Többutas orbitális indítóhálózat (MOLN)

  

Többutas orbitális indítóhálózat (MOLN)

(Ferenc Lengyel)

(2024. október)

http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.31162.20164

---

Szabadalmi absztrakt

Ez a szabadalom egy új űrszállítási rendszert mutat be, amelyet "Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN)" -nak neveznek. A MOLN összekapcsolt orbitális csomópontok hálózata, amelyek elektromágneses meghajtást, kötélalapú csúzlikat és gravitációs segédeszközöket alkalmaznak, hogy megkönnyítsék a hasznos terhek hatékony szállítását egyik pályáról a másikra vagy a bolygó felszínéről az űrbe. A rendszer célja, hogy skálázható, energiahatékony megoldást nyújtson számos űrtevékenységhez, beleértve a műholdak telepítését, az űrturizmust és a bolygóközi küldetéseket. A MOLN-t moduláris csomópontokkal, többrétegű pályákkal és adaptív útvonaltérképezéssel tervezték a hasznos teher átvitelének optimalizálása, az energiafelhasználás minimalizálása és az űrkörnyezetben való megbízható működés érdekében.

---

Tartalomjegyzék

1. Bevezetés

• 1.1 Az űrszállítás háttere és kihívásai
• 1.2 A MOLN célkitűzései és előnyei
• 1.3 A MOLN koncepciójának és felhasználási eseteinek áttekintése

2. A MOLN csomópont kialakítása és mechanizmusai

• 2.1 Moduláris csomópontszerkezet
• 2.2 Elektromágneses vasúti rendszerek
• 2.2.1 Mágneses levitációs elvek
• 2.2.2 Gyorsító és lassító mechanizmusok
• 2.2.3 A sínek teljesítménye és energiahatékonysága
• 2.3 Lekötött hevederes mechanizmusok
• 2.3.1 Tether anyagok tervezése
• 2.3.2 A kötözésalapú csúzlik kinetikája
• 2.3.3 Energiagazdálkodás a Tether műveletekben
• 2.4 Momentum-Exchange eszközök
• 2.4.1 Lendkerék és ellensúly rendszerek
• 2.4.2 A szöglendület megőrzése a hasznos teher átvitelében
• 2.5 Orbitális hajtóművek és stabilizátorok
• 2.5.1 Ionhajtóművek és meghajtásvezérlés
• 2.5.2 Csomópontok helyzetének és helyzetének beállítása
• 2.6 Energiatároló és -továbbító egységek
• 2.6.1 Szuperkondenzátor technológia
• 2.6.2 Energiaátviteli rendszerek (sugárzott energia, napelemek)
• 2.7 Hőkezelési rendszerek
• 2.7.1 Hőelvezetési módszerek
• 2.7.2 Radiátor és hűtőborda kialakítása

3. Orbitális konfiguráció és útvonal-optimalizálás

• 3.1 Pályarétegek és csomópont-eloszlás
• 3.1.1 Alacsony Föld körüli pályán keringő (LEO) csomópontok
• 3.1.2 Közepes Föld körüli pálya (MEO) és geostacionárius pálya (GEO) csomópontok
• 3.2 Precessziós pályacsomópontok és gravitációs asszisztok
• 3.2.1 Útvonal-optimalizálás égi interakciókhoz
• 3.2.2 Gravitációs csúzlik kihasználása
• 3.3 Orbitális szinkronizáció a hatékony átvitel érdekében
• 3.3.1 Egyenlítői vs. poláris pályák
• 3.3.2 Időzítés és koordináció a bolygók forgásával
• 3.4 Útvonaltervezés és összeköttetések
• 3.4.1 Multi-Orbit útválasztási hálózat
• 3.4.2 Adaptív útkereső algoritmusok
• 3.4.3 Orbitális résidőkiosztás és szűk keresztmetszetek kezelése

4. Hasznos teher átvitel és mozgásdinamika

• 4.1 Hullámvasút dinamikája a hasznos teher mozgásához
• 4.1.1 Centrifugális erő és fordulatszám-szabályozás
• 4.1.2. Elektromágneses vágánykialakítás és a hasznos teher lehorgonyzása
• 4.2 Gravitációs asszisztok és pályaszabályozás
• 4.2.1 Optimális beállítás a sebességnöveléshez
• 4.2.2 A pályaalakítás matematikai modelljei
• 4.3 Adaptív útvonaltérképezés és döntési algoritmusok
• 4.3.1 Az átviteli útvonalak valós idejű optimalizálása
• 4.3.2 MI-vel támogatott útvonal-előrejelzés és -adaptáció

5. Felszíni indítás és MOLN integráció

• 5.1 Földi telepítésű indítómechanizmusok
• 5.1.1 Elektromágneses indítótornyok
• 5.1.2 Felszíni maglev gyorsítók és tömegmeghajtók
• 5.2 Randevú a MOLN csomópontokkal
• 5.2.1 A felszíni indítás szinkronizálása orbitális csomópontokkal
• 5.2.2 Légköri interfész és hasznos teher átviteli protokollok
• 5.3 Légköri lefölözés és alacsony pályán végzett műveletek
• 5.3.1 Hővédelem és hasznos teher befogási dinamika
• 5.3.2 Gyors stabilizációs és pályakorrekciós eljárások

6. Energiahatékonyság és energiagazdálkodás

• 6.1 Visszatápláló fékezés és mozgási energia visszanyerés
• 6.1.1. Elektromágneses fékrendszerek
• 6.1.2 A lassulási energia tárolása és újrafelhasználása
• 6.2 Napenergia betakarítás és energiasugárzás
• 6.2.1 Napelemes rendszerek kialakítása a nagy hatékonyságú energiagyűjtéshez
• 6.2.2. Sugárhajtású erőátviteli és -vételi rendszerek
• 6.3 Hőszabályozás és energiaelvezetés
• 6.3.1 Fejlett radiátor kialakítások
• 6.3.2 Hőt villamos energiává alakító technológiák

7. Méretezhetőség, modularitás és redundancia

• 7.1 Moduláris csomópontbővítés és frissítések
• 7.1.1 Vágányok és elektromágneses sínek hozzáadása
• 7.1.2 Csomópontcsere és moduláris javítási mechanizmusok
• 7.2 A MOLN hálózat és a cserélhető útvonalak méretezhetősége
• 7.2.1 További csomópontok integrálása a nagyobb átviteli sebesség érdekében
• 7.2.2 Rugalmasság az orbitális konfigurációkban és az új célútvonalakban
• 7.3 Redundancia, megbízhatóság és hálózati rugalmasság
• 7.3.1. Biztonsági mentési csomópontok és útvonalak
• 7.3.2 Hibaészlelési, válaszadási és átirányítási stratégiák

8. Kommunikációs, vezérlő és automatizálási rendszerek

• 8.1 Csomópontok közötti kommunikációs protokollok
• 8.1.1 Biztonságos adatátviteli rendszerek
• 8.1.2. Koordináció a földi irányítással és a hasznos teherrel
• 8.2 Autonóm irányítás és döntéshozatal
• 8.2.1 Csomópont autonómia és valós idejű vezérlőrendszerek
• 8.2.2 AI algoritmusok az optimális útvonaltervezéshez és pályabeállításhoz
• 8.3 Hálózatfigyelés és állapotdiagnosztika
• 8.3.1 Érzékelők és valós idejű adatgyűjtés
• 8.3.2 Prediktív karbantartási és automatizált javító rendszerek

9. Alkalmazások és jövőbeli fejlesztés

• 9.1 Kereskedelmi alkalmazások
• 9.1.1. A műholdak telepítése és az űrinfrastruktúra összeszerelése
• 9.1.2 Űrturizmus közlekedési rendszerei
• 9.2 Ipari és erőforrás-kitermelési lehetőségek
• 9.2.1 Aszteroidabányászati műveletek támogatása
• 9.2.2 A Hold és a Mars erőforrás-szállítása
• 9.3 A MOLN kiterjesztése bolygóközi és mélyűri küldetésekre
• 9.3.1 Integráció a Marssal Transzfer pályák és külső bolygók
• 9.3.2 A MOLN hosszú távú fenntarthatósága és autonóm növekedése

10. Műszaki képletek, számítások és szimulációk

• 10.1 Pályamechanika és energiaegyenletek
• 10.1.1. Hevederdinamikai és hevedermozgási számítások
• 10.1.2 Gravitációs segédképletek
• 10.2 Elektromágneses meghajtórendszer tervezése
• 10.2.1. A mágneses térerősség és gyorsulás számításai
• 10.2.2. Energiafogyasztási és hatékonysági modellek
• 10.3 A csomópont stabilitása és pályabeállítása
• 10.3.1. Tolóerővezérlő és csomópont-pozicionáló algoritmusok
• 10.3.2. Dinamikus pályaszimulációk

11. Biztonsági, kockázatcsökkentési és környezetvédelmi megfontolások

• 11.1 Biztonsági protokollok a hasznos teher kezeléséhez és a csomópontok műveleteihez
• 11.2 Az űrszemét kezelése és a MOLN védelmi stratégiái
• 11.3 A földi kilövőrendszerek és az űrműveletek környezeti hatása

12. A találmány következtetése és összefoglalása

---

Ez a tartalomjegyzék a MOLN tervezésének részletes szempontjait tartalmazza, lefedve minden lényeges jellemzőt a csomópontok szerkezeti elemeitől az orbitális mechanikáig, valamint az energiagazdálkodási rendszerektől a vezérlésig és a kommunikációig. Minden szakasz a MOLN hatékony megvalósításához és működtetéséhez szükséges sajátosságokkal foglalkozik, azzal a céllal, hogy átfogó keretet biztosítson e fejlett űrszállítási rendszer fejlesztéséhez.

1. Bevezetés

1.1 Az űrszállítás háttere és kihívásai

Az űrszállítási technológiák fejlődése jelentős fejlődésen ment keresztül az elmúlt évtizedekben, a tisztán kormányzati missziókból egy növekvő iparággá vált, amely magánvállalkozásokat és nemzetközi partnerségeket foglal magában. A rakétatechnológia, a meghajtórendszerek és az űrhajók tervezésének fejlődése ellenére azonban továbbra is jelentős kihívások állnak fenn, amelyek akadályozzák a költséghatékony és fenntartható űrszállítást. Ez a rész áttekintést nyújt a modern űrszállítás főbb akadályairól, és arról, hogy ezek a kihívások hogyan alapozzák meg a javasolt Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) terepét.

A jelenlegi űrszállítás kihívásai

1. Az indítás magas költsége
• A hagyományos rakétaalapú űrszállítás megfizethetetlenül drága. Az alacsony Föld körüli pálya (LEO) elérésének költsége 2000 és 20 000 dollár között mozoghat kilogrammonként. Ez a magas költség elsősorban a nagy, elhasználódó rakéták és üzemanyag szükségességének köszönhető.
• Ennek a költségnek jelentős része a delta-v (Δv) követelményekből származik - a pálya eléréséhez szükséges sebességváltozás mértéke. A rakétaegyenlet szabályozza ezt a kapcsolatot: Δv=Isp⋅g0⋅ln(m0mf)\Delta v = I_{sp} \cdot g_0 \cdot \ln \left( \frac{m_0}{m_f} \right)Δv=Isp⋅g0⋅ln(mfm0) ahol:
• Δv\Delta vΔv: A sebesség változása szükséges.
• IspI_{sp}Isp: A meghajtórendszer fajlagos impulzusa.
• g0g_0g0: Standard gravitáció (9,81 m/s29,81 \, \text{m/s}^29,81m/s2).
• m0m_0m0: Kezdeti tömeg (rakéta + üzemanyag + hasznos teher).
• mfm_fmf: Végső tömeg (rakéta + hasznos teher, üzemanyag elégetése után).
• Ez a logaritmikus kapcsolat azt mutatja, hogy a szükséges sebességváltozások eléréséhez a rakéták jelentős mennyiségű üzemanyagot igényelnek, ami nagy kezdeti tömeghez és drága indításokhoz vezet.
2. Energiahatékonyság hiánya és környezeti hatás
• A jelenlegi indítórendszerek rendkívül energiaigényesek. A vegyi rakéták nagy mennyiségű hajtóanyag elégetésére támaszkodnak, ami jelentős környezeti hatást fejt ki. Az égés melléktermékei, beleértve a szén-dioxidot, a kormot és más részecskéket, hozzájárulnak a légköri szennyezéshez.
• Az emelkedés közbeni energiaveszteség, beleértve a gravitációs ellenállást (a felszállás során a gravitáció elleni küzdelem miatti veszteség) és az aerodinamikai ellenállást (a légellenállás miatti veszteség), növeli a kémiai meghajtás hatékonyságát.
3. Korlátozott újrafelhasználhatóság és nagy átfutási idő
• Bár történtek lépések az újrafelhasználható rakéták felé (például a SpaceX Falcon sorozata), az űrszállító járművek többsége továbbra is feláldozható. Az újrafelhasználható rendszerek továbbra is jelentős felújítást, ellenőrzést és üzemanyagköltségeket igényelnek a bevezetések között, ami befolyásolja az átfutási időket és a gazdasági megvalósíthatóságot.
• A jelenlegi űrszállítási rendszerek általános megbízhatóságát és rendelkezésre állását akadályozza az újrafelhasználható alkatrészek korlátozott élettartama és az egyes küldetések utáni felújításuk összetettsége.
4. Hasznos teher és keringési útvonalak korlátozása
• A hagyományos indítórendszerek a hasznos teher mérete, súlya és alakja tekintetében korlátozottak a burkolati korlátok és a rakétakapacitások miatt.
• A különböző pályakonfigurációk (LEO, MEO, GEO, poláris pályák) elérése gyakran összetett manővereket, növekvő küldetéstervezési nehézségeket és üzemanyagköltségeket igényel. Például a geostacionárius transzfer pályáról (GTO) geostacionárius pályára (GEO) való váltáshoz általában Hohmann átviteli manővert alkalmaznak: Δvtotal=Δv1+Δv2\Delta v_{total} = \Delta v_1 + \Delta v_2 Δvtotal=Δv1+Δv2 ahol:
• Δv1\Delta v_1 Δv1: Sebességváltozás az átviteli pálya elindításához.
• Δv2\Delta v_2 Δv2: A sebesség változása cirkularizálódik a célpályán.
5. Orbitális torlódás és ütközési kockázatok
• A LEO műholdjainak elterjedése, valamint a leszerelt műholdak és rakéták törmeléke az ütközések, az úgynevezett "Kessler-szindróma" növekvő kockázatát jelenti. Ez a jelenség egy kaszkádhatást ír le, ahol az ütközések törmeléket generálnak, növelve a további ütközések valószínűségét.
• A hatékony űrszállításhoz robusztus ütközéselkerülő és aktív űrszemét-csökkentési stratégiákra van szükség, amelyek növelik a működés összetettségét és a küldetés költségeit.

Új űrszállítási paradigmák szükségessége

A jelenlegi űrszállítási mechanizmusok korlátai miatt olyan alternatív módszerekre van szükség, amelyek csökkenthetik a költségeket, növelhetik az energiahatékonyságot, és rugalmas és megbízható hozzáférést biztosíthatnak különböző pályákhoz és célállomásokhoz. Számos koncepciót javasoltak e kihívások kezelésére, amelyek mindegyike egyedi kompromisszumokkal jár:

• Űrliftek és tether rendszerek: Az űrliftekre vonatkozó javaslatok magukban foglalják a bolygó felszínéhez rögzített heveder telepítését, amely túlmutat a GEO-n. Az ilyen szerkezetek azonban rendkívüli szakítószilárdságú anyagokat igényelnek, és kihívást jelentenek a stabilitás és az energiaátadás összetettsége.
• Indítóhurkok és tömegmeghajtók: A földi rendszerek, például az elektromágneses indítóhurkok vagy a tömegmeghajtók a hasznos terhek orbitális sebességre történő felgyorsítását javasolják maglev technológiával. Bár elméletileg hatékonyak, ezek a rendszerek mérnöki kihívásokkal néznek szembe, beleértve a légköri súrlódás kezelését és a szerkezeti integritás biztosítását nagy távolságokon.

Lépjen be a többutas orbitális indítóhálózatba (MOLN)

A javasolt Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) egyedülálló megoldást kínál a fent említett kihívásokra. Az elektromágneses pályákon és hevedermechanizmusokkal összekapcsolt orbitális csomópontok sorozatának létrehozásával a MOLN célja:

• Optimalizálja az energiafelhasználást és csökkentse az indítási költségeket: Az elektromágneses meghajtás (pl. Maglev sínek) és a gravitációs segédeszközök használata csökkenti a kémiai hajtóanyagok szükségességét, csökkentve a keringés kilogrammonkénti költségeit.
• Hatékony pályaátvitel engedélyezése: A hálózat lehetővé teszi a hasznos terhek átmenetét a különböző pályák (LEO, MEO, GEO vagy akár menekülési pályák) között minimális energiafogyasztással a gravitációs lökéseknek és a csúzli dinamikájának kihasználásával.
• A méretezhetőség és a rugalmasság fokozása: A MOLN csomópontok moduláris felépítése skálázhatóságot biztosít a hasznos teher különböző méreteihez, gyakoriságához és célállomásaihoz, támogatva a különböző űrműveleteket a műholdak telepítésétől a bolygóközi szállításig.

A MOLN alapegyenletei és alapelvei

A MOLN tervezésének és működésének számos alapelve van, amelyek integrálják a fizikát és a mérnöki tudományokat a hatékony űrszállítás érdekében:

• Elektromágneses meghajtási egyenlet: A MOLN csomópontok elektromágneses sínrendszerei a Lorentz-erő alapján működnek:

F=q(E+v×B)F = q(E + v \times B)F=q(E+v×B)

hol:

• FFF: A hasznos teherre kifejtett erő.
• qqq: A hasznos teher vagy a vasúti rendszer töltése.
• EEE: Elektromos mező vektor.
• vvv: A hasznos teher sebessége a sínek mentén.
• BBB: Mágneses mező vektor.

Ez az erő lehetővé teszi a hasznos terhek szabályozott gyorsítását vagy lassítását, miközben azok áthaladnak a hálózaton.

• Orbitális átvitel és lendületmegőrzés: Minden csomópont rögzített hevedermechanizmusokat használ a hasznos terhek lendületének átadására vagy kivonására, megőrizve a szöglendületet a folyamat során:

L=I⋅ωL = I \cdot \omegaL=I⋅ω

hol:

• LLL: A lekötött hasznos teher rendszer szöglendülete.
• III: Tehetetlenségi nyomaték.
• ω\omegaω: Szögsebesség.

A heveder hosszának és forgási sebességének beállításával a csomópontok rögzíthetik és felszabadíthatják a hasznos terheket a röppályájuk és sebességük pontos szabályozásával.

• Gravitációs asszisztok és sebességnövekedés: A MOLN gravitációs segédeszközöket használ a hasznos teher sebességének növelésére üzemanyag-felhasználás nélkül, kihasználva a "csúzli hatást":

vfinal=vinitial+2vbodyv_{final} = v_{initial} + 2v_{body}vfinal=vinitial+2vbody

hol:

• vfinalv_{final}vfinal: A hasznos teher végső sebessége a csúzli manőver után.
• vinitialv_{initial}vinitial: Az égitesthez közeledő hasznos teher kezdeti sebessége.
• vbodyv_{test}vbody: Az égitest (pl. Hold, bolygó) sebessége a hasznos teherhez viszonyítva.

A szakasz lezárása

Összefoglalva, a jelenlegi űrszállítási rendszerek jelentős kihívásokkal néznek szembe a költségek, az energiahatékonyság és a működési rugalmasság tekintetében. A MOLN-t úgy tervezték, hogy ezeket a problémákat összekapcsolt orbitális csomópontok hálózatán keresztül kezelje, amelyek fejlett meghajtórendszereket, gravitációs segédeszközöket és moduláris méretezhetőséget használnak. A következő szakasz mélyebben foglalkozik a MOLN konkrét célkitűzéseivel és előnyeivel, kiemelve, hogy ez az innovatív rendszer hogyan javasol átalakító megközelítést a fenntartható és hatékony űrközlekedéshez.

---

1. Bevezetés

1.2 A MOLN célkitűzései és előnyei

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) célja, hogy forradalmasítsa a hasznos terhek űrbe és űrben történő szállításának módját. Az összekapcsolt pályacsomópontok, elektromágneses meghajtás és gravitációs segédeszközök sorozatának kihasználásával a MOLN egy többrétegű hálózatot vezet be, amelynek célja a költségek csökkentése, a sebesség növelése és az űrszállítás energiafelhasználásának optimalizálása. Ez a rész a MOLN elsődleges célkitűzéseit, tervezési filozófiáját és a hagyományos űrszállítási rendszerekkel szemben kínált előnyeit tárgyalja.

A MOLN célkitűzései

1. Az orbitális hozzáférés költségcsökkentése
• A MOLN egyik fő célkitűzése, hogy csökkentse a hasznos teher pályára állításának kilogrammonkénti költségét. A feláldozható rakétáktól való függés csökkentésével és az üzemanyag-fogyasztás hatékony lendületátvitellel történő minimalizálásával a MOLN célja a kilövési költségek drasztikus csökkentése. A rendszer elektromágneses sínekkel ellátott moduláris csomópontjai gyorsítóként működnek az űrben, csökkentve a hajtóanyag-alapú manőverek szükségességét.
• A költségmegtakarítás képlete: A lehetséges megtakarítás megbecsülhető, ha figyelembe vesszük a szükséges delta-v (ΔvMOLN\Delta v_{MOLN}ΔvMOLN) csökkenését a hagyományos rakétaindításokhoz képest (Δvrocket\Delta v_{rakéta}Δvrocket): Költségmegtakarítás∝Δvrocket−ΔvMOLNΔvrocket\text{Költségmegtakarítás} \propto \frac{\Delta v_{rakéta} - \Delta v_{MOLN}}{\Delta v_{rakéta}}Költségmegtakarítás∝ΔvrocketΔvrocket−ΔvMOLN Itt a ΔvMOLN\Delta v_{MOLN}ΔvMOLN az  energiahatékony elektromágneses síngyorsulások, a gravitációs asszisztensek és a megkötött lendületcserék kombinálásával érhető el.
2. Energiahatékonyság és fenntartható működés
• A MOLN célja, hogy fenntarthatóvá tegye az űrközlekedést megújuló energiaforrások, például az orbitális csomópontok által kitermelt napenergia és a hasznos teher lassulása során a mozgási energiát visszanyerő regeneratív fékrendszerek felhasználásával.
• Energiafelhasználási hatékonyság (η\etaη): A MOLN energiafelhasználásának hatékonysága a hasznos teherhez (EkE_kEk) szállított felhasználható mozgási energia és a teljes energiabevitel (EinputE_{input}Einput) arányával írható le: η=EkEinput\eta = \frac{E_k}{E_{input}}η=EinputEk A jelentős üzemanyag-hulladék miatt alacsony hatékonyságú kémiai meghajtórendszerekkel ellentétben a MOLN elektromágneses sínjei és regeneratív fékezése magasabb η\etaη-t ér el, megközelítve a 80-90% -ot az átviteli forgatókönyvtől függően.
3. A pályák közötti rugalmas és gyors átvitel megkönnyítése
• A MOLN kulcsfontosságú célja, hogy lehetővé tegye a hasznos teher rugalmas átvitelét különböző pályákon, beleértve a LEO-t, a MEO-t, a GEO-t és még a pályákat is más égitestekre. A MOLN csomópontok összekapcsolt jellege adaptív pályarendszereikkel kombinálva gyors pályaváltozásokat és pályabeállításokat tesz lehetővé.
• Átviteli idő minimalizálása: A hasznos adatok csomópontok közötti mozgatásának átviteli ideje (ttransfert_{transfer}ttransfer) a hasznos adat sebessége (vpayloadv_{payload}vpayload) és a csomópontok közötti távolság (dnodesd_{nodes}dnodes) alapján modellezhető: ttransfer=dnodesvpayloadt_{transfer} = \frac{d_{nodes}}{v_{payload}}ttransfer=vpayloaddnodes A hálózat gravitációs segédeszközökkel és elektromágneses gyorsítással képes növelni a sebességet, ami csökkenti a ttransfert_{transfer}ttransfert, így gyorsabb szállítást tesz lehetővé, mint a hagyományos Hohmann vagy bi-elliptikus átviteli manőverek.
4. Méretezhetőség és alkalmazkodóképesség a különböző hasznos terhelésekhez és célhelyekhez
• A MOLN-t úgy tervezték, hogy moduláris és skálázható legyen, lehetővé téve további csomópontok és pályák hozzáadását a különböző hasznos teherméretek, célállomások és működési követelmények kielégítése érdekében. Ez az alkalmazkodóképesség lehetővé teszi, hogy a hálózat idővel fejlődjön, támogatva az olyan felmerülő igényeket, mint a műholdas konstellációk, a mélyűri küldetések és az űrturizmus.

A MOLN előnyei

1. Energiahatékony meghajtórendszerek
• A MOLN által használt elektromágneses meghajtás sínrendszereken keresztül minden csomópontnál lehetővé teszi a hasznos terhek egyenletes, érintésmentes gyorsítását és lassítását. A hagyományos kémiai rakétákkal ellentétben, amelyek nem hatékonyan használják fel az üzemanyagot és jelentős hőt termelnek, az elektromágneses rendszerek a Lorentz-erőre támaszkodnak, hogy lendületet adjanak: F=I⋅L⋅BF = I \cdot L \cdot BF=I⋅L⋅B ahol:
• FFF: A hasznos teherre kifejtett erő.
• III: Áram a sínben.
• LLL: A sín hossza.
• BBB: Mágneses térerősség.
• Ez a meghajtási módszer csökkenti a mozgó alkatrészek kopását és elhasználódását, minimalizálja a hőelvezetés révén bekövetkező energiaveszteséget, és biztosítja a hasznos teher röppályájának pontos szabályozását.

Ábra - Elektromágneses síngyorsítási folyamat

(Az ábra azt mutatja, hogyan gyorsulnak fel a hasznos terhek a sín mentén a Lorentz-erő segítségével, az energiaforrások, a vasúti pályák és a hasznos teher irányító rendszerek címkézett alkatrészeivel.)

2. A gravitációs asszisztok kihasználása az ingyenes sebességnöveléshez
• A MOLN stratégiailag csomópontokat és útvonalakat helyez el, hogy hasznosítsa a közeli égitestek, például a Hold vagy más bolygók gravitációs segítségét, ingyenes lökést adva a hasznos teher sebességének. Ez a módszer hatékonyan növeli a hasznos teher mozgási energiáját további üzemanyag-fogyasztás nélkül, lehetővé téve magasabb pályák elérését vagy menekülési pályák elérését.
• Gravitációs asszisztegyenlet: A gravitációs assziszt sebességváltozását a következő képlet adja meg: Δv=2⋅vbody⋅sin(θ2)\Delta v = 2 \cdot v_{test} \cdot \sin\left(\frac{\theta}{2}\right)Δv=2⋅vbody⋅sin(2θ) ahol:
• vbodyv_{test}vbody: Az égitest sebessége a hasznos teherhez viszonyítva.
• θ\thetaθ: Az égitest megközelítési szöge.
• A megközelítési szög és sebesség pontos időzítésével a MOLN maximalizálja a Δv\Delta vΔv-t, lehetővé téve a bolygóközi küldetések jelentős sebességnövekedését.

Grafika - Gravitációs assziszt vizualizáció

(A vizualizáció a csúzli effektust ábrázolja, amely megmutatja a hasznos teher pályáját, amikor megközelíti és elhagyja az égitestet, és az ebből eredő sebesség- és pályaváltozást megjelöli.)

3. Dinamikus orbitális átvitel és hasznos teher kezelés
• A MOLN egyik kiemelkedő előnye, hogy képes dinamikusan továbbítani a hasznos terheket a hálózaton keresztül anélkül, hogy összetett, nagy üzemanyag-tartalmú manővereket kellene végrehajtania. Az elektromágneses pályák mentén hullámvasút dinamikájának használatával a csomópontok fenntarthatják a hasznos terhek sebességét és lendületét, miközben orbitális transzfereket hajtanak végre.
• Sebességcsere hatékonysága: A csomópontok és a hasznos terhelések közötti sebességcsere hatékonysága a szöglendület megőrzésétől függ, amelyet kötött hevedermechanizmusokkal kezelnek: Linitial=Lfinal ⟹ m1⋅r1⋅v1=m2⋅r2⋅v2L_{initial} = L_{final} \implikálja m_1 \cdot r_1 \cdot v_1 = m_2 \cdot r_2 \cdot v_2Linitial=Lfinal⟹m1⋅r1⋅v1=m2⋅r2⋅v2 ahol:
• LLL: Szögmozgás.
• mmm: A hasznos teher vagy a lekötött tömege.
• rrr: Sugárirányú távolság a forgástengelytől.
• vvv: Tangenciális sebesség.
• Ez a megközelítés csökkenti a fedélzeti meghajtás szükségességét a hasznos terhekben, növelve a rakománynak vagy berendezéseknek szánt tömegfrakciót.
4. Alacsony környezeti hatás és fenntartható működés
• Az elektromágneses meghajtásra és a gravitációs segédeszközökre támaszkodva a MOLN jelentősen csökkenti az üvegházhatású gázok kibocsátását és a részecskeszennyezést a hagyományos rakétákhoz képest. Ezenkívül a regeneratív fékezés és a napenergia befogása biztosítja, hogy a csomópontok minimális energiapazarlás mellett fenntartsák a működési hatékonyságot.
• Energiavisszanyerési hatékonyság: A lassulás során visszanyert energiát szuperkondenzátorokban tárolják, és újra felhasználják a későbbi gyorsításokhoz. Ez a regeneratív rendszer hasonlóan működik, mint az elektromos járművek fékrendszerei, de nagyobb léptékben: Ereclaimed=12m⋅v2⋅η regenE_{reclaimed} = \frac{1}{2} m \cdot v^2 \cdot \eta_{regen}Ereclaimed=21m⋅v2⋅ηregen ahol:
• mmm: A hasznos teher tömege.
• vvv: Sebesség lassan.
• ηregen\eta_{regen}ηregen: Az energiavisszanyerés hatékonysága.

Ábra - Visszatápláló fékezés és energiatárolás

(Az ábra azt szemlélteti, hogy a mozgási energia hogyan alakul át elektromos energiává, hogyan tárolódik szuperkondenzátorokban, és hogyan használják fel újra a jövőbeli elektromágneses síngyorsulásokhoz.)

---

Az előnyök összefoglalása

Összefoglalva, a MOLN átalakító megközelítést vezet be az űrszállításban, a következőket kínálva:

• Jelentős költségcsökkenés kilogrammonként a csökkentett üzemanyag-fogyasztás miatt.
• Hatékony, energiatakarékos átvitel gravitációs rásegítéssel és regeneratív fékezéssel.
• Rugalmas teherkezelés moduláris orbitális csomópontokon és összekapcsolt útvonalakon keresztül.
• Fenntartható, környezetbarát működés, amelyet megújuló energiaforrások vezérelnek.

Ezek a célok és előnyök teszik a MOLN-t rendkívül hatékony és sokoldalú megoldássá az űrlogisztika számára, lehetővé téve a hasznos terhek gyakori, megbízható és költséghatékony szállítását különböző pályákon és akár bolygóközi célállomásokon keresztül.

1.2 A MOLN célkitűzései és előnyei, előnyeinek, hatékonyságának és működési képességeinek bővítése.

---

1.2 A MOLN célkitűzései és előnyei (folytatás)

5. Jobb teherbírási sokoldalúság és szállítási képességek

A MOLN-t úgy tervezték, hogy különféle hasznos terheket kezeljen, a kis műholdaktól a mélyűri kutatásra szánt nagyobb rakományokig. Ez a sokoldalúság moduláris felépítésének és adaptálható orbitális útvonalainak köszönhető, amelyek lehetővé teszik a hálózat számára, hogy támogassa a hasznos teher különböző alakjait, súlyait és szükséges sebességeit.

• Többcsomópontos útválasztási rugalmasság: Azáltal, hogy lehetővé teszi a hasznos terhek különböző orbitális csomópontokon való áthaladását, a MOLN beállíthatja az egyes hasznos terhek pályáját és sebességét, optimalizálva az adott küldetési követelményeket. A hagyományos rakétákkal ellentétben, amelyeket egyedi módon kell megépíteni bizonyos hasznos terhekhez, a MOLN dinamikusan módosíthatja útvonalait és csomópont-műveleteit, hogy megfeleljen az űrszállítási igények széles körének.
• A hasznos teher kezelésének matematikai modellje: Minden adatteher egyedi tulajdonságokkal rendelkezik (mpayloadm_{payload}mpayload, shape, drag coefficient), amelyek befolyásolják a hálózaton keresztüli mozgását. A MOLN csomópontokon belüli adaptív vezérlési algoritmusok optimalizálási függvényt használnak a hasznos teher ideális útvonalának kiszámításához:

Optimális elérési út=minall elérési utak[f(mpayload,Δ vrequired,θ,dnodes,Eavailable)]\text{Optimal Path} = \min_{\text{all paths}} \left[ f(m_{hasznos teher}, \Delta v_{kötelező}, \theta, d_{csomópontok}, E_{available}) \right]Optimális elérési út=minden pathsmin[f(mpayload,Δvrequired,θ,dnodes,Eavailable)]

hol:

• Δvrequired\Delta v_{required}Δvrequired: A hasznos teher végső pályájához szükséges sebességváltozás.
• θ\thetaθ: A kulcsfontosságú pályacsomópontok megközelítési szöge.
• dnodesd_{nodes}dnodes: Az elérési út csomópontjai közötti távolság.
• EavailableE_{available}Eavailable: Az egyes csomópontoknál rendelkezésre álló energia gyorsuláshoz vagy lassuláshoz.

6. Fokozott biztonság és kockázatcsökkentés

A MOLN valós idejű vezérléssel és dinamikus átirányítással növeli a hasznos teher szállításának biztonságát. Több biztosítékot tartalmaz annak biztosítására, hogy minden hasznos teher ütközés vagy váratlan meghibásodás kockázata nélkül érje el célpályáját.

