運動量交換テザー

運動量交換テザーは、理論的には打ち上げシステムとして、または宇宙船の軌道変更に使用できる宇宙テザーの一種です。運動量交換テザーは、遠心力と呼ばれる疑似力により、システムの端部質量に制御された力を生成します。テザーシステムが回転している間、テザーの両端にある物体は連続的に加速します。加速の大きさは、テザーの長さと回転速度によって異なります。運動量交換は、回転中に端部物体が解放されたときに発生します。解放された物体への運動量の伝達により、回転するテザーはエネルギーを失い、速度と高度が低下します。ただし、電気力学的テザー推進またはイオン推進を使用すると、システムは消費可能な反応質量をほとんどまたはまったく消費せずに再ブーストできます。^[要出典]

非回転テザーは、軌道ごとに正確に 1 回回転し、常に親天体に対して垂直方向を向く回転テザーです。このテザーの下端に到着する宇宙船、または上端から出発する宇宙船は、テザーから運動量を受け取りますが、テザーの下端から出発する宇宙船、または上端に到着する宇宙船は、テザーに運動量を追加します。

場合によっては、運動量交換システムは、到着する宇宙船またはペイロードが同じ速度と質量で出発する宇宙船またはペイロードと交換され、運動量または角運動量の純粋な変化が発生しない、バランスの取れた輸送スキームとして実行されることを目的としています。

重力勾配安定化は、「重力安定化」や「潮汐安定化」とも呼ばれ、電子制御システム、ロケット モーター、推進剤を必要とせず、衛星の姿勢を制御するシンプルで信頼性の高い方法です。

このタイプの姿勢制御テザーは、一方の端に小さな質量があり、もう一方の端に衛星があります。潮汐力により、2 つの質量の間でテザーが引き伸ばされます。潮汐力を説明する方法は 2 つあります。1 つは、システムの上端の質量がその高度の軌道速度よりも速く移動しているため、遠心力によって周回している惑星から遠ざかろうとするものです。同時に、システムの下端の質量はその高度の軌道速度よりも遅く移動しているため、惑星に近づこうとします。最終的には、テザーは常に張力を受け、垂直方向にぶら下がろうとします。単純な衛星は、テザーを使用するか、衛星内で質量を分散させる方法によって、この方法で安定化されることがよくあります。

自由にぶら下がっている物体はどれも、乱されると揺れ始めることがあります。宇宙には揺れを遅くする大気の抵抗がないので、バッフル付きの小さな液体ボトルを宇宙船に取り付けて、液体の粘性摩擦によって振り子の振動を弱めることもできます。

地球の周囲のような強い惑星磁場では、導電性テザーを電気力学的テザーとして構成することができます。これは、衛星の軌道速度を遅くする代わりに衛星に電力を供給するための発電機として使用することも、衛星の電源システムからテザーに電力を供給することで衛星の軌道速度を上げるために使用することもできます。したがって、テザーはロケット推進剤を使用せずに軌道上の宇宙船を加速または減速するために使用できます。^[1]

この技術を回転するテザーで使用する場合、一定の減速力または一定の加速力を生成するために、テザーを流れる電流は、テザーの回転速度と位相を合わせて交互に変化する必要があります。

衛星の速度を遅くするか速くするかにかかわらず、電気力学的テザーは惑星の磁場に逆らって押すため、得られる運動量または失われる運動量は最終的には惑星から来ることになります。

スカイフックは、ペイロードを高高度・高速度まで持ち上げることを目的とした軌道テザー推進の理論上のクラスである。 ^{[2] [3] [4] [5] [6]}単純なスカイフックは本質的に部分的なエレベーターであり、基地局の軌道より下まで伸びており、貨物を持ち上げて軌道に投入することを可能にする。ほとんどの提案では、テザーを回転させてその角運動量が貨物にもエネルギーを供給し、軌道速度以上に加速する一方でテザーを減速させる。その後、何らかの推進力がテザーに適用され、角運動量を取り戻す。^[7]

