приёмы, каковые разрешат таким аппаратам быть максимально лёгкими при высокой мощности и громадной нужной нагрузке.
В бессчётных фургончиках размешались не только штабы команд, но и лазерные совокупности, комплексы слежения за роботами-лифтами и другая сопутствующая аппаратура (фотографии Spaceward Foundation).
Риск LaserMotive оправдался. Действительно, сама она так и не смогла забрать основную планку в 5 м/с, не обращая внимания на буквальное выкидывание из конструкции робота всего не через чур ответственного (почему у «похудевшей» автомобили начались неполадки при восхождении в третий сутки гонки).
Но двум вторым соперникам не удалось кроме того близко приблизиться к параметрам автомобили из Сиэтла: «лазальщик» от Kansas City Space Pirates добирался практически до верха троса (но всё-таки не до конца), да лишь через чур медлительно, а канадцы так и не смогли решить технические неприятности, в следствии которых их робот-лифт не отъезжал дальше нескольких метров от точки старта.
Kansas City Space Pirates (слева) и USST – неудачники нынешнего года. Но соревнование принесло им богатый опыт, так что команды, они утвержают, что собираются улучшить собственных роботов и продолжить вести борьбу. Примечательно, что по теоретическим расчётам всем трём автомобилям, вышедшим на старт Space Elevator Games, их весовые и мощностные параметры должны были разрешить забрать верхнюю планку в 5 м/с.
Из-за чего этого не случилось – будет предметом анализа в скором будущем (фотографии Spaceward Foundation).
Так, LaserMotive была заявлена победителем в «уровне-1» и взяла чек на $900 тысяч из рук представителя NASA. $1,1 миллиона остались неразыгранными и перешли на следующий тур, дата проведения которого ещё не выяснена. Рекордный же подъём возможно заметить в ролике ниже.
Победа LaserMotive была принята командой с удовольствием, но наряду с этим сама компания подчёркивает: основное для нас — проверка в сражении совокупности энергопередачи по лазерному лучу. При расстоянии между роботом и передатчиком более чем километр непросто добиться весьма правильного попадания луча в машину. А ведь необходимо было ещё отработать действенное преобразование данной энергии (к слову, LaserMotive переправляла на борт собственного робота при помощи лазера более 1 киловатта мощности).
Команда LaserMotive и её призовой чек на $900 тысяч. Пускай вас не смущают «цифры из будущего» на плакате – данное соревнование в далеком прошлом носит второе имя «Лифт-2010», как символическая круглая дата, к которой должны показаться на свет более-менее впечатляющие прообразы и лифта, и космического троса (фото Spaceward Foundation).
Как говорят представители компании, два года работы над аппаратом разрешили им довести до кондиции как раз комплекс «трансляции» энергии, что они желают вывести на рынок. А лифты в космос — это, дескать, прекрасная, но весьма уж далёкая возможность.
Вправду, кроме того километровое восхождение прототипов – ничто если сравнивать с подъёмом по тросу на геостационарную орбиту (приблизительно 36 тысяч километров), что нужно будет осуществлять настоящему космическому лифту. Иначе – нужно же с чего-то затевать. Нынешние скромные роботы намечают путь, по которому направляться развивать для того чтобы рода совокупности.
По понятным обстоятельствам, космический лифт обязан брать начало совершенно верно на экваторе. В соответствии с одной из предположений, стартовую платформу направляться расположить в океане (иллюстрации wikipedia.org, Spaceward Foundation).
Может показаться, словно бы постройка космического лифта – неоправданно сложная выдумка. Но его прелесть в том, что по окончании запуска он способен серьёзно сократить цена выведения грузов. Вот, кстати, концепция орбитального лифта.
В громадной степени действительность «железной дороги в космос» зависит от учёных и успехов инженеров во второй половине «Игр космических лифтов». Она именуется Strong Tether Challenge (либо Tether Strength Competition).
Это соревнование призвано нащупать разработку создания троса, что, в случае если его опустить с геостационарной орбиты на Землю, не только не порвётся под собственной тяжестью, но ещё будет способен нести приличную нужную нагрузку. В 2009 году конкурс проходил хронологически раньше Power Beaming Challenge — в августе. Но, увы, никто из претендентов не превзошёл успехи прошлых лет.
По окончании нескольких суток напряжённой работы все участники «игр» вместе с организаторами шумно отметили событие в ресторане Domingo?s недалеко от авиабазы Эдвардс, в котором, как говорят, любой раз обедают космонавты, в то время, когда шаттл приземляется в Калифорнии. На нижнем кадре в сомбреро –Дэвид Бэшфорд, что незадолго до отметил собственный сутки рождения.
Победа LaserMotive была лучшим подарком (фотографии Spaceward Foundation).
Для оценки главных параметров для того чтобы троса фонд Spaceward придумал новую единицу – «Юрий» (Yuri) – названную в честь российского инженера Юрия Арцутанова, что в первой половине 60-ых годов двадцатого века опубликовал практический метод построения космического лифта.
