Два корабля на тросе
Два корабля класса Starship связаны тросом за носы и вращаются вокруг общего центра масс. Трос тянет каждый корабль к центру, и экипаж ощущает эту силу как вес, направленный к хвосту, — то есть палубы оказываются «горизонтальными», как на стартовом столе. Слева — параметры, справа — живая модель: упругий трос с массой, корабли как твёрдые тела.
Параметры системы
трос натянут провис пол жилой палубы и ощущаемая вертикаль
Расчёт
Что попробовать
- Толчок вдоль троса. Корабли «подпрыгивают» на тросе как на пружине. Период около секунды, амплитуда — сантиметры: на палубе это ощущается как лёгкое покачивание веса. Трения в космосе почти нет — колебания затухают очень долго. Включите «лебёдка держит тяжесть» — она работает как демпфер.
- Качнуть корабли. Корабль подвешен за нос и качается, как маятник в поле центробежной силы. Две моды: корабли качаются в одну сторону или навстречу. Для экипажа «вертикаль» на палубе гуляет заметно сильнее самого качания — примерно в 5–6 раз: палуба далеко от центра масс корабля, и к наклону добавляется угловое ускорение корпуса. Качание в 2° — это крен ощущаемой вертикали на 12–14°.
- Щипок троса. По тросу бегут поперечные волны (скорость ~0,8 км/с), первая мода — около 4 Гц. На корабли почти не влияют — трос в тысячу раз легче.
- Сильный толчок. Если размах колебаний больше статического растяжения, трос на мгновение провисает, а затем дёргается. Для параметров по умолчанию для этого нужна относительная скорость кораблей больше ~3,5 м/с — это уже авария, например неудачное включение двигателей. Пик натяжения ≈ рабочее × (1 + размах/растяжение), так что при запасе 3 трос рвётся, когда размах вдвое больше растяжения. Попробуйте «очень сильный толчок».
- Лебёдка. Подтягивание троса раскручивает систему («эффект фигуриста»): момент импульса сохраняется, ω растёт как 1/R², натяжение — как 1/R³. Лебёдке при этом нужна мощность в мегаваттах.
- Обрыв. Со стороны (инерциальная СО) корабли летят по прямым, касательным к прежней окружности, со скоростью ω·R ≈ 32 м/с; центр масс остаётся на месте. Во вращающейся СО те же прямые выглядят раскручивающимися спиралями — как траектория яблока на странице «Яблоко». Каждый корабль при этом продолжает кувыркаться с прежней скоростью 4 об/мин вокруг своего центра масс, поэтому во вращающейся СО его ориентация почти не меняется. Для экипажа: палуба лежит между носом и центром масс корабля, так что тяжесть падает до ~0,36 g и направлена теперь к носу — «пол» и «потолок» меняются местами. Следы показывают путь центров масс; масштаб после обрыва уменьшается вслед за кораблями.
- Раскрутка с нуля. Двигатели толкают корабли по касательной, пока не наберётся нужная скорость вращения. Тяга приложена к центру масс, и корабли раскачиваются на десятки градусов; в модели нет системы ориентации, поэтому качание так и не гаснет. Настоящей связке понадобились бы рулевые двигатели или гаситель качания — иначе «вертикаль» на палубе ходила бы на десятки градусов.
Формулы
Подробные выводы и допущения — на странице «Физика»; совпадение формул с численной моделью — на странице «Проверка».
Скорость вращения для тяжести g на радиусе пола r:
$$\omega = \sqrt{g/r}, \qquad v = \omega r$$
Натяжение троса: корабль массы M с центром масс на радиусе Rцм плюс собственная масса троса (ρA — погонная масса, Ra — радиус точки крепления):
$$T(x) = M\omega^2 R_{\text{цм}} + \tfrac12\,\rho A\,\omega^2\,(R_a^2 - x^2)$$
Сечение троса из прочности (σ — прочность волокна, η — реализация прочности в канате, n — запас):
$$A = \frac{M\omega^2 R_{\text{цм}}}{\eta\sigma/n \;-\; \rho\,\omega^2 R_a^2/2}, \qquad m_{\text{троса}} = 2\rho A R_a$$
Знаменатель обращается в ноль при ρv²/2 = ησ/n — дальше трос не держит даже сам себя. Для Dyneema при η = 0,5 и запасе 3 это ~1,1 км/с (строка «предельная скорость» в таблице): очень далеко от наших десятков м/с.
Упругое удлинение половины троса и частота продольных колебаний:
$$\Delta L_{1/2} = \frac{T_a R_a + \rho A\,\omega^2 R_a^3/3}{EA}, \qquad \omega_{\text{прод}}^2 = \frac{EA}{R_a\,(M + m_{\text{троса}}/6)} + 3\omega^2$$
Качание кораблей (a — расстояние от носа до центра масс, I — момент инерции корабля):
$$\Omega_{\text{сим}}^2 = \omega^2\,\frac{a\,(M R_{\text{цм}}^2 + I)}{I\,R_a}, \qquad \Omega_{\text{анти}}^2 = \omega^2\,\frac{M R_{\text{цм}}\,a}{I}$$
Чего модель не учитывает
- Движение только в плоскости вращения. Выход из плоскости (прецессия, нутация, «скакалка») — следующий шаг, для него нужна трёхмерная модель.
- Орбита и приливные силы. На низкой орбите они в 10⁴–10⁵ раз слабее центробежной силы (отношение 3n²/ω²: 1/46 000 при 4 об/мин, 1/11 000 при 2 об/мин), но за недели поворачивают ось вращения — см. оценку.
- Плескание топлива, перемещение экипажа, прочность самого корабля при растяжении за нос.
- Ползучесть троса (у Dyneema заметна при длительной нагрузке), нагрев, микрометеориты. Параметры прочности — паспортные, канат слабее волокна (коэффициент η).