ボロ、または回転テザーは、軌道ごとに複数回回転し、その端の先端速度がかなり速い（約 1～3 km/秒、または 2,200～6,700 mph、または 3,600～10,800 km/時）テザーです。端の最大速度は、ケーブル材料の強度、テーパー、および設計上の安全係数によって制限されます。

Bolo の目的は、宇宙船に搭載されている推進剤を一切使用せずに、Bolo にドッキングする宇宙船の速度を上げたり下げたりし、宇宙船の軌道飛行経路を変更することです。実質的に、Bolo は、Bolo にドッキングするあらゆる宇宙船の再利用可能な上段として機能します。

Bolo によって宇宙船に与えられる運動量は無料ではありません。Bolo が宇宙船の運動量と移動方向を変えるのと同じように、Bolo の軌道運動量と回転運動量も変化し、このエネルギーは交換する必要があります。この交換エネルギーは、化学ロケット モーターよりも効率的で低コストのソースから得られるという考えです。この交換エネルギーの低コスト ソースとして考えられる 2 つのソースは、イオン推進システム、または Bolo の一部となる電気力学的テザー推進システムです。基本的に無料の交換エネルギー ソースは、ペイロードから集めて反対方向に加速する運動量です。これは、バランスのとれた双方向の宇宙商取引では、推進システムからエネルギーを追加する必要性が非常に少なくなることを示しています。^{[引用が必要]}

ロトベーターは、テザーの下端がテザーの軌道速度よりも遅く動き、上端がテザーの軌道速度よりも速く動くような回転方向を持つ回転テザーです。^{[8]この言葉は、}ローターとエレベーターの単語から派生した造語です。

テザーが十分に長く、回転速度が十分に速い場合、下端がテザーの軌道速度を完全にキャンセルし、テザーが周回している惑星の表面に対して下端が静止する可能性がある。モラベック^{[9] [10]}が説明したように、これは「車輪のように回転する衛星」である。テザーの先端はほぼサイクロイド状に移動し、地面に対して瞬間的に静止する。この場合、静止している瞬間に回転するテザー上の捕捉機構によって「つかまれた」ペイロードは拾い上げられ、軌道上に持ち上げられ、回転の頂点で放出される可能性があり、その時点では脱出速度よりも大幅に速い速度で移動しているため、惑星間軌道上に放出される可能性がある。 (上で説明したボロと同様に、ペイロードに与えられる運動量とエネルギーは、高効率のロケット エンジンを使用するか、反対方向に移動するペイロードから得られる運動量で補う必要があります。)

地球のような大気圏のある天体では、テザーの先端は濃い大気圏より上に留まらなければならない。軌道速度が比較的低い天体（月や火星など）では、低軌道の回転ロケットが地面に接触する可能性があり、それによって安価な地上輸送が可能になるとともに、月近傍空間に物資を打ち上げることも可能になる。2000年1月、ボーイング社はNASA先端概念研究所から委託されていた2段式テザーを含むテザー打ち上げシステムの研究を完了した。^[7]

残念ながら、地球から軌道へのロータリー式ロケットは、現在入手可能な材料では製造できません。ロータリー式ロケットの負荷を処理するための厚みとテザーの質量が不経済なほど大きくなるためです。ただし、回転速度を 3 分の 2 に抑えた「軽量型」ロータリー式ロケットであれば、求心加速度の応力は半分になります。

したがって、より低い応力を実現するためのもう 1 つの方法は、ゼロ速度で地上から貨物を拾い上げるのではなく、ロータリー エンジンで移動中の乗り物を拾い上げて軌道に乗せることです。たとえば、ロータリー エンジンはマッハ 12 の航空機を地球の上層大気から拾い上げてロケットを使わずに軌道に乗せることができ、同様にそのような乗り物を捕まえて大気圏に降ろすこともできます。ロケットの方が低い先端速度を達成するのは簡単なので、「シングル ステージ トゥ テザー」が提案されています。^[11]その 1 つは、極超音速飛行機宇宙テザー軌道打ち上げ (HASTOL) と呼ばれています。^[7]エア ブリージングまたはロケット トゥ テザーのどちらでも、飛行ごとに燃料を大幅に節約でき、乗り物をよりシンプルにし、より多くの貨物を搭載できます。

