ケーブルを地球に垂れ下がらせる – 基本的な物理質問

引っ張り強度を持った材料を持っていれば、できるだけ実用的に可能な最も低い静止静止物から大気中に突き出すことは可能でしょうか?

地球の大気に再入射する物体と同じ問題を経験せず、同じ加熱効果を受けるだろうか?

または

それは(地理的に固定されているため)再突入現象の影響を受けないだろうか?
もし誰かがそれに従えば、私は物理学に本当に感謝しています…私は、それが大気への再突入の対象となり、燃え尽きるだろうと考えています。

The reasoning being, that I would like to design a CO2
exhaust fまたは Earth…hence my question

ベストアンサー

あなたは長い間ずっと考えられてきたアイデアを尋ねています:スペースエレベーターまたはスカイフック。コンスタンティン・チョルコフスキーは、1895年に同様の概念について書きましたが、彼のコンセプトは、地上の土台で支えられた圧縮構造の立った建物のものでした。

地理的な鳥からケーブルを降ろすことはできません。地理ステーションからケーブルが掛けられていない場合(そこにケーブルを接続するダイナミクスを無視して)、ケーブルの重量は、低高度の遠心力によって完全には相殺されず、ケーブルを引き離します。外側セグメントの質量と増加した遠心加速度が内側セグメントの質量と遠心加速度のバランスをとるように、ケーブルも外側に送る必要があります。内向きセグメントが地球に到達すると(スリランカはA.C.Clarkeのお気に入りだった)、ペイロードがケーブルの上に持ち上げられているときでさえ、全体を緊張状態に保つために、固定され、カウンタウェイトが外端に取り付けられます。

それはコンセプトの一般的な魅力です。もしあなたがそのようなものを作ることができれば、GEOまでの「エレベータ」ペイロードにそれを使って電力だけを使うことができます。修理や整備などのためにGEOから地球に戻すこともできます。

かなり最近まで、関連する引っ張り応力に対処できる既知の材料はなかった。しかし、おそらく多分炭素や窒化ホウ素のナノチューブやダイヤモンドナノファイバーは十分に強いかもしれません。しかし、静的引張応力は問題の一部にすぎません。

1つの問題は、「闘牛」の問題です。上向きに送られるペイロードは、その接線速度が最終的にGEO軌道速度に増加しているので、ケーブルに横方向の力を加える。これにより、ケーブル内を上下に移動する変位波が発生します。ケーブルが太くなる方向に進む波はあまり問題にはなりませんが、ケーブルが伸びる方向に進む波は進行するにつれて振幅が大きくなります。これは、誰かが闘牛を打つのと同じ現象です。ハンドルで発射された波は、痩せた端に近づくにつれて振幅が大きくなり、その端は超音速に達することができます。ペイロードがGEO末端に近づくにつれ、ケーブルの太い部分から発せられた波はより薄い部分に向かって進み、平衡からの大きな変位は急激な速度変化をもたらし、ケーブルへのストレスを大きく増大させる可能性がある。

別の明らかな問題は、軌道の破片と隕石です。極端な張力下のケーブルは部分的に切断されない。亀裂や亀裂が十分に大きく、ケーブルの全体を覆う
reliffnofollow
noreferrer”>グリフィス亀裂
になる場合、およびそれは本当に悪い一日です。

新しく編集され強調された質問の一部に答えるために:いいえ、それは通常の意味での再エントリースピードと加熱の対象にはなりません。ケーブルの建設は、新しいケーブルを上向きと下向きの両方向に送り、GEOの「駅」の正味の動きをGEOの速度で一定に保つために注意深く監視され、制御されたバランスです。炭素や窒化ホウ素ナノチューブのような新しい高張力材料であっても、応力が最大となるGEOポイントでは、必要なケーブル直径が実際に大きく、スプールするには大きすぎます。それは、直径の小さいケーブルのスプールから構築されてもよく、または化学的に連続プロセスで製造されてもよい。しかしどちらの方法でも、純降下率は低く、プロセスが許容する最大製造速度によって制限されます。

また、上向きおよび下向きのセグメントは、接線方向の力および半径方向の力をキャンセルするので、これは、周回するオブジェクトが降下するときに通常得られる高い接線方向の速度への通常の加速を防ぎます。この加速は、軌道に乗っている物体が自由落下しているときに発生します(つまり、主な物体が軌道を描いている大体からの重力のみに従います)が、ケーブルの端は自由落下していません。それはケーブルの残りの部分から大きな非重力を受けます。

正味の結果:あなたは再入熱を心配する必要はありません。

7月15日2018 EDIT

私は高度の関数として必要なケーブル直径を計算するためのソフトウェアを書いていました。定位置のケーブルのみのため、設置のダイナミクスはなく、波は伝播せず、設計マージンはありませんそれにより、ケーブルがその長さに沿って各点で完璧な状態になることができる最小直径が得られます。アンカーポイント(およびそこに指定されたバイアステンション)から段階的に上に向かって、重力および遠心加速度による正味の加速度を計算し、標高との差分張力を計算し(アンカーポイントから上方向に積分する)、各ステップで、ケーブルの直径を計算するために材料の引張強度を使用します。異なる材料特性を入れることは、興味深い結果をもたらす。

ケブラーを使用し、引張強さ3.62ギガ・ニュートン(GN)/平方メートル、質量密度1,440kg
/立方メートル、バイアス張力1MegaNewton(MN)のアンカーでのケーブル直径は〜1.87cmですが、
GEO地点では285mです。 GEOのケーブル質量は〜1.2E12 メートルトンです!

しかし、カーボンナノチューブを使用すると、小規模なパフォーマンスが実験室(1平方メートル当り63 GN、1,400 kg/m
3の質量密度)の場合、アンカーでのケーブル直径はわずか0.45 cmで、GEOではわずか0.77
cmであり、ダウンセグメント質量は約2,000トンである。しかし、これは非常に楽観的な見積もりです。これは、アンカーで始まる個々のカーボンナノチューブがGEOまで途切れずに続き、上向きに追加されたナノチューブもすべてGEOにまで伸びていると仮定しています。バインド彼らの隣人には非常に強く、滑りは起こらない

大規模な性能が研究室の性能のわずか10分の1であっても、GEOのケーブル直径(ケブラーと比較して)は約3.1mまで、ダウンセグメントの質量は約1.7E8トンまで削減されます。

再び、これは理想的な条件の下にあります。軌道の破片や隕石のダメージや、伝播する波のようなダイナミクス、ダイナミクスを制御するシステム、そして常に存在するデザインマージンを扱うための強度の追加を開始すると(あなたは橋を渡って走ったことがあるならば、
!)ケーブルのサイズは、質量とともに大幅に大きくなります。

返信を残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です