一个独立的空间结构

一个独立的空间结构：电梯空间系绳的现实选择一个大学地球与空间科学与工程，约克大学，多伦多，4700基尔街，安大略，加拿大m3j1P3物理与天文系，约克大学，多伦多，4700基尔街，安大略，加拿大m3j1P3收到200716十月27二月2009；接受2009四月在线19摘要空间系绳已被广泛视为一种能够提供方便的空间研究方式。然而，设计和施工这种装置提出了未解决的重大技术挑战。我们提出要建设一个替代方法，太空电梯的核心结构，利用免费提供近空间区域和降低成本航天发射。该结构由气动膨胀节是主动控制和稳定的平衡外部干扰和支持结构。这种方法避免了与空间系绳包括相关的问题材料强度的限制，需要在空间结构，电缆的长度至少为5万平方米的制作，和老化和陨石在地球低轨道的细绳或电缆相关损伤的影响。一个例子的结构构造在5km高度延伸至20公里海拔的描述。结构稳定性和控制，方法建筑和空间发射和其他应用程序的效用进行了讨论。©2009Elsevier有限公司保留所有权利。简介访问空间或临近空间，有效载荷必须获得显着的潜力和动能。传统上，以上飞机海拔地区使用岩元素访问，大规模驱逐以高速度向相反的方向实现推力。这个过程是非常低效的火箭必须反引力的推进剂搭载大众在飞行过程中要克服大气阻力。相反，如果一个有效载荷至少部分地拖到附近的空间或空间沿着电梯系统，所做的工作是显着减少没有驱逐质量必须做对抗重力，与在大气中较低的上升速度几乎可以消除大气阻力。电梯轿厢的运动也可以远程用电或感应装置供电，不需要携带任何燃料。站可以提供在空间是固定的，因此，利用地球静止轨道提供了优势，但是从一个角度接近和身体条件连接至表面。在本文中，我们描述了设计的概念，基于自立的核心结构是加压的气动和主动控制366B.M.奎因等人的太空电梯。宇航学报65（2009）365–375为了支持结构载荷和抑制前外部的干扰力。通讯作者：约克大学地球与空间科学系与工程，4700，多伦多，安大略，基尔街，加拿大m3j1P3。电话传真：e-mail地址：bquine@yorku.ca（B.M.奎因）。参见前面的问题/美元0094-5765©2009Elsevier有限公司保留所有权利。10.1016/j.actaastro.2009.02.018DOI：[4]。雷击造成电缆的完整性重大风险。锚点的建设在高海拔地区会减少罢工的概率；然而，附近的一个罢工的概率是估计在1的基础上每13年聚集在阿拉斯加的数据。这一数字似乎高得令人无法接受的考虑到一个单一的攻击是可能严重的电缆完全。此外，闪电数据不考虑减轻频率由于电缆的存在本身，增加，影响—因此，实际的风险是高度不确定的。这似乎不太可能，这个问题可以很容易地减轻。从最初的概念推广，几种可供选择的电梯的概念已经提出。2000年，博伊德和托马斯提出了太空电梯，位于上固定的轨道距离地球的位置之间移动的有效载荷设计。该装置包括一个可利用的轨道位置的电梯装置，爬上系绳的能源效率之间运送有效载荷的电缆系统。当设备没有连接到地球表面的一部分，辅助手段必须利用附加载荷的电梯开始。2004，Dempsey提出了一种空间电梯包括柔性张拉结构的上方和下方的地球同步轨道的高度部署的系统和方法。[5]。与传统的系绳的方法，提出了一种运输登普西系绳形成的双链在同步轨道高度和同步轨道高度以上第二链一链的使用。系绳构成谐波振荡器结合使用的过零的谐波振荡器在大约一半的同步轨道高度连接的电梯高度重力和向心力。系绳的一端基本上附加一个赤道面位置使运输从表面。系绳的另一端连接到一个计数器的质量在一个轨道上同步高度。系绳的设置使得它向下延伸从地球同步轨道附近的地面，环回同步高度并循环回到表面安装点。在表面附加系绳用来稳定回路和向下的电梯控制。有效载荷可提高使用向心力在高效节能的方式不需要增加额外的电源；然而，该方法需要的电缆比克拉克的原始概念更长的和，因此，是一个更大的工程挑战的一个合适的绳索制造。这种结构依赖于材料的发展建设巨大力量电缆。的最常见的方法是碳纳米管的应用；然而，因（2006）认为，微缺陷的存在会使电缆的制造具有足够的抗拉强度即使理论强度极限可以在宏观上实现电缆[6]。因认为地球同步轨道空间系绳，如果按照设计建造的今天，必将打破。一个太空电梯的另一个有趣的建议是空间的喷泉。在这个概念中，索状结构，引导高速气流在真空闭环，通常由超导磁体。电缆通过动量交换支持与质量流。地面站reacceler茨的质量流赔偿损失。