حلقة الإطلاق

حلقة الإطلاق أو حلقة لوفستروم بالإنجليزية: (Launch loop or Lofstrom loop) هو نظام مقترح لإطلاق الأجسام إلى المدار باستخدام نظام يشبه الكابل المتحرك، موجود داخل غلاف متصل بالأرض عند طرفيه ومرتفع فوق الغلاف الجوي في منتصفه. تم نشر مفهوم التصميم هذا من قبل كيث لوفستروم ويصف نظام نقل مغناطيسي ذو هيكل نشط يشبه الكابل، يبلغ طوله حوالي 2000 كيلومتر (1240 ميل) ويُحافظ على ارتفاع يصل إلى 80 كيلومترًا (50 ميلًا). يتم إبقاء حلقة الإطلاق عند هذا الارتفاع بواسطة زخم حزام يدور حول الهيكل. هذا الدوران، في effect، ينقل وزن الهيكل إلى محامل مغناطيسية، واحدة في كل طرف، تدعمه.

صُممت حلقات الإطلاق لتحقيق إطلاق فضائي غير صاروخي للمركبات التي تزن 5 أطنان متروية من خلال تسريعها كهرومغناطيسيًا بحيث تُقذف إلى مدار أرضي أو حتى إلى ما بعده. سيتم تحقيق ذلك عن طريق الجزء المسطح من الكابل الذي يشكل مسار تسريع فوق الغلاف الجوي. صُمم النظام ليكون مناسبًا لإطلاق البشر من أجل سياحة الفضاء، واستكشاف الفضاء، واستعمار الفضاء، ويوفر تسارعًا نسبيًا منخفضًا يبلغ 3 قوى جي.

 التاريخ 

وصفة حلقات الإطلاق من قبل كيث لوفستروم في منتدى القراء لنيوز ليتر الجمعية الفلكية الأمريكية في نوفمبر 1981، وفي عدد أغسطس 1982 من L5 نيوز. في عام 1982، نشر بول بيرش سلسلة من الأوراق البحثية في مجلة الجمعية البريطانية بين الكواكب وصف فيها الحلقات المدارية ووصف شكلاً أسماه نظام الحلقة المدارية الجزئية .

تم العمل على فكرة حلقة الإطلاق بتفصيل أكبر حوالي عام 1983-1985 بواسطة لوفستروم.مجلة Analog، ديسمبر 1983 إنها نسخة مفصلة من نظام الحلقة المدارية الجزئية مُرتبة خصيصًا لتشكل مسار تسريع مغناطيسي مناسب لإطلاق البشر إلى الفضاء، ولكن بينما استخدمت الحلقة المدارية الرفع المغناطيسي فائق التوصيل، تستخدم حلقات الإطلاق التعليق الكهرومغناطيسي .

 الوصف 
تصغير|يسار|قسم المسرع في حلقة الإطلاق (لم يتم عرض كابل العودة)
تخيل مدفعًا كبيرًا على جزيرة يطلق قذيفة إلى الغلاف الجوي العلوي. ستتبع القذيفة مسارًا شبه قطعي في الرحلة الأولية، ولكن السحب الجوي سيُبطئ القذيفة ويتسبب في عودتها إلى الأرض في مسار أكثر عمودية. يمكن جعل المسار باليستيًا بحتًا عن طريق إحاطة المسار المتوقع بأنبوب وإزالة الهواء. سيكون تعليق مثل هذا الأنبوب مشكلة كبيرة اعتمادًا على طول المسار. ومع ذلك، يمكن استخدام القذيفة لتوفير قوة الرفع هذه، على الأقل مؤقتًا. إذا لم يكن الأنبوب على طول مسار طيران القذيفة بالضبط، ولكن أسفله قليلاً، فعندما تمر القذيفة عبر الأنبوب، سيتم دفعها للأسفل، مما ينتج قوة تصاعدية على الأنبوب. للبقاء عاليًا، سيتطلب النظام استمرار إطلاق القذائف. حلقة الإطلاق هي في الأساس نسخة مستمرة من هذا المفهوم. بدلاً من مدفع يطلق قذيفة، فإن مسرع الكتلة يُسرع كابلًا إلى مسار مماثل. يُحاط الكابل بأنبوب مفرغ من الهواء، والذي يُبقي مرتفعًا عن طريق الدفع على الكابل باستخدام الكهرومغناطيسات. عندما يعود الكابل إلى الأرض عند الطرف الآخر للمسار، يتم التقاطه بواسطة مسرع كتلة ثاني، ثنيّه بزاوية 180 درجة، وإرساله مرة أخرى إلى الأعلى في المسار المعاكس. والنتيجة هي حلقة واحدة تسافر باستمرار وتحافظ على ارتفاع الأنبوب.

