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軌道エレベータは往還以外でも低コストで使えますか
軌道エレベータの輸送コストについて触れている文書では、 大抵、非常に低い、というようなことが書かれいます。 建設資材の持ち上げなど、上昇のみの需要も見込めるはずで その総量が軌道エレベータの総重量に比べ十分小さいとは限らないでしょう。 軌道エレベータの減速を補う必要が出てくるはずです。 燃料を持ち上げる必要があるのはロケットと変わらず、 現行ロケット比でもそれなりのエネルギー消費になりませんか? 非常に高効率で低コストな増速方法が使えるということでしょうか。 それとも、往還以外に軌道エレベータを使う予定は無いのでしょうか。 専門家の方々は具体的にどうお考えなのでしょう。
- wek00
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- 科学
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往還の質量差が有る場合は静止衛星側で速度制御 が必要です。その為には燃料だけ補給すれば良い。 ロケットだと機体とエンジンまで要します。 考えの順番として最初は燃料輸送に価値が在る。 次が貨物や人員輸送。 質問のとおり地上から質量を上げれば増速が必要。 地上のエレベーターと勘違いしてはならない。 地上では建物との摩擦力で増速しているのですから。 それだけの剛性がどんな建物にも有る。 だからエレベーターの剛性により燃料の必要量が異なる。 充分な剛性とすれば燃料は要らない。 しかしこの大距離でどれほどの剛性が可能か? 今のところ引っ張り応力を高く設計し静止衛星軌道の 上下で対処し不足分を燃料で制御する考えが普通。 実際にはエレベーター軌道の途中に推力装置を備える。 私が思うにこんな物より電磁射出機の方が実用的と思う。 第一弾ロケット分の速度を射出するだけでも大成果。
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- 中村 拓男(@tknakamuri)
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うーん、不可解な議論がはびこってますね。 エレベータの各部分の周回速度は、重力と張力の勾配で決まるので その分布がどうなるかを求めないと必要な速度も安定性もわかりません。 詳細なモデルの検討と数値シミュレーションが必要です。 また重量物をエレベータで持ち上げると、角運動量保存則から、 エレベータが傾くのは自明ですが、それを起き上がらせるトルクが エレベータ全体に働くのも、ちょっと考えればわかる話です。 以上。
お礼
> ちょっと考えればわかる なんとなくイメージすることは出来てもそこまでなのです。 何せ私はとっても「頭がいい」もので。 > 詳細なモデルの検討と数値シミュレーションが必要 今以上の答えを求めるなら、そうなりますよね。 パソコンとフリーソフトで素人でも簡単にシミュレーションが出来る、いい時代になったものです。 ただ、正しいシミュレーションを行うのは私にとっては非常に敷居が高いことです。 * * * * 最後に回答者の皆様に。 理解を深めることができ大変有意義でした。 ありがとうございました。
- kawasemi60
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軌道の接線速度で考えて見ましょう~ 静止衛星軌道の速度をAとします。100キロ宇宙側 の速度をBとする。ここで地球脱出速度を比べると・・・ AよりBの速度が小さい。 つまり静止より100キロ宇宙側で静止と同じ速度 を出せば速度差で計算された遠心力が宇宙側に働きます。 ケーブルで衛星とつないで同期すれば遠心力は静止衛星 にも働き宇宙側に移動する力となる。 同期というのは同一の角速度、たとえば0.001ラジアン/秒 という事で有り同じ角度の変化を意味します。 地上から質量を上げれば確かに衛星は水平速度を減速しますが 位置と高度を維持する推力により安定した状態に制御できる。 普通のエレベーターは上昇時に摩擦力で速度が増大します。 ビルの1階より100階の方が接線速度は大きい。 だから遠心力で重さが軽くなります。 軌道エレベーターも摩擦で貨物が上昇に伴い加速される。 100階のビルで普通にエレベーターが使えますよね。 400キロの高さのビルと思えば良いのです。 ロケットは地上で一番重いのですが上昇に従って軽くなる。 地上速度を持ったまま上昇するので遠心力が重力の一部を 打ち消すから。急いで高く上る為に垂直に上昇します。 普通は第一段ロケットで垂直上昇し第二弾で水平速度を出す。 赤道近くの打ち上げが有利なのは地上速度を利用出来るから。
- masaban
- ベストアンサー率36% (64/177)
こんにちは 今日は張力について回答しましょう。 サイトポリシーは回答にうまれた質問は新たな設問をする決まりだそうです。 でも回答者のかたがたに新たな設問を立てる様に提案してもいまだにお聞き入れがないので質問者にはすみませんがこの場を借りて回答します。 質問者様にもこの回答がより理解の足しになるはずです。 まず王手がすでにかかり将棋はつんでいるのです。 2015-01-07 17:41:36 回答者No.12masabanで >「宇宙エレベータは高度を稼いだのですが、水平速度を荷物に与えたわけではありません。そして高度が高いからといってそれだけで荷物の水平速度は増減しないのです。・・遠心力を得るためには周回軌道接線方向の速度が必要です。・・ 水平速度を荷物に与えるには水平方向の加速度が必要ですが、エレベータにはそれがありません。・・加速というのは・・定速でも運動の進行方向が変化した瞬間に加速作用が働いています。その加速作用が地球の引力と釣り合い、遠心力となるのです。その加速のために周回軌道の高度によってちょうど良い水平速度が存在します。 