• Ütközéselkerülő és biztonsági protokollok: A hálózat mesterséges intelligenciával (AI) támogatott útválasztási rendszere folyamatosan figyeli az összes hasznos teher és csomópont helyzetét a MOLT-on belül a potenciális ütközések észlelése érdekében. A csomópont-műveletek és a hasznos terhelés sebességének beállításával a rendszer elkerüli a veszélyes közelségi eseményeket.
• Ütközéselkerülő egyenlet: A rendszer prediktív modell segítségével számítja ki a minimális távolságot (dmind_{min}dmin) bármely két hasznos teher között: dmin=min∀t[∣∣r1(t)−r2(t)∣∣]d_{min} = \min_{\forall t} \left[ || \mathbf{r}_1(t) - \mathbf{r}_2(t) || \jobb]dmin=∀tmin[∣∣r1(t)−r2(t)∣∣] ahol:
• r1(t)\mathbf{r}_1(t)r1(t), r2(t)\mathbf{r}_2(t)r2(t): Két különböző hasznos teher pozícióvektorai a ttt idő függvényében.

Ha a dmind_{min}dmin egy kritikus biztonsági küszöbérték alatt van, a MOLN megváltoztatja az egyik vagy mindkét hasznos teher pályáját a biztonságos távolság fenntartása érdekében.

• Redundáns útvonalak a megbízhatóság érdekében: A működési kockázatok csökkentése érdekében a MOLN több útvonalat is tartalmaz a csomópontok között. Ha egy csomópont vagy sáv hibásan működik, a hasznos terhek átirányíthatók alternatív csomópontokon keresztül, biztosítva a megszakítás nélküli működést és a minimális késéseket.

7. A fedélzeti meghajtórendszerek iránti igény csökkentése

A MOLN-on keresztül szállított hasznos terhek nem igényelnek saját meghajtórendszert végső pályájuk eléréséhez, mivel a csomópontok elektromágneses síneken és gravitációs segédeszközökön keresztül biztosítják a szükséges sebességváltozásokat. Ez lehetővé teszi, hogy a hasznos terhek nagyobb tömeghatékonyságúak legyenek, és nagyobb súlyt szenteljenek a rakománynak, a műszereknek vagy az üzemanyagnak a bolygóközi küldetésekhez.

• Tömegmegtakarítás a hasznos terheken: A fedélzeti meghajtórendszer hiánya jelentős tömegcsökkentést tesz lehetővé, amely átirányítható a küldetés szempontjából kritikusabb alkatrészekre. A megtakarított tömeghányad képlete (Δm\Delta mΔm) a következőképpen közelíthető: Δm=mpropulsion+mfuel\Delta m = m_{propulsion} + m_{fuel}Δm=mpropulsion+mfuel ahol:
• mpropulsionm_{propulsion}mpropulsion: A hagyományos meghajtórendszer tömege.
• mfuelm_{fuel}mfuel: A keringési pályán történő manőverezéshez egyébként szükséges üzemanyag tömege.

8. Méretezhető a jövőbeli űrinfrastruktúrához

A MOLN természeténél fogva skálázható, és úgy tervezték, hogy az űrszállítás iránti igények növekedésével növekedjen. Az új űrinfrastruktúra fejlesztésével, beleértve a műholdas konstellációkat, a holdbázisokat és az űrállomásokat, a MOLN további csomópontok, útvonalak és energiatároló egységek hozzáadásával bővíthető.

• Adaptív hálózatnövekedés: Minden MOLN csomópont moduláris, és képes további csomópontokhoz csatlakozni. Ez a kialakítás lehetővé teszi a hálózat bővülését az idő múlásával, biztosítva, hogy átfogó újratervezés vagy nagyjavítás nélkül megfeleljen az űrműveletek növekvő igényeinek.
• A hálózati skálázhatóság gráfelméleti modellje: A MOLN pályahálózata dinamikus gráfként modellezhető G=(V,E)G = (V, E)G=(V,E), ahol:
• VVV: Csomópontok (csúcsok) halmaza különböző pályákon.
• EEE: Ezeket a csomópontokat összekötő útvonalak (élek) halmaza.

További csomópontok (V′V'V′) hozzáadásával új élek (E′E'E′) alakulnak ki az optimális útszerkezet fenntartása érdekében: G′=(V+V′,E+E′)G' = (V + V', E + E')G′=(V+V′,E+E′)

• Ez a gráfalapú struktúra rugalmasságot biztosít a hálózat számára, lehetővé téve a változó igényekhez, a hasznos adatok forgalmához és a célhelyhez való alkalmazkodást.

9. Energiagazdálkodás és fenntarthatóság

A MOLN tervezésének sarokköve az energia hatékony kezelése és újrafelhasználása a hálózaton belül. A lassuló hasznos teherből származó mozgási energiát elektromos energiává alakítva és szuperkondenzátorokban tárolva a rendszer minimalizálja az energiapazarlást és biztosítja a fenntarthatóságot.

• Áramellátás napenergiából és sugárzott energiából: A csomópontok napelemekkel vannak felszerelve, amelyek összegyűjtik a Nap energiáját, valamint olyan rendszereket, amelyek sugárzott energiát kapnak a földi állomásokról vagy a keringő műholdakról. Ez biztosítja az elektromágneses sínek és más csomóponti funkciók folyamatos áramellátását.
• Optimalizált energiatárolás és -újraelosztás: Az egyes csomópontokon belüli energiatároló rendszert úgy tervezték, hogy tárolja és hatékonyan ossza el az energiát a hálózatban, különös tekintettel a fékezési hasznos terhekből visszanyert mozgási energia újrafelhasználására. Ennek az energia-visszanyerésnek a hatékonyságát a következők jellemzik:

ηreclaim=EstoredEbraking\eta_{reclaim} = \frac{E_{stored}}{E_{braking}}ηreclaim=EbrakingEstored

hol:

• EstoredE_{tárolt}Estored: A szuperkondenzátorokban fékezés után tárolt energia.
• EbrakingE_{fékezés}Efékezés: A lassuló hasznos teher teljes mozgási energiája.

10. Hatékony pályaátvitel bolygóközi küldetésekhez

A Föld körüli pályán végzett műveleteken túl a MOLN platformot biztosít bolygóközi küldetésekhez. A hálózat azon képessége, hogy hasznos terheket küldjön magasabb pályákra vagy közvetlen menekülési pályákra, lehetővé teszi a közvetlen útvonalakat más bolygókra vagy holdakra anélkül, hogy bonyolult keringési manővereket vagy többszörös gravitációs segítséget igényelne.

• A bolygóközi transzfer pályatervezése: Az elektromágneses sínerősítések, gravitációs segédeszközök és jól elhelyezett csomópontok kombinációjának használatával a MOLN minimalizálhatja a bolygóközi küldetésekhez szükséges időt és energiát. A hasznos terhek átvitelét egy Föld-központú pályáról egy bolygóközi pályára patched kúpos közelítési modellek szabályozzák: Δvinterplanetary=ΔvMOLN+Δvtransfer\Delta v_{interplanetary} = \Delta v_{MOLN} + \Delta v_{transfer}Δvinterplanetary=ΔvMOLN+Δvtransfer ahol:
• Δvinterplanetary\Delta v_{interplanetary}Δvinterplanetary: A bolygóközi utazáshoz szükséges teljes sebességváltozás.
• ΔvMOLN\Delta v_{MOLN}ΔvMOLN: A MOLN műveletek által keltett sebesség (gravitációs rásegítés, síngyorsulás).
• Δvtransfer\Delta v_{transfer}Δvtransfer: A Föld gravitációs hatásának elhagyásához és heliocentrikus pályára való átmenethez szükséges sebesség.

A szakasz lezárása

A MOLN célja egy fenntartható, költséghatékony és alkalmazkodóképes űrszállítási hálózat létrehozása, amely megfelel a globális űrműveletek változó igényeinek. Az elektromágneses meghajtás, a gravitációs segédeszközök, a moduláris csomópontok és a skálázható útvonalak egyedülálló használatával a MOLN úgy van pozícionálva, hogy átalakítsa az űrlogisztikát, támogatva számos alkalmazást a műholdak telepítésétől és az űrturizmustól a bolygóközi kutatásig.

A következő rész mélyebben belemerül a MOLN csomópontok speciális kialakításába, beleértve azok szerkezetét, összetevőit és működési mechanizmusait.

1. Bevezetés

1.3 A MOLN koncepciójának és felhasználási eseteinek áttekintése

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) az űrszállítás átalakító megközelítését képviseli, amelynek célja, hogy páratlan hatékonysággal megkönnyítse a hasznos terhek mozgását különböző pályákon és azokon túl. A hagyományos meghajtás-alapú rendszerekkel ellentétben a MOLN elektromágneses útvonalakkal és gravitációs segédeszközökkel összekapcsolt orbitális csomópontok hálózatát integrálja az energiafelhasználás minimalizálása, a költségek csökkentése és a szállítás megbízhatóságának növelése érdekében. Ez a rész átfogó áttekintést nyújt a MOLN tervezési koncepciójáról, alapelveiről és lehetséges alkalmazásairól mind a földközeli műveletekben, mind a bolygóközi küldetésekben.

---

A MOLN építészetének és koncepcionális tervezésének áttekintése

1. Alapkoncepció és hálózati struktúra A MOLN egy elosztott infrastruktúra, amely több csomópontból áll, amelyek stratégiai pályákon vannak elrendezve a Föld vagy más égitestek körül. Ezek a csomópontok alkotják az űrszállítási hálózat gerincét, amely megkönnyíti a hasznos teher átvitelét a különböző orbitális szintek között (LEO, MEO, GEO és azon túl). Minden csomópont elektromágneses sínekkel és hevedermechanizmusokkal van felszerelve a manőverezéshez és a hasznos terhek felgyorsításához, energiahatékony átadási pontként szolgálva a szállításhoz.
• Csomópont-kapcsolat és útvonalak: A csomópontokat előre meghatározott útvonalak kötik össze, hasonlóan az űrben lévő vasúti rendszerhez, lehetővé téve a többirányú mozgást és a valós idejű igényeken alapuló rugalmas útvonaltervezést. Ezek az útvonalak úgy vannak konfigurálva, hogy optimalizálják a hasznos teher pályájának változásait, kihasználva mind az elektromágneses síngyorsulást, mind a gravitációs segédeszközöket. A hálózatot modulárisra tervezték, lehetővé téve csomópontok hozzáadását a szállítási igény növekedésével.
• Diagram - MOLN csomópont-kapcsolat vizualizációja
  (Az ábra összekapcsolt csomópontok hálóját mutatja különböző pályákon, ívelt útvonalakkal, amelyek jelzik a lehetséges átviteli útvonalakat a különböző magasságokban lévő csomópontok között.)
2. A MOLN csomópontok funkcionalitása A MOLN minden csomópontja egy többfunkciós egység, amely képes a bejövő hasznos terhek rögzítésére, az energia átadására és az orbitális paraméterek beállítására. Az elektromágneses meghajtás és a hevederalapú csúzli mechanizmusok kombinációját használják a hasznos teher szabályozott gyorsulásának vagy lassításának biztosítására, biztosítva a biztonságos és hatékony átvitelt.
• Csomópont-funkciók és -műveletek: A csomópontok számos kritikus célt szolgálnak, például:
• Hasznos adatok rögzítése és átvitele: A hasznos teher rögzítése a megközelítési pályáról, és átadása a hálózat következő csomópontjának.
• Energiaátvitel és -tárolás: Regeneratív fékezés alkalmazása a mozgási energia elektromos energiává alakítására és szuperkondenzátorokban történő tárolására későbbi felhasználás céljából.
• Orbitális beállítás és szinkronizálás: Helyzetük beállítása és szinkronizálás fenntartása más csomópontokkal az optimalizált átviteli időzítés érdekében.
• Elektromágneses meghajtási mechanizmusok: A csomópontok elektromágneses sínrendszereket használnak a hasznos terhek sebességének szabályozására érintésalapú módszerek nélkül, pontos szabályozást biztosítva a gyorsulási és lassítási erők felett.

FEM=q(E+v×B)F_{EM} = q (E + v \times B)FEM=q(E+v×B)

hol:

• FEMF_{EM}FEM: Az elektromágneses sín által kifejtett erő.
• qqq: A hasznos teher vagy indukált töltés töltése a vasúti rendszerben.
• EEE: Elektromos mező vektor a sín mentén.
• vvv: A hasznos teher sebességvektora.
• BBB: A sínek által generált mágneses mező vektor.

---

A MOLN felhasználási esetei az űrműveletekben

1. Műholdak telepítése és karbantartása
• Hatékony műholdtelepítés: A MOLN lehetővé teszi a műholdak gyors és költséghatékony telepítését azáltal, hogy a hasznos terheket a földi indításokból a kijelölt pályára emeli. Ez a rendszer műholdakat képes különböző pályákra állítani anélkül, hogy fedélzeti meghajtórendszerekre lenne szükség, csökkentve a műholdak teljes tömegét és költségeit.
• Pályabeállítás és -csere: A pályára állítás után a MOLN felhasználható a műholdak pályájának beállítására az optimális pozicionálás érdekében, ütközéselkerülő manőverek végrehajtására, vagy a meghibásodott műholdak deorbitális pályákra történő mozgatására az életciklus végének kezelése érdekében.

Alkalmazási példa: A globális kommunikációra szolgáló műholdas konstelláció, mint például a Starlink, hatékonyan indítható és elosztható több pályán a MOLN csomópontok segítségével, hogy a műholdakat optimális konfigurációkba helyezzék anélkül, hogy hajtóanyag-alapú pályabeállításra lenne szükség.

• Az optimális beillesztési útvonal kiszámítása: Az indítási magasságból (rlaunchr_{launch}rlaunch) a kívánt pályabeillesztés (rtargetr_{target}rtarget) alapján a MOLN kiszámítja a szükséges delta-v (ΔvMOLN\Delta v_{MOLN}ΔvMOLN): ΔvMOLN=μrlaunch(2rtargetrlaunch+rtarget−1)\Delta v_{MOLN} = \sqrt{\frac{\mu}{r_{launch}}} \left( \sqrt{\frac{2r_{target}}{r_{launch} + r_{target}}} - 1 \right)ΔvMOLN=rlaunchμ(rlaunch+rtarget2rtarget−1), ahol:
• μ\muμ: A Föld standard gravitációs paramétere.
• rlaunchr_{launch}rlaunch: A kezdeti pálya sugara (pl. indítási magasság).
• rtargetr_{target}rtarget: A célpálya sugara.
1. Űrturizmus és személyzetszállítás
• Gyors hozzáférés az űrszállodákhoz és -állomásokhoz: A MOLN megbízható közlekedési rendszerként szolgálhat az űrturizmus számára, amely a legénységgel ellátott űrhajók gyors szállítását kínálja a Föld és az űrszállodák vagy űrállomások között. A sima elektromágneses meghajtás lehetővé teszi a biztonságos gyorsulást, minimalizálva az utasokra ható g-erőket.
• Rugalmas pályatervezés legénységgel ellátott küldetésekhez: Hosszabb küldetések vagy turisztikai tevékenységek esetén a MOLN útvonalak testreszabhatók az optimális élmények érdekében, biztosítva, hogy az utasok megtapasztalják a kívánt kilátást, pályákat és érdekes helyeket.

Alkalmazási példa: A LEO-ban található űrszállodába utazó turisták a MOLN segítségével gyorsan felemelkedhetnek a Föld felszínéről az állomásra zökkenőmentes, alacsony kockázatú pályán.

3. Rakomány- és erőforrás-szállítás az űripar számára
• Anyagátvitel a pályák és az űrbázisok között: A holdbázisok, a Mars-missziók és az aszteroidabányászati műveletek fejlesztésével jelentős szükség lesz a rakomány szállítására a különböző orbitális helyek között. A MOLN biztosítja az infrastruktúrát ahhoz, hogy erőforrásokat (pl. víz, fémek) hatékonyan küldjön orbitális platformokra vagy más bolygókra.
• A nyersanyagok indítási költségeinek minimalizálása: Az űripar növekedésével növekszik a nyersanyagok szállításának szükségessége olyan forrásokból, mint a Hold vagy az aszteroidák a Földre vagy más űrbeli élőhelyekre. A MOLN hatékony rakományszállítást tesz lehetővé a delta-v követelmények minimalizálásával, és energiahatékony útvonalakat biztosít gravitációs csúzlik és vasúti gyorsítások révén.

Alkalmazási példa: Egy holdbányászati művelet a kitermelt erőforrásokat a Holdról a MOLN segítségével szállíthatja a LEO orbitális finomítójába a szállítási energiaköltségek minimalizálása érdekében.

4. Mélyűr és bolygóközi szállítás
• A bolygóközi hasznos teher növelése: A Marsra, aszteroidákra vagy más bolygókra irányuló küldetések esetében a MOLN jelentősen csökkentheti a küldetés energiaigényét a csomópontjaiból származó gravitációs segédeszközök és sebességnövelések használatával. A hasznos terhek felgyorsíthatók a szükséges menekülési sebességre anélkül, hogy nagy mennyiségű fedélzeti hajtóanyagot szállítanának.
• Gyors átvitel bolygóközi küldetésekhez: A hálózat azon képessége, hogy dinamikusan állítsa be a pályákat, lehetővé teszi a pontos pályatervezést, minimalizálva a más bolygók eléréséhez szükséges időt, miközben maximalizálja a hasznos teher tömegének hatékonyságát.

Alkalmazási példa: Egy Mars-kutató küldetés a MOLN segítségével biztosítja a sebesség növelését, mielőtt a Marson túli pályára lépne. A MOLN csomópontok felgyorsítják a hasznos terhet, hogy elkerüljék a Föld gravitációját, és összehangolják azt a Marshoz tartó pályával, csökkentve a küldetés fedélzeti üzemanyagigényét.

• Bolygóközi pályák kiszámítása: A MOLN segít elérni a bolygóközi küldetésekhez szükséges szökési sebességet (vescapev_{escape}vescape) és átviteli sebességet (vtransferv_{transfer}vtransfer): vescape=2μ rorbitv_{escape} = \sqrt{\frac{2\mu}{r_{orbit}}}vescape=rorbit2μ ΔvMOLN=vtransfer−vescape\Delta v_{MOLN} = v_{transfer} - v_{escape}ΔvMOLN=vtransfer−menekülés, ahol:
• rorbitr_{orbit}rorbit: A kezdőpálya sugara (pl. LEO).
• vtransferv_{transfer}vtransfer: A tervezett bolygóközi pálya eléréséhez szükséges sebesség.

---

Működési hatékonyság és sokoldalúság

A MOLN sokoldalúsága kiterjed a különböző működési igényekre, alkalmazkodó, hatékony és moduláris megközelítést kínálva az űrszállításhoz. Az elektromágneses meghajtás, a gravitációs segédeszközök és a csomópontok skálázható hálózatának kihasználásával a MOLN-t úgy tervezték, hogy az űrtevékenységek széles körét támogassa.

• Adaptív útvonaltervezés és valós idejű beállítások: A MOLN AI-alapú optimalizálási algoritmusokat használ a hasznos teher útvonalainak dinamikus beállításához, biztosítva, hogy a leghatékonyabb útvonalat vegyék az aktuális csomópont-pozíciók, a rendelkezésre álló energia és a célcélok alapján.
• Átviteli útvonalak algoritmikus vezérlése: Dinamikus programozás használatával az AAA csomópont és a BBB csomópont közötti hasznos teher optimális útvonala (RoptR_{opt}Ropt) a hálózaton keresztül a következőképpen kerül kiszámításra: Ropt=argmin∀R[∑i=1n−1Ei,i+1]R_{opt} = \arg \min_{\forall R} \left[ \sum_{i=1}^{n-1} E_{i, i+1} \right]Ropt=arg∀Rmin[i=1∑n−1Ei, i+1] ahol:
• RRR: Az AAA és a BBB közötti összes lehetséges útvonal halmaza.
• Ei,i+1E_{i, i+1}Ei,i+1: A iii. és i+1i+1i+1 csomópontok közötti átvitelhez szükséges energia az RRR útvonalon.
• nnn: Az útvonal csomópontjainak száma RRR.

---

Az áttekintés következtetése

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) egy rendkívül alkalmazkodó és hatékony szállítórendszer, amelyet úgy terveztek, hogy megfeleljen az űrműveletek növekvő igényeinek. Legyen szó műholdak telepítéséről, legénység és rakomány szállításáról, vagy hasznos terhek bolygóközi küldetésekre küldéséről, a MOLN biztosítja a fenntartható, költséghatékony és sokoldalú űrszállításhoz szükséges infrastruktúrát.

A következő rész a MOLN csomópontok részletes tervezésébe merül, feltárva azok szerkezetét, mechanizmusait és működési összetevőit, amelyek lehetővé teszik ezt a forradalmi koncepciót az űrlogisztikában.

---

2. A MOLN csomópont kialakítása és mechanizmusai

2.1 Moduláris csomópontszerkezet

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) csomópontjait úgy tervezték, hogy modulárisak, sokoldalúak legyenek, és képesek legyenek hatékonyan kezelni a hasznos teher gyorsulásának, lassulásának, átvitelének és energiakezelésének különböző szakaszait. Minden csomópont többfunkciós állomásként szolgál, amely fejlett meghajtási, energiatárolási és hasznos teherkezelési rendszerekkel van felszerelve. Ez a moduláris megközelítés biztosítja a skálázhatóságot, az alkalmazkodóképességet és a rugalmasságot a hálózaton belül, mivel az egyes csomópontok frissíthetők, cserélhetők vagy hozzáadhatók a MOLN-hoz anélkül, hogy megzavarnák az általános működést.

A MOLN csomópont szerkezeti elrendezése és összetevői

1. Központi keret- és magrendszerek
• Szerkezeti keret: A csomópont fő szerkezeti kerete könnyű, mégis erős anyagokból épül fel, például szénszálas kompozitokból, titánötvözetekből vagy grafénnel javított szerkezetekből. Ezt a keretet úgy tervezték, hogy ellenálljon az elektromágneses gyorsulás és a tether-alapú manőverek által kifejtett erőknek, miközben rugalmas marad a keringési pályán történő összeszereléshez és javításhoz.
• Forgó mag és kardánmechanizmus: A csomópont közepén egy forgó mag található, amely lehetővé teszi az egész szerkezet számára, hogy átirányítsa magát az űrben. Ez a kardánmechanizmus 3 tengelyes forgási szabadságot biztosít a csomópontnak, lehetővé téve az elektromágneses sínek és kábelkötegek pontos beállítását a bejövő vagy kimenő hasznos terhekhez.

A forgásszabályozás és stabilitás egyenlete: A csomópont forgásdinamikája az Euler forgási egyenletekkel írható le:

τi=Iidωidt+(ωjωk)(Ik−Ij)\tau_i = I_i \frac{d\omega_i}{dt} + (\omega_j \omega_k) (I_k - I_j)τi=Iidtdωi+(ωjωk)(Ik−Ij)

hol:

• τi\tau_i τi: A iii. tengely mentén kifejtett nyomaték.
• IiI_iIi: Tehetetlenségi nyomaték a iii. tengely mentén.
• ωi,ωj,ωk\omega_i, \omega_j, \omega_k ωi,ωj,ωk: A főtengelyek körüli szögsebességek.

Grafika - A MOLN csomópontmag szerkezeti kivágása
(A MOLN csomópont szerkezeti keretét ábrázoló vizualizáció, amely a központi forgásmagot, a támasztótámaszokat és a napelemek és radiátorok külső paneljeit mutatja.)

2. Elektromágneses sínrendszer
• Lineáris gyorsító pályák: Az egyes csomópontok központi eleme az elektromágneses sínrendszer, amely a mágneses lebegés és a lineáris gyorsulás elvén működik. Ezek a sínek a csomópont teljes hosszában átívelnek, és képesek gyorsan gyorsítani vagy lassítani a hasznos terheket azáltal, hogy fizikai érintkezés nélkül elektromágneses erőket indukálnak.
• Hasznos teher vezetése és beállítása: A síneket nagy pontosságú vezérlőrendszerekkel tervezték annak biztosítása érdekében, hogy a hasznos terhek megfelelően legyenek beállítva az áthaladás során. Ez az irányítási rendszer kulcsfontosságú a stabilitás fenntartásához és a tervezett pályától való eltérés megelőzéséhez.

Elektromágneses gyorsulási egyenlet: A síneken áthaladva a hasznos teherre ható erőt a Lorentz-erőtörvény adja meg:

F=q(E+v×B)F = q \left( E + v \times B \right)F=q(E+v×B)

hol:

• FFF: A hasznos teherre kifejtett erő.
• qqq: Töltés (vagy indukált áram) a hasznos teherben vagy a sínben.
• EEE: A sínek által generált elektromos mező.
• vvv: A hasznos teher sebessége a sínek mentén.
• BBB: A síntekercsek által létrehozott mágneses mező.

Ez az erő felgyorsítja a hasznos terhelést anélkül, hogy fedélzeti meghajtásra lenne szükség, rendkívül hatékony eszközt kínálva a hasznos teher sebességének és röppályájának beállításához.

3. Lekötött hevedermechanizmusok és lendületcserélő rendszerek
• Nagy szakítószilárdságú hevederrendszerek: Egyes csomópontok rögzített hevedermechanizmusokkal vannak felszerelve, amelyeket a hasznos terhek rögzítésére, felgyorsítására vagy lassítására használnak a szögmozgás megőrzése révén. A lekötések olyan anyagokból készülnek, mint a szén nanocsövek vagy a bór-nitrid nanocsövek, amelyek biztosítják a szükséges szilárdságot a nagy centrifugális erők ellenállásához.
• Momentum Exchange és heveder műveletek: A heveder alapú heveder mechanizmus úgy működik, hogy a hevedert egy központi agy körül forgatja, hatékonyan továbbítva a lendületet a csomópontról a hasznos teherre. Ez a megközelítés energiahatékony, mivel a csomópont forgási tehetetlenségét használja a hasznos teher pályájának vagy sebességének megváltoztatására.

Lendületátviteli egyenlet: A csomópont-hasznos teherrendszer szöglendülete (LLL) megmarad a hevederes manőver során:

Linitial=Lfinal ⟹ (Inode⋅ωnode)+(mpayload⋅rtether⋅vtether)=constantL_{initial} = L_{final} \implikál (I_{csomópont} \cdot \omega_{csomópont}) + (m_{hasznos teher} \cdot r_{tether} \cdot v_{tether}) = \text{constant}Linitial=Lfinal⟹(Inode⋅ωnode)+(mpayload⋅rtether⋅vtether)=állandó

hol:

• InodeI_{node}Inode: A csomópont tehetetlenségi nyomatéka.
• ωnode\omega_{node}ωnode: A csomópont szögsebessége.
• mpayloadm_{payload}mpayload: A hasznos teher tömege.
• rtetherr_{tether}rtether: A lekötés hossza.
• vtetherv_{tether}vtether: A lekötés hegyének tangenciális sebessége.
3. Energiatároló és -kezelő rendszerek
• Szuperkondenzátor bankok: A csomópontok szuperkondenzátor bankokkal vannak felszerelve az elektromos energia tárolására és kezelésére. Ezek a kondenzátorok képesek gyors töltési és kisülési ciklusokra, lehetővé téve számukra az elektromágneses sínek táplálását gyorsítási vagy lassítási fázisokban. A regeneratív fékrendszerekből visszanyert energiát is tárolják.
• Regeneratív fékrendszer: Az energiahatékonyság maximalizálása érdekében a csomópont tartalmaz egy regeneratív fékrendszert, amely összegyűjti a lassuló hasznos terhekből származó mozgási energiát, és visszaalakítja elektromos energiává.

Energiaátalakítási képlet: A kinetikus fékezésből származó energiabefogás hatékonyságát a következő képlet adja meg:

Ererecover=12mpayloadv2⋅η regenE_{recovered} = \frac{1}{2} m_{hasznos teher} v^2 \cdot \eta_{regen}Ererecover=21mpayloadv2⋅ηregen

hol:

• mpayloadm_{payload}mpayload: A hasznos teher tömege.
• vvv: A hasznos teher lassulás előtti sebessége.
• ηregen\eta_{regen}ηregen: A regeneratív fékrendszer hatásfoka (jellemzően 70-90% között).

Ábra - Energiaáramlás csomópontrendszerekben
(Illusztráció, amely bemutatja, hogyan történik az energia befogása, tárolása és újrafelhasználása egy MOLN csomóponton belül, beleértve a szuperkondenzátorbankokat, a regeneratív fékrendszereket és az energiaáramlási útvonalakat.)

5. Orbitális hajtóművek és stabilizáló rendszerek
• Ionhajtóművek az orbitális beállításhoz: Minden csomópont alacsony tolóerejű, nagy hatékonyságú ionhajtóművekkel van felszerelve, amelyek lehetővé teszik az orbitális helyzet és tájolás finom beállítását. Ezeket a hajtóműveket elsősorban állomástartásra, hasznos terhekhez való igazításra és kisebb orbitális manőverekre használják, hogy fenntartsák a csomópont útját a MOLN-on belül.
• Reakciószabályozás és attitűdbeállítások: A helyzetszabályozáshoz reakciós kerekeket és vezérlőnyomaték-giroszkópokat használnak a nyomaték biztosítására és a pontos orientáció biztosítására a hasznos teher átviteli műveletei során.

Pályakorrekciós manőverek egyenlete: A kis pályakorrekciókhoz szükséges sebességváltozást (Δv\Delta vΔv) a következő képlet adja meg:

Δv=athajtóerő⋅tburn\Delta v = a_{hajtóerő} \cdot t_{égés}Δv=athajtómű⋅tburn

hol:

• athrustera_{tolóerő}athajtómű: Az ionhajtómű által biztosított gyorsulás.
• tburnt_{burn}tburn: A hajtómű égési ideje.
5. Hőmenedzsment és radiátorrendszerek
• Hőelvezetés és radiátorok: Tekintettel az elektromágneses sínek és az energiatároló rendszerek nagy energiájú működésére, a csomópontokat hőkezelési rendszerekkel tervezték a felesleges hő elvezetésére. A radiátorokat a csomópont külső felületére szerelik fel, hőcsövek segítségével a hőenergiát a központi alkatrészekből az űrbe vezetik.
• Termoelektromos hűtőrendszerek: A passzív radiátorok mellett egyes csomópontok aktív termoelektromos hűtőrendszereket alkalmazhatnak a kritikus alkatrészek hőmérsékletének szabályozására, biztosítva a stabil működést a termikus környezetek széles skáláján.

Hőelvezetési képlet: A radiátorokon keresztüli hőelvezetés sebességét (QQQ) a Stefan-Boltzmann törvény modellezi:

Q=ε⋅σ⋅A⋅T4Q = \epsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot T^4Q=ε⋅σ⋅A⋅T4

hol:

• ε\epsilonε: A radiátor anyagának emissziós képessége.
• σ\sigmaσ: Stefan-Boltzmann állandó.
• AAA: A radiátor felülete.
• TTT: A radiátor felületének hőmérséklete.

---

A csomópontok moduláris kialakítása és bővíthetősége

1. Bővíthető csomópontmodulok: Minden csomópontot a modularitás szem előtt tartásával terveztek, lehetővé téve további összetevők vagy funkciók szükség szerinti hozzáadását. Ez magában foglalhatja a megnövelt elektromágneses síneket a nagyobb hasznos terhek kezelésére, a megnövelt energiatárolási kapacitást további szuperkondenzátorokkal, vagy a továbbfejlesztett kommunikációs rendszereket a jobb hálózati koordináció érdekében.
2. Cserélhető alkatrészek karbantartáshoz és frissítéshez: A csomópontok könnyű hozzáféréssel rendelkeznek karbantartáshoz vagy frissítéshez. Az olyan alkatrészeket, mint a hajtóművek, a sínrendszerek és a hevederek úgy tervezték, hogy leválaszthatók és cserélhetők legyenek, biztosítva a hosszú távú fenntarthatóságot és minimalizálva a javítási állásidőt.
3. Dokkoló interfészek a hálózat bővítéséhez: A csomópontok szabványosított dokkolóinterfészeket tartalmaznak, amelyek lehetővé teszik új csomópontok vagy modulok csatlakoztatását, lehetővé téve a MOLN hálózat növekedését és alkalmazkodását az új szállítási igényekhez. A moduláris csomópontok a hálózat bármely orbitális rétegéhez hozzáadhatók, megőrizve a rugalmasságot a küldetési profilok és a hasznos terhelés követelményeinek megváltoztatásához.

---

A moduláris csomópontszerkezet megkötése

A MOLN csomópont-szerkezete a modularitás, az energiahatékonyság és a működési sokoldalúság köré épül. Az elektromágneses sínrendszerektől a rögzített lendületcserélő eszközökig és a regeneratív fékrendszerekig a csomópont kialakítása lehetővé teszi a hasznos terhek hatékony átvitelét, gyorsítását és lassítását különböző pályákon. A csomópontok skálázható architektúrája biztosítja, hogy a MOLN hálózat alkalmazkodni tudjon a jövőbeli űrszállítási igényekhez, támogatva a különböző alkalmazásokat, például a műholdak telepítését, a személyzet áthelyezését és a rakomány szállítását a mélyűri célállomásokra.

A következő szakaszok részletesebben ismertetik azokat a speciális mechanizmusokat és technológiákat, amelyek lehetővé teszik a MOLN csomópontok működését, kezdve az elektromágneses sínrendszerekkel.

---

---

1. Elektromágneses sínmeghajtási számítások

Az elektromágneses síneket a hasznos terhek felgyorsítására és lassítására használják az egyes MOLN csomópontokon belül. Az alábbiakban bemutatjuk azokat a számításokat, amelyek meghatározzák a sínek működését.