لاستخدام النظام كقاذف فضائي، ستكون حلقة الإطلاق حوالي 2000 كم طولاً و 80 كم ارتفاعاً. ستكون الحلقة على شكل أنبوب، يُعرف باسم الغلاف. وتطفو داخل الغلاف أنبوب مستمر آخر، يُعرف باسم الدوار وهو نوع من الحزام أو السلسلة. الدوار هو أنبوب حديد يبلغ قطره حوالي 5 سم (2 بوصة)، يتحرك حول الحلقة بسرعة 14 كم/ثانية (31000 ميل في الساعة). يتطلب إبقاء النظام مرتفعًا قدرًا كبيرًا من الرفع، والمسار الناتج يكون أكثر استواءً بكثير من المسار الباليستي الطبيعي للدوار.

بسبب إمكانية فشل الحلقة وسقوطها على الأرض، يُنظر إليها عادةً على أنها تعمل بين جزيرتين خارج طرق الشحن البحرية المزدحمة.

 القدرة على البقاء عاليًا 
عند السكون، تكون الحلقة عند مستوى سطح الأرض. ثم يتم تسريع الدوار حتى الوصول إلى السرعة. مع زيادة سرعة الدوار، فإنه ينحني ليشكل قوسًا. يتم رفع الهيكل بقوة من الدوار، الذي يحاول اتباع مسار قطعي. تجبره المراسي الأرضية على السير بشكل موازٍ للأرض عند الوصول إلى ارتفاع 80 كيلومترًا. بمجرد الرفع، يتطلب الهيكل طاقة مستمرة للتغلب على الطاقة المُبددة. ستكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية لتشغيل أي مركبات يتم إطلاقها.

 إطلاق الحمولات 
للإطلاق، يتم رفع المركبات على 'مصعد' كابل يتدلى من رصيف التحميل في المحطة الغربية على ارتفاع 80 كم، ووضعها على المسار. تُطبق الحمولة مجالًا مغناطيسيًا يولد تيارات دوامية في الدوار سريع الحركة. هذا يرفع الحمولة بعيدًا عن الكابل، وكذلك يسحب الحمولة مع تسارع بقوة 3 جي (30 م/ث²). ثم تركب الحمولة الدوار حتى تصل إلى السرعة المدارية المطلوبة، وتترك المسار. إذا كانت هناك حاجة إلى مدار مستقر أو دائري، فبمجرد وصول الحمولة إلى أعلى جزء من مسارها، هناك حاجة إلى محرك صاروخي مساعد ("ركلة") أو وسائل أخرى لتدوير المسار إلى المدار الأرضي المناسب.

تقنية التيار الدوامي مضغوطة وخفيفة الوزن وقوية، ولكنها غير فعالة. مع كل إطلاق، تزداد درجة حرارة الدوار بمقدار 80 كلفن بسبب تبدد الطاقة. إذا تم تباعد عمليات الإطلاق بشكل متقارب جدًا، يمكن أن تقترب درجة حرارة الدوار من 770 درجة مئوية (1043 كلفن)، وعند هذه النقطة يفقد الدوار الحديدي خصائصه المغناطيسية الحديدية ويتم فقدان احتواء الدوار.