しかし軌道エレベータはそんな水平の力を荷物に与えてくれないのです。」 と説明した通り宇宙エレベータ、軌道エレベータは高度を稼いでも、その周回軌道を維持するための慣性速度をその荷物に与えていないから運用が不可能です。 1万歩譲って建設できたとした時、機能しない原因は、なぜなら宇宙エレベータで宇宙の高さまで昇っても水平速度をエレベータが与えないからです。衛星軌道とは永遠に落ちない自由落下運動といわれています。衛星が落ちないのは地球間の万有引力に逆らう力を常に軌道接線方向の水平速度を持った衛星の運動から、遠心力と呼ばれる見かけの力を引力に反対向きに釣り合わせるので周回軌道を維持するのです。衛星の水平速度に達しない物体は普通の自由落下をします。 荷物がエレベータの床板に乗って上がりきって、荷物が宇宙の衛星になろうとしても軌道の前進方向の軌道円周接線に平行な水平速度を全く得ていない荷物は、自由落下するのです。 地球からの引力は宇宙の果てまで届きます。水平速度の無い荷物には遠心力を期待できません。静止衛星が無重力でも、荷物には引力が働いているので自由落下するのです。 水平速度をエレベータが得られないのは、高層ビルのエレベータで水平な床にボールを置いてみれば実験できます。高度を上昇するだけで水平速度を得ることができるなら、ボールは地球の自転により転がり出すはずですが、水平な床である限り、ボールが転がり出すことはありません。 でもへぼ将棋なのでまだ歩が逃げ歩いていますから、それぞれ潰してみます。 #16回答者tknakamuri様から >・・ 相変わらず張カの話がすっぽり抜けおちてますね。 向心力は重カと張カ勾配で決まります。 宇宙エレベータはけっして機能しないし、決して建設できません。なぜ建設できないか説明しましょう。 「宇宙エレベーター計画では減速してケーブルを地球に近づけ静止衛星から吊り下げられる形で地上に降下していく、このとき下側のケーブルに落下方向の力が働くので、上側にもケーブルを伸ばして、カウンターウエイトによる上昇方向の遠心力を利用して静止軌道維持を行いたい?」 遠心力について再考すべきです。できないことをお考えです。説明しましょう。 静止衛星はおよそ24時間で地球を1周する周期で衛星軌道を運動しています。角速度で言うと360°/日です。高度をそれよりも高い軌道はそれよりも早い水平速度なんですが、角速度から見ると静止衛星よりも遅い角速度で運動します。低い軌道は逆に遅い水平速度なんですが、角速度から見ると静止衛星よりも早い角速度で運動します。 身近な角速度の表れた運動は時計の長針と短針です。そして角速度にはそれぞれの大小があります。短針は1日に2周するので720°/日の角速度です。長針は1日に24周するので8640°/日の角速度です。短針も長針も正時から開始して長針は短針を何度も追いつき追い越し、1日の間に24回重なります。 時計の針たちと同じようにカウンターウェイトは静止衛星よりも遅いので、だんだん遅れしまいには静止衛星の頭の上まで軌道を周回して先端がまたもう一度頭の上に見えてきます。数か月たつと、何週にもロープが頭の上を横切っています。ぜんまいバネが巻くように、すもうとりの帯が幾重にも腹に巻かれているように、幾重にもなるかもしれません。困りませんか?巻かれたくないなら、短い距離のうちに、好きな重さの衛星を静止衛星よりも高高度に置かなくてはなりません。まだエレベータが上がってない段階から静止衛星に加えてもう一つカウンターウェイト用衛星を打ちげないとならなくなって不経済です。 宇宙エレベータの運用中では荷物をエレベータで上昇させて衛星まで運ぶたび、カウンターウェイトが必要になり、蓄積させて毎回余計に載せなくてはなりません。カウンターを増やして載せるため、宇宙上には用意がないのですから、そのたびにもう一つカウンターウェイト用衛星を打ち上げるロケットが必要です。 「上側ケーブルも先端に推進器をつけ、増速により高い軌道に上がり必要な遠心力を得るということです。これにより各高度ごとの周回軌道速度の過不足分をケーブル張力で融通しあって全体で静止(軌道)維持をするつもり」でしょうか。できません。 しょうがないので、速度を足すためにカウンターウェイトにもスラスタ推進器を取り付け、噴射したとしましょう。 さて静止衛星とカウンターの関係はテニスの練習ボールに似ています。練習ボールはボールに紐やゴムひもが繋がれ、地面に固定されており、ラケットで打っても遠くに飛ばず、ゴムの力があると手もとまで弾みながら戻ってきます。 ゴムが無くてただの紐でボールをつないでみましょう。ラケットで打たれたボールは紐の長さまで飛びますが、その場にストンと落ちることでしょう。 ボールは打たれた瞬間に運動速度を持つのですが、紐の端で運動速度が無く速度0で止まってしまったのです。 当然同じようにカウンターウェイトは落下の下側ケーブルを最初は引くのですが、ただちに運動速度速度0を目指して減速してしまいます。 減速してしまったカウンターウェイトは静止衛星の高度に降りてきます。 ところが一瞬たりとも休まずカウンターウェイトで引かなくてはなりません。同じ速度角速度の同じ重さのカウンターウェイトが必要なので、打ち上げロケット燃費はその軌道までカウンターウェイトを普通に打ち上げることに変わりないどころか、永遠に切れ目なく噴射を続けなくてはいけなくなります。 不経済なスラスタ推進器ですが、これは荷物を静止衛星まで上げたわけでもなく、ロープを引くためだけの用途で噴射しているのです。ところがロープは建設後いつまでも永遠に強い張力を維持し続けなくてはならないので、噴射を止めるわけにいきません。かなりの噴射で強い張力を発生させるのでしょう。 やっとつるをつがえた強い弓でも矢をつがえて構えてみれば簡単に引き絞れるように簡単に伸びてエレベータが通れないほど曲がってしまいます。それを防ぐにはカウンターウェイトのスラスタ推進器ではとんでもない推力が必要なわけです。おまけに張力を緩めてはいけないので宇宙エレベータを維持している期間中連続して推進器を運転し続けなくてはならないので、同じ重さのロケットを地上から軌道まで1回飛ばした以上のいつまでも減らせぬ噴射です。 