一个空间站连接在电缆上保持静止的位置没有地球同步轨道的需要。洛夫斯特罗姆（1985）描述了2000发射环路：索结构两端锚定的间隔沿其长度延伸的垂直距离[7]其结构是由能量和动量交换的质量15.6107公斤×移动的带材保持，这是加速14kms−1内的电缆。丝带也用于有效载荷的加速度。我们估计结构的质量为7公斤1.5×10提供的数据和假设一个单带系统。的质量交换方法的主要缺点是导向系统的失败的结果。洛夫斯特罗姆估计，色带故障将释放1.5×1015J，足以煮沸的开水3400000m。因为在作者看来，灾难性故障的设备可以预期偶尔，2000无法建造的结构在人口稠密地区。一种金属带在高速运动的控制还需要在任何规模的展示。如果这可以实现的技术，它可能会找到的第一个应用程序作为一种能量存储的方法。3。无支撑结构我们提出了一个替代的设备提供近空间和空间环境，利用自营核心结构[8]。该结构提供了与地面固定杆和近空间位置，使设备的运输，人员和其他物体或人的平台或豆荚科学研究为目的的地球表面以上，通讯和旅游。该装置可以从表面上组装，避免困难和昂贵的轨道建设。太空电梯塔可以提供低海拔地区，也可扩展访问海拔15km，或典型的天花板高度为商业航空。该方法可以进一步扩展提供了直接访问海拔200和低地球轨道的引力势不与构建线缆至少35000km长相关的技术挑战。电梯平台在轨道卫星平台也有明显的优势。地理位置固定而提供的区域比地球静止轨道靠近地面，电梯平台提供了理想的手段，在很宽的区域和进行远程通信感知和旅游活动。作为一个旅游目的地，电梯平台提供的位于固定的态度从表面观测站。电梯平台提供的手段与延伸数百公里，查看访问安全区域的空间。4。结构概念该装置包括气动加压核心结构组成的车厢内设备甲板或舱段。它们都使用传统的高应力的材料如芳纶充以低原子质量如氢或氦的气体混合物构成。一个惯性稳定就使用各种方法，包括压力平衡和角动量稳定地球表面保持结构的态度。电梯的核心结构的典型配置如图1所示。电梯有一个平台，主要安排在一四段吊舱的方形结构与开放的晶格结构支撑部件一起甲板间段。电梯B有一个平台和主要POD有恒定外径，包括甲板和豆荚的段结构内部加压室段安排。该选项可以从建筑角度，如果电梯控制核心的外部直径是可取的。该平台主要电梯吊舱的锥形段结构和晶格结合大型吊舱，管片结构交叉结构。一个类似于电梯7.0m规模结构模型如图2所示。这1:2000比例尺的模型包括三个核心支撑间隔0.082m直径1.0m和1.5m（第一四段）（最后两间隔）。结构的整体直径为0.34m。由层压聚乙烯（材料的杨氏模量测量258mpa）与0.0013m平均壁厚，结构总质量17kg不含底座支撑和无支撑时是用空气增压以上48000pa（7psi）。（Platform—平台segment—段controlpods--控制装置）图1。核心结构（A，B和C）图2。在楼梯间安装7.0m演示装置。4.1。设计分析压力的细胞壁组成的材料具有很高的抗拉强度，质量比，例如，在厚度能够保持在符合工程实际的足够的安全幅度细胞压力硼或芳纶聚乙烯复合材料。空气或气体加压的细胞使用的互连网络的管道，细胞可能再增压不时。在典型的表面条件，大气的密度是1.29kgm−3。对于压力容器，随着海拔高度的压力变化可以由单位面积上的空气包裹的引力考虑来源:，其中G是重力加速度（9.8ms−2人间），？是气体的密度，P是压力和Z的高度。在大气压力的气体的行为特征可由理想气体定律其中R是通用气体常数，M是气体的摩尔质量和T是开尔文温度。作为明电池温度恒定和逼近重力为恒定的高度，我们将获得的压力在高度Z细胞顶部（1）其中H=RT/GM是气柱和P0标高是基础压力。地球的大气层，H∼7.6km。因此在一个垂直的长度L和直径D的圆筒，没有结构的抗压强度公斤负载能力假设一个简单的单细胞结构的情况下，这样一段的质量为在加压气体质量可以支持从基地。如果段进一步的结构，支撑结构必须支持段质量和增压气，如果这段是在与地面接触牢固，设备必须支持这种结构的质量为在那里是在一个大气压下，B气体的密度是气体压力在杆的基地。这种表达也可以被用来计算浮力的质量为核心，提供了一些支持。支持的重心是由气其他气体可利用较低的分子量比空气。其他的质量优势加压气体可以通过它们的分子量的比值与氮气体近似（大气）的主要成分。因此，结构的加压氢需要28/2=14倍少气的质量与氦28/4=7倍以下。需要扣简单列类似电梯结构B在荷载作用下的给力：其中l’是柱的有效长度取决于柱的边界条件，E是薄壁柱的有效杨氏模量当核心加压我是截面惯性矩。