1.1 Lorentz-erő és gyorsulás

A Lorentz-erő az elsődleges mechanizmus a hasznos teher felgyorsítására a vasúti rendszer mentén. Tekintettel arra, hogy a sínek lineáris motorok, a hasznos teher által tapasztalt erőt a következőképpen fejezzük ki:

F=q(E+v×B)F = q \left( E + v \times B \right)F=q(E+v×B)

hol:

• FFF: A hasznos teherre ható erő (newtonban).
• qqq: Töltés (vagy indukált áram) a hasznos teherben vagy a vasúti rendszerben (Coulombsban).
• EEE: Elektromos térerősség a sínek mentén (volt per méterben).
• vvv: A hasznos teher sebessége (méter/másodpercben).
• BBB: A sínek által generált mágneses mező (Teslákban).

1.2 A hasznos teher gyorsulásának kiszámítása

A hasznos teher gyorsulása (apayloada_{payload}apayload) az alkalmazott erőből és a hasznos teher tömegéből (mpayloadm_{payload}mpayload) származik:

apayload=Fmpayloada_{hasznos teher} = \frac{F}{m_{hasznos teher}}apayload=mpayloadF

Ez a gyorsulás diktálja a sebesség változását (Δv\Delta vΔv) egy adott távolságon (ddd):

Δv=2apayloadd\Delta v = \sqrt{2 a_{hasznos teher} d}Δv=2ahasznos teherd

1.3 A vasúti üzemeltetés teljesítményigénye

A meghajtáshoz szükséges elektromos és mágneses mezők létrehozásához szükséges teljesítmény (PPP) a feszültség (VVV) és az áram (III) függvénye:

P=V⋅IP = V \cdot IP=V⋅I

A rendszer hatékonysága alapján (ηsínek\eta_{sínek}ηsínek) meghatározható a szükséges bemeneti teljesítmény:

Pinput=Pη railsP_{input} = \frac{P}{\eta_{rails}}Pinput=ηrailsP

Példa számítás: 1000 kg1000 \, \text{kg}1000kg tömegű hasznos teher esetén, gyorsulási hasznos teher=20 m/s2a_{hasznos teher} = 20 \, \text{m/s}^2ahasznos teher=20m/s2 500 m500 \, \text{m}500m távolságon:

Δv=2⋅20⋅500=20000=141,42 m/s\Delta v = \sqrt{2 \cdot 20 \cdot 500} = \sqrt{20000} = 141,42 \, \text{m/s}Δv=2⋅20⋅500=20000=141,42m/s

Ha a sín 80%-os hatásfokon működik (ηsín=0,8\eta_{sín} = 0,8ηsín=0,8), és a szükséges elektromos teljesítmény 100 kW100 \, \text{kW}100kW, akkor a bemeneti teljesítmény:

Pinput=100 kW0,8=125 kWP_{bemenet} = \frac{100 \, \text{kW}}{0,8} = 125 \, \text{kW}Pinput=0,8100kW=125kW

---

2. Lekötött hevedermechanizmusok és lendületcsere

A MOLN csomópontok hevedermechanizmusai a csomópont és a hasznos teher közötti lendület rögzítésére és továbbítására szolgálnak.

2.1 Szögimpulzus-megőrzés

A szögimpulzus-megmaradás elve szabályozza a lendületátvitelt a lekötés alapú rendszerekben:

L=I⋅ωL = I \cdot \omegaL=I⋅ω

hol:

• LLL: Szögimpulzus (kg m2^22/s-ban).
• III: Tehetetlenségi nyomaték (kg m2^22-ben).
• ω\omegaω: A lekötött hasznos teher rendszer szögsebessége (rad/s-ban).

2.2 A hevederfeszültség kiszámítása

A heveder feszültsége (TTT) kritikus tényező, amely biztosítja, hogy ellenálljon a centrifugális erőknek forgás közben:

T=mpayload⋅rtether⋅ω2T = m_{hasznos teher} \cdot r_{tether} \cdot \omega^2T=mpayload⋅rtether⋅ω2

hol:

• mpayloadm_{payload}mpayload: A hasznos teher tömege (kg-ban).
• rtetherr_{tether}rtether: A heveder hossza (méterben).
• ω\omegaω: Szögsebesség (rad/s-ban).

Példa számítás: 500 kg500 \, \text{kg}500kg hasznos teher esetén, 0,1 rad/s0,1 \ szögsebességgel forogva, \text{rad/s}0,1rad/s 200 m200 \, \text{m}200m szögsebességgel:

T=500⋅200⋅(0,1)2=1000 NT = 500 \cdot 200 \cdot (0,1)^2 = 1000 \, \text{N}T=500⋅200⋅(0,1)2=1000N

2.3 A lekötésalapú átvitelhez szükséges energia

A hevederes csúzli során a hasznos teherhez hozzáadott kinetikus energia (EkE_kEk):

Ek=12mpayload⋅vtether2E_k = \frac{1}{2} m_{hasznos teher} \cdot v_{tether}^2Ek=21mpayload⋅vtether2

ahol vtether=rtether⋅ω v_{tether} = r_{tether} \cdot \omegavtether=rtether⋅ω.

Példa számítás: Ha a heveder 0,1 rad/s0,1 \, \text{rad/s}0,1rad/s sebességgel forog és hossza 200 m200 \, \text{m}200m:

vtether=200⋅0,1=20 m/sv_{tether} = 200 \cdot 0,1 = 20 \, \text{m/s}vtether=200⋅0,1=20m/s

A mozgási energia 500 kg500 \, \text{kg}500kg hasznos teher esetén:

Ek=12⋅500⋅202=100 000 J (100 kJ)E_k = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot 20^2 = 100 000 \, \text{J} \, (100 \, \text{kJ})Ek=21⋅500⋅202=100 000J(100kJ)

---

3. Energiatárolás és visszatápláló fékezés

Az energiatárolás és -átalakítás létfontosságú a MOLN csomópont működéséhez, különösen a mozgási energia visszanyeréséhez és meghajtáshoz való újrafelhasználásához.

3.1 A szuperkondenzátor töltési és kisütési ciklusai

A szuperkondenzátorban (EcapE_{cap}Ecap) tárolt energiát a következő képlet adja meg:

Ecap=12CV2E_{cap} = \frac{1}{2} C V^2Ecap=21CV2

hol:

• CCC: Kapacitás (Faradokban).
• VVV: Feszültség a kondenzátoron keresztül (voltban).

3.2 Visszatápláló fékezésből származó energia visszanyerése

Amikor a hasznos teher lelassul, a mozgási energia visszaalakul elektromos energiává:

Ereclaimed=12mpayloadv2⋅η regenE_{reclaimed} = \frac{1}{2} m_{hasznos teher} v^2 \cdot \eta_{regen}Ereclaimed=21mpayloadv2⋅ηregen

hol:

• ηregen\eta_{regen}ηregen: A regeneratív fékrendszer hatásfoka (jellemzően 70-90%).

Példa számítás: 1000 kg1000 \, \text{kg}1000kg hasznos teher tömeg, 100 m/s100 \, \text{m/s}100m/s sebesség és 85%-os regeneratív fékhatékonyság esetén:

Ereclaimed=12⋅1000⋅(100)2⋅0,85=4,250,000 J (4,25 MJ)E_{reclaimed} = \frac{1}{2} \cdot 1000 \cdot (100)^2 \cdot 0,85 = 4,250,000 \, \text{J} \, (4,25 \, \text{MJ})Ereclaimed=21⋅1000⋅(100)2⋅0,85=4,250,000J(4,25MJ)

---

4. Orbitális manőverezés és tolóerő számítások

A csomópontok kis ionhajtóműveket használnak a pályák beállításához és pozíciójuk fenntartásához a MOLN hálózaton belül.

4.1 Tolóerő és Delta-V számítások

A pályabeállításhoz szükséges teljes sebességváltozás (Δv\Delta vΔv) az ionhajtóművek által biztosított tolóerőtől (FthrustF_{tolóerő}Fthrust) és az égés időtartamától (tburnt_{burn}tburn) függ:

Δv=Fthrustmnode⋅tburn\Delta v = \frac{F_{tolóerő}}{m_{csomópont}} \cdot t_{égés}Δv=mnodeFthrust⋅tburn

hol:

• mnodem_{node}mnode: A csomópont tömege (kg-ban).

4.2 Fajlagos impulzus és hajtóanyag tömege

Az ionhajtóművek fajlagos impulzusa (IspI_{sp}Isp) határozza meg a hajtóanyag felhasználásának hatékonyságát:

Δv=Isp⋅g0⋅ln(minitialmfinal)\Delta v = I_{sp} \cdot g_0 \cdot \ln \left( \frac{m_{initial}}{m_{final}} \right)Δv=Isp⋅g0⋅ln(mfinalminitial)

hol:

• IspI_{sp}Isp: Specifikus impulzus (másodpercben).
• g0g_0g0: Standard gravitációs gyorsulás (9,81 m/s29,81 \, \text{m/s}^29,81m/s2).
• minitialm_{initial}minitial, mfinalm_{final}mfinal: Mise az égés előtt és után.

Példa számítás: Isp=3000 sI_{sp} = 3000 \, \text{s}Isp=3000s ionhajtóművel rendelkező csomópont esetén, amelynek Δv=10 m/s\Delta v = 10 \, \text{m/s}Δv=10m/s-ra van szüksége:

Δv=3000⋅9.81⋅ln(minitialmfinal)\Delta v = 3000 \cdot 9.81 \cdot \ln \left( \frac{m_{initial}}{m_{final}} \right)Δv=3000⋅9.81⋅ln(mfinalminitial)

A tömegarány megoldása:

minitialmfinal=eΔvIsp⋅g0=e103000⋅9.81≈1.0034\frac{m_{initial}}{m_{final}} = e^{\frac{\Delta v}{I_{sp} \cdot g_0}} = e^{\frac{10}{3000 \cdot 9.81}} \kb. 1.0034mfinalminitial=eIsp⋅g0Δv=e3000⋅9.8110≈1.0034

---

5. Hőkezelés és sugárzó hőátadás

A csomópontoknak el kell oszlatniuk az elektromágneses műveletek és a hajtómű égése által generált hőt.

5.1 Sugárzó hőelvezetés

A csomópont radiátorai által sugárzott teljesítményt (PradiatedP_{sugárzott}sugárzott) a Stefan-Boltzmann törvény segítségével számítják ki:

Kisugárzott=ε⋅σ⋅A⋅T4P_{sugárzott} = \epszilon \cdot \szigma \cdot A \cdot T^4Kisugárzott=ε⋅σ⋅A⋅T4

hol:

• ε\epsilonε: A radiátor felületének emissziós képessége (jellemzően 0,8 - 0,9).
• σ\sigmaσ: Stefan-Boltzmann állandó (5,67×10−8 W/m2K45,67 \times 10^{-8} \, \text{W/m}^2 \text{K}^45.67×10−8W/m2K4).
• AAA: A radiátor felülete (m2\text{m}^2m2-ben).
• TTT: A radiátor hőmérséklete (Kelvinben).

Példa számítás: Ha a radiátor felülete 10 m210 \, \text{m}^210m2, emissziós képessége ε=0,85\epsilon = 0,85ε=0,85, hőmérséklete T=300 KT = 300 \, \text{K}T=300K:

Kisugárzott=0,85⋅5,67×10−8⋅10⋅(300)4≈459,15 WP_{sugárzott} = 0,85 \cdot 5,67 \times 10^{-8} \cdot 10 \cdot (300)^4 \approx 459,15 \, \text{W}Kisugárzott=0,85⋅5,67×10−8⋅10⋅(300)4≈459,15W

---

Ez a részletes számítássorozat lefedi a MOLN csomópont elsődleges működési szempontjait, az elektromágneses sínmeghajtástól az energiatárolásig és a pályaszabályozásig.

2. A MOLN csomópont kialakítása és mechanizmusai

2.2 Elektromágneses vasúti rendszerek

Az elektromágneses sínrendszerek a hasznos terhek gyorsításának, lassításának és manőverezésének elsődleges eszközei a Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) csomópontjain belül. Az elektromágnesesség és a mágneses levitáció elveinek felhasználásával érintésmentes meghajtást biztosítanak, lehetővé téve a sebesség pontos beállítását kémiai meghajtás nélkül. Ez a szakasz e vasúti rendszerek alapelveit, tervezési elemeit és teljesítményjellemzőit vizsgálja.

2.2.1 Mágneses levitációs elvek

Az elektromágneses sínek a mágneses lebegés (maglev) elve alapján működnek, ahol a hasznos terheket mágneses mezőkkel felfüggesztik és hajtják. Ez a megközelítés csökkenti a súrlódást és a kopást, lehetővé téve a nagy sebességű és hatékony szállítást a MOLN hálózaton keresztül.

1. Elektromágneses felfüggesztés (EMS) és meghajtás
• Levitációs erő: A mágneses lebegést úgy érik el, hogy taszító vagy vonzó erőket generálnak a hasznos teher és a sínek között. A leggyakoribb technika váltakozó mágneses mezők használata, amelyek felemelik és stabilizálják a hasznos terhelést:

Flevitation=Brail⋅Ipayload⋅LF_{\text{levitation}} = B_{\text{rail}} \cdot I_{\text{payload}} \cdot LFlevitation=Brail⋅Ipayload⋅L

hol:

• FlevitationF_{\text{levitation}}Flevitation: Erőt adó erő (newtonban).
• BrailB_{\text{rail}}Brail: A sín mágneses térerőssége (Teslában).
• IpayloadI_{\text{payload}}Ipayload: Indukált áram vagy mágnesezés a hasznos teherben (amperben).
• LLL: A vasúti felvonó szakaszának hossza (méterben).
• Stabilitás és irányíthatóság: A síneket úgy tervezték, hogy függőleges emelést és oldalirányú stabilitást is biztosítsanak. A mágneses érzékelők be vannak ágyazva a sínekbe, hogy észleljék a középponttól való eltérést, lehetővé téve a mágneses mezők valós idejű beállítását, hogy a hasznos teher középen maradjon.
1. Mágneses irányítási rendszer
• Hasznos teher nyomon követése és igazítása: A sínek aktív és passzív mágneses erők kombinációját használják annak biztosítására, hogy a hasznos teher gyorsulás és lassítás közben is igazodjon. A mágnesestér-érzékelőket és vezérlő elektromágneseket tartalmazó visszacsatolási hurok dinamikusan beállítja a hasznos teher helyzetét.
• Mozgásegyenlet mágneses terekben: A hasznos teher mozgását szabályozó egyenlet a sínrendszer mentén mágneses mezők hatására: mpayloadd2xdt2=Fpropulsion(x,t)−Fdrag(x,t)m_{\text{payload}} \frac{d^2 x}{dt^2} = F_{\text{propulsion}}(x, t) - F_{\text{drag}}(x, t)mpayloaddt2d2x=Fpropulsion(x,t)−Fdrag(x, t) ahol:
• mpayloadm_{\text{payload}}mpayload: A hasznos teher tömege (kg-ban).
• x(t)x(t)x(t): A hasznos teher helyzete az idő függvényében.
• Fpropulsion(x,t)F_{\text{propulsion}}(x, t)Fpropulsion(x,t): A sínek által generált hajtóerő xxx helyzetben és ttt időben.
• Fdrag(x,t)F_{\text{drag}}(x, t)Fdrag(x,t): Rezisztív vagy húzóerők (főleg elektromágneses húzás).

2.2.2 Gyorsító és lassító mechanizmusok

A vasúti rendszer alapvető funkciója a hasznos teher felgyorsítása vagy lassítása az elektromos energia mozgási energiává alakításával vagy fordítva. Ezt lineáris motorokkal érik el, amelyek szabályozott mágneses erőket generálnak.

1. Lineáris szinkronmotorok (LSM-ek)
• LSM-ek működése: A sínek lineáris szinkronmotorokat használnak a meghajtás biztosítására azáltal, hogy utazó mágneses hullámot hoznak létre a pálya hosszában. Ez a hullám kölcsönhatásba lép a hasznos teher mágneses tulajdonságaival, mozgást indukálva. A mágneses hullám szinkronsebessége (vsyncv_{\text{sync}}vsync) határozza meg a hasznos teher sebességét:

vsync=2fpv_{\text{sync}} = \frac{2 f}{p}vsync=p2f

hol:

• vsyncv_{\text{sync}}vsync: Szinkronsebesség (m/s-ban).
• fff: A motort tápláló váltakozó áram (AC) frekvenciája (Hz-ben).
• ppp: A mágneses hullám pólusmagassága (méterben).
• Erőgenerálás és -szabályozás: Az LSM által a hasznos teher gyorsítására vagy lassítására létrehozott erőt a következő képlet adja meg:

Faccel=V⋅I⋅η motorvpayloadF_{\text{accel}} = \frac{V \cdot I \cdot \eta_{\text{motor}}}{v_{\text{payload}}}Faccel=vpayloadV⋅I⋅ηmotor

hol:

• FaccelF_{\text{accel}}Faccel: Gyorsító erő (newtonban).
• VVV: A sínekre táplált feszültség (voltban).
• III: A síneken átfolyó áram (amperben).
• ηmotor\eta_{\text{motor}}ηmotor: A motorrendszer hatékonysága (jellemzően 80-95% között).
• vpayloadv_{\text{payload}}vpayload: A hasznos teher sebessége a sín mentén (m/s-ban).
1. Visszatápláló fékezés lassításhoz
• Fékezés és energia-visszanyerés: A lassulás a mágneses mező megfordításával vagy regeneratív fékrendszerek használatával érhető el a hasznos teher lelassítása érdekében. A mozgási energiát visszaalakítják elektromos energiává, és későbbi felhasználásra tárolják:

Pregen=ηregen⋅12mpayloadvpayload2P_{\text{regen}} = \eta_{\text{regen}} \cdot \frac{1}{2} m_{\text{payload}} v_{\text{payload}}^2Pregen=ηregen⋅21mpayloadvpayload2

hol:

• PregenP_{\text{regen}}Pregen: A visszatápláló fékezéssel visszanyert teljesítmény (wattban).
• ηregen\eta_{\text{regen}}ηregen: Az energia-visszanyerés hatékonysága (jellemzően 70-90%).
• Ellenőrzött lassulási görbe: A biztonságos lassulás fenntartása érdekében anélkül, hogy túlzott g-erőket okozna az érzékeny hasznos terhekre, a vasúti rendszer szabályozott lassulási görbét használ:

adecel(t)=amax(1−e−tτ)a_{\text{decel}}(t) = a_{\text{max}} \left( 1 - e^{-\frac{t}{\tau}} \right)adecel(t)=amax(1−e−τt)

hol:

• adecel(t)a_{\text{decel}}(t)adecel(t): Lassulás az idő függvényében (m/s2^22-ben).
• amaxa_{\text{max}}amax: Legnagyobb megengedett lassulás (m/s2^22-ben).
• τ\tauτ: A zökkenőmentes lassulást biztosító időállandó (másodpercben).

---

2.2.3 A sínek teljesítménye és energiahatékonysága

A hatékony energiafelhasználás kulcsfontosságú az elektromágneses vasúti rendszer számára, mivel minden csomópontnak megbízható gyorsulást és lassulást kell biztosítania, miközben minimalizálja az energiaveszteséget.

1. Energiafogyasztás és terheléselosztás
• Pillanatnyi energiaigény: A síneken mozgó hasznos teherhez szükséges pillanatnyi teljesítmény a kívánt erő és a sínrendszer hatékonyságának függvénye: Prail(t)=Faccel(t)⋅vpayload(t)η railsP_{\text{rail}}(t) = \frac{F_{\text{accel}}(t) \cdot v_{\text{payload}}(t)}{\eta_{\text{rails}}}Prail(t)=ηrailsFaccel(t)⋅vpayload(t) ahol:
• Prail(t)P_{\text{rail}}(t)Prail(t): A ttt időpontban szükséges teljesítmény (wattban).
• ηsínek\eta_{\text{sínek}}ηsínek: A sínrendszer hatékonysága az elektromos energia mozgási energiává alakításában (jellemzően 80-90%).
2. Energiatárolás és -elosztás
• Szuperkondenzátor alapú tárolás: A gyorsuláshoz és lassuláshoz szükséges teljesítménylöketek kezeléséhez a csomópontok szuperkondenzátorokkal vannak felszerelve. Ezek a kondenzátorok gyorsan feltölthetők és kisülhetnek, azonnali áramellátást biztosítva a vasúti műveletekhez. A szuperkondenzátorban tárolt teljes energiát a következő képlet adja meg: Ecap=12CVmax2E_{\text{cap}} = \frac{1}{2} C V_{\text{max}}^2Ecap=21CVmax2 ahol:
• EcapE_{\text{cap}}Ecap: A kondenzátorban tárolt energia (Joule-ban).
• CCC: A szuperkondenzátor kapacitása (Faradsban).
• VmaxV_{\text{max}}Vmax: A kondenzátor maximális feszültsége (voltban).
3. Vasúti rendszerek hőkezelése
• Hőtermelés és -elvezetés: A sínek működése közben az ellenállási veszteségek és az elektromágneses erők hőt termelnek. A hőként eloszlatott teljesítmény: Pheat=I2RP_{\text{heat}} = I^2 RPheat=I2R ahol:
• PheatP_{\text{heat}}Pheat: Termelt hő (wattban).
• III: Áram a síneken keresztül (amperben).
• RRR: A sínek elektromos ellenállása (ohmban).

Hűtőrendszerek és radiátorok: A hő hatékony eloszlatása érdekében a sínek radiátorokkal és hűtőkörökkel vannak összekapcsolva, amelyek a felesleges hőenergiát elvezetik a sínektől. A radiátorokon keresztüli hőátadás sebessége a Stefan-Boltzmann törvényt követi:

Qradiated=ε⋅σ⋅Arad⋅T4Q_{\text{radiated}} = \epsilon \cdot \sigma \cdot A_{\text{rad}} \cdot T^4Qradiated=ε⋅σ⋅Arad⋅T4

hol:

• QradiatedQ_{\text{radiated}}Qradiated: A kisugárzott teljesítmény (wattban).
• ε\epsilonε: A radiátor anyagának emissziós képessége.
• σ\sigmaσ: Stefan-Boltzmann állandó (5,67×10−8 W/m2K45,67 \times 10^{-8} \, \text{W/m}^2 \text{K}^45.67×10−8W/m2K4).
• AradA_{\text{rad}}Arad: A radiátor felülete (m2^22-ben).
• TTT: A radiátor hőmérséklete (Kelvinben).

---

Az elektromágneses vasúti rendszerek következtetése

A MOLN csomópontok elektromágneses sínrendszerei rendkívül hatékony eszközt biztosítanak a hasznos teher sebességének és pályájának szabályozására az űrben. A mágneses levitáció, a lineáris szinkronmotorok és a regeneratív fékezés használatával ezek a rendszerek egyenletes gyorsulást és lassulást kínálnak minimális energiaveszteséggel. Az energiatárolás, a hatékony hűtés és a pontos vezérlőmechanizmusok integrálása ezeket a vasúti rendszereket a MOLN képességeinek létfontosságú részévé teszi, biztosítva a hasznos terhek biztonságos és hatékony szállítását a keringési pályákon.

A következő rész részletesebben foglalkozik a mágneses levitáció elveivel, megvizsgálva a fellépő erőket és az érintett szabályozó mechanizmusokat.

---

1. A lebegési erő kiszámítása

A hasznos teher lebegtetéséhez szükséges erő a sín és a hasznos teher közötti mágneses kölcsönhatásból származik. Ezt az erőt a síneken áthaladó áram, a mágneses térerősség és a hasznos teher tömege alapján számítjuk ki.

1.1 Szükséges lebegési erő

Egy mpayloadm_{\text{payload}}mhasznos teher levitálásához a rendszernek ellensúlyoznia kell a gravitációs erőt vagy bármely ezzel egyenértékű húzóerőt:

Flevitation=mpayload⋅gF_{\text{levitation}} = m_{\text{payload}} \cdot gFlevitation=mpayload⋅g

hol:

• mpayloadm_{\text{payload}}mpayload: A hasznos teher tömege (kg-ban).
• ggg: Effektív gravitációs erő vagy mesterséges húzás a csomópont helyén (m/s²-ben).

Például, ha mpayload=500 kgm_{\text{payload}} = 500 \, \text{kg}mpayload=500kg és g=9,81 m/s2g = 9,81 \, \text{m/s}^2g=9,81m/s2:

Flevitáció=500⋅9,81=4905 NF_{\text{levitation}} = 500 \cdot 9,81 = 4905 \, \text{N}Flevitation=500⋅9,81=4905N

1.2 Mágneses levitációs erő elektromágneses sínekkel

A mágneses lebegési erő (FmagneticF_{\text{magnetic}}Fmagnetic) a következő összefüggéssel számítható ki:

Fmagnetic=Brail⋅Ipayload⋅LF_{\text{magnetic}} = B_{\text{rail}} \cdot I_{\text{payload}} \cdot LFmagnetic=Brail⋅Ipayload⋅L

hol:

• BrailB_{\text{rail}}Brail: A síntekercsek által generált mágneses térerősség (Tesla-ban).
• IpayloadI_{\text{payload}}Ipayload: A hasznos teherben indukált áram (amperben).
• LLL: A hasznos teherrel kölcsönhatásba lépő vasúti szakasz hossza (méterben).

Tegyük fel:

• Brail=0,5 TB_{\text{rail}} = 0,5 \, \text{T}Brail=0,5T (Tesla),
• Ipayload=100 AI_{\text{payload}} = 100 \, \text{A}Ipayload=100A,
• L=10 ml = 10 \, \text{m}L=10m.

Akkor:

Fmagnetikus=0,5⋅100⋅10=500 NF_{\text{magnetic}} = 0,5 \cdot 100 \cdot 10 = 500 \, \text{N}Fmagnetic=0,5⋅100⋅10=500N

Ennek az erőnek elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy kiegyensúlyozza vagy meghaladja a gravitációs erőt a stabil lebegéshez.

---

2. A hajtóerő kiszámítása lineáris motorokkal

Az elektromágneses sínrendszer lineáris szinkronmotorokat (LSM) alkalmaz a hasznos teher felgyorsítására a sín mentén. Ennek az erőnek le kell győznie a tehetetlenséget és minden ellenállási erőt a hasznos teher hatékony meghajtásához.

2.1 Szükséges hajtóerő

A kívánt gyorsulás eléréséhez apayloada_{\text{hasznos teher}}ahasznos teher, a hajtóerő FpropulsionF_{\text{propulsion}}Fpropulsion:

Fpropulsion=mpayload⋅apayloadF_{\text{propulsion}} = m_{\text{payload}} \cdot a_{\text{payload}}Fpropulsion=mpayload⋅apayload

Például, ha mpayload=500 kgm_{\text{payload}} = 500 \, \text{kg}mpayload=500kg és apayload=2 m/s2a_{\text{payload}} = 2 \, \text{m/s}^2apayload=2m/s2:

Fpropulsion=500⋅2=1000 NF_{\text{propulsion}} = 500 \cdot 2 = 1000 \, \text{N}Fpropulsion=500⋅2=1000N

2.2 A meghajtás teljesítményigénye

Az erő létrehozásához szükséges teljesítmény (PmotorP_{\text{motor}}Pmotor) a hasznos teher sebességétől (vpayloadv_{\text{payload}}vpayload) függ:

Pmotor=Fpropulsion⋅vpayloadP_{\text{motor}} = F_{\text{propulsion}} \cdot v_{\text{payload}}Pmotor=Fpropulsion⋅vhasznos teher

Feltételezve, hogy a hasznos teher eléri a vpayload=10 m/sv_{\text{payload}} = 10 \, \text{m/s}vpayload=10m/s sebességet:

Pmotor=1000⋅10=10 000 W=10 kWP_{\text{motor}} = 1000 \cdot 10 = 10 000 \, \text{W} = 10 \, \text{kW}Pmotor=1000⋅10=10 000W=10kW

2.3 Hatékonyság és bemeneti teljesítmény

Figyelembe véve az LSM 85%-os hatásfokát (ηmotor\eta_{\text{motor}}ηmotor):

Pinput=Pmotorη motorP_{\text{input}} = \frac{P_{\text{motor}}}{\eta_{\text{motor}}}}Pinput=ηmotorPmotor Pinput=10 0000,85=11 764,7 W=11,76 kWP_{\text{input}} = \frac{10 000}{0,85} = 11 764,7 \, \text{W} = 11,76 \, \text{kW}Pinput=0,8510,000=11,764,7W=11,76kW

---

3. A gyorsítás energiakövetelményei

A hasznos teher draild_{\text{rail}}drail távolságra történő felgyorsításához szükséges energia a munka-energia elvből származik, ahol a meghajtórendszer által végzett munka kinetikus energiává alakul.

3.1 A hasznos teher kinetikus energiája

A hasznos teher kinetikus energiája (EkE_kEk) vpayloadv_{\text{payload}}vpayload:

Ek=12mpayloadvpayload2E_k = \frac{1}{2} m_{\text{payload}} v_{\text{payload}}^2Ek=21mpayloadvpayload2

Ha például a hasznos teher eléri a vpayload=20 m/sv_{\text{payload}} = 20 \, \text{m/s}vpayload=20m/s sebességet:

Ek=12⋅500⋅(20)2=100 000 J (100 kJ)E_k = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot (20)^2 = 100 000 \, \text{J} \, (100 \, \text{kJ})Ek=21⋅500⋅(20)2=100 000J(100kJ)

3.2 Szuperkondenzátorokban tárolt energia gyorsítás céljából

Az energiát szuperkondenzátorokban kell tárolni, mielőtt gyorsításra használnák:

Ecap=12CVmax2E_{\text{cap}} = \frac{1}{2} C V_{\text{max}}^2Ecap=21CVmax2

hol:

• CCC: A szuperkondenzátor kapacitása (Faradsban).
• VmaxV_{\text{max}}Vmax: A szuperkondenzátor feszültsége (voltban).

Feltesz:

• C=500 FC = 500 \, \text{F}C=500F,
• Vmax=200 VV_{\text{max}} = 200 \, \text{V}Vmax=200V.

Akkor:

Ecap=12⋅500⋅(200)2=10 000 000 J (10 MJ)E_{\text{cap}} = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot (200)^2 = 10 000 000 \, \text{J} \, (10 \, \text{MJ})Ecap=21⋅500⋅(200)2=10 000 000J(10MJ)

Ez több mint elegendő ahhoz, hogy felgyorsítsa a hasznos terhelést a kívánt sebességre.

---

4. Hőelvezetés és hőkezelés

Amikor energiát szállítanak a sínekre, a sínek és más alkatrészek ellenállása miatt hő keletkezik. A folyamatos működéshez hatékony hűtés és hőelvezetés szükséges.

4.1 Rezisztív fűtés

Az elektromágneses sínekben hőként (PheatP_{\text{heat}}Pheat) eloszlatott energiát a sínanyagokon belüli elektromos ellenállás okozza. Ez az ellenálló fűtés, más néven Joule-fűtés, a sín vezető anyagain áthaladó áram mellékterméke.

Az ellenálló fűtés képlete:

Pheat=Irail2RrailP_{\text{heat}} = I_{\text{rail}}^2 R_{\text{rail}}Pheat=Irail2Rrail

hol:

• IrailI_{\text{rail}}Irail: A sínen áthaladó áram (amperben).
• RrailR_{\text{rail}}Rrail: A sín elektromos ellenállása (ohmban).

Az ellenálló fűtést befolyásoló tényezők:

• Áram (IrailI_{\text{rail}}Irail): A nagyobb áramok nagyobb fűtéshez vezetnek, mivel az eloszlatott teljesítmény arányos az áram négyzetével.
• Sínellenállás (RrailR_{\text{rail}}Rrail): Az ellenállás az anyag ellenállásának (ρ\rhoρ), a sín hosszának (LrailL_{\text{rail}}Lrail) és keresztmetszeti területének (ArailA_{\text{rail}}Arail) függvénye: Rrail=ρ⋅LrailArailR_{\text{rail}} = \frac{\rho \cdot L_{\text{rail}}}{A_{\text{rail}}}Rrail=Arailρ⋅Lrail ahol:
• ρ\rhoρ: A sín anyagának ellenállása (ohmmérő).
• LrailL_{\text{rail}}Lrail: Annak a sínnek a hossza, amelyen keresztül az áram áramlik (méterben).
• ArailA_{\text{rail}}Arail: A sín keresztmetszete (négyzetméterben).

4.2 Hőkezelési és hűtési rendszerek

A túlmelegedés megelőzése és a vasúti rendszer integritásának fenntartása érdekében a MOLN csomópontnak hatékony hőkezelési stratégiákat kell végrehajtania.

4.2.1 Sugárzó hűtés

A sínek ellenállási veszteségeiből származó hő elsősorban sugárzó hűtéssel oszlik el. A csomópontszerkezethez rögzített radiátorok elnyelik a hőt és kibocsátják az űrbe. A sugárzás általi hőátadás sebességét (QradiatedQ_{\text{radiated}}Qradiated) a Stefan-Boltzmann törvény adja meg:

Qradiated=ε⋅σ⋅Arad⋅Trad4Q_{\text{radiated}} = \epsilon \cdot \sigma \cdot A_{\text{rad}} \cdot T_{\text{rad}}^4Qradiated=ε⋅σ⋅Arad⋅Trad4

hol:

• ε\epsilonε: A radiátor anyagának emissziós képessége (dimenzió nélküli állandó 0 és 1 között).
• σ\sigmaσ: Stefan-Boltzmann állandó (5,67×10−8 W/m2K45,67 \times 10^{-8} \, \text{W/m}^2 \text{K}^45.67×10−8W/m2K4).
• AradA_{\text{rad}}Arad: A radiátor felülete (négyzetméterben).
• TradT_{\text{rad}}Trad: A radiátor felületének hőmérséklete (Kelvinben).