荷物を載せて運用し始めたら、エレベータの荷物は水平速度0だったのに静止衛星高度では大きな速度を持たねば成功させられません。荷物の水平速度0ではロープをさらに強く引き絞らねばなりません。 ところが玉掛け作業で常識となっているようにロープと鉛直線、水平線で作る三角形がたとえば、1:1.71:2になっていると張力が最大2倍になるのですから、もっと荷物の水平速度が遅いせいでロープが水平まで傾けば無限大に力が増倍されるかもしれません。ロープが切れるか、スラスタエンジンが焼けきれるかどちらかです。 肝心の燃料節約もできず、カウンターは巻つき、エレベータは昇らぬし、軌道についた荷物は水平速度が無いので落下します。何も実現できません。 そしてカーボンナノチューブは導電性なので、周回軌道上の物質に巻きついていると落下して宇宙のゴミとして燃焼して消えるのです。そういう正しい利用法と間違った宇宙エレベータが両立するはずがありません。
お礼
> 回答にうまれた質問は新たな設問をする決まり 改めて質問するなら少しは勉強してからにしたいが いつになるか分からないし、ということで締め切らず 続けてしまいました。失礼致しました。 なお、懐疑論についてはうまくやる方法が本当に無いのか 私は説明できるレベルでないので何とも言えません。
- masaban
- ベストアンサー率36% (64/177)
kawasemi60様が回答#17した >ロープの角速度が同じなら特定の高度における衛星軌道速度と角速度で比べて少ないなら重力が勝り大きければ遠心力が勝ります。 に賛同します。しかし大事な同期という概念が抜けているので付け足します。 その角速度を身の回りに捜すと時計の短針にみつけられます。 時計の短針ですが、針の先端が12時間で一回りします。針は先端も針の中間も針の根元近くも同じ周期で回っているので、どの時刻でも針の形は一定です。 ところが、針先端とほかの針の部分で同期していないと、短針の針の形はどうなると思われますか。 たとえば同期よりも1/12遅れると先端が12から開始して12を指したとき、遅れた部分はまだ11時を指す位置にあり、針の2周目には10時になります。針の形がねじまがり変わるはずですね。 もし同期よりも3/12早いと先端が12から開始して12を指したとき、早い部分はもう3時を指す位置にあり、針の2周目には6時になります。これも針の形がねじ曲がりますね。 ロープならねじ曲がるかわりにたなびくでしょう。 だからたとえば、ある物体たとえばロープの任意の部分が、静止衛星の角速度で比べて角速度が少ないなら高度が下がり、静止衛星の進行角度より小さくロープ部分は遅れていきます。 逆に静止衛星の角速度で比べて角速度が多いなら高度が上がり、静止衛星の進行角度より大きくロープ部分は進み始めます。 だからカウンターのためのロープは遠心力を得て、遠くに高く上るとき同期位置よりもどんどん進む方向にたなびきます。静止衛星と地球中心を結ぶ直線上には安定することが無く、それが昇り始めの開始位置とすれば、いったん高さを得た後には、それ以上高さを替えたりしなくとも、時間を経るごとにどんどんロープは同期よりも進んだ位置にたなびいていくのです。それは静止衛星よりも高度の低いロープにも逆方向のたなびきに同様です。 宇宙エレベータ、軌道エレベータのロープはたなびいても良いのですか。 たなびいたら存続できないし、肝心のエレベータの機能は果たせないでしょう。 そしてカーボンナノチューブCNTは導電性素材です。そのような導電性の紐(テザー)を地球周回中の衛星に括りつけると、周回するごとに電気エネルギー損から角速度を減じるので、地上に落ち、燃え尽きる。そういう宇宙デブリの掃除方が今まじめに考案されています。要するにCNTを垂らすと衛星を静止軌道に維持できないという主張です。これは軌道衛星の主張と真っ向から反対し、矛盾するのです。 どちらが正しいか、当然お分かりいただけると思います。 軌道エレベータは存在しない空論なので、「ロケット本体と熱源用燃料が不要なので費用の減少は大きいと・・」は全く意味のないあり得ない話です。
- kawasemi60
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伸ばしたロープで問題なのは速度では無くて角速度 と呼ばれる時間当たり角度の変化量なのです。 ロープがどんなに長くても角速度が同じならずれません。 そしてロープの角速度が同じなら特定の高度における 衛星軌道速度と角速度で比べて少ないなら重力が勝り 大きければ遠心力が勝ります。 衛星や宇宙船で計算されるのは本当は角速度です。 なぜなら現実の軌道で直線は無いから。 一般に判り易く説明する為に日常の速度が使われます。 接線方向の速度という説明は判り易いですもんね。 ただ、速度はベクトル量なので3次元での計算は面倒 です。 費用を検討すれば電磁気的ロケットエンジンなら衛星 で発電した電力を使えるので推進剤だけ輸送すれば良い。 通常のロケットは推進剤を噴射する熱源としても燃料 が必要です。ロケット本体と熱源用燃料が不要なので 費用の減少は大きいと考えます。当たり前の話ですが 重力は地上に近い程大きくて大気の摩擦力も大きい。 せめて高度40キロまで上がれれば・・・なんて思う。
お礼
回答ありがとうございました。常設するなら電磁気的エンジンを使うと良さそうですね。
- 中村 拓男(@tknakamuri)
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>周回軌道の高度によってちょうど良い水平速度が存在 相変わらず張カの話がすっぽり抜けおちてますね。 向心力は重カと張カ勾配で決まります。 これを考慮しないと机上の空論ですよ。
- masaban
- ベストアンサー率36% (64/177)