 السعة والقدرات 
تتضاءل المدارات المغلقة ذات الحضيض 80 كم بسرعة وتعود إلى الدخول، ولكن بالإضافة إلى هذه المدارات، ستكون حلقة الإطلاق بمفردها قادرة أيضًا على حقن الحمولات مباشرة في مدارات الهروب، ومسارات مساعدة الجاذبية بالقمر، وغيرها من المدارات غير المغلقة مثل تلك القريبة من نقاط لاغرانج. للوصول إلى المدارات الدائرية باستخدام حلقة إطلاق، ستحتاج إلى إطلاق 'محرك ركلة' صغير نسبيًا مع الحمولة والذي سيشتعل عند الأوج وسيدور المدار. للإدخال في المدار الجغرافي المتزامن جي اي او سيحتاج هذا إلى توفير دلتا-في حوالي 1.6 كم/ثانية، ولتدوير المدار الأرضي المنخفض (LEO) عند 500 كم سيتطلب دلتا-في تبلغ 120 م/ث فقط. تتطلب الصواريخ التقليدية دلتا-في تبلغ تقريبًا 14 و 10 كم/ثانية للوصول إلى المدار الجغرافي المتزامن والمدار الأرضي المنخفض على التوالي.

يتم وضع حلقات الإطلاق في تصميم لوفستروم بالقرب من خط الاستواء ويمكنها الوصول مباشرة فقط إلى المدارات الاستوائية. ومع ذلك، قد يتم الوصول إلى مستويات مدارية أخرى عبر تغييرات مستوى عالية الارتفاع، أو اضطرابات قمرية، أو تقنيات هوائية ديناميكية. السعة القصوى لمعدل الإطلاق لحلقة الإطلاق محدودة في النهاية بدرجة حرارة ومعدل تبريد الدوار إلى 80 في الساعة، ولكن ذلك سيتطلب محطة طاقة بقدرة 17 جيجاواط؛ محطة طاقة أكثر تواضعًا بقدرة 500 ميجاواط كافية لـ 35 إطلاقًا في اليوم.

 الجدوى الاقتصادية 
لكي تكون حلقة الإطلاق مجدية اقتصاديًا، ستتطلب عملاء ذوي متطلبات إطلاق حمولة كبيرة بما يكفي.

يقدر لوفستروم أن الحلقة الأولية التي تكلف حوالي 10 مليارات دولار مع فترة سداد مدتها عام واحد يمكنها إطلاق 40,000 طن متري سنويًا، وتخفض تكاليف الإطلاق إلى 300 دولار/كجم. مقابل 30 مليار دولار، مع قدرة أكبر لتوليد الطاقة، ستكون الحلقة قادرة على إطلاق 6 ملايين طن متري سنويًا، ونظرًا لفترة سداد مدتها خمس سنوات، يمكن أن تصل تكاليف الوصول إلى الفضاء باستخدام حلقة الإطلاق إلى 3 دولارات/كجم فقط.شرائح عرض حول حلقة الإطلاق لمؤتمر ISDC2002 

 المقارنات 

 مزايا حلقات الإطلاق 
مقارنة بالمصاعد الفضائية، لا يلزم تطوير مواد جديدة عالية الشد، حيث أن الهيكل يقاوم جاذبية الأرض من خلال دعم وزنه الخاص بالطاقة الحركية للحلقة المتحركة، وليس بقوة الشد. من المتوقع أن تطلق حلقات لوفستروم الإطلاق بمعدلات عالية (عدة عمليات إطلاق في الساعة، بغض النظر عن الطقس)، وليست ملوثة بطبيعتها. تخلق الصواريخ تلوثًا مثل النترات في عوادمها بسبب ارتفاع درجة حرارة العادم، ويمكن أن تخلق غازات دفيئة اعتمادًا على اختيارات الوقود. يمكن أن تكون حلقات الإطلاق كشكل من أشكال الدفع الكهربائي نظيفة، ويمكن تشغيلها بالطاقة الحرارية الأرضية أو النووية أو الرياح أو الشمسية أو أي مصدر طاقة آخر، حتى المتقطع منها، حيث أن النظام يحتوي على سعة تخزين طاقة هائلة مدمجة.

