起動ループ

ローンチループ、またはロフストロムループは、両端が地球に固定され中央が大気圏上に吊り下げられた鞘の中にある可動ケーブルのようなシステムを使用して物体を軌道に打ち上げるための提案されたシステムです。設計コンセプトはキース・ロフストロムによって発表され、長さ約2,000 km (1,240 mi)で高度最大80 km (50 mi)に維持されるアクティブ構造の磁気浮上ケーブル輸送システムを説明しています。ローンチループは、その周囲を循環するベルトの運動量によってこの高度に保持されます。この循環により、実際には構造物の重量が、それを支える両端に1つずつある一対の磁気軸受に伝達されます。

ロケットループは、5トンの重量の乗り物を電磁的に加速して地球の軌道上またはそれ以上に打ち上げることで、ロケットを使わずに宇宙に打ち上げることを目的としています。これは、大気圏上に加速トラックを形成するケーブルの平らな部分によって実現されます。^[1]

このシステムは、宇宙観光、宇宙探査、宇宙植民地化のために人間を打ち上げるのに適した設計になっており、比較的低い3G加速度を実現している。[ 2 ^]

打ち上げループは、 1981 年 11 月のアメリカ宇宙学会ニュースレターの読者フォーラムと 1982 年 8 月のL5ニュースでキース ロフストロムによって説明されました。

1982年、ポール・バーチは、英国惑星協会誌に軌道リングについて記述した一連の論文を発表し、その中で彼が部分軌道リングシステム（PORS）と呼んだ形式について説明しました。^[3] 打ち上げループのアイデアは、1983年から1985年頃にロフストロムによってより詳細に検討されました。^{[2] [4]}これは、人間を宇宙に打ち上げるのに適した磁気浮上加速トラックを形成するために特別に配置されたPORSの肉付けバージョンですが、軌道リングが超伝導磁気浮上を使用したのに対し、打ち上げループは電磁サスペンション（EMS）を使用します。

島に設置された大型大砲から高層大気圏に向けて砲弾を発射することを考えてみましょう。砲弾は最初の飛行ではほぼ放物線状の軌道を描きますが、抗力によって減速し、より垂直に近い軌道で地球に帰還します。予測される軌道をチューブで囲み、空気を抜くことで、軌道を純粋に弾道的なものにすることができます。このようなチューブを吊り下げることは、軌道の長さによっては大きな問題になります。ただし、少なくとも一時的には、砲弾を使用して揚力を得ることができます。チューブが砲弾の飛行軌道に正確に沿っておらず、わずかに下にある場合、砲弾がチューブを通過すると下向きに押され、チューブに上向きの力が生じます。空中にとどまるには、このシステムでは砲弾を継続的に発射する必要があります。

発射ループは、本質的にはこの概念の連続バージョンです。大砲が砲弾を発射する代わりに、マスドライバーがケーブルを同様の軌道に加速します。ケーブルは真空チューブに囲まれており、電磁石を使用してケーブルを押し下げることで空中に保持されます。ケーブルが軌道の反対側で地球に落下すると、2 番目のマスドライバーによって捕捉され、180 度曲げられ、反対の軌道で再び上方に送り出されます。その結果、チューブを空中に保持しながら継続的に移動する単一のループが完成します。

このシステムを宇宙ロケットとして使用するには、長さ約2,000 km、高さ約80 kmの打ち上げループが必要になる。ループはチューブの形をしており、シースと呼ばれる。シース内には、ベルトやチェーンのようなローターと呼ばれる別の連続チューブが浮かんでいる。ローターは直径約5 cm (2インチ) の鉄のチューブで、ループの周りを毎秒14 km (時速31,000マイル) で回転する。システムを空中に浮かせるにはかなりの揚力が必要で、その結果生じる軌道はローターの自然な弾道軌道よりもはるかに平坦になる。^[2]

ループが故障して地球に落下する可能性があるため、通常は、交通量の多い航路の外側にある 2 つの島の間を走行すると考えられています。

静止しているとき、ループは地上レベルにあります。その後、ローターは加速されて速度を上げます。ローターの速度が上がると、曲線を描いて弧を描きます。構造物は、放物線軌道をたどろうとするローターの力によって支えられています。地上アンカーは、80キロメートルの高さに達すると、構造物を地面と平行にするように強制します。構造物は持ち上げられた後、消費されるエネルギーを克服するために継続的な電力を必要とします。打ち上げられた乗り物に電力を供給するには、追加のエネルギーが必要になります。^[2]