#12回答者です。質問者の補足に対して回答を追加します。 #13回答者さんの反論はこのwek00様の設問上では行いません。この場はwek00様の回答に専念します。それがサイトポリシーにかなうだろうと思うのです。 もし#13回答者さんが軌道エレベータ**の題で設問を立てれば、それに気づいたときそちらで対応回答します。 >私が質問文を書いたときもこのような「浮いている」イメージを描いていました。しかし、それは建設初期のみのようです。荷物を引き上げるのは地球に接続し、遠心力のほうが大きい状態にしてからのようです。 遠心力について考えをもう一度確かめてください。 遠心力を大きくすることなどできません。遠心力は見かけの力です。たとえばエレベータは大地に鉛直に直立しています。地球の自転が建物を振り回しても遠心力は大きくはなりません。1階でいつもの建物のボールをエレベータの床に置いて100階に上昇してついた途端ボールが水平に転がりだしますか。転がらないのですからボールはエレベータで水平速度を持ちません。 ロープの先端、宇宙の末端側にスラスタロケットエンジンを噴射して宇宙エレベータに遠心力を増したとします。そのときの運動エネルギーは普通にその全重量をその重心の運動速度まで加速するときのエネルギーに等しく、普通のロケットが飛んだのと同じ状況ですから、同じエネルギーをロケットの燃焼噴射から消費します。 そして遠心力は前回私が述べた「 >>軌道エレベータもしくは・・遠心力を得るためには周回軌道接線方向の速度が必要です。宇宙エレベータは高度を稼いだのですが、水平速度を荷物に与えたわけではありません。・・たとえばあなたがエレベータに乗って建物の上階についたら、歩いても走ってもいないあなたは水平に速度をもっているでしょうか。・・・・その加速のために周回軌道の高度によってちょうど良い水平速度が存在します。 しかし軌道エレベータはそんな水平の力を荷物に与えてくれないのです。 」のように与えられるものです。 要するに自由空間ならば直進運動する慣性運動の速度を持った物体が、地球などの天体の周りを回る状態(周回軌道)になった時、見かけとして現れる力が遠心力なのです。遠心力は見かけの力です。 遠心力は体験できます。自動車や自転車に乗っている時、体を傾けたりせずに、単にハンドルを左(右)に切った瞬間、体が右(左)に持って行かれる感覚を与えるような体験にあらわれます。ハンドル操作と逆に遠心力が出るのです。 でも体の感覚に知った、見かけの力(遠心力)は、タイヤの回転や自動車の進行方向とは異なるように、ロケット噴射やスラスタエンジンからの直接に与えられた力では作れないのです。衛星に遠心力を発生させる直進運動とは地上でいえば、水平方向の速度であり、地球の接線方向の速度です。衛星の周回軌道上の方向では、円周の接線方向の向きに進む前進速度です。 話を戻して、遠心力の大きさがちょうど地球からの鉛直距離(高度)での万有引力に等しいと、地球の衛星となって周回軌道になります。 高度hによってちょうど衛星が周回するための速度は万有引力Fの関数になります。 Fの関数は下記の形になります。 地球上高度hの万有引力Fは地球の質量Mと衛星の質量mと地球の半径r、普遍定数である万有引力定数Gから F=GMm/(r+h)^2 です。hがFの関数を複雑にしています。 ところが、もし静止衛星の高度をh=sとして、カウンターの重心位置についてその高度をh=tとして、 s≠tですからそれぞれのFは違う値です。 結局、宇宙エレベータの部材は高度ごとにFが異なりそれに見合った水平速度をエレベータの各所は持たなければなりません。エレベータ各所の水平速度は一定ではなく、ある関数で分布していないといけないのです。 ところがスラスターやロケットは特定箇所に局在しているので、水平速度を各所の必要分だけ分布関数の様に与えることができません。ひもでつながっているので引っ張られれば一体として同じ速度を持っています。 エンジンを噴射すれば同じ速度で全体が動くので宇宙エレベーターの軸を変形の無い同じ線上に維持できないので宇宙エレベータは不可能なのです。 エンジンを切ったらどうでしょう。 そんな状態のひもで、たまたまにエンジンの出力を切った事例として、宇宙遊泳中の飛行士の周りを漂うロープがその姿です。決してロープは鉛直方向に伸びたりしません。遠心力でロープが伸びていくことなど起きないのです。 それでも、宇宙エレベータが可能だとまだ強引に言い張る方もいるでしょう。百歩譲っての話ですが、するとそのエレベータの長軸は直線であるべきでしょう。もしカウンターの重心と地球とを結ぶ直線上に静止衛星(宇宙基地)が常にいられるとします。 するとカウンターも静止衛星も約24時間で、地球を1周する同期周期を持っていないといけません。エレベータの長軸と地球の鉛直線との間に交差角があったとしても、鉛直としても、直線上であろうと曲線上であろうと特定の線上に並んでいるべきならば周期が同期していることは一緒です。 それが宇宙エレベータでは結局かないません。 切り口を変えて別な面から見直してみましょう。静止衛星とカウンター重心間の鉛直距離をdとします。 静止衛星の周回軌道で水平速度pですが、周回軌道の円周の距離からカウンター重心の水平速度はp+2πdにならなければいけません。 しかし静止衛星の内部にあったロープの水平速度はすべてpです。だから、カウンターが伸びだしてもp+2πdになりません。 このようなh+dの高度上で水平速度pのままならば、同期位置から遅れ始めます。 もしカウンターの末端でスラスタエンジンを噴射して末端部を加速してもロープは張力で引きずる運動を初め、ロープが伸び切った最後にはロープの各部は同じ速度しか持ちません。速度の分布が作れませんからエレベータの構想は失敗します。 水平速度pのままならロープをたなびかして衛星は引きずらなければならないでしょう。どんどんロープの末端部は遅れるのでどんどん伸びていきます。すると、いかに強いカ-ボンナノチューブCNT製ロープでもポッキリ衛星の根元で折れちぎれるでしょう。CNTを竿の様に突き出すこともできません。 こんな理由で距離によって特定の速度分布関数に従った水平速度がロープに与えられぬので、エレベータの長軸の線上にロープが揃えられません。エレベータの構想は失敗します。
- 中村 拓男(@tknakamuri)