A hőtermelés és -eloszlás kiegyensúlyozása: Az ellenállási veszteségek (PheatP_{\text{heat}}Pheat) által termelt hőt ideális esetben a sugárzás által eloszlatott hővel kell kiegyensúlyozni (QradiatedQ_{\text{radiated}}Qradiated):

Pheat=QradiatedP_{\text{heat}} = Q_{\text{radiated}}Pheat=Qradiated

Példa a hőegyensúly kiszámítására:

Feltesz:

• Irail=200 AI_{\text{rail}} = 200 \, \text{A}Irail=200A,
• rrail=0,02 ω R_{\text{rail}} = 0,02 \, \omegaRrail=0,02Ω,
• Arad=10 m2A_{\text{rad}} = 10 \, \text{m}^2Arad=10m2,
• ε=0,9\epszilon = 0,9ε=0,9,
• Trad=350 KT_{\text{rad}} = 350 \, \text{K}Trad=350K.

1. Számítsa ki az ellenállásos fűtést:

Pheat=(200)2⋅0,02=800 WP_{\text{heat}} = (200)^2 \cdot 0,02 = 800 \, \text{W}Pheat=(200)2⋅0,02=800W

2. Számítsa ki a sugárzó hűtést:

Qradiated=0,9⋅5,67×10−8⋅10⋅(350)4Q_{\text{radiated}} = 0.9 \cdot 5,67 \times 10^{-8} \cdot 10 \cdot (350)^4Qradiated=0,9⋅5,67×10−8⋅10⋅(350)4 Qradiated=0,9⋅5,67×10−8⋅10⋅1,5×108=765 WQ_{\text{radiated}} = 0,9 \cdot 5,67 \times 10^{-8} \cdot 10 \cdot 1,5 \times 10^8 = 765 \, \text{W}Qradiated=0,9⋅5,67×10−8⋅10⋅1,5×108=765W

Ebben a példában a keletkező hő (800 W800 \, \text{W}800W) valamivel magasabb, mint a sugárzási disszipáció (765 W765 \, \text{W}765W), jelezve, hogy további hűtési intézkedésekre vagy a radiátor kialakításának módosítására van szükség.

4.2.2 Aktív hűtőrendszerek

Azokban az esetekben, amikor a sugárzó hűtés nem elegendő, aktív hűtőrendszerek, például hőcsövek, folyadékhurkok vagy termoelektromos hűtők használhatók a hőelvezetés fokozására. Ezek a rendszerek a felesleges hőt a sínekről a nagyobb radiátorokba vagy közvetlenül az űrbe szállítják.

Hővezetés hőcsövekben: A hőcsövön (QpipeQ_{\text{pipe}}Qpipe) áthaladó hőátadási sebességet a következő képlet adja meg:

Qpipe=kpipe⋅Apipe⋅Δ TLpipeQ_{\text{pipe}} = k_{\text{pipe}} \cdot A_{\text{pipe}} \cdot \frac{\Delta T}{L_{\text{pipe}}}Qpipe=kpipe⋅Apipe⋅LpipeΔT

hol:

• kpipek_{\text{pipe}}kpipe: A cső anyagának hővezető képessége (W/mK-ban).
• ApipeA_{\text{pipe}}Apipe: A hőcső keresztmetszete (négyzetméterben).
• ΔT\Delta TΔT: A sín és a radiátor közötti hőmérsékletkülönbség (kelvinben).
• LpipeL_{\text{pipe}}Lpipe: A hőcső hossza (méterben).

Példa a hőcső átvitelének kiszámítására: Tegyük fel:

• kpipe=400 W/mKk_{\text{pipe}} = 400 \, \text{W/mK}kpipe=400W/mK (réz esetében),
• Apipe=0,01 m2A_{\text{pipe}} = 0,01 \, \text{m}^2Apipe=0,01m2,
• ΔT=50 K\Delta T = 50 \, \text{K}ΔT=50K,
• Lpipe=2 mL_{\text{pipe}} = 2 \, \text{m}Lpipe=2m.

Qpipe=400⋅0.01⋅502=100 WQ_{\text{pipe}} = 400 \cdot 0.01 \cdot \frac{50}{2} = 100 \, \text{W}Qpipe=400⋅0.01⋅250=100W

Ebben a forgatókönyvben a hőcső 100 W hőenergiát képes szállítani a sínről a radiátorra, kiegészítve a sugárzó hűtőrendszert.

---

Következtetés az ellenálló fűtésre és hőkezelésre vonatkozóan

Az elektromágneses sínrendszerben keletkező ellenállásos fűtést hatékonyan kell kezelni sugárzó hűtés és aktív hőelvezetési mechanizmusok kombinációjával. A számítások azt mutatják, hogy a hőtermelés és -elvezetés közötti megfelelő egyensúly fenntartása kritikus fontosságú a MOLN csomópontok biztonságos és hatékony működéséhez.

---

1. A lebegési erő kiszámítása

A mágneses lebegést (maglev) úgy érik el, hogy olyan erőt hoznak létre, amely kiegyensúlyozza vagy legyőzi a gravitációs húzást vagy a hasznos terhet a sínekhez vonzó erőt.

1.1 A lebegéshez szükséges erő kiszámítása

Ahhoz, hogy egy hasznos teher mpayloadm_{\text{payload}}mhasznos teher lebegjen orbitális környezetben (minimális effektív gravitációs erő mellett), a rendszernek felfelé irányuló elektromágneses erőt kell biztosítania FlevitationF_{\text{levitation}}Flevitation:

Flevitation=mpayload⋅alevF_{\text{levitation}} = m_{\text{payload}} \cdot a_{\text{lev}}Flevitation=mpayload⋅alev

hol:

• aleva_{\text{lev}}alev: Mesterséges gyorsulás a hasznos teher stabilizálására (m/s²-ben).

Példa számítás: Feltételezve, hogy mpayload=500 kgm_{\text{payload}} = 500 \, \text{kg}mpayload=500kg és alev=0,2 m/s2a_{\text{lev}} = 0,2 \, \text{m/s}^2alev=0,2m/s2 (stabilizáló erőként):

Flevitáció=500⋅0,2=100 NF_{\text{levitation}} = 500 \cdot 0,2 = 100 \, \text{N}Flevitation=500⋅0,2=100N

1.2 Mágneses erő a lebegés eléréséhez

A FmagneticF_{\text{magnetic}}Fmagnetic mágneses mágneses levitációs erőt a következő képlet adja meg:

Fmagnetic=Brail⋅Irail⋅LcoilF_{\text{magnetic}} = B_{\text{rail}} \cdot I_{\text{rail}} \cdot L_{\text{coil}}Fmagnetic=Brail⋅Irail⋅Lcoil

hol:

• BrailB_{\text{rail}}Brail: A síntekercsek mágneses térerőssége (Teslában).
• IrailI_{\text{rail}}Irail: A sínen átfolyó áram (amperben).
• LcoilL_{\text{coil}}Lcoil: A tekercs tényleges hossza (méterben).

Számítási példa: Ha a vasúti rendszer:

• Brail=0,3 TB_{\text{rail}} = 0,3 \, \text{T}Brail=0,3T,
• Irail=100 AI_{\text{rail}} = 100 \, \text{A}Irail=100A,
• Lcoil=5 mL_{\text{coil}} = 5 \, \text{m}Lcoil=5m:

Fmagnetikus=0,3⋅100⋅5=150 NF_{\text{magnetic}} = 0,3 \cdot 100 \cdot 5 = 150 \, \text{N}Fmagnetic=0,3⋅100⋅5=150N

Ez az erő elegendő ahhoz, hogy stabil lebegést biztosítson bármilyen stabilizáló gyorsulással szemben.

---

2. A hajtóerő és a teljesítményigény számítása

Az elektromágneses sínrendszer lineáris gyorsulást biztosít a hajtóerőkön keresztül, hogy a hasznos terhet a sín mentén mozgassa.

2.1 A hajtóerő kiszámítása

A hasznos teher felgyorsításához szükséges erő FpropulsionF_{\text{propulsion}}Fpropulsion:

Fpropulsion=mpayload⋅apayloadF_{\text{propulsion}} = m_{\text{payload}} \cdot a_{\text{payload}}Fpropulsion=mpayload⋅apayload

hol:

• apayloada_{\text{payload}}apayload: A kívánt gyorsulás (m/s²-ben).

Példa számítás: Feltételezve, hogy a kívánt gyorsulás apayload=3 m/s2a_{\text{payload}} = 3 \, \text{m/s}^2apayload=3m/s2:

Meghajtás=500⋅3=1500 NF_{\text{meghajtás}} = 500 \cdot 3 = 1500 \, \text{N}Fpropulsion=500⋅3=1500N

2.2 A gyorsulás teljesítményigénye

A sín mentén fellépő erő biztosításához szükséges teljesítmény a hasznos teher sebességétől vpayloadv_{\text{payload}}vpayload:

Ppropulsion=Fpropulsion⋅vpayloadP_{\text{propulsion}} = F_{\text{propulsion}} \cdot v_{\text{hasznos teher}}Ppropulsion=Fpropulsion⋅vhasznos teher

Ha a hasznos teher eléri a vpayload=20 m/sv_{\text{payload}} = 20 \, \text{m/s}vpayload=20m/s sebességet:

Meghajtás=1500⋅20=30 000 W=30 kWP_{\text{meghajtás}} = 1500 \cdot 20 = 30 000 \, \text{W} = 30 \, \text{kW}Meghajtás=1500⋅20=30 000W=30kW

2.3 Tápellátás hatékonysági megfontolásokkal

A sínrendszer hatékonyságát figyelembe véve ηsínek=0,85\eta_{\text{sínek}} = 0,85ηsínek=0,85:

Pinput=Ppropulsionη railsP_{\text{input}} = \frac{P_{\text{propulsion}}}{\eta_{\text{rails}}}Pinput=ηrailsPpropulsion Pinput=30,0000,85=35,294,1 W=35,29 kWP_{\text{input}} = \frac{30,000}{0,85} = 35,294,1 \, \text{W} = 35,29 \, \text{kW}Pinput=0,8530,000=35,294,1W=35,29kW

---

3. Energiatárolás szuperkondenzátorokban

A szuperkondenzátorok tárolják az elektromos energiát, amelyet a sínek gyorsulásra és lassításra használnak.

3.1 A tárolt energia kiszámítása

A szuperkondenzátorban tárolt energia:

Ecap=12CVmax2E_{\text{cap}} = \frac{1}{2} C V_{\text{max}}^2Ecap=21CVmax2

hol:

• CCC: Kapacitás (Faradokban).
• VmaxV_{\text{max}}Vmax: A kondenzátor maximális feszültsége (voltban).

Példa számítás: Ha C=1000 FC = 1000 \, \text{F}C=1000F és Vmax=400 VV_{\text{max}} = 400 \, \text{V}Vmax=400V:

Ecap=12⋅1000⋅(400)2=80 000 000 J=80 MJE_{\text{cap}} = \frac{1}{2} \cdot 1000 \cdot (400)^2 = 80 000 000 \, \text{J} = 80 \, \text{MJ}Ecap=21⋅1000⋅(400)2=80 000 000J=80MJ

Ez a tárolt energia felhasználható a hasznos terhek többszörös felgyorsítására vagy lassítására.

3.2 Visszatápláló fékezésből származó energia-visszanyerés

A lassulás során a hasznos teher mozgási energiája visszaalakul elektromos energiává:

Eregen=12mpayloadvpayload2⋅η regenE_{\text{regen}} = \frac{1}{2} m_{\text{payload}} v_{\text{payload}}^2 \cdot \eta_{\text{regen}}Eregen=21mpayloadvpayload2⋅ηregen

hol:

• ηregen\eta_{\text{regen}}ηregen: A regeneratív fékezés hatékonysága (jellemzően 70-90%).

Példa számításra: vpayload=20 m/sv_{\text{payload}} = 20 \, \text{m/s}vpayload=20m/s sebességgel haladó hasznos teher esetén, ηregen=0,85\eta_{\text{regen}} = 0,85ηregen=0,85 esetén:

Eregen=12⋅500⋅(20)2⋅0,85=85 000 JE_{\text{regen}} = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot (20)^2 \cdot 0,85 = 85 000 \, \text{J}Eregen=21⋅500⋅(20)2⋅0,85=85,000J

Ezt az energiát ezután visszatárolják a szuperkondenzátorokban későbbi felhasználás céljából.

---

4. Hőelvezetés és hőkezelés

A sínműködés során a sínek elektromos ellenállása miatt ellenállásos fűtés lép fel.

4.1 Az ellenállásos fűtés kiszámítása

A hőként eloszlatott teljesítmény PheatP_{\text{heat}}Pheat a következő:

Pheat=Irail2RrailP_{\text{heat}} = I_{\text{rail}}^2 R_{\text{rail}}Pheat=Irail2Rrail

hol:

• RrailR_{\text{rail}}Rrail: A sínek elektromos ellenállása (ohmban).

Példa számítás: Ha irail=100 AI_{\text{rail}} = 100 \, \text{A}Irail=100A és rrail=0,05 Ω R_{\text{rail}} = 0,05 \, \omegaRrail=0,05Ω:

Pheat=(100)2⋅0,05=500 WP_{\text{heat}} = (100)^2 \cdot 0,05 = 500 \, \text{W}Pheat=(100)2⋅0,05=500W

4.2 Sugárzó hőelvezetés

A csomópont radiátorai által sugárzott teljesítmény a következő:

Qradiated=ε⋅σ⋅Arad⋅T4Q_{\text{radiated}} = \epsilon \cdot \sigma \cdot A_{\text{rad}} \cdot T^4Qradiated=ε⋅σ⋅Arad⋅T4

hol:

• ε\epsilonε: A radiátor anyagának emissziós képessége.
• σ\sigmaσ: Stefan-Boltzmann állandó (5,67×10−8 W/m2K45,67 \times 10^{-8} \, \text{W/m}^2 \text{K}^45.67×10−8W/m2K4).
• AradA_{\text{rad}}Arad: A radiátor felülete (m²-ben).
• TTT: A radiátor hőmérséklete (Kelvinben).

Számítási példa: Feltételezve:

• ε=0,85\epszilon = 0,85ε=0,85,
• Arad=5 m2A_{\text{rad}} = 5 \, \text{m}^2Arad=5m2,
• T=300 KT = 300 \, \text{K}T=300K:

Qradiated=0,85⋅5,67×10−8⋅5⋅(300)4=523,5 WQ_{\text{radiated}} = 0,85 \cdot 5,67 \times 10^{-8} \cdot 5 \cdot (300)^4 = 523,5 \, \text{W}Qradiated=0,85⋅5,67×10−8⋅5⋅(300)4=523,5W

Ez azt jelenti, hogy a radiátorok 523,5 W hőenergiát oszlatnak el, kiegyensúlyozva az elektromos ellenállás által termelt hőt.

---

Ezek a speciális számítások betekintést nyújtanak a MOLN csomópontok elektromágneses sínrendszereibe, lefedve a lebegésben és meghajtásban részt vevő erőket, az energiaigényt, az energiatárolást és -visszanyerést, valamint a fenntartható működés hőkezelését.

2.3 Lekötött hevederes mechanizmusok

A lekötött hevedermechanizmusok a Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) alapvető részét képezik, lehetővé téve a hasznos terhek felgyorsítását, lassítását és továbbítását ellenőrzött lendületcsere révén. A koncepció a hosszú, nagy szakítószilárdságú hevederek használatában gyökerezik, amelyek forognak vagy oszcillálnak, hogy befogják a hasznos terheket és sebességváltozásokat közvetítsenek, hasonlóan működnek, mint egy csúzli vagy egy bola az űrben. Ezeknek a lekötéseknek a használatával a MOLN csomópontok csökkenthetik az energiafogyasztást, növelhetik a hasznos teher mozgásának rugalmasságát és hatékonyan optimalizálhatják a pályaváltozásokat.

Ez a rész a lekötött hevederrendszerek tervezési elveit, kinetikai mechanizmusait és energiadinamikáját, valamint a működésükre vonatkozó konkrét számításokat tartalmazza.

---

2.3.1 Tether anyagok tervezése

A lekötött hevedermechanizmus teljesítménye a heveder tulajdonságaitól függ, amelynek képesnek kell lennie ellenállni a nagy szakítóerőknek, miközben alacsony tömeget tart fenn a hatékony manőverezés érdekében. Ezeknek a hevedereknek a kialakítása fejlett anyagokat és geometriai szempontokat foglal magában az optimális szilárdság-tömeg arány biztosítása érdekében.

1. Anyagválasztás és tulajdonságok
• Az anyagnak nagy szakítószilárdsággal, alacsony sűrűséggel kell rendelkeznie, és ellenállónak kell lennie a sugárzással és a termikus lebomlással szemben. A gyakori jelöltek közé tartoznak a szén nanocsövek (CNT), a grafén kompozitok és a bór-nitrid nanocsövek (BNNT).
• Szakítószilárdság (σmax\sigma_{\text{max}}σmax): Az a maximális feszültség, amelynek az anyag törés nélkül képes ellenállni.
• Sűrűség (ρtether\rho_{\text{tether}}ρtether): Az alacsonyabb sűrűség előnyös a heveder teljes súlyának csökkentése és az energiafogyasztás minimalizálása érdekében.

Anyagtulajdonság-példa: szén nanocső kötések

• Szakítószilárdság: σmax=50 GPa\sigma_{\text{max}} = 50 \, \text{GPa}σmax=50GPa
• Sűrűség: ρtether=1.3 g/cm3\rho_{\text{tether}} = 1.3 \, \text{g/cm}^3ρtether=1.3g/cm3

2. Heveder hossza és keresztmetszete
• A heveder hossza (LtetherL_{\text{tether}}Ltether) kritikus fontosságú a hasznos tehernek átadható tőkeáttétel és szöglendület meghatározásához. A hosszabb lekötések nagyobb sebességváltozásokat eredményezhetnek.
• A  heveder keresztmetszeti területe (AtetherA_{\text{tether}}Atether) befolyásolja annak szilárdságát és tömegét. Egyensúlyra van szükség annak biztosításához, hogy a heveder elég erős legyen ahhoz, hogy kezelje az erőket anélkül, hogy túl nehéz lenne.

Tether tömegszámítás

A heveder tömege (mtetherm_{\text{tether}}mtether) a következőképpen számítható ki:

mtether=ρtether⋅Atether⋅Ltetherm_{\text{tether}} = \rho_{\text{tether}} \cdot A_{\text{tether}} \cdot L_{\text{tether}}mtether=ρtether⋅Atether⋅Ltether

hol:

• ρtether\rho_{\text{tether}}ρtether: A heveder anyagának sűrűsége (kg/m³-ben).
• AtetherA_{\text{tether}}Atether: A heveder keresztmetszeti területe (m²-ben).
• LtetherL_{\text{tether}}Ltether: A heveder hossza (méterben).

Számítási példa: A következő rendszerű hevederhez:

• ρtether=1300 kg/m3\rho_{\text{tether}} = 1300 \, \text{kg/m}^3ρtether=1300kg/m3,
• Atether=1 mm2=1×10−6 m2A_{\text{tether}} = 1 \, \text{mm}^2 = 1 \times 10^{-6} \, \text{m}^2Atether=1mm2=1×10−6m2,
• Ltether=1000 mL_{\text{tether}} = 1000 \, \text{m}Ltether=1000m:

mtether=1300⋅1×10−6⋅1000=1,3 kgm_{\text{tether}} = 1300 \cdot 1 \times 10^{-6} \cdot 1000 = 1,3 \, \text{kg}mtether=1300⋅1×10−6⋅1000=1,3kg

Ez a könnyű kialakítás hatékony lendületátvitelt tesz lehetővé túlzott tömegbüntetés nélkül.

---

2.3.2 A kötözésalapú csúzlik kinetikája

A lekötött csúzlik kinetikája magában foglalja a szögmozgás megőrzését és az energiacserét a kötélcsomópont-rendszer és a hasznos teher között. Amikor a hasznos terhet a heveder rögzíti, a sebesség gyors változása következik be a lekötött forgási mozgása miatt.

1. Szögimpulzus-megőrzés
• A rendszer szögmozgása (LLL) megmarad a csúzli manőver során. A hasznos teher és a tether-csomópont rendszer közötti kölcsönhatás előtti és utáni szöglendületnek állandónak kell maradnia: Linitial=LfinalL_{\text{initial}} = L_{\text{final}}Linitial=Lfinal ahol: L=Inode⋅ωnode+mpayload⋅rtether⋅vtetherL = I_{\text{node}} \cdot \omega_{\text{node}} + m_{\text{payload}} \cdot r_{\text{tether}} \cdot v_{\text{tether}}L=Inode⋅ωnode+mpayload⋅rtether⋅vtether
• InodeI_{\text{node}}Inode: A csomópont tehetetlenségi nyomatéka (kg m²-ben).
• ωnode\omega_{\text{node}}ωnode: A csomópont szögsebessége (rad/s-ban).
• mpayloadm_{\text{payload}}mpayload: A hasznos teher tömege (kg-ban).
• rtetherr_{\text{tether}}rtether: A tether sugara a csomópont középpontjától (m-ben).
• vtetherv_{\text{tether}}vtether: A hasznos teher tangenciális sebessége a heveder végén (m/s-ban).
2. Hevederfeszültség és erődinamika
• Gyorsulás vagy lassulás közben a heveder feszültséget tapasztal a hasznos teherre ható centrifugális erő miatt: Ttether=mpayload⋅rtether⋅ω node2T_{\text{tether}} = m_{\text{payload}} \cdot r_{\text{tether}} \cdot \omega_{\text{node}}^2Ttether=mpayload⋅rtether⋅ωnode2
• Ennek a feszültségnek kisebbnek kell lennie, mint a heveder anyag maximális szakítószilárdsága (σmax⋅Atether\sigma_{\text{max}} \cdot A_{\text{tether}}σmax⋅Atether) a szerkezeti meghibásodás elkerülése érdekében.

Példa számítás: 500 kg500 \, \text{kg}500kg hasznos teher, 1000 m1000 \, \text{m}1000m hevederhossz és ωnode=0,1 rad/s\omega_{\text{node}} = 0,1 \, \text{rad/s}ωnode=0,1rad/s csomópont esetén:

Ttether=500⋅1000⋅(0.1)2=5000 NT_{\text{tether}} = 500 \cdot 1000 \cdot (0.1)^2 = 5000 \, \text{N}Ttether=500⋅1000⋅(0.1)2=5000N

Sebességátvitel a Tether Sling-től

A hevederrendszer által a hasznos tehernek átadott sebességet a heveder forgási sebessége és hossza határozza meg:

vtether=rtether⋅ω nodev_{\text{tether}} = r_{\text{tether}} \cdot \omega_{\text{node}}vtether=rtether⋅ωnode

Példa: Ha rtether=1000 mr_{\text{tether}} = 1000 \, \text{m}rtether=1000m és ωnode=0.1 rad/s\omega_{\text{node}} = 0.1 \, \text{rad/s}ωnode=0.1rad/s:

vtether=1000⋅0,1=100 m/sv_{\text{tether}} = 1000 \cdot 0,1 = 100 \, \text{m/s}vtether=1000⋅0,1=100m/s

---

2.3.3 Energiagazdálkodás a Tether műveletekben

A hatékony energiagazdálkodás kulcsfontosságú a hevederes műveletek során, mivel jelentős kinetikus és potenciális energiacserék történnek a hasznos terhek befogása és felszabadítása során.

1. Kinetikus energiaátvitel
• A tether által a hasznos tehernek (EkineticE_{\text{kinetic}}Ekinetic) átadott kinetikus energia a következő: Ekinetic=12mpayloadvtether2E_{\text{kinetic}} = \frac{1}{2} m_{\text{payload}} v_{\text{tether}}^2Ekinetic=21mpayloadvtether2

Példa számítás: Az mpayload=500 kgm_{\text{payload}} = 500 \, \text{kg}mpayload=500kg és vtether=100 m/sv_{\text{tether}} = 100 \, \text{m/s}vtether=100m/s:

Ekinetikus=12⋅500⋅(100)2=2 500 000 J (2,5 MJ)E_{\text{kinetikai}} = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot (100)^2 = 2 500 000 \, \text{J} \, (2,5 \, \text{MJ})Ekinetic=21⋅500⋅(100)2=2,500,000J(2,5MJ)

2. Energia-visszanyerés és -regeneráció
• Amikor a hasznos teher lelassul, vagy a heveder visszahúzódik, az energia visszanyerhető és tárolható a MOLN csomópont szuperkondenzátoraiban vagy más energiatároló rendszereiben.
• Az energia-visszanyerés (ηvisszanyerés\eta_{\text{recovery}}ηvisszanyerés) hatékonysága kritikus, gyakran 70-90% között mozog.

---

A lekötött hevedermechanizmusok megkötése

A lekötött hevedermechanizmusok hatékony eszközt biztosítanak a hasznos terhek felgyorsítására és lassítására a MOLN keretein belül. A nagy szakítószilárdságú anyagok kihasználásával és a szögimpulzus-megőrzés alkalmazásával ezek a rendszerek gyors sebességváltozásokat tesznek lehetővé minimális energiaveszteséggel. A kötélalapú csúzlik kinetikus dinamikáját a feszültség, a forgási sebesség és az energiagazdálkodás egyensúlya szabályozza, hogy optimalizálja a hasznos terhek orbitális csomópontok közötti átvitelét.

A következő rész a lendületcserélő eszközök, például lendkerekek és ellensúlyrendszerek tervezésére és működési elveire összpontosít, amelyek kiegészítő szerepet játszanak a hevedermechanizmusok működésében.

---

2.3.1 Hevederanyagok tervezése (bővített)

A hevederhez megfelelő anyag kiválasztása kritikus fontosságú a szükséges teljesítmény eléréséhez, miközben minimalizálja a tömeget és biztosítja a környezeti tényezőkkel, például a sugárzással, a szélsőséges hőmérsékletekkel és a mikrometeorit hatásokkal szembeni ellenálló képességet.

Speciális anyagtulajdonságok

1. Szakítószilárdság és Young-modulus
• Szakítószilárdság: Az a maximális feszültség, amelyet a heveder anyaga törés nélkül képes kezelni. Az olyan anyagok esetében, mint a szén nanocsövek (CNT), a szakítószilárdság meghaladhatja az 50 GPa50 \, \text{GPa}50GPa, ami körülbelül 50-szer erősebb, mint az acél.
• Young-modulus (EEE): Az anyag merevségének mértéke, amelyet a feszültség és a feszültség arányaként határoznak meg. A magasabb Young-modulus merevebb kötést jelent, ami kritikus fontosságú a minimális nyúlás biztosításához feszültség alatt: E=σmaxεE = \frac{\sigma_{\text{max}}}{\epsilon}E=εσmax ahol:
• σmax\sigma_{\text{max}}σmax: Szakítófeszültség (területenkénti erő).
• ε\epsilonε: Alakváltozás (nyúlás az eredeti hosszonként).
2. Tether forma és geometria
• Alakoptimalizálás: A heveder alakja a hengerestől a lapos szalagokig változhat, az aerodinamikai húzás,  az erő-tömeg arány és  a könnyű telepítés egyensúlyától függően. A lapos szalagos kialakítások gyakran minimalizálják a légellenállást, és nagyobb felülettel rendelkezhetnek a sugárzás árnyékolásához vagy a hőelvezetéshez.
• Többrétegű kompozitok: A lekötések rétegelt anyagokkal is kialakíthatók, kombinálva a nagy szilárdságú belső magokat (teherviseléshez) a külső rétegekkel a sugárvédelem vagy a hőstabilitás érdekében.

Biztonsági tényező és tether kialakítás

A biztonsági tényező (SFSFSF) döntő fontosságú annak biztosításához, hogy a heveder jóval a maximális kapacitása alatt működjön:

SF=σmax⋅AtetherTtetherSF = \frac{\sigma_{\text{max}} \cdot A_{\text{tether}}}{T_{\text{tether}}}SF=Ttetherσmax⋅Atether

Az űrkötelek tipikus biztonsági tényezője 1,5 és 2 között mozog  , hogy figyelembe vegye a váratlan erőket vagy hatásokat.

Példa számításra: CNT-tether esetén:

• σmax=50 GPa=50×109 N/m2\sigma_{\text{max}} = 50 \, \text{GPa} = 50 \times 10^9 \, \text{N/m}^2σmax=50GPa=50×109N/m2,
• Atether=1×10−6 m2A_{\text{tether}} = 1 \times 10^{-6} \, \text{m}^2Atether=1×10−6m2,
• Ttether=5 000 NT_{\text{tether}} = 5 000 \, \text{N}Ttether=5 000N:

SF=50×109⋅1×10−65000=10SF = \frac{50 \times 10^9 \cdot 1 \times 10^{-6}}{5000} = 10SF=500050×109⋅1×10−6=10

A magas biztonsági tényező azt jelzi, hogy a heveder jóval a működési határain belül van.

---

2.3.2 A tether alapú csúzlik kinetikája (bővített)

A lendület és az energia átvitele a hevederből a hasznos teherbe számos dinamikus kölcsönhatást foglal magában, mint például a hasznos teher rögzítésének pontos időzítése, a forgási sebesség beállítása és a kioldó mechanizmus.

Forgásdinamika és tether spin-up

A hasznos teherhez szükséges sebességátvitel eléréséhez a hevedernek szabályozott szögsebességgel kell forognia. A heveder felpörgetéséhez szükséges energia:

Espin=12Itetherω tether2E_{\text{spin}} = \frac{1}{2} I_{\text{tether}} \omega_{\text{tether}}^2Espin=21Itetherωtether2

hol:

• ItetherI_{\text{tether}}Itether: A heveder tehetetlenségi nyomatéka (kg m²-ben).
• ωtether\omega_{\text{tether}}ωtether: A heveder szögsebessége (rad/s-ban).

Egy hosszú, vékony rúdként közelítő heveder tehetetlenségi nyomatéka:

Itether=13mtetherLtether2I_{\text{tether}} = \frac{1}{3} m_{\text{tether}} L_{\text{tether}}^2Itether=31mtetherLtether2

Számítási példa: Ha:

• mtether=1,3 kgm_{\text{tether}} = 1,3 \, \text{kg}mtether=1,3kg,
• Ltether=1000 mL_{\text{tether}} = 1000 \, \text{m}Ltether=1000m,
• ωtether=0,1 rad/s\omega_{\text{tether}} = 0,1 \, \text{rad/s}ωtether=0,1rad/s:

Itether=13⋅1.3⋅(1000)2=433,333,33 kg m2I_{\text{tether}} = \frac{1}{3} \cdot 1,3 \cdot (1000)^2 = 433,333,33 \, \text{kg m}^2Itether=31⋅1,3⋅(1000)2=433,333,33kg m2 Espin=12⋅433,333,33⋅(0,1)2=2,166,67 JE_{\text{spin}} = \frac{1}{2} \cdot 433,333,33 \cdot (0,1)^2 = 2,166,67 \, \text{J}Espin=21⋅433,333,33⋅(0,1)2=2,166,67J

Hasznos teher rögzítése és felszabadítása

Amikor a hasznos terhet a heveder rögzíti, azt biztonságosan rögzíteni kell az oszcillációk vagy a destabilizáció elkerülése érdekében:

• Rögzítési mechanika: Mágneses reteszelő rendszerek vagy mechanikus horgok használhatók a hasznos teher biztonságos rögzítésére a hevederhez. A rögzítés időzítése kritikus fontosságú a hasznos teher és a heveder végének relatív sebességének megfelelően.
• Kiadási mechanizmusok: A hasznos teher felszabadítása úgy van időzítve, hogy maximalizálja a sebességnövekedést. Amint a heveder eléri a megfelelő irányt és sebességet, a hasznos teher kioldódik, örökölve a heveder végének tangenciális sebességét.

Sebességegyeztetés és optimalizálás

A hasznos tehernek átadott sebességváltozás (Δv\Delta vΔv) közvetlenül kapcsolódik a lekötés forgási sebességéhez és sugarához:

Δv=rtether⋅ωtether\Delta v = r_{\text{tether}} \cdot \omega_{\text{tether}}Δv=rtether⋅ωtether

Optimalizálás a hatékonyság érdekében:

• A centrifugálási sebesség beállítása: A heveder centrifugálási sebessége valós időben beállítható, hogy optimalizálja a hasznos teher sebességét a keringési feltételek, a szükséges pálya és a hasznos teher tömege alapján.
• Hevederszög és tájolás: A tether keringési pályájához viszonyított szöge döntő fontosságú a sebességnövekedés maximalizálása szempontjából. A számítógép által vezérelt kardántengely beállíthatja a heveder irányát, hogy biztosítsa a pontos beállítást a hevederes manőver során.

---

2.3.3 Energiagazdálkodás a Tether műveletekben (bővített)

Az energia hatékony felhasználása és visszanyerése elengedhetetlen a tartós hevederműveletekhez, lehetővé téve a hevedermechanizmusok ismételt használatát anélkül, hogy állandó feltöltésre lenne szükség.

Regeneratív energia-visszanyerés

A lekötés lassítása vagy visszahúzása során az energia visszanyerhető regeneratív fékrendszereken keresztül,  amelyek a mozgási energiát elektromos energiává alakítják vissza:

Eregen=12Itether(ωinitial2−ωfinal2)⋅η regenE_{\text{regen}} = \frac{1}{2} I_{\text{tether}} (\omega_{\text{initial}}^2 - \omega_{\text{final}}^2) \cdot \eta_{\text{regen}}Eregen=21Itether(ωinitial2−ωfinal2)⋅ηregen

hol:

• ηregen\eta_{\text{regen}}ηregen: Az energia-visszanyerés hatékonysága (jellemzően 70-90%).