Как раз Арцутанов внес предложение заменить «орбитальную башню» Циолковского (которую калужский гений предполагал строить с Почвы) на трос, неспешно спускаемый вниз с геосинхронного спутника. В один момент в противоположную сторону выпускался бы второй трос с противовесом, так что центр тяжести совокупности всё время оставался бы на геостационаре.
Та самая статья Арцутанова в «Комсомольской правде» за 31 июля 1960 года. С неё началось важное обсуждение возможности постройки космического лифта (иллюстрация Spaceward Foundation).
Итак, Yuri — это отношение прочности на разрыв к плотности материала, либо в единицах СИ: Па·м3/кг. 1 мегаюрий (MYuri) соответствует более распространённой в инженерной науке величине ГПа·см3/г. Как раз в мегаюриях устроители Tether Strength Competition измеряют прочность лент, претендующих на прообраз стройматериала для космического лифта.
Они показывают, для сравнения, что хорошая металлическая проволока владеет удельной прочностью в 0,5 MYuri, лучшие же современные синтетические волокна: японский материал Zylon и американский Spectra 2000 — 3,74 и 3,6 MYuri соответственно. В это же время для построения настоящего космического лифта нужно иметь хотя бы 25-30 MYuri, а лучше — 45-100 (во втором случае лифт выйдет значительно легче, и выстроить его возможно будет значительно стремительнее).
Такие величины прочности, в теории, кроме того с хорошим запасом способны обеспечить углеродные нанотрубки, но беда в том, что рекордные характеристики они показывают только в микро- и наномасштабе (а также — в опытах), а вот при попытках сплести из нанотрубок макроскопические волокна, ленты и верёвки удельные характеристики для того чтобы «оптового» материала существенно ухудшаются. Именно на получение больших изделий из нанотрубок и должны трудиться учёные, грезящие оказать помощь в деле возведения космического лифта.
Летом 2009 года учёные из университета Сидзуоки (University of Shizuoka) привезли на соревнование «космических лент» собственное изделие, созданное из углеродных нанотрубок. Увы, оно порвалось достаточно рано, в очередной раз продемонстрировав, что макроскопическим материалам из нанотрубок до тех пор пока ещё не тягаться с очевидными полимерами, пускай теоретический потенциал углеродных нитей – намного выше (фотографии Spaceward Foundation).
В соревнованиях Strong Tether Challenge прошлых лет лучшим примером была «привязь» с прочностью 3 MYuri (эту «ленточку» сплели на базе волокна Zylon). Дальше никто продвинуться пока не смог. А ведь для завоевания малого приза в $900 тысяч необходимо достигнуть удельной прочности в 5 MYuri, что лучше, чем у любого существующего сейчас материала, основной же приз в $1,1 миллиона сможет принести своим создателям только лента с прочностью и вовсе в 7,5 MYuri.
Правильно лента обязана воображать собой замкнутую петлю неспециализированной длиной 2 метра и весом 2 грамма (ширина ленты — до 200 мм). Её закрепляют между двумя роликами, каковые начинают медлительно разводить в стороны. Определяется упрочнение, при котором лента порвётся либо растянется более чем на 5%.
С целью достижения удельной прочности в 5 MYuri нужно добраться до упрочнения разрыва в 907 кг, а 7,5 MYuri — соответственно в 1361 кг.
Не считая известного романа Кларка космический лифт фигурирует ещё в целом последовательности произведений. Примечательно, что в случае если капсулы будут подниматься со скоростями самых стремительных поездов, другими словами 300-500 км/ч, поездка на космическую станцию, висящую на геостационаре, займёт 3-4 дня.
Так что обращение направляться скорее вести не о «кабинах лифтов», а о «вертикальных поездах дальнего следования» (иллюстрации Neil Johnson, Alan Chan, civilbrights.net, spaceward.org).
Думается, что от этих размеров до напряжений, каковые будут функционировать в настоящем тросе, протянутом с геосинхронной орбиты на Землю, расстояние большая. Но фонд Spaceward настроен оптимистично.
Во-первых, отмечает он, в разных синтетических материалах сейчас идёт заметный прогресс, так что параметры передовых материалов неспешно постоянно совершенствуются. Во-вторых, по научным публикациям Spaceward отслеживает прогресс в области опытов с нанотрубками и утверждает: конкурентоспособные с «Зилоном» и «Спектрой» макроскопические материалы из углерода покажутся во в полной мере обозримом будущем.
В ближайщее время создатели роботов-лифтов доведут до ума совокупности энергопередачи по лучу, талантливые трудиться уже на космических расстояниях. А физики и химики выдадут ленты и тросы, владеющие на порядок лучшими удельными параметрами, чем нынешние синтетические волокна.
Что за этим может последовать – оптимальнеепочитать в «Фонтанах рая» (The Fountains of Paradise). Ни в одном втором произведении постройка человечеством космического лифта не была обрисована столь красочно, научно совершенно верно и наряду с этим так драматично.
Да, нынешние соревнования роботов-альпинистов – вовсе не драма, а, по солидному счёту, радостный «междусобойчик» горстки энтузиастов. Но, по оценке фонда Spaceward, последний человек прекратит смеяться над космическим лифтом уже в 2015 году.