打ち上げでは、ロケットは西ステーションの80km地点の積み込みドックから垂れ下がっている「エレベーター」ケーブルで持ち上げられ、軌道上に載せられる。ペイロードは磁場を印加し、高速回転するローターに渦電流を発生させる。これによりペイロードはケーブルから持ち上げられ、3g（30m/s²）の加速度で引っ張られる。ペイロードはその後ローターに乗って必要な軌道速度に達し、軌道から離れる。^[2]

安定した軌道や円形軌道が必要な場合は、ペイロードが軌道の最高点に到達したら、搭載されたロケットエンジン（「キックモーター」）またはその他の手段を使用して、軌道を適切な地球軌道に円形化する必要があります。^[2]

渦電流技術は小型、軽量、強力だが、効率が悪い。打ち上げごとに、ローターの温度は電力消費により80ケルビン上昇する。打ち上げ間隔が近すぎると、ローターの温度は770℃（1043 K）に近づく可能性があり、その時点で鉄製ローターは強磁性を失い、ローターの保持力が失われる。^[2]

近地点高度が 80 km の閉軌道は急速に崩壊して再突入しますが、このような軌道に加えて、打ち上げループ自体も、脱出軌道、月を通過する重力補助軌道、およびトロヤ群点の近くなどの他の非閉軌道にペイロードを直接投入する能力があります。

打ち上げループを使用して円軌道に到達するには、比較的小型の「キックモーター」をペイロードとともに打ち上げ、遠地点で点火して軌道を円軌道にする。GEO投入には約1.6 km/sのデルタvが必要であり、 LEOを500 kmで円軌道にするにはわずか120 m/sのデルタvが必要である。従来のロケットでは、GEOとLEOに到達するのにそれぞれ約14 km/sと10 km/sのデルタvが必要である。^[2]

ロフストロムの設計では、打ち上げループは赤道近くに設置されており^[2]、赤道軌道にのみ直接アクセスできます。ただし、高高度面の変更、月の摂動、または空気力学的技術を介して、他の軌道面に到達できる可能性があります。

打ち上げループの打ち上げ能力は、最終的にはローターの温度と冷却速度によって1時間あたり80回に制限されますが、そのためには17GWの発電所が必要になります。より控えめな500MWの発電所でも、1日35回の打ち上げには十分です。^[2]

打ち上げループが経済的に実行可能となるためには、十分に大きなペイロード打ち上げ要件を持つ顧客が必要になります。

ロフストロムは、初期費用が約100億ドルで1年で回収できるループなら、年間4万トンの打ち上げが可能で、打ち上げコストを1kgあたり300ドルに削減できると見積もっている。300億ドルで、発電能力が高ければ、ループは年間600万トンの打ち上げが可能になり、5年で回収できるとすれば、打ち上げループで宇宙にアクセスするためのコストは1kgあたり3ドルまで下がる可能性がある。^[5]

宇宙エレベーターと比較すると、この構造は引張強度ではなく、動くループの運動エネルギーで自身の重量を支えることで地球の重力に抵抗するため、新たな高張力材料を開発する必要はありません。

ロフストロムの打ち上げループは、高頻度（天候に左右されず、1 時間あたり多数の打ち上げ）での打ち上げが見込まれており、本質的に汚染物質を排出しません。ロケットは、排気温度が高いため、排気ガス中に硝酸塩などの汚染物質を排出し、推進剤の選択によっては温室効果ガスを発生する可能性があります。電気推進の一形態である打ち上げループはクリーンであり、システムには巨大な電力貯蔵容量が組み込まれているため、地熱、原子力、風力、太陽光、その他の電源（断続的なものも含む）で稼働できます。

ヴァン・アレン帯を数日かけて通過しなければならない宇宙エレベーターとは異なり、ローンチ・ループの乗客は数時間でヴァン・アレン帯の下にある低軌道まで打ち上げられるか、あるいは通過することができる。これは、宇宙エレベーターが浴びる放射線量の約0.5%しか浴びなかったアポロ宇宙飛行士が直面した状況に似ている。^[6]

全長にわたって宇宙デブリや隕石の危険にさらされる宇宙エレベーターとは異なり、ローンチループは空気抵抗により軌道が不安定になる高度に設置されます。デブリは持続しないため、構造物に衝突する機会は 1 回だけです。宇宙エレベーターの崩壊期間は数年程度と予想されますが、このようにループが損傷または崩壊することはまれです。さらに、ローンチループ自体は、事故が発生した場合でも、宇宙デブリの大きな発生源にはなりません。生成されるすべてのデブリは、大気圏を横切るか脱出速度にある近地点にあります。

ロケットループは人間の輸送を目的としており、大多数の人々が十分に耐えられる安全な3Gの加速度を与えるものであり、[ ^2]宇宙エレベーターよりもはるかに速く宇宙に到達する方法となる。