Példa számítás: Ha a kötés centrifugálási sebessége 0,1 rad/s0,1 \, \text{rad/s}0,1rad/s-ról 0,05 rad/s0,05 \, \text{rad/s}0,05rad/s és ηregen=0,85\eta_{\text{regen}} = 0,85ηregen=0,85-re csökken:

Eregen=12⋅433,333,33⋅(0,12−0,052)⋅0.85E_{\text{regen}} = \frac{1}{2} \cdot 433,333,33 \cdot (0.1^2 - 0,05^2) \cdot 0,85Eregen=21⋅433,333,33⋅(0,12−0,052)⋅0,85 Eregen=12⋅433,333,33⋅(0,01−0,0025)⋅0,85=1,842,08 JE_{\text{regen}} = \frac{1}{2} \cdot 433,333,33 \cdot (0,01 - 0,0025) \cdot 0,85 = 1,842,08 \, \text{J}Eregen=21⋅433,333,33⋅(0,01−0,0025)⋅0,85=1,842,08J

Áramelosztó és vezérlő rendszerek

A MOLN csomópontok szuperkondenzátorok, lendkerekek és akkumulátorok kombinációját használják  az energiaáramlás kezelésére:

• A szuperkondenzátorok kezelik a gyors töltési-kisülési ciklusokat a hasznos teher rögzítése és kioldása során.
• A lendkerekek képesek tárolni a forgási energiát, és tartalék energiát biztosítanak a centrifugálás beállításához vagy a heveder visszahúzásához.
• Az energiaszabályozó algoritmusok optimalizálják az energiaelosztást a regeneratív fékezés, a hevedergyorsítás és a fedélzeti rendszerek között.

Hűtési szempontok a tether műveletekhez

Ahogy a heveder erőket és visszahúzódást tapasztal, hőenergia keletkezik a mechanikai és elektromos ellenállás miatt. A hőszabályozó rendszereket , például a hűtőbordákat és a radiátorokat a felesleges hő elvezetésére használják.

Hőelvezetési sebesség:

Qtether=mtethercpΔT/Δ tQ_{\text{tether}} = m_{\text{tether}} c_{\text{p}} \Delta T / \Delta tQtether=mtethercpΔT/Δt

hol:

• cpc_{\text{p}}cp: A heveder anyagának fajlagos hőteljesítménye (J/kgK-ban).
• ΔT\Delta TΔT: A hőmérséklet változása (K-ban).
• Δt\Delta tΔt: Az az idő, amely alatt a hőmérsékletváltozás bekövetkezik (s-ban).

Számítási példa: Tegyük fel:

• cp=1000 J/kgKc_{\szöveg{p}} = 1000 \, \szöveg{J/kgK}cp=1000J/kgK,
• ΔT=50 K\Delta T = 50 \, \text{K}ΔT=50K,
• Δt=100 s\Delta t = 100 \, \text{s}Δt=100s:

Qtether=1,3⋅1000⋅50100=650 WQ_{\text{tether}} = 1,3 \cdot 1000 \cdot \frac{50}{100} = 650 \, \text{W}Qtether=1,3⋅1000⋅10050=650W

---

Vezérlőrendszerek és automatizálás

Valós idejű beállítások és automatizálás

• AI-támogatott vezérlők: A gépi tanulási algoritmusok előre jelezhetik a rögzítés, a felszabadítás és az energia-visszanyerés optimális időzítését a hasznos teher tömege, a keringési dinamika és a hálózati igény alapján.
• Autonóm működés: A csomópontok képesek autonóm beállításokkal optimalizálni a lekötés teljesítményét a valós idejű telemetriai és környezeti feltételekre (pl. Mikrogravitációs hatások, napsugárzás) reagálva.

Kommunikációs rendszerek szinkronizáláshoz

• Csomópontok közötti kommunikáció: A csomópontok megosztják a hasznos teher helyzetével, sebességével és átadási időzítésével kapcsolatos információkat, biztosítva a zökkenőmentes átvitelt a lekötések és más meghajtórendszerek között.
• Földi irányító interfészek: A földi állomások átfogó küldetésirányítást, pályatervezést és rendszerdiagnosztikát biztosítanak, növelve a MOLN-on belüli hevederműveletek megbízhatóságát.

---

Ezek a további részletek átfogó képet nyújtanak a MOLN csomópontok lekötött hevedermechanizmusainak tervezéséről, működési dinamikájáról és vezérlőrendszereiről.

2.4 Momentum-Exchange eszközök

A lendületcserélő eszközök a Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) kritikus elemei, amelyek mechanizmust biztosítanak a szöglendület tárolására, átvitelére és szabályozására, hogy segítsék a hasznos teher gyorsulását, lassulását és a röppálya beállítását. Ezek az eszközök stabilizátorként és mozgásátviteli rendszerként is működnek, lehetővé téve a MOLN csomópontjainak hatékony működését, miközben energiát takarítanak meg. Az elsődleges eszközök közé tartoznak a lendkerékrendszerek és az ellensúly-mechanizmusok, amelyeket pontosan vezérelnek a hasznos terhekkel és a hevederekkel való lendületcsere kezelésére.

Ez a szakasz a MOLN-on belüli lendületcserélő eszközök tervezését, funkcionalitását és számításait vizsgálja.

---

2.4.1 Lendkerék és ellensúly rendszerek

A lendkerék és az ellensúly rendszereket a forgási energia tárolására és a szögmozgás hasznos teherre vagy hasznos teherből történő átvitelére használják, kiegyensúlyozva a csomópont forgási dinamikáját.

Lendkerék kialakítás és energiatárolás

A lendkerék egy forgó tárcsa vagy henger, amely forgási kinetikus energia formájában tárolja az energiát. A MOLN összefüggésében lendkereket használnak a csomópontok stabilizálására, a hasznos teher átviteléből származó erők ellensúlyozására és ideiglenes energiatárolásra.

1. A lendkerék forgási kinetikus energiája
• A lendkerékben tárolt energiát a következő képlet adja meg: Eflywheel=12Iflywheel⋅ω flywheel2E_{\text{flywheel}} = \frac{1}{2} I_{\text{lendkerék}} \cdot \omega_{\text{lendkerék}}^2Eflywheel=21Iflywheel⋅ωflywheel2 ahol:
• EflywheelE_{\text{lendkerék}}Eflywheel: Forgási kinetikus energia (Joule-ban).
• IflywheelI_{\text{lendkerék}}Iflywheel: A lendkerék tehetetlenségi nyomatéka (kg·m²-ben).
• ωlendkerék\omega_{\text{lendkerék}}ωlendkerék: A lendkerék szögsebessége (rad/s-ban).

A tehetetlenségi nyomaték a lendkerék tömegétől és alakjától függ. mflywheelm_{\text{lendkerék}} tömegű és sugarú tömör henger vagy tárcsa rflywheelr_{\text{lendkerék}}rflywheel esetén:

Iflywheel=12mflywheel⋅rflywheel2I_{\text{lendkerék}} = \frac{1}{2} m_{\text{lendkerék}} \cdot r_{\szöveg{lendkerék}}^2Iflywheel=21mflywheel⋅rflywheel2

Példa számításra: Ha a lendkerék:

• lendkerék=500 kgm_{\szöveg{lendkerék}} = 500 \, \szöveg{kg}lendkerék=500kg,
• rflywheel=2 mr_{\text{lendkerék}} = 2 \, \text{m}rflywheel=2m,
• ωlendkerék=10 rad/s\omega_{\text{lendkerék}} = 10 \, \text{rad/s}ωlendkerék=10rad/s:

Ilendkerék=12⋅500⋅(2)2=1000 kg m2I_{\text{lendkerék}} = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot (2)^2 = 1000 \, \szöveg{kg m}^2Ilendkerék=21⋅500⋅(2)2=1000kg m2 Eflywheel=12⋅1000⋅(10)2=50 000 JE_{\text{lendkerék}} = \frac{1}{2} \cdot 1000 \cdot (10)^2 = 50 000 \, \text{J}Eflywheel=21⋅1000⋅(10)2=50 000J

Ez a tárolt energia felhasználható a lendület hasznos teherbe történő átvitelére vagy a csomópont stabilizálására.

2. Lendkerék nyomaték és szöggyorsulás
• A lendkerék által kifejtett nyomaték (τlendkerék\tau_{\text{lendkerék}}τlendkerék) a lendkerék szöggyorsulásával függ össze (αlendkerék\alpha_{\szöveg{lendkerék}}αlendkerék): τlendkerék=Iflywheel⋅αlendkerék\tau_{\text{lendkerék}} = I_{\szöveg{lendkerék}} \cdot \alpha_{\szöveg{lendkerék}}τlendkerék=Ilendkerék⋅αlendkerék
• A szöggyorsulás beállítható annak szabályozására, hogy a lendület milyen sebességgel kerül át a csomópontra vagy a hasznos teherre.
3. Lendkerék felpörgetése és lekapcsolása
• A lendkerék szögsebességének megváltoztatásához energia szükséges. A pörgetéshez vagy leállításhoz szükséges teljesítmény (PflywheelP_{\text{lendkerék}}Pflywheel): Pflywheel=τflywheel⋅ω flywheelP_{\text{lendkerék}} = \tau_{\text{lendkerék}} \cdot \omega_{\text{lendkerék}}Pflywheel=τflywheel⋅ωlendkerék

Példa számításra: Ha egy lendkerék 100 Nm100 \, \text{Nm}100Nm nyomatékot fejt ki és 10 rad/s10 \, \text{rad/s}10rad/s sebességgel forog:

Pflywheel=100⋅10=1000 WP_{\text{lendkerék}} = 100 \cdot 10 = 1000 \, \text{W}Pflywheel=100⋅10=1000W

Ellensúly rendszerek

Az ellensúlyokat hevederekkel vagy lendkerékkel együtt használják az erők kiegyensúlyozására és a csomóponton belüli stabilitás fenntartására. Az ellensúlyok előre meghatározott sávok mentén történő mozgatásával a csomópont megváltoztathatja tömegközéppontját és beállíthatja lendületváltási dinamikáját.

1. Ellensúly és szögmozgás
• A forgástengelytől rcwr_{\text{cw}}rcw távolságra mozgó mcwm_{\text{cw}}rcw tömeg ellensúlya szöglendületet ad: Lcw=mcw⋅rcw⋅vcwL_{\text{cw}} = m_{\text{cw}} \cdot r_{\text{cw}} \cdot v_{\text{cw}}Lcw=mcw⋅rcw⋅vcw ahol vcwv_{\text{cw}}vcw az ellensúly tangenciális sebessége.
2. Kiegyensúlyozás ellensúlyokkal
• A hasznos teher által adott szöglendület kiegyensúlyozásához az ellensúly mozgatható a pályán, hogy beállítsa a rcwr_{\text{cw}}rcw vagy sebességét vcwv_{\text{cw}}vcw. A csomópont nettó szöglendülete állandó marad: Lcw+Lpayload+Lflywheel=constantL_{\text{cw}} + L_{\text{payload}} + L_{\text{lendkerék}} = \text{constant}Lcw+Lpayload+Lflywheel=constant

---

2.4.2 A szöglendület megőrzése a hasznos teher átvitelében

A lendületcserélő eszközök a szögimpulzus megőrzésére támaszkodnak, ami azt jelenti, hogy a zárt rendszer teljes szöglendülete állandó marad, hacsak külső nyomaték nem hat. A MOLN csomópontok összefüggésében ez az elv szabályozza a hasznos terhek, a hevederek, a lendkerekek és az ellensúlyok közötti kölcsönhatást.

Szögimpulzus-átvitel hasznos teherre

Amikor egy hasznos terhet hevederrel vagy sínrendszerrel rögzítenek és továbbítanak, szöglendülete megváltozik, amikor áthalad a csomópont forgási keretén. A hasznos teher szöglendületének változását (ΔL\Delta LΔL) a csomópont lendületcserélő eszközeinek egyenlő és ellentétes változása ellensúlyozza:

ΔLhasznos terhelés=−ΔLcsomópont\Delta L_{\szöveg{hasznos teher}} = -\Delta L_{\szöveg{csomópont}}ΔLhasznos terhelés=−ΔLcsomópont

A lendkerék és a tether dinamika kiegyensúlyozása

A csúzli manőver során a heveder forgása felgyorsítja a hasznos terhet, míg a lendkerék beállítja a centrifugálási sebességét, hogy kiegyensúlyozza a csomópont szöglendületét. A védettségi egyenlet a következőképpen fejezhető ki:

Iflywheel⋅Δωflywheel+mpayload⋅rtether⋅Δvtether=0I_{\text{flywheel}} \cdot \Delta \omega_{\text{lendkerék}} + m_{\text{payload}} \cdot r_{\text{tether}} \cdot \Delta v_{\text{tether}} = 0Iflywheel⋅Δωflywheel+mpayload⋅rtether⋅Δvtether=0

hol:

• Δωlendkerék\Delta \omega_{\text{lendkerék}}Δωlendkerék: A lendkerék szögsebességének változása.
• Δvtether\Delta v_{\text{tether}}Δvtether: A hasznos teher tangenciális sebességének változása.

Energiatőzsde a lendületátvitelben

A lendkerék és a hasznos teher közötti energiacsere magában foglalja a forgási energia transzlációs kinetikus energiává történő átalakítását:

ΔElendkerék=−ΔEhasznos teher\Delta E_{\szöveg{lendkerék}} = -\Delta E_{\szöveg{hasznos teher}}ΔElendkerék=−ΔEhasznos teher 12IflywheelΔωlendkerék2=12mhasznos teher⋅Δvtether2\frac{1}{2} I_{\text{lendkerék}} \Delta \omega_{\szöveg{lendkerék}}^2 = \frac{1}{2} m_{\text{hasznos teher}} \cdot \Delta v_{\text{tether}}^221IflywheelΔωlendkerék2=21mhasznos teher⋅Δvtether2

Példa számítás: 500 kg500 \, \text{kg}500kg hasznos teher esetén 10 m/s10 \, \text{m/s}10m/s sebességváltozással és lendkerék tehetetlenségi nyomatékkal Iflywheel=1000 kg m2I_{\text{lendkerék}} = 1000 \, \text{kg m}^2Iflywheel=1000kg m2:

• A hasznos teherre átvitt mozgási energia: ΔEhasznos teher=12⋅500⋅(10)2=25 000 J\Delta E_{\text{hasznos teher}} = \frac{1}{2} \cdot 500 \cdot (10)^2 = 25 000 \, \text{J}ΔEhasznos teher=21⋅500⋅(10)2=25 000J
• A lendkerék energiájának megfelelő változása: ΔElendkerék=−25 000 J\Delta E_{\szöveg{lendkerék}} = -25 000 \, \szöveg{J}ΔElendkerék=−25 000J

Ez a példa bemutatja, hogyan csökken a lendkerék tárolt energiája, amikor sebességet ad a hasznos tehernek.

---

A momentum-cserélő eszközök következtetése

A lendületcserélő eszközök a MOLN csomópontok alapvető elemei, amelyek biztosítják a lendület és az energia hatékony és ellenőrzött átadását a hasznos terhelési műveletek során. A lendkerekek tárolják és szabályozzák a szögmozgást, míg az ellensúlyrendszerek segítenek kiegyensúlyozni az erőket és fenntartani a stabilitást. A szöglendület megőrzésének kihasználásával ezek a rendszerek biztosítják, hogy az energia jelentős veszteségek nélkül hatékonyan kerüljön át a hasznos terhekbe, lehetővé téve a hatékony pályabeállítást és a hasznos teher mozgását.

A következő részben az orbitális hajtóművek és stabilizátorok tervezésével és vezérlésével foglalkozunk, amelyek további helyzetszabályozást és a csomópontmozgások finomhangolását biztosítják.

---

2.4.1 Lendkerék- és ellensúlyrendszerek (részletes számítások)

1. Lendkerékdinamikai és energiatárolási számítások

A lendkerék kulcsfontosságú energiatároló és lendülettovábbító eszközként szolgál. A tehetetlenségi nyomaték, az energiatároló kapacitás és a nyomaték kiszámítása elengedhetetlen ahhoz, hogy megértsük a MOLN csomóponton belüli szerepét.

1.1 Tehetetlenségi nyomaték és kinetikus energia

Tömör hengeres lendkerék esetén, amelynek tömege mflywheelm_{\text{lendkerék}}mflywheel és sugara rflywheelr_{\text{lendkerék}}rflywheel:

Iflywheel=12mflywheel⋅rflywheel2I_{\text{lendkerék}} = \frac{1}{2} m_{\text{lendkerék}} \cdot r_{\szöveg{lendkerék}}^2Iflywheel=21mflywheel⋅rflywheel2

A  lendkerékben tárolt forgási kinetikus energia:

Eflywheel=12Iflywheel⋅ω flywheel2E_{\text{lendkerék}} = \frac{1}{2} I_{\text{lendkerék}} \cdot \omega_{\szöveg{lendkerék}}^2Eflywheel=21Iflywheel⋅ωflywheel2

Példa számításra: Ha egy lendkerék:

• Tömeg lendkerék=800 kgm_{\szöveg{lendkerék}} = 800 \, \szöveg{kg}lendkerék=800kg,
• Sugár lendkerék=1,5 mr_{\szöveg{lendkerék}} = 1,5 \, \text{m}rlendkerék=1,5m,
• Szögsebesség ωlendkerék=15 rad/s\omega_{\text{lendkerék}} = 15 \, \text{rad/s}ωlendkerék=15rad/s:

1. Számítsa ki a tehetetlenségi nyomatékot:

Ilendkerék=12⋅800⋅(1.5)2=900 kg m2I_{\text{lendkerék}} = \frac{1}{2} \cdot 800 \cdot (1.5)^2 = 900 \, \text{kg m}^2Iflywheel=21⋅800⋅(1.5)2=900kg m2

2. Számítsa ki a forgási kinetikus energiát:

Lendkerék=12⋅900⋅(15)2=101 250 J (101,25 kJ)E_{\szöveg{lendkerék}} = \frac{1}{2} \cdot 900 \cdot (15)^2 = 101 250 \, \szöveg{J} \, (101,25 \, \szöveg{kJ})Eflywheel=21⋅900⋅(15)2=101,250J(101,25kJ)

Ez az energia felhasználható a hasznos teherrel való lendületcserére vagy stabilizálásra.

1.2 Lendkerék nyomaték és spin-up

A lendkerék szögsebességének megváltoztatásához szükséges nyomaték:

τlendkerék=Iflywheel⋅αflywheel\tau_{\text{lendkerék}} = I_{\text{lendkerék}} \cdot \alpha_{\text{lendkerék}}τlendkerék=Iflywheel⋅αflywheel

hol:

• αlendkerék\alpha_{\text{lendkerék}}αlendkerék: Szöggyorsulás (rad/s²-ben).

A  lendkerék fel- vagy lepörgetésének ideje (tspint_{\text{spin}}tspin):

tspin=ωfinal−ωinitialα flywheelt_{\text{spin}} = \frac{\omega_{\text{final}} - \omega_{\text{initial}}}{\alpha_{\text{lendkerék}}}tspin=αlendkerékωfinal−ωinitial

Számítási példa: Ha:

• Szöggyorsulás αlendkerék=2 rad/s2\alpha_{\text{lendkerék}} = 2 \, \text{rad/s}^2αlendkerék=2rad/s2,
• Kezdeti szögsebesség ωinitial=0 rad/s\omega_{\text{initial}} = 0 \, \text{rad/s}ωinitial=0rad/s,
• Végső szögsebesség ωfinal=15 rad/s\omega_{\text{final}} = 15 \, \text{rad/s}ωfinal=15rad/s:

1. Számítsa ki a nyomatékot:

τlendkerék=900⋅2=1800 Nm\tau_{\text{lendkerék}} = 900 \cdot 2 = 1800 \, \text{Nm}τlendkerék=900⋅2=1800Nm

2. Számítsa ki a centrifugálási időt:

tspin=15−02=7,5 secondst_{\szöveg{pörget}} = \frac{15 - 0}{2} = 7,5 \, \text{másodperc}tspin=215−0=7,5másodperc

1.3 A centrifugálás teljesítményigénye

A lendkerék szögsebességének megváltoztatásához szükséges teljesítmény:

Pspin=τlendkerék⋅ω flywheelP_{\szöveg{pörgetés}} = \tau_{\szöveg{lendkerék}} \cdot \omega_{\szöveg{lendkerék}}Pspin=τlendkerék⋅ωlendkerék

Példa számítás: 1800 Nm1800 \, \text{Nm}1800Nm nyomaték és 15 rad/s15 \ szögsebesség esetén \text{rad/s}15rad/s:

Pspin=1800⋅15=27 000 W=27 kWP_{\text{spin}} = 1800 \cdot 15 = 27 000 \, \text{W} = 27 \, \text{kW}Pspin=1800⋅15=27 000W=27kW

---

2. Ellensúlyrendszerek és tömegkiegyensúlyozási számítások

Az ellensúlyrendszereket úgy tervezték, hogy ellensúlyozzák a hasznos terhelések által közvetített forgási erőket, biztosítva a csomópont stabilitását. Az ellensúly mozgásának és sebességének kiszámítása döntő fontosságú a rendszer kiegyensúlyozásához.

2.1 Ellensúly pillanat és sebesség

Az  ellensúly szögmozgása:

Lcw=mcw⋅rcw⋅vcwL_{\text{cw}} = m_{\text{cw}} \cdot r_{\text{cw}} \cdot v_{\text{cw}}Lcw=mcw⋅rcw⋅vcw

hol:

• mcwm_{\text{cw}}mcw: Az ellensúly tömege (kg-ban).
• rcwr_{\text{cw}}rcw: Az ellensúly távolsága a forgástengelytől (m-ben).
• vcwv_{\text{cw}}vcw: Az ellensúly tangenciális sebessége (m/s-ban).

Az ellensúly sebessége a szögsebességéhez kapcsolódik:

vcw=rcw⋅ω nodev_{\text{cw}} = r_{\text{cw}} \cdot \omega_{\text{node}}vcw=rcw⋅ωnode

Számítási példa: Ha:

• mcw=300 kgm_{\text{cw}} = 300 \, \text{kg}mcw=300kg,
• rcw=5 mr_{\text{cw}} = 5 \, \text{m}rcw=5m,
• A csomópont szögsebessége ωnode=2 rad/s\omega_{\text{node}} = 2 \, \text{rad/s}ωnode=2rad/s:

1. Számítsa ki az ellensúly tangenciális sebességét:

vcw=5⋅2=10 m/sv_{\text{cw}} = 5 \cdot 2 = 10 \, \text{m/s}vcw=5⋅2=10m/s

2. Számítsa ki a szögmozgást:

Lcw=300⋅5⋅10=15 000 kg m2s−1L_{\text{cw}} = 300 \cdot 5 \cdot 10 = 15 000 \, \text{kg m}^2 \text{s}^{-1}Lcw=300⋅5⋅10=15 000kg m2s−1

2.2 A szöglendület és a hasznos teher átvitelének kiegyensúlyozása

Amikor egy hasznos terhet egy csomóponton keresztül továbbítanak, az ellensúlyt úgy állítják be, hogy kiegyensúlyozza a teljes szögmozgást. A kiegyensúlyozás feltétele:

Lcw+Llendkerék+Lhasznos teher=constantL_{\szöveg{cw}} + L_{\szöveg{lendkerék}} + L_{\szöveg{hasznos teher}} = \szöveg{állandó}Lcw+Llendkerék+Lhasznos teher=állandó

Tegyük fel, hogy egy 200 kg200 \, \text{kg}200kg hasznos terhet továbbítunk, és rpayload=10 sugarú rpayload=10 mr_{\text{payload}} = 10 \, \text{m}rpayload=10m sebességgel vpayload=5 m/sv_{\text{payload}} = 5 \, \text{m/s}vpayload=5m/s:

Lpayload=mpayload⋅rpayload⋅vpayloadL_{\text{payload}} = m_{\text{payload}} \cdot r_{\text{payload}} \cdot v_{\text{payload}}Lpayload=mpayload⋅rpayload⋅vpayload Lpayload=200⋅10⋅5=10 000 kg m2s−1L_{\text{payload}} = 200 \cdot 10 \cdot 5 = 10 000 \, \text{kg m}^2 \text{s}^{-1}Lpayload=200⋅10⋅5=10,000kg m2s−1

A rendszer kiegyensúlyozása:

Lcw+Llendkerék=−10 000 kg m2s−1L_{\text{cw}} + L_{\text{lendkerék}} = -10 000 \, \szöveg{kg m}^2 \szöveg{s}^{-1}Lcw+Llendkerék=−10 000kg m2s−1

Ha a lendkerék szögmozgása −5.000 kg m2s−1-5.000 \, \text{kg m}^2 \text{s}^{-1}−5.000kg m2s−1, akkor az ellensúlynak biztosítania kell a maradék egyensúlyt:

Lcw=−5.000 kg m2s−1L_{\text{cw}} = -5.000 \, \text{kg m}^2 \text{s}^{-1}Lcw=−5.000kg m2s−1

---

2.4.2 A szöglendület megőrzése a hasznos teher átvitelében (részletes számítások)

A szögmozgás megőrzése szabályozza a hasznos teher átvitelének dinamikáját a csomóponton belül. A szögsebesség, az energiaátadás és a tehetetlenségi nyomaték változásainak megértése kulcsfontosságú a hatékony és stabil működés biztosításához.

3. Szögimpulzus-átvitel és lendkerék-beállítás

Amikor a hasznos teher áthalad a csomóponton, a lendkerék centrifugálási sebességét úgy állítják be, hogy fenntartsa a lendületegyensúlyt.

3.1 A lendkerék szögsebességének változása

A lendkerék szögsebességének a lendület kiegyensúlyozásához szükséges változása:

Δωlendkerék=−LpayloadIflywheel\Delta \omega_{\text{lendkerék}} = \frac{-L_{\text{hasznos teher}}}{I_{\text{lendkerék}}}Δωlendkerék=Iflywheel−Lhasznos teher

Számítási példa: Ha:

• Lhasznos teher=10 000 kg m2s−1L_{\szöveg{hasznos teher}} = 10 000 \, \szöveg{kg m}^2 \szöveg{s}^{-1}Lhasznos teher=10 000 kg m2s−1,
• Ilendkerék=900 kg m2I_{\szöveg{lendkerék}} = 900 \, \szöveg{kg m}^2Ilendkerék=900kg m2:

Δωlendkerék=−10,000900=−11,11 rad/s\Delta \omega_{\szöveg{lendkerék}} = \frac{-10 000}{900} = -11,11 \, \szöveg{rad/s}Δωlendkerék=900−10 000=−11,11rad/s

A szögsebesség negatív változása azt jelenti, hogy a lendkerék lelassul, hogy kiegyensúlyozza a hasznos teher átvitelét.

3.2 Kinetikus energiaátvitel a lendületcsere során

A lendkerék energiaváltozása a centrifugálás beállításakor:

ΔElendkerék=12Ilendkerék(ωfinal2−ωinitial2)\Delta E_{\text{lendkerék}} = \frac{1}{2} I_{\text{lendkerék}} (\omega_{\text{final}}^2 - \omega_{\text{initial}}^2)ΔElendkerék=21Iflywheel(ωfinal2−ωinitial2)

Példa számítás: Ha a lendkerék kezdeti szögsebessége 15 rad/s15 \, \text{rad/s}15rad/s és a végső szögsebesség:

ωfinal=15−11,11=3,89 rad/s\omega_{\text{final}} = 15 - 11,11 = 3,89 \, \text{rad/s}ωfinal=15−11,11=3,89rad/s

A mozgási energia változása:

ΔElendkerék=12⋅900⋅(3.892−152)\Delta E_{\szöveg{lendkerék}} = \frac{1}{2} \cdot 900 \cdot (3,89^2 - 15^2)ΔElendkerék=21⋅900⋅(3,892−152) ΔElendkerék=12⋅900⋅(15,13−225)=−94,558,5 J\Delta E_{\szöveg{lendkerék}} = \frac{1}{2} \cdot 900 \cdot (15,13 - 225) = -94 558,5 \, \text{J}ΔElendkerék=21⋅900⋅(15,13−225)=−94,558,5J

A lendkerék energiát veszít, amikor lelassul, és ezt az energiát átadja a hasznos tehernek.

---

Ezek a részletes számítások tovább tisztázzák, hogyan működnek az olyan lendületcserélő eszközök, mint a lendkerekek és az ellensúlyok a MOLN keretein belül, kiegyensúlyozva az erőket, és biztosítva a hatékony energia- és lendületátvitelt a hasznos teher mozgása során.

2.5 Orbitális hajtóművek és stabilizátorok

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) precíz pozicionálásra és mozgásvezérlésre támaszkodik a hasznos teher zökkenőmentes átvitelének és a hálózati csomópontok stabilitásának biztosítása érdekében. Az orbitális hajtóművek és stabilizátorok döntő szerepet játszanak az egyes csomópontok pályájának, hozzáállásának és orientációjának fenntartásában. Ezek a hajtóművek segítenek kompenzálni a lendületváltozásokat a hasznos teher átvitele során, a kisebb pályabeállításokat, és ellensúlyozzák a külső zavarokat, például a gravitációs anomáliákat vagy a húzóerőket alacsony pályán lévő környezetben.

Ez a rész mélyreható elemzést nyújt a MOLN csomópontokban használt különböző típusú hajtóművekről és vezérlőrendszerekről, kitérve azok kialakítására, funkciójára és a működésüket szabályozó egyenletekre.

---

2.5.1 Ionhajtóművek és meghajtásvezérlés

Az ionhajtóművek elsődleges meghajtási mechanizmusok a MOLN csomópontok pályájának, helyzetének és tájolásának beállítására. Hatékony, folyamatos tolóerőt kínálnak, és kiválóan alkalmasak hosszú távú műveletekre az űrben.

1. Az ionmeghajtás alapelvei

Az ionhajtóművek úgy működnek, hogy ionizálnak egy hajtóanyagot (jellemzően xenont), és elektromos vagy mágneses mezők segítségével felgyorsítják az ionokat a tolóerő létrehozásához. Az alapvető működési elv Newton harmadik törvénye: a tömeg egy irányba történő kiürítésével egyenlő és ellentétes erőt (tolóerőt) alkalmaznak a MOLN csomópontra.

Az ionhajtómű által létrehozott tolóerő (FthrustF_{\text{thrust}}Fthrust) a következő:

Fthrust=m ̇ vexhaustF_{\text{thrust}} = \dot{m} v_{\text{exhaust}}Fthrust=m ̇vexhaust

hol:

• m ̇\dot{m}m ̇: A hajtóanyag tömegárama (kg/s-ban).
• vexhaustv_{\text{exhaust}}vexhaust: Az ionok kipufogógáz-sebessége (m/s-ban).

A kipufogógáz sebessége a fajlagos impulzussal (IspI_{\text{sp}}Isp) és a gravitációs állandóval (g0g_0g0) függ össze:

vexhaust=Isp⋅g0v_{\text{exhaust}} = I_{\text{sp}} \cdot g_0vexhaust=Isp⋅g0

hol:

• IspI_{\text{sp}}Isp: Az ionhajtómű fajlagos impulzusa (másodpercben).
• g0g_0g0: Standard gravitációs gyorsulás (9,81 m/s29,81 \, \text{m/s}^29,81m/s2).

Példa számításra: Ha egy ionhajtómű:

• m ̇=0,01 kg/s\pont{m} = 0,01 \, \szöveg{kg/s}m ̇=0,01kg/s,
• ISP=3000 secondsI_{\text{sp}} = 3000 \, \text{seconds}Isp=3000seconds:

1. Számítsa ki a kipufogógáz sebességét:

vexhaust=3000⋅9,81=29,430 m/sv_{\text{exhaust}} = 3000 \cdot 9,81 = 29,430 \, \text{m/s}vexhaust=3000⋅9,81=29,430m/s

2. Tolóerő kiszámítása:

Fthrust=0,01⋅29,430=294,3 NF_{\text{thrust}} = 0,01 \cdot 29,430 = 294,3 \, \text{N}Fthrust=0,01⋅29,430=294,3N

Ez a folyamatos tolóerő lehetővé teszi a csomópont számára, hogy hosszabb időn keresztül kis módosításokat végezzen helyzetében és sebességében.

2. Tolóerő-tömeg arány és pályabeállítás

A tolóerő-tömeg arány (T/MT/MT/M) határozza meg, hogy a csomópont milyen gyorsan tudja megváltoztatni a sebességét:

TM=Fthrustmnode\frac{T}{M} = \frac{F_{\text{thrust}}}{m_{\text{node}}}MT=mnodeFthrust

hol:

• mnodem_{\text{node}}mnode: A MOLN csomópont tömege (kg-ban).

Példa számítás: 5000 kg5000 \, \text{kg}5000kg csomóponttömeg esetén:

TM=294,35000=0,05886 m/s2\frac{T}{M} = \frac{294,3}{5000} = 0,05886 \, \text{m/s}^2MT=5000294,3=0,05886m/s2

Ez a gyorsulás felhasználható a pályaváltozások időbeli kiszámítására a standard mozgásegyenlet segítségével:

Δv=a⋅t\Delta v = a \cdot tΔv=a⋅t

3. Az ionhajtóművek teljesítményigénye

Az ionhajtóművek elektromos energiát igényelnek a hajtóanyag ionizálásához és az ionok felgyorsításához. A szükséges teljesítmény (PthrustP_{\text{thrust}}Pthrust):

Pthrust=Fthrust⋅vexhaust2η thrustP_{\text{thrust}} = \frac{F_{\text{thrust}} \cdot v_{\text{exhaust}}}{2 \eta_{\text{thrust}}}Pthrust=2ηthrustFthrust⋅vexhaust

hol:

• ηtolóerő\eta_{\text{tolóerő}}ηtolóerő: Az ionhajtómű hatásfoka (jellemzően 60-80% körül).

Számítási példa: Ha:

• Fthrust=294,3 NF_{\text{tolóerő}} = 294,3 \, \text{N}Fthrust=294,3N,
• vexhaust=29 430 m/sv_{\text{exhaust}} = 29 430 \, \text{m/s}vexhaust=29 430m/s,
• ηtolóerő=0,7\eta_{\szöveg{tolóerő}} = 0,7ηtolóerő=0,7:

Részecsketolóerő=294,3⋅29,4302⋅0,7=6,18×106 W=6,18 MWP_{\szöveg{tolóerő}} = \frac{294,3 \cdot 29 430}{2 \cdot 0,7} = 6,18 \times 10^6 \, \text{W} = 6,18 \, \text{MW}Pthrust=2⋅0,7294,3⋅29,430=6,18×106W=6,18MW

Ez rávilágít az ionhajtóművek jelentős energiaigényére, amelyeket gyakran napelemek vagy sugáros energiarendszerek elégítenek ki.