على عكس المصاعد الفضائية التي يجب أن تمر عبر أحزمة فان آلن الإشعاعية على مدى عدة أيام، يمكن إطلاق الركاب عبر حلقة الإطلاق إلى مدار أرضي منخفض، وهو أسفل الأحزمة، أو من خلالها في بضع ساعات. سيكون هذا مشابهًا للوضع الذي واجهه رواد فضاء أبولو، الذين تلقوا جرعات إشعاعية حوالي 0.5٪ مما سيتعرض له مستخدمو المصعد الفضائي.

على عكس المصاعد الفضائية التي تتعرض لمخاطر الحطام الفضائي والنيازك على طولها بالكامل، يتم وضع حلقات الإطلاق على ارتفاع حيث تكون المدارات غير مستقرة بسبب السحب الجوي. نظرًا لأن الحطام لا يستمر، فإن لديه فرصة واحدة فقط لاصطدامه بالهيكل. بينما من المتوقع أن تكون فترة انهيار المصاعد الفضائية في حدود سنوات، فمن المتوقع أن يكون الضرر أو الانهيار للحلقات بهذه الطريقة نادرًا. بالإضافة إلى ذلك، فإن حلقات الإطلاق نفسها ليست مصدرًا كبيرًا للحطام الفضائي، حتى في حالة وقوع حادث. كل الحطام الناتج له حضيض يتقاطع مع الغلاف الجوي أو يكون بسرعة إفلات. صُممت حلقات الإطلاق لنقل البشر، لتوفر تسارعًا آمنًا بقوة 3 جي يمكن لغالبية الناس تحمله جيدًا، وستكون طريقة أسرع بكثير للوصول إلى الفضاء من المصاعد الفضائية.ستكون حلقات الإطلاق هادئة في التشغيل، ولن تسبب أي تلوث ضوضائي، على عكس الصواريخ.

أخيرًا، فإن تكاليف الحمولة المنخفضة الخاصة بها متوافقة مع سياحة الفضاء التجارية واسعة النطاق وحتى استعمار الفضاء.

 صعوبات حلقات الإطلاق 
تحتوي الحلقة العاملة على كمية هائلة جدًا من الطاقة في زخمها الخطي. بينما سيكون نظام التعليق المغناطيسي فائضًا للغاية، مع عدم وجود تأثير يذكر لفشل الأقسام الصغيرة، إذا حدث فشل كبير، فإن الطاقة في الحلقة (1.5×1015 جول أو 1.5 بيتاجول) ستقترب من إجمالي الطاقة المنطلقة في انفجار قنبلة نووية (ما يعادل 350 كيلوطن من مادة تي إن تي)، على الرغم من أنها لا تنبعث منها إشعاعات نووية. على الرغم من أن هذه كمية كبيرة من الطاقة، فمن غير المرجح أن يدمر هذا الكثير من الهيكل بسبب حجمه الكبير جدًا، ولأن معظم الطاقة سيتم تفريغها عمدًا في أماكن محددة مسبقًا عند اكتشاف الفشل. قد تكون هناك حاجة لاتخاذ خطوات لخفض الكابل من ارتفاع 80 كم بأقل ضرر، مثل استخدام المظلات. لذلك، لأسباب تتعلق بالسلامة والديناميكا الفضائية، من المقرر تركيب حلقات الإطلاق فوق محيط قرب خط الاستواء، بعيدًا عن المناطق المأهولة. يتطلب التصميم المنشور لحلقة الإطلاق تحكمًا إلكترونيًا في الرفع المغناطيسي لتقليل تبدد الطاقة واستقرار الكابل الذي يكون غير مُخمد بطبيعته. النقطتان الرئيسيتان لعدم الاستقرار هما أقسام الدوران والكابل.