打ち上げループは動作中は静かで、ロケットとは異なり騒音公害を引き起こすことはありません。

最後に、ペイロードコストが低いため、大規模な商業宇宙観光や宇宙植民地化にも適合します。

ループが稼働すると、その直線運動量に極めて大きなエネルギーが蓄えられます。磁気サスペンション システムは冗長性が高く、小さなセクションの故障は基本的に影響がありませんが、大きな故障が発生した場合、ループ内のエネルギー (1.5×10 ¹⁵ ジュールまたは 1.5 ペタジュール) は、核放射線を放出しないにもかかわらず、核爆弾の爆発 ( TNT 換算で 350 キロトン)と同じ総エネルギー放出量に近づきます。

これはかなりの量のエネルギーですが、構造物が非常に大きいため、また故障が検知されたときにエネルギーの大部分が事前に選択された場所に意図的に放出されるため、構造物の多くを破壊する可能性は低いでしょう。パラシュートの使用など、損傷を最小限に抑えてケーブルを高度 80 km から降ろすための手順を踏む必要があるかもしれません。

したがって、安全性と天体力学上の理由から、打ち上げループは居住地から十分離れた赤道近くの海上に設置されることが想定されています。

公開されている発射ループの設計では、電力消費を最小限に抑え、減衰が不十分なケーブルを安定させるために、磁気浮上の電子制御が必要です。

不安定になる主な 2 つのポイントは、ターンアラウンド セクションとケーブルです。

回転子が磁石から離れると磁気吸引力が低下し、近づくと吸引力が増加するため、回転子の向きを変えるセクションは不安定になる可能性があります。どちらの場合も不安定になります。^[2]この問題は、磁石の強さを変える既存のサーボ制御システムで日常的に解決されています。サーボの信頼性は潜在的な問題ですが、回転子の速度が速い場合、回転子の保持力が失われるには、連続した多くのセクションが故障する必要があります。^[2]

ケーブル部分も、力ははるかに小さいものの、この潜在的な問題を共有しています。^[2]しかし、ケーブル/シース/ローターが（ラリアットチェーンに似た）蛇行モードを起こし、振幅が無制限に増加するという追加の不安定性が存在します。ロフストロムは、この不安定性もサーボ機構によってリアルタイムで制御できると考えていますが、これはまだ試みられていません。

アレクサンダー・ボロンキンの著作では、ロフストロムのプロジェクトには多くの未解決の問題があり、現在の技術からは程遠いことが示唆されている。^{[7] [8] [9]}たとえば、ロフストロムのプロジェクトでは、1.5メートルの鉄板の間に伸縮継手がある。それらの速度（重力、摩擦下）は異なる可能性があり、ボロンキンはそれらがチューブに食い込む可能性があると主張している。^[要出典]そして、直径28kmの方向転換セクションの地表での力と摩擦は巨大である。2008年に、^[10]ボロンキンは、現在の技術に適した方法で宇宙装置を打ち上げるために、単純な回転閉ループケーブルを提案した。

もう一つのプロジェクトであるスペースケーブルは、ジョン・ナップマンによる小型設計で、従来のロケットの打ち上げ補助や弾道観光を目的としている。スペースケーブルの設計では、打ち上げループ構造と同様に、連続したローターではなく個別のボルトを使用している。ナップマンは、蛇行不安定性を抑えることができることも数学的に示している。^{[11] [12]}

スカイフックは、別の打ち上げシステムの概念です。スカイフックは、回転式と非回転式のいずれかです。非回転式スカイフックは、低軌道から地球の大気圏のすぐ上まで垂れ下がります（スカイフックのケーブルは地球に接続されていません）。^[13] 回転式スカイフックは、この設計を変更して下端の速度を低下させ、ケーブル全体がその重心の周りを回転します。これの利点は、回転式スカイフックの下端に飛行する打ち上げロケットの速度がさらに低下し、ペイロードがさらに大きくなり、打ち上げコストが低くなることです。これの2つの欠点は、到着した打ち上げロケットが回転式スカイフックの下端にフックアップするまでの時間が大幅に短縮されること（約3〜5秒）と、目的の軌道に関する選択肢がないことです。

ウィキメディア・コモンズには、 Launch loopに関連するメディアがあります。

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• SpaceCable 打ち上げ支援/短距離旅行/レクリエーションの超高高度旅行のための同様のアイデア
• 宇宙エレベーター第 1 段階: 成層圏を通過、ジョン・ナップマン、キース・ロフストロム、マイクロソフト カンファレンス センターでのプレゼンテーション、2011 年 8 月。