---

2.5.2 Csomópontok helyzetének és helyzetének beállítása

A helyes pálya fenntartása mellett minden MOLN csomópontnak képesnek kell lennie arra, hogy szabályozza hozzáállását (orientációját) az elektromágneses sínek, kötések vagy hasznos teher befogó rendszerek megfelelő beállításához. Ezt reakciós kerekek, vezérlőnyomaték-giroszkópok (CMG-k) és hajtóművek kombinációjával érik el.

1. Reakciós kerekek és vezérlőnyomaték-giroszkópok

A reakciós kerekeket és  a CMG-ket a  csomópont helyzetének beállítására használják belső nyomatékok létrehozásával. Ezek a szögmozgás megőrzésének elvén alapulnak.

1. Reakciókerék dinamikája
• A reakciókerék felfelé vagy lefelé forog, hogy megváltoztassa a csomópont szögsebességét az ellenkező irányba.
• A csomópont szöglendületének változása (ΔLnode\Delta L_{\text{node}}ΔLnode) egyenlő és ellentétes a reakciókerék szöglendületének változásával: ΔLnode=−Iwheel⋅Δωwheel\Delta L_{\text{node}} = -I_{\text{wheel}} \cdot \Delta \omega_{\text{wheel}}ΔLnode=−Iwheel⋅Δωwheel ahol:
• IwheelI_{\text{wheel}}Iwheel: A reakciókerék tehetetlenségi nyomatéka (kg·m²-ben).
• Δωkerék\Delta \omega_{\text{kerék}}Δωkerék: A kerék szögsebességének változása (rad/s-ban).

Példa számítás: Ha egy kerék:

• Iwheel=10 kg m2I_{\text{wheel}} = 10 \, \text{kg m}^2Iwheel=10kg m2,
• Δωkerék=5 rad/s\Delta \omega_{\text{kerék}} = 5 \, \text{rad/s}Δωkerék=5rad/s:

ΔLnode=−10⋅5=−50 kg m2s−1\Delta L_{\text{node}} = -10 \cdot 5 = -50 \, \text{kg m}^2 \text{s}^{-1}ΔLnode=−10⋅5=−50kg m2s−1

2. Vezérlési pillanat giroszkópok (CMG-k)
• A CMG-k nyomatékot hoznak létre a forgó kerék tengelyének megdöntésével, a giroszkópikus hatást kihasználva  nagyobb helyzetbeállításokat generálnak, mint a reakciós kerekek.

2. Tolóerő-alapú helyzetszabályozás

Ha nagy helyzetváltásokra van szükség gyorsan, vagy amikor a reakciós kerekek telítettek (elérik a maximális sebességet),  a hajtóművek nyomatékot biztosítanak.

A tolóerő által keltett nyomaték:

τthruster=Fthruster⋅darm\tau_{\text{thruster}} = F_{\text{thruster}} \cdot d_{\text{arm}}τthruster=Fthruster⋅darm

hol:

• FthrusterF_{\text{tolóerő}}Fthruster: A tolóerő által keltett erő (N-ben).
• darmd_{\text{arm}}darm: A tömegközéppont és a tolóerő pontja közötti távolság (m-ben).

Számítási példa: Ha:

• Fthruster=5 NF_{\text{tolóerő}} = 5 \, \text{N}Fthruster=5N,
• darm=2 md_{\text{arm}} = 2 \, \text{m}darm=2m:

τtolóerő=5⋅2=10 Nm\tau_{\text{tolóerő}} = 5 \cdot 2 = 10 \, \text{Nm}τtolóerő=5⋅2=10Nm

3. Kombinált helyzet- és pályairányító rendszer (AOCS)

Az Attitude and Orbit Control System (AOCS) integrálja a reakciókerekeket, a CMG-ket és a hajtóműveket, együttműködve a csomópont tájolásának és keringési útjának finom szabályozása érdekében. Az automatizált szoftver kezeli a beállításokat a küldetés paraméterei és a külső zavarok alapján.

---

Az orbitális hajtóművek és stabilizátorok következtetése

Az egyes MOLN csomópontokon belüli orbitális hajtóművek és stabilizátorok elengedhetetlenek a hálózat pontos pozicionálásához, tájolásához és stabilitásához. Az ionhajtóművek hatékony meghajtást biztosítanak a pályabeállításhoz, míg a reakciós kerekek és a CMG-k precíziós helyzetszabályozást biztosítanak. Ezek a rendszerek együttesen biztosítják a MOLN csomópontok hatékony működését, lehetővé téve a hasznos teher pontos kezelését és az optimális hálózati teljesítményt.

---

Az AOCS ellenőrzési algoritmusai

Az Attitude and Orbit Control System (AOCS) vezérlő algoritmusai három fő kategóriába sorolhatók: helyzetszabályozás, pályakarbantartás és pályaoptimalizálás. Vizsgáljuk meg részletesebben az egyes algoritmustípusokat, a működésük alapjául szolgáló számításokra és logikára összpontosítva.

1. Attitűdvezérlő algoritmusok

A helyzetszabályozás szükséges a csomópont összetevőinek (például sínek, hevederek és hasznos teher rögzítési mechanizmusai) kívánt tájoláshoz való igazításához. Az érintett algoritmusokat úgy tervezték, hogy minimalizálják a szöghelyzet és a sebesség hibáit a visszacsatolás-vezérlés segítségével.

1.1 Arányos-integrál-származékos (PID) szabályozás

A PID szabályozó egy alapvető szabályozási algoritmus, amely folyamatosan kiszámítja a hibaértéket a kívánt alapjel és a mért változó közötti különbségként. Beállítja a vezérlő bemeneteket a hiba minimalizálása érdekében. A MOLN csomópontok összefüggésében a PID szabályozó szabályozza a reakciós kerekeket vagy CMG-ket a kívánt szögorientáció elérése és fenntartása érdekében.

A PID-szabályozó kimenetét (u(t)u(t)u(t)) a következőképpen kell kiszámítani:

u(t)=Kpe(t)+Ki∫0te(τ)dτ+Kdde(t)dtu(t) = K_p e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}u(t)=Kpe(t)+Ki∫0te(τ)dτ+Kddtde(t)

hol:

• e(t)e(t)e(t): Hiba a kívánt és a tényleges tájolás között (pl. gurulás, dőlésszög vagy ásítás).
• KpK_pKp: Arányos nyereség, amely meghatározza az aktuális hibára adott reakciót.
• KiK_iKi: Integrált nyereség, a felhalmozott múltbeli hibák kijavítása.
• KdK_dKd: Derivatív nyereség, a jövőbeli hibák előrejelzése a változás mértéke alapján.

PID-paraméterek hangolása: A KpK_pKp, KiK_iKi és KdK_dKd nyereségek hangolása a csomópont dinamikája és válaszidejére vonatkozó követelmények alapján történik. Jellemzően:

• A magas KpK_pKp gyors korrekciót eredményez, de túllövést okozhat.
• A magas KiK_iKi minimális állandósult állapotú hibát biztosít, de instabilitást okozhat.
• A magas KdK_dKd javítja a stabilitást az oszcillációk csillapításával, de érzékennyé teheti a rendszert a zajra.

Példa PID vezérlő kódjára (python/pszeudokód):

piton

Kód másolása

osztály PIDController:

    def __init__(saját, Kp, Ki, Kd):

        önmaga. Kp = Kp

        önmaga. Kulcs = Kulcs

        önmaga. Kd = Kd

        self.integral = 0

        self.previous_error = 0

   

    def update(saját, alapérték, mérés, dt):

        hiba = alapjel - mérés

        self.integral += hiba * dt

        Derivált = (hiba - self.previous_error) / DT

        self.previous_error = hiba

       

        # PID kimenet kiszámítása

        output = (saját. Kp * hiba) + (saját. Ki * self.integral) + (saját. Kd * származék)

        Visszatérő kimenet

1.2 Állapottér-vezérlés és Kalman-szűrők

Az összetettebb és dinamikusabb viselkedés érdekében az állapottér-vezérlés általánosabb megközelítést kínál, mint a PID. Az állapottér ábrázolása olyan egyenleteket tartalmaz, amelyek leírják a rendszer dinamikáját állapotvektorok és vezérlő bemenetek szempontjából.

1. Állapotvektor (xxx): Tartalmazza a szöghelyzeteket, sebességeket és egyéb releváns paramétereket.
2. Állapotegyenlet: x ̇(t)=Ax(t)+Bu(t)\dot{x}(t) = Ax(t) + Bu(t)x ̇(t)=Ax(t)+Bu(t)
• AAA: Rendszermátrix, amely azt ábrázolja, hogyan változik az állapot az idő múlásával.
• BBB: Vezérlő mátrix, amely összekapcsolja a vezérlő bemeneteket az állapotváltozásokkal.
3. Kimeneti egyenlet: y(t)=Cx(t)+Du(t)y(t) = Cx(t) + Du(t)y(t)=Cx(t)+Du(t)
• CCC: Az állapotok mérésének módját meghatározó mátrix.
• DDD: Közvetlen átviteli mátrix a bemenettől a kimenetig (gyakran nulla).

A Kalman-szűrő a  zajos érzékelőadatokon alapuló optimális állapotbecsléshez  használható. Minimalizálja a becsült és a valós állapot közötti átlagos négyzetes hibát.

---

2. Pályafenntartó algoritmusok

A MOLN hálózaton belüli helyes pálya és pozíció fenntartása érdekében a vezérlő algoritmusoknak folyamatosan figyelniük és módosítaniuk kell a csomópont pályáját. A cél egy olyan orbitális pozíció fenntartása, amely optimalizálja a hasznos teher átvitelét, miközben minimalizálja az üzemanyag-fogyasztást.

2.1 Modell prediktív vezérlés (MPC)

A modell prediktív vezérlése (MPC) egy fejlett vezérlési stratégia, amely előrejelzi a csomópont jövőbeli állapotát egy bizonyos időhorizonton, és ennek megfelelően optimalizálja a vezérlési műveleteket. A rendszerdinamika matematikai modelljét használja, és minden vezérlési lépésben megoldja az optimalizálási problémát.

1. Költségfüggvény:

J=∑k=0N(x(k)⊤Qx(k)+u(k)⊤Ru(k))J = \sum_{k=0}^N \left( x(k)^\top Q x(k) + u(k)^\top are you(k) \right)J=k=0∑N(x(k)⊤Qx(k)+u(k)⊤Ru(k))

• JJJ: A költségfüggvényt minimalizálni kell.
• x(k)x(k)x(k): Állapotvektor a kkk időlépésben.
• u(k)u(k)u(k): Vezérlő bemenet (pl. tolóerő tüzelése).
• QQQ, RRR: Az állapoteltérések és az ellenőrzési erőfeszítések súlymátrixai.
• NNN: Előrejelzési horizont.
1. Korlátok: Az MPC figyelembe veszi a fizikai korlátokat (pl. tolóerő-határértékek) és a keringési követelményeket, biztosítva a biztonságos és hatékony manővereket.
2. Vezérlésoptimalizálás: A vezérlő megoldja az optimalizálási problémát, hogy meghatározza a vezérlési műveletek optimális sorrendjét, csak az első vezérlési műveletet alkalmazva, és a következő lépésben újraszámolva.

Algoritmus áramlása:

• Minden időlépésben jósolja meg az állapotpályát a vezérlési bemenetek alapján.
• Optimalizálja a vezérlési bemeneteket, hogy minimalizálja a költségfüggvényt az előrejelzési horizonton.
• Alkalmazza az optimális vezérlési műveletet, és ismételje meg.

---

3. Útvonal-optimalizálási és átadás-átvételi algoritmusok

A MOLN csomópontoknak biztosítaniuk kell a hasznos terhek hatékony átadását egyik csomópontról a másikra. Az útvonal-optimalizálási algoritmusok kiszámítják a hálózaton keresztüli hasznos teherátvitel leginkább energiahatékony és időszerű útvonalát.

3.1 Dijkstra algoritmusa az útkereséshez

A MOLN hálózaton keresztüli optimális útvonal megtalálásához egy grafikon alapú útvonalkereső algoritmust, például  a Dijkstra algoritmusát használják a teljes átviteli idő vagy energiafogyasztás minimalizálására. Minden csomópontot csúcspontként kezelünk, és a lehetséges útvonalakat élekként ábrázoljuk a hozzájuk tartozó súlyokkal (például idő- vagy energiaköltségek).

Dijkstra algoritmus áramlása:

1. Inicializálás: Állítsa az összes csomópont távolságát végtelenre, kivéve a kezdő csomópontot, amely nullára van állítva.
2. Csomópontok meglátogatása: Keresse fel a legkisebb ismert távolságú csomópontot, és számítsa ki a szomszédaitól való távolságot.
3. Távolságok frissítése: Ha a szomszédtól számított távolság kisebb, mint az ismert távolság, frissítse azt.
4. Ismétlés: Folytassa a csomópontok látogatását és a távolságok frissítését, amíg el nem éri a célcsomópontot, vagy meg nem látogatja az összes lehetséges csomópontot.

3.2 Dinamikus útvonal-beállítás AI segítségével

A gépi tanulási és megerősítési tanulási (RL) technikák a valós idejű hálózati feltételeken alapuló dinamikus útvonal-beállításhoz használatosak:

• Az RL-ügynökök megtanulják a hasznos teher átvitelének optimális irányelveit olyan jutalmazási funkciók alapján, amelyek figyelembe veszik az időt, az energiahatékonyságot és a pályaváltozásokat.
• A neurális hálózatok modellezik a hálózati állapotok közötti kapcsolatokat (például csomópont-pozíciók, energiaszintek) és a hasznos terhelések útválasztásának optimális műveleteit.

---

AOCS vezérlő algoritmusok megvalósítása

A gyakorlatban az AOCS több algoritmust futtat párhuzamosan:

• A PID és az állapottér-vezérlők finom helyzetbeállításokat és korrekciókat kezelnek.
• Az MPC-alapú vezérlők kezelik az általános orbitális pozicionálást és beállításokat.
• Az útvonalkereső és AI-algoritmusok kezelik az útválasztási döntéseket és a hasznos adatok átvitelét a hálózaton keresztül.

Ezek az algoritmusok együttműködnek a MOLN csomópontok pontos és hatékony mozgásának biztosítása érdekében, lehetővé téve a hálózat számára, hogy hatékonyan támogassa szállítási és logisztikai funkcióit. Ha további részletekre van szüksége konkrét algoritmusokról, az AI-alapú vezérlés példáiról vagy további vizualizációkról, kérjük, tudassa velem!

2.6 Energiatároló és -továbbító egységek

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) esetében a hatékony energiatárolás és -továbbítás kiemelkedő fontosságú a csomópontok tartós működéséhez és a hasznos terhek különböző pályákon történő mozgatásához. Minden MOLN csomópontnak robusztus energiarendszerre van szüksége a meghajtáshoz, az elektromágneses vasúti rendszerekhez, a kommunikációs és vezérlőrendszerekhez, miközben fenntartja az energiahatékonyságot és a megbízhatóságot. Ez a rész azokat a technológiákat és rendszereket tárgyalja, amelyek lehetővé teszik az energiatárolást és -átvitelt a MOLN-on belül, különös tekintettel a szuperkondenzátor technológiára és  az energiaátviteli rendszerekre,  például a napelemekre és a sugárzott energiára.

---

2.6.1 Szuperkondenzátor technológia

A szuperkondenzátorok kritikus szerepet játszanak a MOLN csomópontok energiatárolásában nagy teljesítménysűrűségük, gyors töltési/kisütési ciklusaik és hosszú élettartamuk miatt. Rövid távú energiatároló egységekként szolgálnak, amelyek képesek a nagy igénybevételt jelentő műveletekhez, például az elektromágneses meghajtáshoz és a gyors helyzetbeállításhoz szükséges teljesítménylöketek leadására.

1. A szuperkondenzátorok működési elve

A szuperkondenzátorok elektrosztatikusan tárolják az energiát azáltal, hogy elválasztják a pozitív és negatív töltéseket az elektroliton és a szénalapú elektródán. Az akkumulátorokkal ellentétben a szuperkondenzátorok kémiai reakciók nélkül tárolják az energiát, lehetővé téve a gyors töltési/kisütési ciklusokat. A szuperkondenzátorok legfontosabb jellemzőit a következők határozzák meg:

1. Kapacitás (CCC):

C=εAdC = \frac{\epsilon A}{d}C=dεA

hol:

• ε\epszilonε: Az elektrolit anyagának permittivitása.
• AAA: Az elektródák felülete.
• ddd: Az elektródák közötti távolság (töltés szétválasztása).
1. Tárolt energia (EstoredE_{\text{stored}}Estored):

Estored=12CV2E_{\text{stored}} = \frac{1}{2} C V^2Estored=21CV2

hol:

• CCC: Kapacitás (Faradokban).
• VVV: Feszültség a szuperkondenzátoron (voltban).

Példa számítás: Ha egy szuperkondenzátor:

• Kapacitás C=1000 FC = 1000 \, \text{F}C=1000F,
• Feszültség V = 500 VV = 500 \, \text{V}V = 500V:

A tárolt energia:

Estored=12⋅1000⋅(500)2=125 kJE_{\text{stored}} = \frac{1}{2} \cdot 1000 \cdot (500)^2 = 125 \, \text{kJ}Estored=21⋅1000⋅(500)2=125kJ

2. Gyors kisülés és tápellátás

A szuperkondenzátorok képesek gyorsan kisülni, hogy rövid idő alatt nagy teljesítményt biztosítsanak. A kimeneti teljesítmény (PoutP_{\text{out}}Pout) a kisülési ciklus alatt:

Pout=V⋅IP_{\text{out}} = V \cdot IPout=V⋅I

hol:

• VVV: Feszültség a szuperkondenzátoron (voltban).
• III: Kisülési áram (amperben).

A maximális kimenő teljesítmény a szuperkondenzátor belső ellenállásától (RintR_{\text{int}}Rint) függ:

Pmax=V24RintP_{\text{max}} = \frac{V^2}{4 R_{\text{int}}}Pmax=4RintV2

Példa számítás: Ha egy szuperkondenzátor:

• Feszültség V = 500 VV = 500 \, \text{V}V=500V,
• Belső ellenállás Rint=0,05 Ω R_{\text{int}} = 0,05 \, \OmegaRint=0,05Ω:

A legnagyobb leadott teljesítmény:

Pmax=(500)24⋅0,05=1,25 MWP_{\text{max}} = \frac{(500)^2}{4 \cdot 0,05} = 1,25 \, \text{MW}Pmax=4⋅0,05(500)2=1,25MW

3. Szuperkondenzátor bank konfigurációk

A szuperkondenzátorokat gyakran használják bankokban  vagy tömbökben, hogy megfeleljenek a MOLN csomópontok speciális energia- és energiakövetelményeinek. Ezek a konfigurációk lehetnek sorosak vagy párhuzamosak:

• Soros konfiguráció: Növeli a teljes feszültséget, miközben a kapacitás alacsony marad. Ctotal=(∑i=1n1Ci)−1C_{\text{total}} = \left( \sum_{i=1}^n \frac{1}{C_i} \right)^{-1}Ctotal=(i=1∑nCi1)−1
• Párhuzamos konfiguráció: Növeli a teljes kapacitást és az energiatárolást, miközben fenntartja a feszültséget. Ctotal=∑i=1nCiC_{\text{total}} = \sum_{i=1}^n C_iCtotal=i=1∑nCi

---

2.6.2 Energiaátviteli rendszerek (sugárzott energia, napelemek)

A szuperkondenzátorok mellett a MOLN csomópontok megújuló energiaforrásokra támaszkodnak a hosszú távú működés fenntartása érdekében. Ezek közé tartoznak a napenergia rögzítésére szolgáló napelemek  és a sugárzott energiarendszerek, amelyek vezeték nélkül továbbítják az energiát a földi állomásokról vagy más orbitális forrásokból.

1. Napelemes rendszerek

A napelemek fotovoltaikus (PV) cellák segítségével alakítják át a napfényt elektromos energiává. A begyűjtött energia függ a tömb felületétől, az átalakítás hatékonyságától és a napsugárzás intenzitásától.

1. Napelemek által termelt energia (PsolarP_{\text{solar}}Psolar): Psolar=Aarray⋅ηpv⋅IsolarP_{\text{solar}} = A_{\text{array}} \cdot \eta_{\text{pv}} \cdot I_{\text{solar}}Psolar=Aarray⋅ηpv⋅Isolar ahol:
• AarrayA_{\text{array}}Aarray: A napelem felszíne (m²-ben).
• ηpv\eta_{\text{pv}}ηpv: A PV cellák hatásfoka (jellemzően 15-30%).
• IsolarI_{\text{solar}}Isolar: Napsugárzás (W/m²-ben).

Példa számításra: Napelem tömb esetén:

• Area Aarray=100 m2A_{\text{array}} = 100 \, \text{m}^2Aarray=100m2,
• Hatásfok ηpv=0,25\eta_{\text{pv}} = 0,25ηpv=0,25,
• Napsugárzás Isolar=1360 W/m2I_{\text{solar}} = 1360 \, \text{W/m}^2Isolar=1360W/m2 (űrkörnyezetben):

A termelt energia:

Psolar=100⋅0.25⋅1360=34 kWP_{\text{solar}} = 100 \cdot 0.25 \cdot 1360 = 34 \, \text{kW}Psolar=100⋅0.25⋅1360=34kW

2. Követés és szögoptimalizálás: Az energiatermelés maximalizálása érdekében a MOLN csomópontok napkövető mechanizmusokat  alkalmazhatnak a Naphoz viszonyított optimális szög fenntartása érdekében, biztosítva a maximális energiarögzítést.

2. Sugáros energiarendszerek

A sugárzott energiarendszerek vezeték nélkül továbbítják az energiát egy forrásból (földi állomás vagy orbitális csomópont) a MOLN csomópontokhoz mikrohullámok vagy lézerek segítségével. Ez a módszer kiegészítő energiát biztosíthat a csomópontoknak, ha a napenergia nem elegendő.

1. Energiaátviteli hatékonyság (ηnyaláb\eta_{\text{beam}}ηbeam): ηbeam=PreceivedPtransmitted\eta_{\text{beam}} = \frac{P_{\text{received}}}{P_{\text{transmitted}}}ηbeam=PtransmittedPreceived ahol:
• PtransmittedP_{\text{transmitted}}Ptransmitted: A forrás által továbbított energia.
• PreceivedP_{\text{received}}Preceived: A csomópont által fogadott teljesítmény.

A hatékonyságot befolyásoló tényezők:

• Nyaláb divergencia: A sugár terjedése a távolságra, csökkentve a teljesítménysűrűséget.
• Légköri veszteség: A föld-tér sugárzás esetén a légköri csillapítás befolyásolja az energiaátvitelt.

Példa: Továbbított teljesítmény esetén Ptransmitted=10 MWP_{\text{transmitted}} = 10 \, \text{MW}Ptransmitted=10MW és ηbeam=0,8\eta_{\text{beam}} = 0,8ηbeam=0,8 hatásfok esetén:

Preceived=10⋅0,8=8 MWP_{\text{received}} = 10 \cdot 0,8 = 8 \, \text{MW}Preceived=10⋅0,8=8MW

3. Energiagazdálkodási és -elosztó rendszerek

Az egyes MOLN csomópontokon belül a termelt és tárolt energiát egy energiagazdálkodási és elosztási (PMAD) rendszer kezeli. Ez a rendszer a következőket kezeli:

• Terheléselosztás az aktív műveletek között (pl. hajtóművek, elektromágneses sínek).
•  A teljesítmény szabályozása az üzemi igényeknek megfelelően.
• Redundancia a különböző energiaforrások (napenergia, szuperkondenzátorok, sugárzott energia) közötti váltáshoz a megszakítás nélküli csomópont-műveletek érdekében.

A PMAD intelligens kapcsolóáramkörökkel, áramátalakítókkal és vezérlőkkel  van felszerelve az optimális energiafelhasználás biztosítása és a veszteségek minimalizálása érdekében.

---

Az energiatároló és -átadó egységek megkötése

A MOLN csomópontok energiatároló és -továbbító egységei nagy teljesítményű szuperkondenzátorokból állnak a gyors energialöketekhez, napelemekből a megújuló energia leválasztásához és sugárzott energiarendszerekből a vezeték nélküli energiaátvitelhez. Ezek a rendszerek együttműködnek a hálózat folyamatos működésének és rugalmasságának biztosítása érdekében, kielégítve a hasznos teher átvitelének, az orbitális beállításoknak és a stabilizációs folyamatoknak a különböző energiaigényeit.

A következő részben feltárjuk azokat a hőkezelő rendszereket, amelyek szabályozzák a MOLN csomópontok hőmérsékletét, fenntartva az energia- és meghajtórendszerek hatékony működését.

További részletek az energiatároló és -továbbító rendszerekről a MOLTN-ban

A MOLN csomópontok energiatároló és -továbbító rendszereinek nemcsak hatékonyan kell tárolniuk és szállítaniuk az energiát, hanem alkalmazkodniuk kell a hasznos teher átvitelének, a csomópontok beállításának és a regeneratív rendszerekből történő energia-visszanyerésnek a dinamikus igényeihez is. Ez a rész tovább bővíti a fejlett szuperkondenzátor-tömböket,  a hibrid energiatároló integrációt,  az energiaelosztás optimalizálását és az energiapufferelési technikákat a MOLN hálózat hatékonyságának és megbízhatóságának növelése érdekében.

2.6.1 Fejlett szuperkondenzátor tömbök

1. Szuperkondenzátor modulok és halmozási konfigurációk

A MOLN csomópontok nagy kapacitású szuperkondenzátor bankokat igényelnek a változó terhelések és a nagy teljesítményű alkalmazások, például az elektromágneses meghajtás kezeléséhez. Ezeket a bankokat soros és párhuzamos konfigurációkban összekapcsolt moduláris szuperkondenzátorok alkotják a kívánt feszültség-, áram- és energiaigény elérése érdekében.

1. Soros konfiguráció: Növeli a teljes feszültséget, de a teljes kapacitás csökken. Minden szuperkondenzátornak olyan feszültséggel kell rendelkeznie, amely megfelel a rendszer igényeinek.

Vtotal=∑i=1nViV_{\text{total}} = \sum_{i=1}^n V_iVtotal=i=1∑nVi

• A teljes feszültség az egyes kondenzátorok feszültségeinek összege.
• A teljes kapacitás: Ctotal=(∑i=1n1Ci)−1C_{\text{total}} = \left( \sum_{i=1}^n \frac{1}{C_i} \right)^{-1}Ctotal=(i=1∑nCi1)−1
1. Párhuzamos konfiguráció: Növeli a kapacitást és az áramkapacitást, miközben alacsonyabb feszültséget tart fenn.

Ctotal=∑i=1nCiC_{\text{total}} = \sum_{i=1}^n C_iCtotal=i=1∑nCi

Példa tervezésre: Tegyük fel, hogy minden szuperkondenzátor modul rendelkezik:

• Vmodule=2.7 VV_{\text{module}} = 2.7 \, \text{V}Vmodule=2.7V,
• Cmodule=1000 FC_{\text{module}} = 1000 \, \text{F}Cmodule=1000F.

100 V feszültségű és 50 F kapacitású bank eléréséhez:

• Soros csatlakozás feszültséghez: nseries=1002.7≈37 capacitorsn_{\text{series}} = \frac{100}{2.7} \approx 37 \text{ kondenzátorok}nseries=2.7100≈37 kondenzátorok
• Párhuzamos csatlakozás kapacitáshoz: nparallel=501000/nseries≈2 parallel stringsn_{\text{parallel}} = \frac{50}{1000/n_{\text{series}}} \approx 2 \text{ parallel strings}nparallel=1000/nseries50≈2 párhuzamos karakterláncok

Ezért összesen 37×2=7437 \times 2 = 7437×2=74 szuperkondenzátorra van szükség a kívánt konfiguráció eléréséhez.

2. Szuperkondenzátorrendszerek hőkezelése

A szuperkondenzátorok hőt termelnek a gyors töltési és kisütési ciklusok során, ami befolyásolhatja hatékonyságukat és élettartamukat. A hőkezelő rendszer a következőket használja:

• Aktív hűtés: Folyadék- vagy léghűtő körök a felesleges hő elvezetésére.
• Passzív hűtőbordák: Nagy felületű anyagok a szuperkondenzátorokhoz rögzítve a természetes konvekciós hűtéshez.

 A szuperkondenzátorban az egyenértékű soros ellenállás (ESR) miatt keletkező hő (QQQ):

Q=I2RESR⋅tQ = I^2 R_{\text{ESR}} \cdot tQ=I2RESR⋅t

hol:

• III: Kisülési áram (amperben).
• RESRR_{\text{ESR}}RESR: A szuperkondenzátor egyenértékű soros ellenállása (ohmban).
• ttt: Kisütési idő (másodpercben).

A RESRR_{\text{ESR}}RESR minimalizálásával csökken a keletkező hő, ami hatékonyabb energiaellátást eredményez.

---

2.6.3 Hibrid energiatároló rendszerek

A MOLN csomópontok teljesítményének és energiaképességének növelése érdekében a szuperkondenzátorokat gyakran kombinálják más energiatárolási technológiákkal, például lítium-ion akkumulátorokkal vagy szilárdtest-akkumulátorokkal, hibrid energiarendszert alkotva.

1. A hibrid rendszerek előnyei

A hibrid rendszerek kihasználják a  szuperkondenzátorok nagy teljesítménysűrűségét és az  akkumulátorok nagy energiasűrűségét:

• A szuperkondenzátorok gyors teljesítményt biztosítanak rövid sorozatokhoz (pl. hasznos teher gyorsulása).
• Az akkumulátorok hosszú távú energiatárolást biztosítanak a folyamatos működéshez (pl. csomópont-stabilizálás, kommunikáció).

2. Töltés és mentesítés kezelése

A szuperkondenzátorok és az akkumulátorok közötti energiaáramlás hatékony kezeléséhez akkumulátorkezelő rendszerekre (BMS) és teljesítményelektronikára van szükség:

• BMS algoritmusok: Optimalizálja a töltési-kisütési ciklusokat az üzemeltetési igények és a rendelkezésre álló áramforrások alapján.
• DC-DC átalakítók: Szabályozza a feszültségszinteket a szuperkondenzátor bankok, az akkumulátorok és az energiafogyasztó alrendszerek között.

---

2.6.4 Energia-betakarítás és energiaátvitel

1. Adaptív napelemrendszer optimalizálás

A MOLN csomópontokon lévő napelemeket dinamikusan optimalizálni kell, hogy maximalizálják az energiabefogásukat, különös tekintettel a változó fényviszonyokra, amikor a csomópont a Föld vagy más égitestek körül kering. A napelemes rendszerek legfontosabb jellemzői a következők:

1. Telepíthető napelemek: Olyan panelek, amelyek kihajthatók vagy elforgathatók, hogy maximalizálják a felületet és optimalizálják szögüket a Naphoz képest.
2. Nyomkövető mechanizmusok: A kettős tengelyű nyomkövetők beállítják a napelemek szögét, valós időben követve a Nap helyzetét. Az algoritmusok kiszámítják a nap beesési szögét (θ\thetaθ) az optimális energiabefogás biztosítása érdekében:

Psolar-optimal=Aarray⋅ηpv⋅Isolar⋅cos(θ)P_{\text{solar-optimal}} = A_{\text{array}} \cdot \eta_{\text{pv}} \cdot I_{\text{solar}} \cdot \cos(\theta)Psolar-optimal=Aarray⋅ηpv⋅Isolar⋅cos(θ)

3. Fejlett PV cellatechnológiák: Nagy hatékonyságú anyagok, például többcsatlakozású cellák vagy perovszkit cellák  használata a 30-40% -os hatékonyság elérése érdekében, jelentősen javítva az energiatermelést a hagyományos szilícium alapú PV cellákhoz képest.

2. Sugáros energiarendszerek és lézeres erőátvitel

Bizonyos helyzetekben, különösen akkor, ha a csomópontok árnyékban vannak, vagy kiegészítő energiát keresnek,  a sugárzott energiarendszerek mikrohullámú vagy lézersugarakon keresztül továbbítják a földi állomások vagy más MOLN csomópontok energiáját.

1. Nyalábcélzás és követés: A precíziós nyomkövető rendszerek összehangolják az átviteli nyalábot a fogadó csomóponttal a veszteségek minimalizálása érdekében.
2. Rectenna tömbök: Az egyenirányító antennákat (Rectennas) mikrohullámú energia fogadására és egyenáramú elektromos energiává alakítására használják. A lézerteljesítmény érdekében a fotoelektromos átalakítók a lézerfényt elektromos árammá alakítják.
3. Energiapufferelés:  Az energiapufferek (jellemzően kondenzátorbankok) kiegyenlítik a sugárnyaláb megszakítása vagy beállítási problémák miatti teljesítményváltozásokat, állandó és megbízható tápellátást biztosítva.

Hatékonysági megfontolások: A nyaláb divergenciája, a légköri csillapítás és az átviteli veszteségek minimalizálhatók nagy teljesítményű lézerek vagy mikrohullámú frekvenciák használatával, amelyek alkalmasak az űr-tér és a föld-tér átvitelre.

Teljesítményátviteli példa: λ=1064 nm\lambda = 1064 \, \text{nm}λ=1064nm hullámhosszú és α=0,01 radián\alfa=0,01 \, \text{radián}α=0,01radián hullámhosszú lézer esetén:

• Az SSS teljesítménysűrűség DDD távolságra a forrástól: S=Ptransmitπ(D⋅tan(α))2S = \frac{P_{\text{transmit}}}{\pi (D \cdot \tan(\alpha))^2}S=π(D⋅tan(α))2Ptrans, ahol PtransmitP_{\text{transmit}}Ptransmit az átvitt teljesítmény.