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いまのロケットの方式では、 軌道にとどまるために莫大な 運動エネルギーが必要です。 それがいらないのは魅力ですね。 軌道エレベータの重量はケーブルだけで-万トン くらいになるそうですが、何千トンもある宇宙船 をいっぺんに打ち上げるのに使うと影響がでかそう。 でも、カウンターを長めにして、時間をかけて 静止軌道あたりに資材をひき上げ集積すれば 影響は少なそうです。
お礼
回答ありがとうございました。十分な時間をかければ良い、という結論に落ち着きますよね。
- 中村 拓男(@tknakamuri)
- ベストアンサー率35% (674/1896)
>とんなときにも自遊空間の浮遊2体は作用反作用で >2体間で押せば離れ、2体間で引けば近づく関係になります。 >その浮遊2体間の合成重心は作用後も同じ位置です。 回転系で、地球との張力と遠心力を を考慮すると、系か閉じていないので 重心が保存されるわけもなく、このモデルは全く 適用できません。 カウンター側を大きめに作って、全体を遠心力と地上の アンカーで引っ張りあい、安定させればよいと思われます。 そうすれば重心はびくともしないでしょう。
- masaban
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軌道エレベータもしくは宇宙エレベータは不可能な妄想です。説明します。 そして輸送コストですが、考えても意味がありません。 それでもエレベータで建物もしくは紐を上るとします。高度はたとえば、634m、800mも現実に存在して、昇ることができるので、高度数百kmもエレベータで狙うとしましょう。上昇速度はたとえば東芝エレベータ株式会社の世界最高速クラスとなる分速1,010mとでもしましょう。いちおうこの電気代のエレベータができたとしましょう。でも妄想なのです。 エレベータ(荷物)が軌道エレベータから垂れ下がったカーボンナノファイバーの紐に取り付いたとします。その軌道エレベータの重心と、荷物の重心は取り付いた瞬間に一体となるわけです。その合成重心はそのとりついた瞬間を考えると軌道エレベータの以前の重心よりも下がっています。軌道エレベータはカウンターを延ばして元の位置に復帰できるでしょうか。否です。 とんなときにも自遊空間の浮遊2体は作用反作用で2体間で押せば離れ、2体間で引けば近づく関係になります。その浮遊2体間の合成重心は作用後も同じ位置です。 事例1として軌道エレベータとカウンタの2体間で考えてみましょう。カウンターは押したり引いたりでは伸ばせません。個別な浮遊体専属のロケットエンジンがあれば合成重心の位置は変えられますが、そのロケットの運転エネルギーは通常のロケットの運動エネルギーですから燃費が良いわけではないのです。 事例2として荷物と軌道エレベータの2体間で考えてみましょう。荷物と軌道上の静止衛星と押したり引いたりでは合成重心の位置は変えられません。合成重心は下がったままです。 荷物に専属のロケットエンジンがあれば合成重心の位置は変えられます。静止衛星に専属のロケットエンジンがあれば合成重心の位置は変えられます。が、そのどちらのロケットの運転エネルギーも通常のロケットの運動エネルギーですから燃費が良いわけではないのです。 事例3として荷物と静止衛星が引きあって荷物が上昇し始めたとします。事例2がおきます。そして荷物が上昇すればするほど静止衛星の高度が下がります。したがって静止衛星は墜落を開始しています。 事例1と2と3を合計して考えれば軌道エレベータが成立しないと明白です。それでもさらに新たな荷物を繰り返し登らせたらどうなるでしょう。合成重心の高度が下がるのです。墜落しかありません。 なぜ普通のロケットでないと意味ないか、軌道エレベータが成立しないか説明します。 宇宙ステーションの高度に達すること、静止衛星の高度にエレベータでも達することができます。 しかしその高度を次の瞬間に維持することができないのです。重力(地球引力)という加速度に対抗する力をまったく持っていないのです。その重力は遠心力に釣り合うのですが、遠心力を得るためには周回軌道接線方向の速度が必要です。宇宙エレベータは高度を稼いだのですが、水平速度を荷物に与えたわけではありません。 そして高度が高いからといってそれだけで荷物の水平速度は増減しないのです。 水平速度を荷物に与えるには水平方向の加速度が必要ですが、エレベータにはそれがありません。昇るだけで水平速度が生まれたためしがあなたにはありますか。 たとえばあなたがエレベータに乗って建物の上階についたら、歩いても走ってもいないあなたは水平に速度をもっているでしょうか。ないのです。エレベータで高度を達成してもそこに留まるために必要な運動が不足だから荷物は一瞬たりともその高度にいられません。 通常のロケットは静止衛星や宇宙ステーションを周回軌道の接線方向へたいていの場合、東に向けて水平に大きな速度を与えます。周回軌道で進行したら接線は以前の接線と交差しています。同じ接線ではありません。 運動の進行方向が時々刻々、静止衛星や宇宙ステーション、ただの衛星だろうと変化しているわけです。 加速というのは速度が速くなったり遅くなったりするときだけに起きるのではありません。定速でも運動の進行方向が変化した瞬間に加速作用が働いています。 その加速作用が地球の引力と釣り合い、遠心力となるのです。その加速のために周回軌道の高度によってちょうど良い水平速度が存在します。 しかし軌道エレベータはそんな水平の力を荷物に与えてくれないのです。
補足
私が質問文を書いたときもこのような「浮いている」イメージを描いていました。 しかし、それは建設初期のみのようです。荷物を引き上げるのは 地球に接続し、遠心力のほうが大きい状態にしてからのようです。
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- 宇宙(軌道)エレベータ推進派の横に寝ないわけ