假设电梯核心固定于底座上，螺旋固定在上面，然后我？=L.为薄壁圆截面柱，其中T是厚度和r是半径。考虑一个例子的核心结构的设计方法基于地球的电梯进入临近空间高度在20公里。有利的是，进入轨道，电梯可以在5km高度在四个地区建立赤道。核心将需要跨进一步15km高空。基于电梯B，合适的结构包括具有恒定的壁厚1.2cm布置在一个圆环的内径2.28气细胞外径两亿三千万。由硼，一个15电梯的结构可以通过150bar氢气支持。近似为两个同心圆筒结构，结构的质量是6.5，10和8公斤×，需要加压气体的质量是1.4×108kg.other核心设计可能是由两缸的设计比较，金额为壁材，利用适当的调整进行了分析。在5km高度构造，结构有浮力的质量3.1106公斤×给予总质量7.8×108公斤。结构的承载能力，在需要支持本身过剩，是3.1108公斤力等效×。临界屈曲载荷的顶部是4.1，10和9N×，重心（位于七的核心）的临界载荷1.6×109N，超过显著建筑物的自重荷载，包括气体的质量，表明核心是结构稳定的能够支持在10超过6公斤的有效载荷质量的提高。通过进一步的锥形壁的厚度，进一步的设计裕量可以通过降低重心，减小结构的质量，或更高的结构可以被构造。另外，纤芯直径可以是锥形的，基数增加结构的刚度，虽然纤芯直径的变化可能是不可取的电梯设备安装。此外，核心可以分段加压等效无诱导段之间的墙支撑力的不平衡。动梁的使用要求为调查可行性实验验证理论预测。朱，塞思和奎因（2008）研究的理论预测与圆形截面悬臂梁的充气试验[9]比较。对多发射结构性能工作即将。4.2。主动稳定系统图3。电梯的结构主弯曲模式。太空电梯配置，核心结构将沿着线性轴，和设置向心力，重力和外力在水平轴的最小化。该结构的重量和其他的垂直力通过在核心的细胞气动压力抵消。主动控制马—机械是理想的稳定的结构对屈曲或下降和耦合干扰力矩到其他轴。陀螺稳定以引起的扰动力矩施加到也是可取的电梯诱导旋转振荡在电梯核心而不是纵向运动。图3说明了一个典型的模态控制策略。主要控制对核心结构的第一弯曲模式。与质量中心在一个高度H下电梯由外部弯矩B变形必须利用控制法和执行系统，以调整质量这样的态度中心核心结构是一个角度？对正常秩序以抵消干扰。其他结构的弯曲时刻不能取代基本的中心的核心结构质量。因此，核心结构可以通过各种独立控制—在一个波段压力沿核心信息—长度和弯曲模式的时代特征。方便，扩展卡尔曼滤波器不需要的新型衍生物[10]的计算用于预测非线性模型的振幅和相位的弯曲模式描述结构的行为。大地测量传感器的电梯结构的精确定位及其变化率。细胞的压力和负荷测量也提供了能产生系统状态实时估计估计。此外，风荷载和其他强迫进行测量，为了提高系统的动态响应。表1控制性能折衷Leanangleerror(deg)--倾斜角度误差（度）Controlforce(fractionofweight)--控制力（分数的重量）Controlaccuracy(m)--控制精度（m）一个陀螺稳定系统的存在会引起振荡？，有利于控制，它提供了具有时效性的储能—变力矩B如图3所示；振荡可以通过改变气动阻尼器，阻尼在核心结构谐波压力室频率以抑制振荡积极。的能量可以提取阻尼了的压力和体积变化率的产品。典型的控制系统在最初的六弯曲的核心还是联合国时刻的行为—直到结构的弯曲模式可以忽略。的阻尼效应可能是积极的使用高了压力线和通风网络系统和被动通过允许支持气发泄室对车厢沿连接线网。对于主弯曲模式的横向施加的力的核心结构是镁的罪？因此，对于一个。1楼◦力是1/57的倾斜角度重量的力。皮尔森预期峰值风速度—150−性给出一个典型的动态压力18300nm−2施加超过3km的垂直间隔。对于我们的15结构，这相当于一个总的动态3109氮肥×约压力1.5公里以上的结构基础。假设重力是控制稳定的唯一手段，中心结构的重力（7.4km基础以上）会需要为了从垂直2◦倾斜针对这种力量。位于5公里的高度，这是绝对不可能会遇到的结构在现实世界中这样一个大的干扰。马克斯—不利的控制力必须发挥稳定的倾斜角度，确定核心结构在主弯曲模式误差表表1。因此，如果核心的姿态误差结构可以保持在低于0.1◦然后需要从活动的最大反力控制系统是1.3107N×（或1400吨质量等效力）。4.3。压缩机机械除非细胞预压和泄露的情况下—年龄，压缩机站必须加油进入电梯。压缩机站的尺寸可以通过预测和监测室泄漏率时间，包括塔气