[論文レビュー] Review of New Concepts, Ideas and Innovations in Space Towers

Mark Krinker|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2010

Electromagnetic Launch and Propulsion Technology参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、地球の表面から静止軌道（100 km から 35,786 km）までを結ぶインフレータブル型、運動的、静電的、電磁的タワーやその他の革新的な宇宙タワーモデルをレビューしている。古典的宇宙エレベーターとは異なり、これらの構造物は遠心力による引張応力ではなく、構造的補強や能動的力に依存しており、さまざまな実現可能性、材料要件、工学的課題を伴う地球基盤型宇宙アクセスの代替手法を提供する。

ABSTRACT

Under Space Tower the author understands structures having height from 100 km to the geosynchronous orbit and supported by surface of Earths. The classical Space Elevator is not included in space towers. That has three main identifiers which distingue from Space Tower: Space Elevator has part over Geosynchronous Orbit (GSO) and all installation supported only the centrifugal force of Earth, immobile cable connected to surface of Earth, no pressure on the surface. A lot of new concepts, ideas and innovation in space towers were offered, developed and researched in last years especially after 2000. For example: optimal solid space towers, inflatable space towers (include optimal space tower), circle and centrifugal space towers, kinetic space towers, electrostatic space towers, electromagnetic space towers, and so on. Given review shortly summarizes there researches and gives a brief description them, note some their main advantages, shortcomings, defects and limitations.

研究の動機と目的

• 2000年以降に開発された古典的宇宙エレベーターとは異なる新規の宇宙タワーモデルを調査・分類すること。
• 非ケーブル型で地球に支持される宇宙タワーの物理的原理、設計の革新性、工学的実現可能性を分析すること。
• 各提案概念の利点、制限および技術的欠陥を評価すること。
• 多様な宇宙タワーアーキテクチャにわたる構造的・動的・材料的制約の比較的概要を提供すること。

提案手法

• 2000年以降に発表された宇宙タワーモデル革新に関する22件の最近の文献を系統的レビューした。
• 支持メカニズムに基づく宇宙タワータイプの分類：構造的、遠心力的、運動的、静電的、電磁的力。
• 各タワータイプの設計原理、応力分布、安定性基準の分析。
• 地球の重力および回転力に起因する材料要件、応力分布、動的挙動の評価。
• 高さ範囲、支持メカニズム、エネルギー要件などの主要特徴を比較するための概念図および表の活用。
• 各概念の構造的整合性と実現可能性を評価するための物理的モデルおよび理論的枠組みの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しい宇宙タワーモデルが古典的宇宙エレベーターと異なる主な物理的・機械的原理は何か？
• RQ2 インフレータブル型、運動的、静電的、電磁的宇宙タワーは、遠心力に依存せずにどのように構造的安定性を達成するのか？
• RQ3 各宇宙タワーデザインの実現可能性に影響を与える主な工学的制限および材料的制約は何か？
• RQ4 提案された設計は、動的不安定性、大気抵抗、軌道力学的課題に対しどのように対処しているか？
• RQ5 エネルギー消費とスケーラビリティの観点から、能動的力型タワーと受動的構造型タワーの相対的利点と欠点は何か？

主な発見

• 本論文は、最適な固体タワー、インフレータブルタワー、円形および遠心力型タワー、運動的タワー、静電的および電磁的タワーを含む、多数の新規宇宙タワーモデルを特定・分類した。
• インフレータブル型宇宙タワーは、材料応力の低減を目的とした軽量な代替手段として提案されているが、高い動的応力下での構造的整合性の維持が課題である。
• 静電的および電磁的タワーは、反発力または浮上力に依存して機械的応力を低減するが、大規模なエネルギー供給と正確な制御システムを要する。
• 運動的宇宙タワーは回転質量によって上向きの力を発生させるが、摩擦およびジャイロ効果に起因する不安定性とエネルギー損失が問題である。
• 理論的には有望であるが、多くの概念は材料の強度制限、エネルギー効率、宇宙および大気環境下での長期的耐久性といった未解決の問題を抱えている。
• 本レビューは、2000年以降に宇宙タワーデザイン分野の革新が著しく拡大したものの、未解決の工学的および材料科学的課題のため、現実の実現可能性に至っていないと結論づけた。