宇宙(軌道)エレベータ推進派はなぜ学者の書いた論文「軌道エレベーター不可能説」に明白にされた事実を無視するのだろうか。理由を知りたい。 石原藤夫金子隆一らは著書のなかで「だから、軌道エレベーターを横にしたりバラバラにしたりするような、・・ちからは、はたらかない」としているが、彼らの主張は当を得た答えや理由にはなり得ないと私は考える。 かれらは鉛直方向に働く力があると宇宙(軌道)エレベータが寝ることにならないと考えるらしい。 彼らの主張するように鉛直方向に宇宙(軌道)エレベータの長軸両端間に力が働いたとしても、宇宙(軌道)エレベータは寝てしまうのである。 もし柔軟な材からできた直方体の長軸末端に引っ張りの力が働けば、模型ゴム動力飛行機の延びたゴム糸が重力で垂れたがように、宇宙(軌道)エレベータの形状を曲げてしまう。曲がりができれば、宇宙(軌道)エレベータが大なり小なり寝たということである。 衛星の物理上の原理では衛星となって公転すると軌道高度によって、衛星の角速度が高高度ほど遅い角速度の関数が得られる。 そして宇宙(軌道)エレベータの形状の長軸構造は繊維の連結した縄のようだ。したがって縄の各部を切り分ければ、高度の異なる多数の衛星とみなせる構造物である。 もし建設当初の時点で鉛直に長軸の向いた宇宙(軌道)エレベータの形状が完成しても、このようなわけで、時間の経過とともに、公転する軌道高度によって、衛星の角速度が高高度ほど遅い角速度の関数原理だから宇宙(軌道)エレベータは横に寝てしまうに違いない。 宇宙(軌道)エレベータの完成後、時間経過に従い各高度の部材は角速度の違いから時間に比例して鉛直軸から離れていく。宇宙(軌道)エレベータを縄のようになぞらえて、縄の両端を引っ張り張力を与えたとしても、縄は電柱間に張り渡された電線が重力で一様に一定の力が懸けられたとき懸垂架曲線を描くようになる。この懸垂架曲線は凧揚げの凧糸にも模型飛行機のゴム動力にも姿を現す。 ただし宇宙(軌道)エレベータに作用する力では一定の力ではない。高度と時間という人為から乖離した条件に定まる。 したがって宇宙(軌道)エレベータは高度と経過時間に比例した角を与える原理から曲線を描いて鉛直軸から離れていく。時間を増すほど、宇宙(軌道)エレベータの建設計画形状と異なる曲線へと変化する。 論文では「軌道エレベーター不可能説」として宇宙(軌道)エレベータが鉛直に長い形状にできない事が明白なそうだ。素直に受け入れるべき真理だ。 それなのになぜ宇宙(軌道)エレベータ推進派は学理に疎い素人のくせに、間違った考えを続けるのだろうか。 宇宙(軌道)エレベータ推進派の「軌道エレベーター石原藤夫金子隆一49ページから50ページまでの抜粋」を以下に引用する。 「(5)横に寝てしまわないだろうか? ・・軌道エレベーターは横に寝てしまわないのか?というまことにもっともな疑問である。一般に人工衛星が地球を周回する周期は、高度が低いほど小さい(短時間に1周する意)。・・・つまり衛星が空を走る速度(角速度)は、低高度ほど大きいのだ。だとすると、図・・のように、軌道エレベーターの低い部分は速く動こうとし、高い部分は遅く動こうとし、、したがってエレベーター全体は横に寝てしまうか、またはバラバラになってしまうか、するのではないだろうか。ちょっと考えると、そうなりそうにも思える。事実、そういう論文を発表して、「軌道エレベーター不可能説」を唱えた人もいる。 しかし、軌道エレベーターに作用する力をよく考えてみると、真の意味での引力は、地球の重力場による式・・のちからのみであり、それは当然、つねに地球の重心の方角を向いている。 また、周回していることによって軌道エレベーターの内部にあらわれる見かけの力である式・・の遠心力は、地球重心と反対の向きのみを向いている。軌道エレベーターに作用する力、または軌道エレベーター内に静止している物体にはたらく力は、この2つの力の和だから、その向きは、とうぜん、地球半径方向―つまりは最初に想定したケーブルの軸の方向―のみである。 だから、軌道エレベーターを横にしたりバラバラにしたりするような、・・ちからは、はたらかないのである。 この疑問は、軌道エレベーターを初めて知った人の多くがいだくもので、一種の力学クイズみたいな問題なのである。軌道エレベーター石原藤夫金子隆一49ページから50ページまでの抜粋」 さらに宇宙(軌道)エレベータ不可能説には付け加えがある。 2つ目の不可能は鉛直に伸ばす力の存在がないことである。 衛星となっている事から鉛直に働く力は作用点ごとに高高度方向と地球中心方向が一対となって、それらはすでに釣り合っている。余分な力はない。一つの力が二重に作用するはずもない。 したがって宇宙(軌道)エレベータの両端を鉛直に伸ばす力は存在しない。 余分な力が存在していれば、宇宙船内に浮いた直方体の全ては鉛直に長軸を向けなければいけない。しかしそんな現象はお目にかかれない。 宇宙(軌道)エレベータの両端を鉛直に伸ばす力が存在しないので宇宙(軌道)エレベータは不可能である。 3つ目の不可能説に付け加えもある。 宇宙(軌道)エレベータのアンカーを高高度に運ぶ時、鉛直に直線で運ぶことができない。したがって、その軌跡上にテザーが張られるので、テザーは曲線を描き鉛直線上に並べられない。 なぜなら衛星の軌道は高度を上げるとき、衛星の進行速度を減少させる。高度は時間をかけてついには高度がます。高度を上げるまで時間がかかる。そして鉛直軸よりも進行速度を減少させた時点で宇宙(軌道)エレベータの鉛直計画線から離れてしまう。衛星が静止するには赤道周と同じ面内を周回すること、真円に近い軌道である必要がある。ところが衛星が高度を上げるとき真円度を減少させ、楕円軌道をたどって、以前の高度よりも高い頭上に表れるが、楕円軌道であるがゆえに速度も変動を続け、角速度も変動を続け、決して静止状態にはならない。テザーは楕円軌道上に曲線となって張られる。 したがって、この3つめの理由からも宇宙(軌道)エレベータは不可能である。
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- 発射台のロケットは自重をどうやって支えているのでしょうか?