Ha Ptransmit=1 MWP_{\text{transmit}} = 1 \, \text{MW}Ptransmit=1MW és D=100 kmD = 100 \, \text{km}D=100km:

S=1×106π(100⋅tan(0.01))2=1×106π⋅(1)=1×1063,14≈318 kW/m2S = \frac{1 \times 10^6}{\pi (100 \cdot \tan(0,01))^2} = \frac{1 \times 10^6}{\pi \cdot (1)} = \frac{1 \times 10^6}{3.14} \approx 318 \, \text{kW/m}^2S=π(100⋅tan(0.01))21×106=π⋅(1)1×106=3.141×106≈318kW/m2

---

2.6.5 Energiaelosztás optimalizálása és vezérlése

A MOLN csomópontok olyan energiagazdálkodási és elosztási (PMAD) rendszert  igényelnek, amely dinamikusan kiegyensúlyozza az energiaforrásokat és a fogyasztókat a hatékonyság és a megbízhatóság fenntartása érdekében.

1. Terhelési priorizálás és energiagazdálkodás

A PMAD rendszer prioritás alapú algoritmusokat  használ a hatalom elosztására:

• Magas prioritású terhelések: A csomópontok biztonsága szempontjából kritikus rendszerek, például hajtóművek és stabilizátorok.
• Közepes prioritású terhelések: Kritikus fontosságú rendszerek, például hasznos teher rögzítési és átviteli mechanizmusok.
• Alacsony prioritású terhelések: Kiegészítő rendszerek, például kommunikáció vagy adatfeldolgozás.

Terheléscsökkentő algoritmusok: Korlátozott áramellátás esetén az alacsony prioritású terheléseket ideiglenesen leállítják annak biztosítása érdekében, hogy a magas prioritású rendszerek elegendő energiát kapjanak.

2. Energiaáramlás-szabályozás

A fejlett teljesítményelektronika, például  a kétirányú DC-DC átalakítók szabályozzák az energiaáramlást a szuperkondenzátorbankok, az akkumulátorok és az üzemi terhelések között. A valós idejű vezérlési algoritmusok a feszültségszinteket, az áramerősségeket és az energiaáramlást a működési igényeknek megfelelően állítják be.

1. Szinkron korrekció: Csökkenti a konverterek veszteségeit a kapcsolás szinkronizálásával a hőelvezetés minimalizálása érdekében.
2. Adaptív impulzusszélesség-moduláció (PWM): Beállítja az átalakítók munkaciklusát az optimális energiaátadás elérése érdekében a változó terhelések alapján.

---

A továbbfejlesztett energiarendszerek összefoglalása

A MOLN csomópontokon belüli energiarendszereket úgy tervezték, hogy hatékony, alkalmazkodó és nagy teljesítményű megoldásokat biztosítsanak az űrműveletekhez. A fejlett szuperkondenzátorbankok, a hibrid energiatárolás, a megújuló energia napelemeken keresztül történő betakarítása és a sugárzott energia biztosítja, hogy a hálózat hatékonyan működjön különböző környezetekben és forgatókönyvekben. Az energiagazdálkodás és -vezérlés kifinomult elektronikán és algoritmusokon keresztül történik, biztosítva az energia hatékony felhasználását a MOLN általános céljainak elérése érdekében.

2.7 Hőkezelési rendszerek

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) csomópontok hatékony működéséhez robusztus hőkezelő rendszerre van szükség a különböző alrendszerekből, például elektromágneses sínekből, meghajtórendszerekből és elektronikus vezérlőegységekből származó hő kezelésére. Ezek a hőkezelő rendszerek elengedhetetlenek az optimális üzemi hőmérséklet fenntartásához a megbízhatóság, a biztonság és az energiahatékonyság biztosítása érdekében. Ez a rész a hőelvezetés, a hőárnyékolás és a MOLN csomópontokhoz szükséges hőegyensúly fenntartásának elsődleges módszereire összpontosít.

---

2.7.1 Hőelvezetési módszerek

A MOLN csomópontok nagy energiájú rendszerei által termelt hő kezelése az egyik legnagyobb kihívás, különösen az űr vákuumában, ahol a konvekciós hűtés nem lehetséges. A hőelvezetés elsődleges módszerei közé tartozik a sugárzó hűtés, a hőcsövek és a fázisváltó anyagok (PCM).

1. Sugárzó hűtőrendszerek

Mivel a tér nem teszi lehetővé a vezetőképes vagy konvektív hőátadást, a sugárzó hűtés a felesleges hő leadásának fő módszere. A MOLN csomópontok radiátorokat  használnak hő kibocsátására infravörös sugárzás formájában. A kisugárzott hőenergiát (QradiatedQ_{\text{radiated}}Qradiated) a Stefan-Boltzmann törvény határozza meg:

Qradiated=εσ AT4Q_{\text{radiated}} = \epsilon \sigma A T^4Qradiated=εσAT4

hol:

• ε\epsilonε: A radiátor felületének emissziós képessége.
• σ\sigmaσ: Stefan-Boltzmann állandó (5,67×10−8 W/m2K45,67 \times 10^{-8} \, \text{W/m}^2 \text{K}^45.67×10−8W/m2K4).
• AAA: A radiátor felülete (m²-ben).
• TTT: A radiátor abszolút hőmérséklete (Kelvinben).

Példa számítás: Ha egy radiátor:

• Felület A=5 m2A = 5 \, \text{m}^2A=5m2,
• Emissziós képesség ε=0,85\epszilon = 0,85ε=0,85,
• Hőmérséklet T=300 KT = 300 \, \text{K}T=300K:

A sugárzott hő:

Qradiated=0.85⋅5.67×10−8⋅5⋅(300)4Q_{\text{radiated}} = 0.85 \cdot 5.67 \times 10^{-8} \cdot 5 \cdot (300)^4Qradiated=0.85⋅5.67×10−8⋅5⋅(300)4 Qradiated≈340.2 WQ_{\text{radiated}} \approx 340.2 \, \text{W}Qradiated≈340.2W

2. Hőcsövek és termikus hurkok

A hőcsövek hatékony hőátadó eszközök, amelyek fázisváltási elveket alkalmaznak a hő szállítására a melegebb területekről a csomópont hűvösebb területeire. A hőcső három fő részből áll: párologtató, adiabatikus szakasz és kondenzátor.

1. Párolgás: A hőcső belsejében lévő munkafolyadék elnyeli a hőt a forró területről, elpárologtatja és elvezeti a hőt.
2. adiabatikus szállítás: A gőz áthalad az adiabatikus szakaszon a hűvösebb végéig.
3. Kondenzáció: A kondenzátornál a gőz hőt szabadít fel, és visszakondenzálódik folyadékká, amely kapilláris hatással visszaáramlik az elpárologtatóba.

A hőcső (QpipeQ_{\text{pipe}}Qpipe) hőátadási kapacitása a következőktől függ:

Qpipe=kAcrossΔ TLQ_{\text{pipe}} = \frac{k A_{\text{cross}} \Delta T}{L}Qpipe=LkAcrossΔT

hol:

• kkk: A munkafolyadék hővezető képessége (W/m·K-ban).
• AcrossA_{\text{cross}}Across: A hőcső keresztmetszete (m²-ben).
• ΔT\Delta TΔT: Az elpárologtató és a kondenzátor közötti hőmérsékletkülönbség (K-ben).
• LLL: A hőcső hossza (m-ben).

3. Fázisváltó anyagok (PCM-ek) hőelnyeléshez

A PCM-ek nagy mennyiségű látens hőt nyelnek el és bocsátanak ki fázisátmeneteik során (pl. Szilárdból folyékonyba). Különösen hasznosak a rövid távú hőcsúcsok elnyelésére, például elektromágneses síngyorsulás során.

A PCM (QpcmQ_{\text{pcm}}Qpcm) által elnyelt hő:

Qpcm=mpcm⋅LfQ_{\text{pcm}} = m_{\text{pcm}} \cdot L_{\text{f}}Qpcm=mpcm⋅Lf

hol:

• mpcmm_{\text{pcm}}mpcm: A PCM tömege (kg-ban).
• LfL_{\text{f}}Lf: A PCM látens fúziós hője (J/kg-ban).

A PCM-eket általában hőcserélőkbe burkolják, lehetővé téve a hatékony hőkezelést és a gyors hőelnyelést a kritikus pillanatokban.

---

2.7.2 Radiátor és hűtőborda kialakítása

A radiátorokat és hűtőbordákat úgy tervezték, hogy maximalizálják a hőelvezetést sugárzás és vezetés révén, biztosítva, hogy a MOLN csomópont hőmérséklete az üzemi határokon belül maradjon.

1. Radiátorok kialakítása űralkalmazásokhoz

Az űrradiátorokat kifejezetten úgy tervezték, hogy maximalizálják a felületet és az emissziót. Gyakran magas hővezető képességű anyagokból készülnek (például alumíniumból vagy rézből), és nagy emissziós képességű festékekkel vagy optikai bevonattal  vannak bevonva, hogy fokozzák infravörös sugárzási képességüket.

1. Telepíthető radiátorok:
• Ezek a radiátorok kinyílhatnak vagy kinyúlhatnak, ha extra hűtésre van szükség.
• A tömeg minimalizálása érdekében használjon magas hővezető képesség-tömeg arányú  anyagokat.
2. Folyadékhurkos radiátorok:
• A folyadékhurkos radiátorok egy munkafolyadékot (pl. Ammónia vagy víz-glikol keverék) keringetnek a csomópontban, hogy hőt szállítsanak a sugárzó felületekre.

Optimalizálási képlet: A radiátor optimális felületét (AoptA_{\text{opt}}Aopt) a szükséges hőelvezetés alapján határozzák meg:

Aopt=Qnodeεσ Topt4A_{\text{opt}} = \frac{Q_{\text{node}}}{\epsilon \sigma T_{\text{opt}}^4}Aopt=εσTopt4Qnode

hol:

• QnodeQ_{\text{node}}Qnode: A csomópont által termelt teljes hő.
• ToptT_{\text{opt}}Topt: A radiátor felületének üzemi hőmérséklete.

2. Hűtőborda kialakítása és anyagai

A hűtőbordákat úgy tervezték, hogy növeljék a hővezetés és a sugárzás felületét. Gyakran közvetlenül a hőtermelő alkatrészekhez (például szuperkondenzátorokhoz vagy hajtóművekhez) csatlakoznak, hogy hatékonyan vezessék el a hőt.

1. Bordázott hűtőbordák: Használjon több bordát a tér vákuumának kitett felület maximalizálása érdekében.
2. Mikrocsatornás hűtőbordák: Kis folyadékcsatornákkal rendelkezik a hőátadás fokozásához a felület növelésével és a folyadék hőtartó képességének javításával.

A hűtőbordákhoz általánosan használt anyagok a következők:

• Grafén kompozitok: Nagy hővezető képesség és kis tömeg.
• Réz vagy alumíniumötvözetek: Egyensúlyt biztosít a hővezető képesség, a súly és a szerkezeti integritás között.

3. Aktív és passzív hőszabályozás

A MOLN csomópontok hőkezelése aktív  és passzív hőszabályozási stratégiákat is magában foglal:

• Passzív hőszabályozás: Sugárzó hűtést, hőcsöveket és vezető hűtőbordákat tartalmaz. Nem igényel energiabevitelt, és a hőelvezetés természetes folyamataira támaszkodik.
• Aktív hőszabályozás: Olyan rendszereket foglal magában, mint a szivattyúzott folyadékhurkok vagy a termoelektromos hűtők (Peltier-eszközök), amelyek aktívan mozgatják vagy átalakítják a hőt a hőmérséklet szabályozásához.

Az aktív hőszabályozást gyakran használják nagy hőterhelés idején, például csomópont-meghajtás beállításakor vagy elektromágneses síngyorsuláskor.

---

Hőszabályozó vezérlő algoritmusok

A stabil termikus környezet fenntartása érdekében a MOLN csomópontokon belül a vezérlő algoritmusok dinamikusan módosítják a radiátorok, hőcsövek és hűtőbordák használatát a csomóponton elosztott hőérzékelők  valós idejű adatai alapján.

1. Arányos-integrál-származékos (PID) szabályozók:
• Használja a valós idejű hőmérséklet-visszajelzést a hőcserélő szelepek, a radiátor tájolása vagy az aktív hűtőelemek vezérléséhez.

Tcontrol(t)=Kp⋅e(t)+Ki∫0te(τ)dτ+Kdde(t)dtT_{\text{control}}(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \frac{de(t)}{dt}Tcontrol(t)=Kp⋅e(t)+Ki∫0te(τ)dτ+Kddtde(t)

ahol e(t)e(t)e(t) a hőmérséklet eltérése az alapértéktől.

2. Prediktív hőkezelés (PTM):
• A modell prediktív vezérlését (MPC)  használja a hőterhelés előrejelzésére a közelgő manőverek alapján, és megelőző jelleggel beállítja a radiátor expozícióját vagy a hőcső aktivitását.

---

Hőkezelési rendszerek megkötése

Az egyes MOLN csomópontok hőkezelő rendszereit úgy tervezték, hogy kezeljék az űrműveletekhez kapcsolódó nagy hőterhelést, biztosítva, hogy a hőmérséklet-érzékeny alkatrészek optimális tartományukon belül működjenek. A fejlett hőelvezetési módszerek, a nagy hatékonyságú radiátorok kialakítása és a dinamikus szabályozási algoritmusok kombinálásával a MOLN csomópontok fenntartják az egyensúlyt a hőtermelés és a sugárzás között, ami kritikus fontosságú a hálózat működési integritása és hosszú élettartama szempontjából.

További részletek és példák a MOLN csomópontok hőkezelő rendszereire

Az olyan összetett űrműveletekben, mint amilyeneket a MOLN csomópontok irányítanak, a hőszabályozás kritikus fontosságú az alkatrészek állapotának és a rendszer hatékonyságának fenntartása szempontjából. Az alábbiakban a termikus rendszerek részletesebb magyarázatait, példáit és gyakorlati alkalmazásait mutatjuk be, amelyek a MOLN csomópontok tervezési forgatókönyveinek és felhasználási eseteinek széles skáláját fedik le.

2.7.1 Részletes hőelvezetési rendszerek

A hőelvezetést olyan technológiák kombinációja kezeli, amelyek együttesen biztosítják a hatékony hőelvezetést az űr zord vákuumában, ahol a hőkezelés teljes mértékben a sugárzástól, a vezetéstől és a fejlett hőátadási módszerektől függ.

1. Fejlett radiátorrendszerek

A radiátorok az űrbeli hőkezelő rendszer egyik legfontosabb összetevője. Hatékonyságuk maximalizálása érdekében az anyagtulajdonságok, az alkalmazási mechanizmusok és a felületi bevonatok figyelembevételével tervezték őket.

1. Telepíthető radiátorok nagy hővezető képességű anyagokkal
• Az olyan anyagokat, mint  az alumíniumötvözetek (pl. Al 6061), a rézötvözetek és a fejlett szén-szén kompozitok  magas hővezető képességük és kis tömegsűrűségük miatt használják.
• A radiátorpanelek összecsukhatók vagy kihúzhatók, és teljes méretre telepíthetők, amint a MOLN csomópont eléri a pályát. Ezt az üzembe helyezést gyakran megkönnyítik az alak-memória ötvözetek vagy a működtetett zsanérok.
• Nagy hatékonyságú radiátorpanelek példája:
• A réz-grafén kompozitból készült radiátorpanel 1000 W/m·K-t meghaladó hővezető képességet érhet el kis súly megtartása mellett.
2. Felületi bevonatok az emisszió fokozásához
• A hősugárzás maximalizálása érdekében a radiátorokat nagy emissziós együtthatóval (ε\epsilonε) rendelkező anyagokkal vonják be, például:
• Cirkónium alapú bevonatok: Nagy emissziós képesség (közel 0,95), alkalmas magas hőmérsékletű műveletekhez.
• Black Kapton film: Űrbesorolású polimer film, amely jó egyensúlyt biztosít az emisszió (0,80-0,85) és a tartósság között.
• Bevonat optimalizálási példa:
• A réz radiátor panel fekete cirkónium-oxid réteggel van bevonva, ami 0,6-ról 0,95-re növeli az emissziós képességet, lehetővé téve a hő hatékonyabb sugárzását.

2. Hőhurok és hőcsőrendszerek

A hőcsöveket úgy tervezték, hogy hatékonyan szállítsák a hőt a csomóponton keresztül, a nagy hőterhelésű területektől (például meghajtó- vagy energiatároló egységek) a radiátorokig.

1. Ammónia alapú hőcsövek
• Az ammónia az űrben lévő hőcsövek általános munkafolyadéka, magas látens párolgási hője és széles üzemi hőmérséklet-tartománya miatt.
• Az ammónia hőcsövek jellemzően 213 K és 373 K (-60 °C és 100 °C) közötti hőmérséklet-tartományban működnek, így alkalmasak különféle űralkalmazásokra.
2. Rezgő hőcsövek (OHP)
• Az oszcilláló hőcsövek olyan fejlett típusú hőcsövek, amelyek kapilláris hatást alkalmaznak a munkafolyadék oda-vissza szállítására a meleg és hideg régiók között.
• Tervezési példa:
• Az alumínium csövekből készült, 2-5 mm átmérőjű  és ammóniával töltött OHP akár 2-3 méter hosszúságban is hatékony hőátadást képes elérni, így ideális a nagy MOLN csomópontokhoz. 

3. Fázisváltó anyag (PCM) termikus pufferek

A PCM-eket arra használják, hogy ideiglenesen elnyeljék a felesleges hőt nagy terhelésű események során, majd lassan engedjék el, amint a hőterhelés csökken.

1. Paraffin alapú PCM modulok
• A paraffinviasz viszonylag alacsony olvadáspontja (kb. 60 ° C) és magas látens hőteljesítménye miatt gyakori PCM.
• A PCM modulokat gyakran alumínium burkolatokba ágyazzák  , hogy javítsák a hőátadást az olvadás és a megszilárdulás során.

Alkalmazási példa: A MOLN csomópont 5 kg paraffin PCM-mel van felszerelve, amelynek látens fúziós hője 200 kJ / kg. Egy 30 másodpercig tartó intenzív elektromágneses síngyorsulási esemény során a PCM képes elnyelni:

Qabszorpció=5 kg×200 kJ/kg=1000 kJQ_{\szöveg{elnyel}} = 5 \, \szöveg{kg} \times 200 \, \text{kJ/kg} = 1000 \, \text{kJ}Qabsorb=5kg×200kJ/kg=1000kJ

Ez a hőelnyelés segít megelőzni a rendszer gyors hőmérséklet-emelkedését, biztosítva, hogy az alkatrészek az üzemi határokon belül maradjanak.

---

2.7.2 A radiátor és a hűtőborda kialakításának fejlesztései

A hatékony hőszabályozás érdekében a radiátorokat és a hűtőbordákat úgy tervezték, hogy különböző technikákkal és anyagokkal maximális hőelvezetést biztosítsanak.

1. Nagy felületű radiátorok kialakítása

1. Összecsukható radiátorok bordákkal
• A felület maximalizálása érdekében a radiátorokat gyakran uszonyszerű szerkezetekkel  tervezik, amelyek a fő testből nyúlnak ki. Minden uszony növeli a teljes felületet, és ezáltal a hősugárzás képességét.
• A radiátorok összecsukott állapotban telepíthetők, hogy helyet takarítsanak meg az indítás során, és kiterjeszthetők, amikor a csomópont eléri a pályát.

Példa kialakításra: Egy 1000 uszonyos, egyenként 20 cm × 5 cm méretű radiátor teljes további felületet ad:

Afins=1000×(0,2×0,05)=10 m2A_{\text{uszonyok}} = 1000 \times (0,2 \times 0,05) = 10 \, \text{m}^2Afins=1000×(0,2×0,05)=10m2

Ha a fő radiátortest 10 m², a teljes terület 20 m² lesz, ami jelentősen javítja a sugárzási hatékonyságot.

2. Gőzkamrás radiátorok
• A gőzkamrák lapos hőcsövek, amelyek egyenletesen osztják el a hőt a felületükön. Radiátorpanelekkel kombinálva segítenek egyenletesen eloszlatni a hőt a radiátoron.
• Alkalmazási példa:
• A réz radiátorba integrált gőzkamra  biztosítja, hogy a forró pontok egyenletesen oszlanak el az egész radiátoron, növelve a teljes hőelvezetési sebességet.

2. Mikrocsatornás hűtőborda kialakítások

A mikrocsatornás hűtőbordák a hűtőbordába ágyazott kis folyadékcsatornákat használnak a hőátadás javítása érdekében. Ezek a kialakítások különösen hasznosak koncentrált hőforrások, például teljesítményelektronika és szuperkondenzátorok hűtésére.

Példa tervezési paraméterekre:

• Csatorna szélessége: 100 μm
• Csatorna mélysége: 200 μm
• Hűtőközeg áramlási sebessége: 0.01 kg / s (hűtőfolyadék, például ammónia vagy víz-glikol használatával)
• Hőelvezetési kapacitás: Egy 10 cm² felületű mikrocsatornás hűtőborda  akár 50-100 W/cm²-t is eloszlathat, az áramlási sebességtől és a hőmérsékleti gradienstől függően.

A csatorna geometriájának és a hűtőfolyadék áramlásának optimalizálásával a hűtőborda hatékonyan tudja elvezetni a hőt az alkatrészektől, javítva az általános hőkezelést.

---

Aktív hőszabályozó rendszerek (ATCS)

Míg a passzív rendszerek kulcsfontosságúak az alapszintű hőkezeléshez, az aktív hőszabályozó rendszerek (ATCS) lehetővé teszik a hőmérséklet dinamikus szabályozását a változó működési igényeknek megfelelően.

1. Termoelektromos hűtők (Peltier eszközök)

A Peltier-eszközök a Peltier-effektus elvén működnek, ahol elektromos áramot használnak a hő átadására a készülék egyik oldaláról a másikra. Ezeket  érzékeny elektronikai és hőkezelő rendszerek pontos hőmérséklet-szabályozására használják.

1. Hűtési teljesítmény kiszámítása: A Peltier-eszköz hűtési teljesítménye (QcoolQ_{\text{cool}}Qcool):

Qcool=αITc−I2R2−KΔ TQ_{\text{cool}} = \alpha I T_c - \frac{I^2 R}{2} - K \Delta TQcool=αITc−2I2R−KΔT

hol:

• α\alphaα: Seebeck-együttható (V/K-ban).
• III: Áram (amperben).
• TcT_cTc: Hideg oldali hőmérséklet (Kelvinben).
• RRR: Elektromos ellenállás (ohmban).
• KKK: Hővezető képesség (W/K-ban).
• ΔT\Delta TΔT: A meleg és hideg oldal közötti hőmérsékletkülönbség (K-ban).
1. Működési példa: Ha egy Peltier-hűtő:
• α=0,1 V/K\alfa = 0,1 \, \szöveg{V/K}α=0,1V/K,
• I=5 AI = 5 \, \text{A}I=5A,
• Tc=300 KT_c = 300 \, \text{K}Tc=300K,
• R=0,1 ΩR = 0,1 \, \OmegaR=0,1Ω,
• K=0,5 W/KK = 0,5 \, \text{W/K}K=0,5W/K,
• ΔT=20 K\Delta T = 20 \, \text{K}ΔT=20K,

Ezután a hűtési teljesítmény:

Qcool=(0.1⋅5⋅300)−(5)2⋅0.12−(0.5⋅20)Q_{\text{cool}} = (0.1 \cdot 5 \cdot 300) - \frac{(5)^2 \cdot 0.1}{2} - (0.5 \cdot 20)Qcool=(0.1⋅5⋅300)−2(5)2⋅0.1−(0.5⋅20) Qcool=150−1.25−10=138.75 WQ_{\text{cool}} = 150 - 1.25 - 10 = 138.75 \, \text{W}Qcool=150−1.25−10=138.75W

Ez a kapacitás lehetővé teszi a stabil hőmérsékleti viszonyokat igénylő alkatrészek finomhangolt hőszabályozását.

2. Szivattyúzott folyadékhurok rendszerek

A szivattyúzott folyadékhurkos rendszerek aktívan keringtetik a hűtőfolyadékot (például vízglikolt, ammóniát vagy fluorozott szénhidrogéneket) hőcserélőkön, radiátorokon és hőtermelő alkatrészeken keresztül. A szivattyúk állandó áramlási sebességet tartanak fenn, biztosítva a hatékony hőátadást.

• Áramlási sebesség szabályozása: Az áramlási sebességek dinamikusan szabályozhatók a hőmérséklet-érzékelők leolvasása alapján, optimalizálva a hűtés hatékonyságát és minimalizálva az energiafogyasztást.
• Nyomásesés kiszámítása: A hurkon keresztüli nyomásesés (ΔP\Delta PΔP) kiszámítása a következőképpen történik: ΔP=f⋅LD⋅ρV22\Delta P = f \cdot \frac{L}{D} \cdot \frac{\rho V^2}{2}ΔP=f⋅DL⋅2ρV2 ahol:
• fff: Súrlódási tényező (dimenzió nélküli).
• LLL: A hurok hossza (m-ben).
• DDD: A hurok hidraulikus átmérője (m-ben).
• ρ\rhoρ: Hűtőközeg sűrűsége (kg/m³-ben).
• VVV: Áramlási sebesség (m/s-ban).

A szivattyúkat úgy választják meg, hogy fenntartsák ezt a nyomásesést, biztosítva a hatékony áramlást a hűtőkörben.

---

Továbbfejlesztett termikus rendszerek következtetése

A fejlett radiátorkialakítások, mikrocsatornás hűtőbordák, hőcsövek, fázisváltó anyagok és aktív hőszabályozó rendszerek alkalmazásával a MOLN csomópontok hatékony és megbízható hőszabályozást érnek el. A passzív és aktív hőkezelés kombinációja biztosítja, hogy a rendszer alkalmazkodni tudjon a különböző üzemi feltételekhez, akár alacsony energiájú készenléti üzemmódban, akár nagy teljesítményű műveletek, például elektromágneses sínmeghajtás során.

3.1 Pályarétegek és csomópont-eloszlás

A Multi-Path Orbital Launch Network (MOLN) esetében a csomópontok konfigurációja és elosztása a különböző orbitális rétegek között döntő fontosságú a hasznos teher hatékony szállításához, a pályák közötti manőverezéshez és a különböző célállomásokhoz igazítható útvonalak biztosításához. A csomópontok különböző pályarétegekbe történő stratégiai elhelyezésével a MOLN átfogó hálózatot hoz létre, amely optimalizálja az üzemanyag-felhasználást, az átviteli időt és a gravitációs segítséget. Ez a szakasz részletezi a csomópontok eloszlásának szerkezetét, előnyeit és technikai szempontjait az alacsony Föld körüli pályán (LEO),  a közepes Föld körüli pályán (MEO),  a geostacionárius pályán (GEO) és  a nagy magasságú pályákon.

---

3.1.1 Alacsony Föld körüli pályán keringő (LEO) csomópontok

1. A LEO jellemzői

A LEO körülbelül 160 km-től 2000 km-ig terjedő magasságot foglal magában a Föld felszíne felett. Ezt az orbitális réteget a következők jellemzik:

• Rövid keringési idő: Általában 90-120 perc  körül egy teljes fordulathoz.
• Viszonylag alacsony sebesség: Hozzávetőlegesen 7,8 km/s sebesség, amely gyorsabb pályaváltozásokat tesz lehetővé.
• Minimális energiaigény a hozzáféréshez: A hordozórakéták kevesebb energiát fogyasztanak a LEO eléréséhez, mint a magasabb pályákon.

2. A csomópont-eloszlás előnyei a LEO-ban

1. Magas megközelíthetőség a földről: A LEO csomópontjai könnyen elérhetők a Föld felszínéről hagyományos rakétákkal vagy elektromágneses indítórendszerekkel.
2. Kezdeti rögzítési és átviteli előkészítés: A LEO csomópontok a Földről indított hasznos terhek kezdeti rögzítési pontjaiként működnek. Innen a hasznos terhek átvihetők magasabb pályákra vagy a MOLN hálózatra.
3. Gravitációs erősítések és transzferek: A LEO alacsonyabb gravitációs mezeje könnyebb gravitációs asszisztálást és lendületátvitelt tesz lehetővé, így stratégiai pont a kezdeti pályaváltozásokhoz.

3. Optimális csomópont-elhelyezés és -távolság a LEO-ban

A LEO csomópontjai úgy oszlanak el, hogy hálószerű struktúrát alkossanak  a Föld körül, folyamatos lefedettségi zónát biztosítva a  hatékony átadáshoz és átvitelhez.

• Dőlésszög-variációk: A csomópontok különböző dőlésszögűek (pl. egyenlítői, poláris, napszinkron), hogy a különböző indítási helyek hozzáférési pontjainak széles skáláját lefedjék.
• Orbitális térköz és szakaszolás: Az átadások maximális hatékonyságának elérése érdekében a csomópontok úgy vannak elosztva, hogy minimális átfedés legyen, mégis maximális hozzáférhetőség legyen. Ha a csomópontok egyenlő távolságra vannak egy kör alakú LEO-tól a rLEOr_{\text{LEO}}rLEOsugarú kör körül, akkor a Δθ\Delta \thetaΔθ szögtávolság: Δθ=2πN\Delta \theta = \frac{2 \pi}{N}Δθ=N2π ahol:
• Az NNN a csomópontok teljes száma a LEO rétegben.

 100 csomópont esetén a szomszédos csomópontok közötti szögtávolság:

Δθ=2π100=0,0628 radián (kb. 3,6 fok)\Delta \theta = \frac{2 \pi}{100} = 0,0628 \, \text{radians} \, \text{(kb. 3,6 fok)}Δθ=1002π=0,0628radián(kb. 3,6 fok)

---

3.1.2 Közepes Föld körüli pálya (MEO) és geostacionárius pálya (GEO) csomópontok

1. Közepes Föld körüli pálya (MEO) csomópontok

A MEO körülbelül 2 000 km-től 35 786 km-ig terjed. Ez a réteg hasznos közbenső transzferekhez, hosszú távú küldetésekhez, és hídként működik a LEO és a GEO vagy magasabb alt magasságú pályák között. A csomópontok stratégiai elhelyezése a MEO-ban a következő előnyökkel jár:

1. Átadási és átadási pontok: A MEO csomópontok átviteli pontokként szolgálnak a LEO és a GEO között mozgó hasznos terhek számára, lehetővé téve a gravitációs segédeszközök hatékony használatát és minimalizálva az üzemanyag-igényt a pályaváltozásokhoz.
2. Magasabb keringési periódusok: A MEO keringési periódusai 2 és 24 óra között mozognak, lehetővé téve a hosszabb távú megállást és a pálya módosítását, megkönnyítve a csomópontok közötti átadások koordinálását és a keringési útvonalak optimalizálását.
3. Lefedettség a navigációhoz és a kommunikációhoz: A MEO csomópontok konzisztens rálátási lefedettséget biztosíthatnak a navigációs rendszerek számára, és megkönnyíthetik a kommunikációt a MOLN különböző részei között, különösen a közepes szélességű és a globális alkalmazások esetében.

MEO csomópont elhelyezési stratégiák

1. Elliptikus pályák a transzfer optimalizálásához: A MEO csomópontjai elliptikus transzfer pályákon (pl. Molniya vagy Tundra pályákon) helyezhetők el nagy excentricitással, lehetővé téve a hasznos terhek hatékony elérését nagyobb magasságokhoz, mielőtt a GEO-ra vagy azon túlra költöznének.
2. Fázisos orbitális síkok: A MEO csomópontok különböző orbitális síkokban vannak elosztva  (pl. 24 orbitális sík, mindegyik 5 csomóponttal), optimalizálva a különböző átviteli útvonalakhoz való hozzáférést, és biztosítva, hogy a hasznos terheknek több lehetőségük legyen a GEO vagy más célpályák elérésére.

---

2. Geostacionárius pálya (GEO) csomópontok

A körülbelül 35 786 km magasságban található GEO egyedülálló tulajdonságai miatt számos kommunikációs, időjárási és megfigyelő műhold kritikus rétege:

• Rögzített pozíció a Földhöz képest: A GEO-ban lévő műhold keringési periódusa megegyezik a Föld forgási periódusával (24 óra), lehetővé téve, hogy állandó pozíciót tartson fenn egy adott földrajzi területen.
• Nagy láthatóság és lefedettség: A GEO csomópontjai kiváló lefedettséget biztosítanak a Föld felszínének nagy részén, megkönnyítve a hosszú távú megfigyelést és kommunikációt.

A GEO csomópont funkciói és előnyei

1. Átadó csomópontok bolygóközi küldetésekhez: A GEO csomópontok úgy vannak elhelyezve, hogy kulcsfontosságú átmeneti pontokként szolgáljanak a magasabb pályákra vagy mélyűri küldetésekre szánt hasznos terhek számára. A magasság jelentős gravitációs előnyt biztosít a bolygók szökési sebességéhez.
2. Nagy magasságú manőverek támogatása: A GEO csomópontok erőteljes hajtóművekkel is fel vannak szerelve a hasznos terhek pályájának finomhangolásához és a pontos pozicionáláshoz a további átvitelekhez.

Csomópontok elosztása a GEO-ban

1. Egyenlítői csomópont konfiguráció: A csomópontok elsősorban az egyenlítői sík mentén helyezkednek el, ahol a gravitációs egyensúly és az állandó forgási helyzet optimálissá teszi a hasznos teher átadását és a pálya beállítását.
2. Elosztott átadások az állandó lefedettség érdekében: A GEO csomópontjai rendszeres időközönként vannak elhelyezve a Föld körül, hogy zökkenőmentes átadást és folyamatos hálózati lefedettséget biztosítsanak. A szomszédos GEO-csomópontok közötti szögtávolság (ΔθGEO\Delta \theta_{\text{GEO}}ΔθGEO) összesen 10 csomópont esetében  : ΔθGEO=2π10=0,628 radián (kb. 36 fok)\Delta \theta_{\text{GEO}} = \frac{2 \pi}{10} = 0,628 \, \text{radians} \, \text{(kb. 36 fok)}ΔθGEO=102π=0,628radián(kb. 36 fok)

Ez a térköz biztosítja, hogy amikor a hasznos teher egyik csomópontról a másikra vált, minimális várakozási idő áll rendelkezésre, és a pálya hatékonyan karbantartható.