テザーズ・アンリミテッド社（ロバート・フォワードとロバート・P・ホイトが設立）^[12]は、このアプローチを「テザー・ローンチ・アシスト」と呼んでいる。^{[13]これは}スペース・ボーラとも呼ばれている。^[14]しかし、同社の目標は2020年現在、軌道離脱支援モジュールと海洋テザーへと移っている。^{[15] [16]}

2013年の「テザー打ち上げ支援」コンセプトの調査では、十分に高い（約10W/kg）出力対質量比を持つロータリーロケットが開発されれば、このコンセプトは近い将来にわずかに経済的になる可能性があることが示唆されている。^[17]

宇宙エレベーターは、惑星本体に取り付けられた宇宙テザーです。たとえば、地球上では、宇宙エレベーターは赤道から静止軌道よりはるかに高い高度まで移動します。

宇宙エレベーターは、必要な角運動量を惑星本体から得るため、ロータリー式エレベーターのように動力を必要としない。欠点は、はるかに長いことと、多くの惑星では既知の材料で宇宙エレベーターを建設できないことである。地球上の宇宙エレベーターには、現在の技術的限界を超える材料強度が必要となる（2014年）。^{[18] [19] [20]ただし、} 火星と月の宇宙エレベーターは現代の材料で建設できる可能性がある。^[21]フォボスの宇宙エレベーターも提案されている。^[22]

宇宙エレベーターは、ロータリー式エレベーターよりも位置エネルギーが大きく、重い部品（「落としたレンチ」など）が落下すると、急角度で再突入し、軌道速度に近い速度で表面に衝突する。予想されるほとんどの設計では、ケーブル部品自体が落下すると、地面に当たる前に燃え尽きる。

これには一定のエネルギー投入が必要であると思われるかもしれないが、実際には月の表面から貨物を持ち上げて地球の低い軌道に落とす方がエネルギー的に有利であることが示されており、月の表面は比較的高い位置エネルギー状態にあるため、推進剤をほとんど使用せずにこれを達成することができる。また、このシステムは、積荷の質量の28倍未満の総質量で構築することができる。^{[23] [24]}

したがって、ロータベーターは運動量交換によって充電できる。運動量充電では、ロータベーターを使用して、重力場の「高い」場所から「低い」場所へ質量を移動させる。これを行う技術は、オーベルト効果を使用する。オーベルト効果では、テザーがより高速で移動しているときにペイロードを解放すると、重力ポテンシャルが低く、比エネルギーが高くなり、最終的には、回転速度が同じであっても、より高い重力ポテンシャルでペイロードを拾うときに失われるエネルギーよりも速度が速くなる。たとえば、2つまたは3つのロータベーターのシステムを使用して、月と地球の間で貿易を実装することが可能です。ロータベーターは、地球上または地球の近くに投棄された月の質量（輸出が利用できない場合は土）によって充電され、得られた運動量を使用して地球の商品を月に押し上げることができます。運動量とエネルギーの交換は、どちらの方向にも等しい流れでバランスをとることも、時間の経過とともに増加することもできます。

同様のロータリー式輸送システムは、理論的には太陽系全体にわたる安価な輸送手段の実現を可能にする可能性がある。

テザーケーブルカタパルトシステムは、2本以上の長い導電性テザーが一直線上に固定され、重い物体に取り付けられているシステムです。テザーに電力が供給され、リニアマグネットモーターを搭載した車両によって受信され、車両はケーブルに沿って自らを押し進めます。ケーブルの端の近くで車両はペイロードを解放し、減速して停止しますが、ペイロードは非常に高速で進みます。このシステムの計算上の最大速度は非常に高く、ケーブル内の音速の30倍以上です。30 km/s（67,000 mph、110,000 km/h）を超える速度も可能と思われます。^[25]

• ヨーヨーの回転を止めます