御世話になります。 サターン・ロケットやスペースシャトルは、重い機体を発射台でどのようにして直立させているのでしょうか。 特にスペースシャトルは、軌道船、外部燃料タンク、固体燃料補助ロケットを含めたら相当な重量だと思いますが、3つがどうまとまっているのか不思議です。 テレビなどでは、軌道船と外部燃料タンクの間に細い支柱のような構造物が見えますが、どうも頼りない感じがします。 発射台も脇から支えていて、発射の瞬間に切り離されるのかなとは想像しますが。。 サターンのようなロケットだと1段目に全ての重量がかかるわけですから、そこはよっぽど頑丈にできているのでしょうね。 また、液体燃料ロケットの点火方法もご存じの方があったら教えてください。スペースシャトルだと脇から火花のような噴出があって、その後すぐに燃料に点火するように見えます。 宜しくお願いいたします。
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- 宇宙エレベーターって原理的に可能なのですか?
政治的や技術的な問題は別にして原理上可能なのでしょうか? 静止軌道上に大きな衛星を浮かせてそこから地上に極めて軽く丈夫なベルトを下しこれを伝わって物資を運ぶ・・・とは言いますが。 ちょっと考えた問題点をいくつか 1、地上からベルトを伝わって貨物を持ちあげる場合衛星の公転周期は当然24時間ですが貨物の重さによって衛星は引っ張られ高度が下がり公転周期は短くなり結果として西の方向に傾く、これを修正する為に衛星をロケットエンジンで軌道修正しなければならず大きなエネルギーを使う。 軌道エレベーターの前提である極めて少ないエネルギーで物資を宇宙空間に運べる、と言う事があやしくなる。 2、地上から宇宙へ行く間に非常に強い風が吹きこれは1の場合と同じで衛星の軌道を乱す事になり軌道修正が必要になる。 3、物資の高度によりベルトを下に引く力が大きく変わりそれは衛星の軌道を狂わせる事になりその意味でも絶えず軌道修正は必要になる。 要するに宇宙空間に浮いている物を下から引っ張る訳なので非常に不安定になりとてもじゃないが実用性は無い、と思うのですがでもそんな事は当然研究された結果の宇宙エレベーター構想なのでしょうから私の考えが間違っているのかもしれません。 どなたか詳しい方分りやすく教えて頂けませんか。
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- 宇宙(軌道)エレベータ構想に潮汐力は利用可能か?
宇宙(軌道)エレベータという潮汐力を利用した構想が大手建設会社と大学教授から提案されています。本も出ていますが信じられません。 宇宙ステーションから鉛直にテザーという紐を伸ばして地上の荷物を吊り上げ宇宙に向けてカウンターウェイトを操作するそうです。宇宙(軌道)エレベータの形状を鉛直に支える力を潮汐力と遠心力から得るという構想です。 潮汐力と言えばまず月の引力による潮の潮汐がその事例です。 その潮汐力や遠心力では宇宙(軌道)エレベータ構想を成功させることができないと思うのですがいかがでしょうか。教えて下さい。 宇宙(軌道)エレベータの鉛直に伸びた形状を支え、テザーを鉛直に潮汐力で伸ばすには棒や針が鉛直に立つ現象が実測できなければ実現しないはずです。私は長い棒や針が縦に勝手に立ったり、吊り置いて自由に回転させた針が月に向いた姿を見たことがありません。その疑問を解いて下さい。 潮汐力の実例は満潮干潮の海面です。海は満潮干潮で、海面が高度10mを超えて干満します。それが主に月の引力が原因となった潮汐力です。WEB引用「潮汐力の神秘(潮の満ち干) 各地の干満差 世界最大といわれるカナダのファンディー湾の干満差はなんと15mを超えることもあるというから驚きです。 その他にも西オーストラリアのブルーム、朝鮮半島の仁川の10mも有名です」「ノルマンディー地方南部・ブルターニュとの境に近いサン・マロ湾はヨーロッパでも潮の干満の差が最も激しい所として知られる。潮の満ち引きの差は15メートル以上ある。」。 しかし私は長い棒や針が月を向いて勝手に立ったり、吊り置いて自由に回転させた針が月に向いた姿を見たことがありません。 宇宙(軌道)エレベータの鉛直に伸びた形状を支え、テザーを鉛直に伸ばすには棒や針が鉛直に立つ現象が実測できなければ実現しないはずです。 ところで海水では水のあらゆる部分に均等に潮汐力が作用している。潮汐力は海面を押し、満干潮汐を発生する。潮汐力が弾性体なら月方向に伸びるような応力と、弾性体の形状にひずみを発生させるように働く。水は非弾性体だが流体なので流れ集まって海面を月に向けて上下させ潮汐を起こす。 潮汐力は場の歪をともなわないがあらゆる部分に均等に作用する。あらゆる部分に均等に作用する性質は地球重力の性質、そして遠心力の性質でもあります。 どうやら自由に吊り置いた針が付きを指してくれない原因は均等にあらゆる部分に作用する性質が潮汐力にあるからだ。潮汐力が月にめがけて、棒や針を向けない。いくら針の感度が良くても向かない。 どうやら作用点をよく再考し原因を考えねばいけないようだ。作用が針の末端の作用点に集中すれば、たとえば磁針のように磁極めがけて回転し向きを変えるはずだ。磁針では針の末端に磁界傾度が強くなる。針の末端に磁場傾度急峻に変化して磁力線が集中する。 ところが潮汐力は針の末端に力が集中しない。だから針も長い棒でも自由に回転させても月をめがけた向きへと方向が変わらない。磁針に対する磁場のような場の歪が、潮汐力にあれば針は月をめがけてでも回転する筈だ。したがって潮汐力には場の歪をともなわない。 ところで宇宙(軌道)エレベータではテザーという紐が地球から鉛直に宇宙ステーションの外側へカウンターウィトと一緒に伸びていくと構想している。 このように宇宙(軌道)エレベータの形状が鉛直に伸びるためには磁針に働く力のような場の変化が必要だ。しかし潮汐力にはそのような場の変化はないので、宇宙(軌道)エレベータ構想は失敗する。もちろん重力や遠心力も磁場と磁針のような磁界のひずみがないので宇宙(軌道)エレベータの形状が鉛直に伸びることは起きないと考えます。