أقسام الدوران غير مستقرة محتملة، حيث أن حركة الدوار بعيدًا عن المغناطيسات تعطي جذبًا مغناطيسيًا مخفضًا، بينما الحركات الأقرب تعطي جذبًا متزايدًا. في كلتا الحالتين، يحدث عدم استقرار. يتم حل هذه المشكلة بشكل روتيني بأنظمة التحكم المؤازر الحالية التي تختلف من قوة المغناطيسات. على الرغم من أن موثوقية المؤازر مشكلة محتملة، إلا أنه عند السرعة العالية للدوار، ستحتاج العديد من الأقسام المتتالية إلى الفشل لفقدان احتواء الدوار.

تشارك أقسام الكابل أيضًا هذه المشكلة المحتملة، على الرغم من أن القوى أقل بكثير. ومع ذلك، يوجد عدم استقرار إضافي يتمثل في أن الكابل/الغلاف/الدوار قد يخضع لأنماط تمايل تنمو في السعة دون حد. يعتقد لوفستروم أن هذا عدم الاستقرار يمكن أيضًا التحكم فيه في الوقت الحقيقي بواسطة آليات مؤازرة، على الرغم من أنه لم يتم ذلك أبدًا.

 التصاميم المنافسة والمشابهة 
في أعمال ألكسندر بولونكين، يُقترح أن مشروع لوفستروم به العديد من المشاكل غير المحلولة وأنه بعيد جدًا عن التكنولوجيا الحالية.Journal of the British Interplanetary Society, Vol. 56, 2003, No.9/10, pp.314-327وأن قوة الاحتكاك في أقسام الدوران الأرضية التي يبلغ قطرها 28 كم هائلة. في عام 2008،Bolonkin A.A., New Concepts, Ideas, and Innovations in Aerospace, Technology and Human Science, NOVA, 2008, 400 pgs. اقترح بولونكين كابلًا دائريًا مغلقًا بسيطًا الدوران لإطلاق المركبات الفضائية بطريقة مناسبة للتكنولوجيا الحالية. مشروع آخر، وهو كابل الفضاء، هو تصميم أصغر بواسطة جون نابمان مخصص للمساعدة في إطلاق الصواريخ التقليدية والسياحة دون المدارية. يستخدم تصميم كابل الفضاء مسامير منفصلة بدلاً من دوار مستمر، كما في بنية حلقة الإطلاق. كما أظهر نابمان رياضياً أنه يمكن ترويض عدم استقرار التمايل.

الخطاف السماوي هو مفهوم نظام إطلاق آخر. يمكن أن يكون الخطاف السماوي دوارًا أو غير دوار. الخطاف السماوي غير الدوار يتدلى من مدار أرضي منخفض إلى ما فوق الغلاف الجوي للأرض مباشرة (كابل الخطاف السماوي غير متصل بالأرض). يغير الخطاف السماوي الدوار هذا التصميم لتقليل سرعة الطرف السفلي؛ حيث يدور الكابل بالكامل حول مركز جاذبيته. ميزة ذلك هي تقليل أكبر للسرعة للمركبة الإطلاق التي تطير إلى الطرف السفلي للخطاف السماوي الدوار مما يعني حمولة أكبر وتكلفة إطلاق أقل. عيبي هذا هما: الوقت المتاح للمركبة الإطلاق الواصلة للالتقاط بالطرف السفلي للخطاف السماوي الدوار (حوالي 3 إلى 5 ثوانٍ تقريبًا)، وعدم وجود خيار فيما يتعلق بالمدار الوجهة.

 انظر أيضًا 
 إطلاق فضائي غير صاروخي
 حلقة مدارية
 سياحة الفضاء
 ستارترام

 المراجع 

تصنيف:تقنية افتراضية
تصنيف:إطلاق فضائي غير صاروخي