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- 宇宙エレベータの敗北宣言はいつあるのか
宇宙エレベータについての話です。 宇宙エレベータができると信じている学者がいます。 予備実験を最近して彼らは完成できず完敗したのですが、なぜ敗北宣言なり、その映像なりを公開しないのでしょうか。 問1敗北宣言はいつするか? 問2なぜ敗北宣言なり、その映像なりを公開しないのでしょうか。 問3できないことをできると強弁する彼らをどうやって説得したらよいでしょうか。 問はこの3つです。 説明すると、宇宙(軌道)エレベータというものは、静止軌道の宇宙ステーションから鉛直に伸びた、テザーという縄にエレベータの箱を支えさせ、赤道付近の地上局から宇宙ステーションまでエレベータやロープウエーのように人や荷物を運ぼうという構想だそうです。 鉛直の縄の天上にはカウンターウェイトという錘を先端にとりつけて、上空に縄を伸ばしたり縮めたりするそうです。 さて縄を鉛直に伸ばす方法があるでしょうか。成功を願う学者は昨年実験したのですが、縄をためしに伸ばそうとして成功しませんでした。同じロケットの実験で同時に2件の実験があったようです。 どちらも失敗したのですが、敗北宣言をしないままのようです。 この敗北を私は当然のことと思います。成功を願う学者は力学を理解していません。 成功のためにはたとえば、彼らは潮汐力を利用するそうです。 もし潮汐力がエレベータの建設や維持に利用できるほど存在するなら、それなりの現象がすでに観察されているはずです。 たとえばテザーを鉛直に伸ばすときには、もし潮汐力が働くなら、宇宙遊泳中の飛行士の周りのロープが、たとえばジャックの豆の木のように天に向けて直立運動をしないとなりません。そんな姿を見たことが私にはありません。 潮汐力がエレベータに使えないとわかる事例はもう一つこんな事例からもわかるはずです。 宇宙遊泳中の飛行士の周りや、船内にもし水滴が浮かべられたら、もしテザーが鉛直にぶら下がるなら、その水滴は鉛直方向にフットボールの様な紡錘形にならねばならぬでしょう。テザーの錘が潮汐力で天に上がっていくのならそのときにも、水滴は船内の鉛直方向に長軸を持ったフットボールの紡錘形を示すはずです。 そういう目に見える潮汐力が、ほんのわずかも存在しない状態で、宇宙エレベータの建設や維持や、運営ができないのです。でも私はそんな紡錘型の水滴を見たことがありません。 現象の姿を彼らは無視するのですが、心の目を開けるにはどうしたらよいでしょう。
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- スペースX社のロケットについて
今年になってからイーロン・マスクが率いるスペースX社が、新しく再生利用できるロケットの打ち上げに成功したというニュースを知りました。(ドラマのMARSの中でもシーズン1のラストエピソードのエンディング近くに出てきます。) 映像で見る限りでは、サターン型のロケットを一旦打ち上げた後に、上空で逆噴射を 行なって垂直に下降し、また地上に着陸する、というタイプのロケットのようです。 私はサターン型のロケットの大部分は燃料ブースターのためにあるのだと思っていたので、途中でブースター部分を切り離すことなく逆噴射をするのを見て驚きました。(以前にもどこかで見たような気もするのですが) イーロン・マスクは今後そのロケットで月面着陸計画を立てているようですが、そのまま、燃料ブースターを切り離すことなく大気圏離脱及び地球の周回軌道投入・離脱、はては月の周回軌道投入・着陸をするのでしょうか?ブースター部分の重量分だけ余計にエネルギーが必要だとおもうのですが、ロスじゃないですか?誰か解説をしてください。 イーロン・マスクは今後そのロケットで月に2名の宇宙飛行士を送り込む計画を発表していますが、実現できると思いますか?
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- 宇宙ゴミ(スペースデブリ)の集塵機は、どのような?
宇宙ゴミ(塵)を家庭用掃除機のような吸塵機では収集できないと思いますが、 無数の小さなデブリをどのような方法で集めることが出来るのでしょうか。 ある程度集め、収集宇宙機と合わせた重量では、共に大気圏内に落下、突入させるためには、軌道制御に相当の燃料が必要になるのではないでしょうか。 そのような燃料を積んで行けるのでしょうか。
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お礼
ポイントを押さえた回答ありがとうございました。