---

3.1.3 Magasabb pályák és specializált csomópontok

A GEO-n túl a MOLN hálózat kiterjed a nagy magasságú és speciális pályákra  is, hogy támogassa a bolygóközi utazást, a mélyűri küldetéseket és a célzott műholdak elhelyezését.

1. Magas elliptikus pályák (HEO)

A HEO-k rendkívül excentrikus alakú pályák, amelyek sokkal magasabb magasságot érnek el, mint a GEO, de alacsonyabb perigeummal rendelkeznek (a Földhöz legközelebb eső megközelítés). Ezek a pályák előnyösek:

• Gravitációs csúzlik: A HEO csomópontjai hevedercsomópontként működhetnek, gravitációs lökést adva a hasznos terheknek, amikor megközelítik a periapszist, jelentősen növelve sebességüket a mélyűri pályákon.
• Hosszabb tartózkodási idő bizonyos régiók számára: A HEO csomópontjai úgy helyezhetők el, hogy hosszú ideig tartózkodjanak bizonyos régiókban, lefedettséget kínálva bizonyos magas szélességű vagy távoli területeken.

Példa a HEO alkalmazásra: A Molniya pályán  lévő csomópont, amelynek dőlésszöge 63,4 fok és 12 órás időtartamú  , jelentős időt tölt a magas szélességű régiók felett, így alkalmas az Északi-sarkvidéket vagy az Antarktisz régióit célzó küldetésekre.

2. Holdátviteli csomópontok és cisz-holdtér

A cisz-hold térben (a Föld és a Hold közötti régióban) elhelyezett csomópontok lehetővé teszik a hasznos terhek hatékony mozgását a Föld és a Hold pályája között. Ezek a csomópontok kulcsfontosságúak a holdi átjáró létrehozását, a holdfelszíni kutatás támogatását, és végül a Mars és a mélyebb űrmissziók útvonalainak megteremtését.

1. Lagrange-pont csomópontok (L1 és L2): Csomópontok elhelyezése a Föld-Hold Lagrange-pontokon (L1 és L2) stabil pozíciókat biztosít, ahol a Föld és a Hold gravitációs erői egyensúlyban vannak. Ezek a pontok megállóhelyként szolgálnak a hasznos terhek Hold felszínére vagy a MOLN más részeire történő átviteléhez.
2. Holdpálya csomópontok: A  Hold körüli alacsony holdpályára (LLO) vagy közel egyenes vonalú halo pályára (NRHO)  helyezett csomópontok megkönnyíthetik a Hold felszínére és onnan történő szállítást, lehetővé téve mind a teherszállítási küldetéseket, mind a legénységgel ellátott expedíciókat.

3. Bolygóközi és menekülési pályán keringő csomópontok

A bolygóközi utazásra szánt hasznos terhek  esetében (pl. Marsra, Vénuszra vagy aszteroidákra) a csomópontok  a Föld-Hold rendszer menekülési pályáin  helyezkednek el. Ezek a csomópontok a következőket biztosítják:

• Sebességnövelés a bolygók meneküléséhez: A gravitációs segédeszközök és a hálózat hajtóműveinek használatával a hasznos terhek elérhetik a szükséges menekülési sebességet, hogy megszabaduljanak a Föld gravitációjától, és továbbhaladjanak bolygóközi rendeltetési helyük felé.
• Pályakorrekció és útvonal-optimalizálás: A csomópontok módosítják a hasznos teher pályáját annak biztosítása érdekében, hogy a megfelelő útvonalat válasszák az optimális utazási idő és üzemanyag-hatékonyság érdekében.

---

3.1.4 A csomópontok elosztásának optimalizálása a lefedettség és a hatékonyság érdekében

A MOLN orbitális konfigurációjának általános célja egy összekapcsolt csomópont-hálózat létrehozása, amely minimalizálja az utazási időt, maximalizálja az energiahatékonyságot, és alkalmazkodóképességet biztosít a küldetések széles köréhez.

1. Több keringési pályára történő koordináció

Minden pályaréteg (LEO, MEO, GEO, HEO, cisz-hold) szinkronizálva van a rétegek közötti hatékony átadás érdekében. A csomópontok különböző rétegekben történő összehangolásával periódusaik, hajlamaik és fázisaik tekintetében a MOLN egyensúlyt teremt a gyors hozzáférés és a hosszú távú stabilitás között.

2. Valós idejű útválasztás és dinamikus csomópont-kihasználtság

A csomópontok AI-alapú útválasztási algoritmusokkal vannak felszerelve, amelyek dinamikusan kiszámítják a hasznos teher átvitelének leghatékonyabb útvonalát az aktuális keringési feltételek,  a hasznos teher tömege és  a cél alapján. A valós idejű pályamechanika és a gravitációs segédeszközök kihasználásával a MOLN biztosítja az útvonalak folyamatos optimalizálását.

Példa útválasztási forgatókönyvre: A Földről indított hasznos terhet először a LEO egyik csomópontja rögzíti, átviszi a MEO egyik csomópontjába, átadja egy GEO csomópontnak nagy magasságú manőverezéshez, majd egy HEO csomópont irányítja, hogy elérje a menekülési sebességet egy Marsra tartó küldetéshez. Minden szakaszban csomópont-hajtóművek, lekötések vagy elektromágneses rendszerek állítják be a hasznos teher pályáját minimális energiaveszteséggel.

---

A csomópontok különböző orbitális rétegek közötti stratégiai elosztásával a MOLN robusztus és rugalmas hálózatot hoz létre, amely az űrmissziók széles skáláját támogathatja, a műholdak telepítésétől a bolygóközi utazásig.

---

A LEO csomópontok és funkcióik részletes áttekintése

A LEO csomópontok a Föld felszíne és a MOLN hálózat között továbbított hasznos terhek elsődleges belépési és kilépési pontjai. Tekintettel a Földhöz való közelségükre és pályájuk jellegére, egyedi tulajdonságokkal és igényekkel rendelkeznek, amelyek megkülönböztetik őket a magasabb pályán keringő csomópontoktól.

A LEO csomópontok legfontosabb funkciói és előnyei

1. Hasznos teher rögzítése és kezdeti orbitális beillesztése
• A LEO csomópontok gyakran a Földről indított hasznos terhek első célállomásai. A LEO elérésekor ezek a csomópontok elektromágneses befogó rendszereket, hevedereket vagy kis hajtóműveket használnak a bejövő hasznos teher stabilizálására és biztonságos "dokkolására".
• Orbitális megállóhelyként működnek, ahol a hasznos teher sebessége és pályája beállítható a magasabb pályákra való további emelkedéshez, vagy akár orbitális manőverekhez, például a dőlésszög vagy a magasság változásához.
2. Gyors orbitális transzferek és rövid időtartamú küldetések
• Kis magasságukkal a LEO csomópontok rövid keringési idejük miatt gyors transzfereket tesznek lehetővé (pályánként 90-120 perc). Ez gyors átállást tesz lehetővé a sürgős hasznos teher telepítését igénylő küldetések, például konstellációs műholdak, képalkotó műholdak és kommunikációs tömbök esetében.
• A csomópontok megkönnyítik a gyors fel- és leszállási útvonalakat, így ideálisak rövid távú küldetésekhez, például szuborbitális kutatásokhoz vagy legénység cseréjéhez űrállomásokkal.
3. Az energiahatékonyság és a gravitációs légellenállás előnyei
• A LEO magasságban a gravitációs vonzás a Földről viszonylag erős a magasabb pályákhoz képest, ami azt jelenti, hogy a gravitációs kút felhasználható gravitációs csúzlikhoz. Ez lehetővé teszi a hasznos terhek hatékony nyerését vagy csökkentését, csökkentve az üzemanyag-fogyasztást a pályaváltozásokhoz.
• A LEO csomópontok légköri légellenállást  is használhatnak hasznos terhek vagy más objektumok ellenőrzött deorbitációs manővereihez, lehetővé téve a biztonságos és pontos visszatérést a Földre vagy a lejárt műholdak ártalmatlanítását.

LEO csomópont tervezési és elhelyezési szempontok

1. Dőlésszög alapú csomópont-elhelyezés

A LEO csomópontok különböző dőlésszögű pályákon helyezkednek el, lehetővé téve a Föld felszínének különböző földrajzi régióihoz való hozzáférést, és megkönnyítik a különböző helyekről történő indításokat.

1. Egyenlítői csomópontok
• A 0 fokos dőlésszögű pályákon elhelyezve ezek a csomópontok optimálisak az  egyenlítői indítóhelyekről történő keleti irányú indításokhoz, maximális energiahatékonyságot biztosítva a Föld forgási sebessége miatt.
• Alacsony dőlésszögük lehetővé teszi a könnyű átvitelt a GEO csomópontokra vagy más egyenlítői alapú pályákra, így ideálisak a geostacionárius elhelyezést igénylő kommunikációs vagy Föld-megfigyelési hasznos terhekhez.
2. Poláris és napszinkron csomópontok
• A poláris pályák csomópontjai (közel 90 fokos dőlésszögek) lefedik a Föld teljes felületét, áthaladnak mindkét póluson és globális lefedettséget biztosítanak. Ez különösen hasznos a Föld-megfigyelési, távérzékelési és térképészeti küldetéseknél.
• A napszinkron pályák (SSO)  a poláris pályák egy részhalmaza, amelyet úgy terveztek, hogy konzisztens helyi szoláris időt tartson fenn bizonyos földi helyszíneken, állandó fényviszonyokat biztosítva. Ezek a csomópontok kritikus fontosságúak a képalkotáshoz, a mezőgazdasági megfigyeléshez vagy az időjárás-előrejelzéshez egységes megvilágítást igénylő hasznos terhelésekhez.

2. Szakaszolás és orbitális távolság a hozzáférhetőség érdekében

1. Szakaszos konstellációk a gyors hozzáférés érdekében
• A LEO csomópontok fázisos konstellációkba vannak rendezve, biztosítva, hogy több csomópont egyenletesen oszlik el ugyanazon a pályán. Ez a fázisolás lehetővé teszi a hasznos terhek gyors átadását a csomópontok között, minimális várakozási idővel.
• Egy 40 csomópontból  álló, 500 km-es kör alakú LEO-magasságú  és 7,6 km/s keringési sebességű konstelláció esetén a csomópontok közötti szögtávolság (Δθ\Delta \thetaΔθ):

Δθ=2π40=0,157 radián (kb. 9 fok)\Delta \theta = \frac{2 \pi}{40} = 0,157 \, \text{radián} \, \szöveg{(kb. 9 fok)}Δθ=402π=0,157radián(kb. 9 fok)

• A szakaszolás minimalizálja a csomópontok torlódásának kockázatát, és lehetővé teszi a több hasznos teher egyidejű kezelését, növelve az átviteli hatékonyságot.
1. Orbitális héjak a magassági sokféleségért
• A csomópontok különböző LEO magasságokban oszlanak el (jellemzően 300 km és 1,200 km között), hogy orbitális héjakat hozzanak létre. Ezek a lövedékek különböző hozzáférési időket kínálnak, és redundanciát biztosítanak arra az esetre, ha egy magasság blokkolva vagy kevésbé optimális az űridőjárás vagy a törmelék miatt.
• Az alacsony magasságú lövedékek (közel 300 km) gyors hozzáférést biztosítanak a hasznos terhekhez, amelyek gyors behelyezést vagy visszakeresést igényelnek a pályáról.
• A nagy magasságú lövedékek (közel 1,200 km) pufferként működnek, mielőtt MEO-ba vagy GEO-ba kerülnének, lehetővé téve a stabilabb pályákat kevesebb légköri ellenállással.

LEO csomópont energia- és meghajtórendszerek

1. A keringési pálya karbantartására szolgáló meghajtórendszerek

1. Kis teljesítményű ionhajtóművek orbitális állomástartáshoz
• Tekintettel az erős gravitációs vonzásra és a potenciális légköri légellenállásra a LEO magasságokban, a csomópontok rendszeres állomástartó manővereket  igényelnek pontos pályájuk fenntartása érdekében.
• Az ionhajtóművek az állomások megtartására használt elsődleges meghajtórendszerek. Nagy fajlagos impulzust (Isp) kínálnak  (jellemzően körülbelül 3000-5000 másodperc), így rendkívül hatékonyak a kis sebesség beállításához.
• Az  ionhajtómű által generált tolóerőt (FthrustF_{\text{thrust}}Fthrust) a következő képlet adja meg:

Fthrust=m ̇ veF_{\text{thrust}} = \dot{m} v_{\text{e}}Fthrust=m ̇ve

hol:

• m ̇\dot{m}m ̇: A hajtóanyag tömegárama (kg/s-ban).
• vev_{\text{e}}ve: Effektív kipufogógáz-sebesség (m/s-ban).

0,1 mg/s tömegáramú és 40 km/s kipufogógáz-sebességű  hajtómű esetében:

Fthrust=0,0001⋅40,000=0,004 NF_{\text{tolóerő}} = 0,0001 \cdot 40,000 = 0,004 \, \text{N}Fthrust=0,0001⋅40,000=0,004N

Ez az alacsony tolóerő elegendő a fokozatos állomástartáshoz és az idő múlásával történő kis pályabeállításokhoz.

2. Nagy teljesítményű pulzáló plazmahajtóművek a gyors manőverekhez
• Gyors és jelentős pályaváltást igénylő helyzetekben (pl. ütközések elkerülése vagy gyors magasságbeállítás) pulzáló plazmahajtóműveket (PPT) használnak.
• A PPT-k rövid, nagy tolóerejű lökéseket biztosítanak, lehetővé téve a gyors sebességváltozásokat jelentős hajtóanyag-fogyasztás nélkül.

2. Energiagyűjtés és -tárolás a LEO műveletekhez

1. Napelemes rendszerek az állandó energiaellátáshoz
• A LEO csomópontokon lévő napelemeket általában úgy tervezték, hogy rendkívül hatékonyak (>30%) és állítható szögűek legyenek a napenergia befogásának maximalizálása érdekében. A tömbök forognak, hogy minden keringési időszakban optimális napfényt biztosítsanak.
• Kimenő teljesítmény kiszámítása:
• Egy 5 m² alapterületű és 1.360 W/m² napsugárzással  rendelkező napelem tömb esetében  (átlag LEO magasságban) a termelt energia (PsolarP_{\text{solar}}Psolar): Psolar=Efficiency×Area×Solar IrradianceP_{\text{solar}} = \text{Efficiency} \times \text{Area} \times \text{Solar Irradiance}Psolar=Hatékonyság×terület×napsugárzás Psolar=0,30×5×1,360=2,040 WP_{\text{solar}} = 0,30 \times 5 \times 1,360 = 2,040 \, \text{W}Psolar=0,30×5×1,360=2,040W

Ezt az energiát a meghajtáshoz, a hasznos teher kezeléséhez és a kommunikációs rendszerekhez használják.

2. Regeneratív energiarendszerek
• Az energiapazarlás minimalizálása érdekében a hasznos teher lassításakor regeneratív fékrendszereket alkalmaznak, amelyek a mozgási energiát szuperkondenzátorokban vagy lítium-ion akkumulátorokban tárolt elektromos energiává alakítják.
• Ezek a rendszerek biztosítják, hogy a csomópontok fenntartsák az energiahatékonyságot, és önállóan működhessenek még olyan időszakokban is, amikor a napenergia nem áll rendelkezésre (pl. Napfogyatkozás fázisában).

---

LEO Node hálózati redundancia és biztonsági protokollok

1. Ütközések elkerülése és űrszemét-kezelés

1. Aktív ütközéselkerülő rendszerek
• A csomópontok valós idejű nyomkövető rendszerekkel  vannak felszerelve, amelyek figyelik környezetüket más műholdakkal, törmelékkel vagy hasznos teherrel való esetleges ütközések után szállítás közben. Az AI-alapú algoritmusok segítségével a csomópontok önállóan módosíthatják pályájukat a veszélyek elkerülése érdekében.
• Elkerülési manőver kiszámítása:
• Ahhoz, hogy egy csomópontot biztonságosabb pályára állítsunk 1 m/s delta-v (Δv\Delta vΔv)  értékkel  (egy kis elkerülési manőverhez), a sebességváltozás (Δv\Delta vΔv) a következő: Δv=2μ(1rperi−1a)\Delta v = \sqrt{2 \mu \left( \frac{1}{r_{\text{peri}}} - \frac{1}{a} \right)}Δv=2μ(rperi1−a1) ahol:
• μ\muμ: A Föld gravitációs paramétere.
• rperir_{\text{peri}}rperi: A transzfer pálya periapszisa.
• aaa: Az átviteli pálya félnagytengelye.
2. Redundáns kommunikációs kapcsolatok és feladatátvételi protokollok
• A csomópontok redundáns kommunikációs kapcsolatokat  tartanak fenn, hogy biztosítsák a folyamatos kapcsolatot a MOLN többi csomópontjával és a földi irányítással. Ha egy elsődleges kapcsolat meghibásodik, a másodlagos rendszerek automatikusan átveszik az irányítást, megakadályozva az adatok vagy funkciók elvesztését.
• Minden LEO-csomópont feladatátvételi protokollokkal  rendelkezik, amelyek lehetővé teszik az öndiagnosztikát és a hasznos terhelések átirányítását, ha az egyik csomópont működésképtelenné válik, biztosítva, hogy a teljes hálózat rugalmas maradjon.

---

A LEO csomópontok elosztásának, meghajtásának, energiatárolásának és biztonsági intézkedéseinek optimalizálásával a MOLN szilárd alapot biztosít a hatékony űrszállításhoz és a magasabb orbitális rétegek hatékony átadásához.

3.2 Precessziós pályacsomópontok és gravitációs asszisztok

A MOLN kulcsfontosságú eleme a precessziós pálya csomópontjainak és  a gravitációs segédeszközöknek  az integrálása az energiahatékony átvitel megkönnyítése, a hasznos terhek felgyorsítása és pályájuk módosítása érdekében. Ez a rész részletezi a csomópontok mögötti koncepciókat, a precessziós pályák előnyeit, és azt, hogy a gravitációs asszisztok hogyan használhatók fel a MOLN-on keresztüli mozgás optimalizálására.

---

3.2.1 Útvonal-optimalizálás égi interakciókhoz

A precessziós pálya csomópontjai stratégiailag úgy vannak elhelyezve, hogy kihasználják az orbitális síkok precesszióját - egy olyan jelenséget, amikor a pálya tájolása idővel változik. Ez a precesszió lehetővé teszi a csomópontok számára, hogy igazodjanak a különböző pályasíkokhoz, égitestekhez és gravitációs mezőkhöz pályájuk különböző pontjain, lehetővé téve a dinamikus útválasztást és a hasznos teher hatékony átvitelét.

1. Az orbitális precesszió megértése

Az orbitális precesszió a keringő tárgyra ható gravitációs erők miatt következik be, ami az orbitális sík lassú forgását okozza az idő múlásával. A precesszió sebességét (Ωp\Omega_p Ωp) számos tényező befolyásolja:

Ωp=32J2(Rplaneta)2ncosi(1−e2)2\Omega_p = \frac{3}{2} J_2 \left( \frac{R_{\text{planet}}}{a} \right)^2 \frac{n \cos i}{(1 - e^2)^2}Ωp=23J2(aRplanet)2(1−e2)2ncosi

hol:

• J2J_2J2: A bolygó oblatitási együtthatója (pl. a Föld esetében J2=1,08263×10−3J_2 = 1,08263 \times 10^{-3}J2=1,08263×10−3).
• RplanetR_{\text{planet}}Rplanet: A bolygó átlagos sugara (km-ben).
• aaa: A pálya félnagytengelye (km-ben).
• nnn: A pálya átlagos mozgása (rad/s-ban).
• iii: A pálya dőlésszöge (fokban).
• eee: A pálya excentricitása (dimenzió nélküli).

A Föld körüli pályára 7000 km-es félnagytengelyen, 45 fokos dőlésszöggel és közel körkörös excentricitással kiszámítható a precessziós sebesség, amely megmutatja, hogyan változik fokozatosan a pályasík.

2. A precessziós pálya csomópontok előnyei

1. Dinamikus útvonaligazítás: A precesszió lehetővé teszi a csomópontok számára, hogy kölcsönhatásba lépjenek a különböző dőlésszögű és pályájú hasznos terhekkel, miközben pályáik fokozatosan igazodnak. Ez lehetővé teszi a gravitációs erők hatékony felhasználását, és minimalizálja a hajtóanyag használatát a síkváltásokhoz.
2. Gravitációs optimalizálás: A precessziós ciklus előrehaladtával a csomópontok beállíthatják magasságukat, hogy jobban metsszék az égitestek, például a Hold vagy  a földközeli aszteroidák gravitációs mezőit, lehetővé téve a gravitációs segítséget és az energiahatékony pályaátvitelt.

3. Orbitális rezonancia és időzítés

A precessziós pályák csomópontjai rezonáns pályákra helyezhetők  - olyan pályákra, amelyek periódusai egész számmal vannak más égitestekkel (pl. 3:2 rezonancia a Holddal). Ez a szinkronizálás biztosítja a gravitációs segédeszközök periodikus közeli megközelítését és a hasznos teher átviteli lehetőségeinek optimalizálását.

---

3.2.2 Gravitációs csúzlik kihasználása

A gravitációs csúzlik vagy asszisztok az égitest gravitációját használják fel a hasznos teher sebességének és pályájának megváltoztatására fedélzeti meghajtás nélkül. A MOLN kihasználja ezeket a segítséget azáltal, hogy a csomópontokat és a hasznos terheket összehangolja a Föld, a Hold és más égitestek  gravitációs mezőivel, hogy hatékony pályaváltozásokat és sebességnövekedést érjen el.

1. Gravitációs segédmechanika

Amikor egy hasznos teher megközelít egy égitestet (például a Holdat), a test gravitációjából sebességet nyer, és irány- vagy sebességváltásra használja. A teljes sebességváltozást (Δv\Delta vΔv) gravitációs assziszt során a következő képlet adja meg:

Δv=2v∞sin(φ2)\Delta v = 2 v_{\infty} \sin \left( \frac{\phi}{2} \right)Δv=2v∞sin(2φ)

hol:

• v∞v_{\infty}v∞: A hasznos teher sebessége az égitesttől nagy távolságra (hiperbolikus többletsebesség).
• φ\phiφ: A hasznos teher elhajlási szöge, amikor elhalad a test mellett.

Ez a képlet azt jelzi, hogy a nagyobb alakváltozási szögek (φ\phiφ) nagyobb sebességváltozásokat eredményeznek. Az elhajlási szög maximalizálása érdekében az optimális megközelítési pályát gondosan kiszámítják az orbitális mechanika segítségével.

2. A Föld-Hold rendszer hasznosítása

1. Föld-Hold gravitációs kölcsönhatás: Tekintettel a Hold és a Föld közelségére, a Föld-Hold rendszer kiváló lehetőséget nyújt a gravitációs asszisztálásra. A Hold pályájához igazodó csomópontok megközelítésével a hasznos terhek a Hold gravitációját használhatják sebességvektoraik megváltoztatására.
2. Pályakorrekció és sebességnövelés: A Hold gravitációs kútjának első vagy hátsó élén áthaladva a hasznos terhek felgyorsulhatnak a magasabb pályára történő beillesztéshez, vagy lassulhatnak az alacsonyabb pályára történő beillesztéshez, így a gravitációs asszisztensek sokoldalú eszközzé válnak az energiahatékony manőverezéshez.

3. Bolygóközi gravitációs segédvonalak

A Föld és a Hold mellett a magasabb pályákon lévő csomópontok megkönnyítik a  bolygóközi gravitációs segítséget, amely átirányíthatja a hasznos terheket olyan helyekre, mint a Mars,  a Vénusz vagy azon túl. Azáltal, hogy stratégiailag úgy időzíti a hasznos teher indulását, hogy egybeessen más bolygók közeli megközelítésével, a MOLN jelentős sebességnövekedést tesz lehetővé, csökkentve a bolygóközi utazáshoz szükséges üzemanyagot.

1. Patched kúpos közelítések: A hosszabb utakhoz, amelyek több gravitációs segítséget igényelnek, a MOLN foltozott kúpos közelítéseket  használ a különböző gravitációs mezők pályaváltozásainak modellezésére. Ezek a közelítések szegmensekre bontják a pályát, és mindegyiket kéttestű problémaként kezelik, egyszerűsítve az útvonal-optimalizálás számításait.

---

Precessziós pálya csomópont-konfigurációk és szinkronizálás

1. Szakaszos csomópontok a folyamatos hozzáféréshez

A precessziós pályák csomópontjai szakaszos csoportokba  vannak rendezve annak biztosítása érdekében, hogy legalább egy csomópont optimális helyzetben legyen a gravitációs asszisztáláshoz egy adott időpontban. A csomópontok szakaszolását úgy számítják ki, hogy maximalizálják a hasznos teher átvitelének lehetőségét, különösen akkor, ha olyan égitesteket céloznak meg, mint a Hold vagy a Mars.

2. Összekapcsolt pályák réteges átvitelhez

A csatolt pályákat - csomópontok párjait vagy csoportjait szinkronizált pályákon - olyan útvonalak létrehozására használják, amelyek lehetővé teszik a hasznos terhek zökkenőmentes mozgását a precessziós csomópontok és más MOLN csomópontok között. Ezeket a kapcsolt pályákat gondosan időzítik és úgy helyezik el, hogy optimális átadási pontokat biztosítsanak, ahol a gravitációs asszisztencia maximalizálható.

1. Rezonáns keringési periódusok: A csomópontok olyan pályákon helyezkednek el, amelyek rezonálnak más rétegekkel (LEO, MEO, GEO), optimális átviteli pontokat hozva létre. Például egy 2:1 rezonáns pályán  lévő csomópont LEO-val kétszer olyan hosszú keringési idővel rendelkezik, mint a LEO-csomópontoké, ami periodikus, kiszámítható találkozásokat tesz lehetővé.
2. Periapsis és Apoapsis igazítás: A  precessziós csomópontok legközelebbi megközelítési pontjai (periapsis) és legtávolabbi pontjai (apoapsis) a célzott célállomásokhoz vagy gravitációs asszisztokhoz igazodnak. Ez a pozicionálás optimalizálja a lendületátvitelt, és biztosítja, hogy a hasznos terhek elérjék a kívánt útvonalat.

3. Folyamatos újraoptimalizálás és adaptív útkeresés

A gravitációs segédeszközök dinamikus természete megköveteli a pályapályák és a csomópontok elrendezésének folyamatos újraoptimalizálását. A MOLN adaptív útvonalkereső algoritmusokat  használ a csomópontok pályájának valós idejű megfigyelésére és beállítására, biztosítva, hogy a hasznos terhek hatékony útvonalakkal rendelkezzenek a gravitációs segédeszközök számára, és minimalizálják az átvitelek teljes energiaköltségét.

• Valós idejű gravitációs térképezés: A csomópontok érzékelőkkel vannak felszerelve a gravitációs mezők megfigyelésére és a közelgő égitest-pozíciók előrejelzésére, lehetővé téve a finomhangolt pályakorrekciókat.
• Hasznos teher-specifikus optimalizálás: Az egyes hasznos teher tömegét, sebességét és tervezett célját a gravitációs segítő stratégiák testreszabására használják, biztosítva a lehető legjobb sebességnövelést és pályaváltozásokat.

---

Példa gravitációs asszisztátvitelre

Forgatókönyv: Egy hasznos terhet indítanak a Földről, amelyet a LEO egyik MOLN csomópontja rögzít, és egy Mars-misszióra szánják.

1. A hasznos teher egy precessziós csomópontba  kerül, amely igazodik a Hold pályájához. A Hold gravitációs segédeszközének segítségével a hasznos teher további sebességet nyer, amikor elhalad a Hold hátsó széle mellett.
2. A hasznos teher ezután felemelkedik egy magasabb MEO vagy GEO csomópontra, amely összehangolja pályáját egy Mars-transzfer ablakhoz.
3. A Mars átviteli ablakában a precessziós csomópont magasabb pályán módosítja pozícióját, hogy maximalizálja a hasznos teher hiperbolikus többletsebességét a Marsra való közvetlen pályához, minimalizálva az üzemanyag-felhasználást.

Ez a példa azt szemlélteti, hogy a MOLN hogyan használja ki a precessziós és gravitációs segédeszközöket, hogy lehetővé tegye a többlépcsős, energiahatékony átvitelt a hálózaton keresztül.

---

A precessziós pálya csomópontjainak és gravitációs segédeszközeinek alkalmazásával a MOLN adaptálható és hatékony pályahálózatot hoz létre, amely optimalizálja a hasznos teher mozgását több égitest és célpálya között. Ez a rendszer jelentősen csökkenti a hajtóanyag-fogyasztást, és rugalmas útvonal-választási lehetőségeket tesz lehetővé az űrmissziók széles körének támogatásához.

3.3 Orbitális szinkronizáció a hatékony átvitel érdekében

A Modular Orbital Launch Network (MOLN) célja a hasznos teher hatékony átvitelének optimalizálása a különböző orbitális rétegek és célállomások között. Az orbitális szinkronizálás elengedhetetlen a pontos időzítés, az igazítás és a hatékony energiafelhasználás biztosításához a különböző pályák között mozgó hasznos terhek számára. Ez magában foglalja a pályák, a gravitációs hatások és a meghajtás összehangolását a zökkenőmentes átmenetek elérése és az üzemanyag-fogyasztás minimalizálása érdekében.

Az orbitális szinkronizáció legfontosabb szempontjai

1. Fázistervezés és randevútervezés
2. Szinkronizáció az egyenlítői és a poláris pályák között
3. Koordináció a bolygók forgásával és az orbitális precesszióval

---

1. Szakaszolás és randevútervezés

A hasznos teher hatékony átviteléhez pontos időzítésre van szükség, hogy a MOLN csomópontok a megfelelő helyzetben legyenek, amikor a hasznos teher megérkezik vagy távozik. Ez magában foglalja  a pályák szakaszolását és a randevú tervezését mind a hasznos teher, mind a MOLN csomópontok relatív helyzete és sebessége alapján.

Az orbitális fázisolás az a folyamat, amelynek során egy műhold vagy űrhajó helyzetét a pályáján belül úgy állítják be, hogy igazodjon egy másik objektumhoz az űrben, például egy MOLN csomóponthoz. Ez kritikus fontosságú ahhoz, hogy a hasznos teher minimális energiaátvitel mellett "utolérje" vagy igazodjon a célcsomóponthoz.

Fázisos manőverek kiszámítása

A hasznos adatok MOLN-csomóponttal való szinkronizálásához a szükséges fázisidő (Δtphase\Delta t_{\text{phase}}Δtphase) a következőképpen számítható ki:

Δtphase=2πn(θ360)\Delta t_{\text{phase}} = \frac{2\pi}{n} \left( \frac{\theta}{360} \right)Δtphase=n2π(360θ)

hol:

• nnn: A pálya átlagos mozgása (napi fordulatszám)
• θ\thetaθ: A hasznos teher és a cél MOLN csomópont közötti fázisszög (fokban)

Ez a szakaszolási idő azt jelzi, hogy mennyi időbe telik, amíg a hasznos teher eléri a megfelelő igazítást a randevúhoz.

Hohmann Transfer szinkronizáláshoz

A Hohmann transzfer pálya az egyik leghatékonyabb módszer a hasznos teher mozgatására két koplanáris körpálya között. A manőverhez szükséges sebességváltozást (ΔvHohmann\Delta v_{\text{Hohmann}}ΔvHohmann) a következő képlet adja meg:

ΔvHohmann=μr1(2r2r1+r2−1)+μr2(1−2r1r1+r2)\Delta v_{\text{Hohmann}} = \sqrt{\frac{\mu}{r_1}} \left( \sqrt{\frac{2r_2}{r_1 + r_2}} - 1 \jobb) + \sqrt{\frac{\mu}{r_2}} \left( 1 - \sqrt{\frac{2r_1}{r_1 + r_2}} \right)ΔvHohmann=r1μ(r1+r22r2−1)+r2μ(1−r1+r22r1)

hol:

• μ\muμ: A központi égitest (pl. Föld) standard gravitációs paramétere
• r1r_1r1: A kezdeti pálya sugara
• r2r_2r2: A célpálya sugara

A Hohmann-transzfer alkalmazásával a MOLN csomópontok minimális üzemanyag-fogyasztás mellett szinkronizálhatók a különböző pályákon lévő hasznos terhekkel, kihasználva a hatékony pályatervezést.

---

2. Szinkronizáció az egyenlítői és a poláris pályák között

A MOLN számos pályán működik, az egyenlítőitől a polárisig, amelyek mindegyike egyedi tulajdonságokkal és előnyökkel rendelkezik. A pályák közötti hatékony szinkronizálás létfontosságú a hasznos teher átvitelének lehetővé tételéhez, amely optimalizálja az időt és az energiát.

Egyenlítői pályák

Ezek a pályák szorosan illeszkednek a Föld egyenlítőjéhez, és ideálisak geostacionárius műholdak vagy hasznos terhek számára, amelyek állandó kommunikációs lefedettséget igényelnek ugyanazon a régióban. Az egyenlítői pályákon keringő alacsony Föld körüli pályán keringő (LEO) csomópontokat szintén megállóhelyként használják a további pályaátvitelekhez.

Poláris pályák

A poláris pályák áthaladnak a Föld pólusai felett, lehetővé téve a globális lefedettséget, amikor a Föld forog alattuk. A napszinkron pályák a poláris pályák egy részhalmaza, amelyet úgy terveztek, hogy a műhold ugyanabban a helyi szoláris időben haladjon át a Föld egy adott részén, ami hasznos a Föld-megfigyelési küldetésekhez.

Átviteli és szinkronizálási stratégiák:

• Síkváltó manőverek: Az egyenlítői pályáról a poláris pályára való áttérés magában foglalja a pálya dőlésszögének változását, ami energiaigényes lehet. Az üzemanyagköltségek csökkentése érdekében az ilyen manővereket gyakran a növekvő csomóponton hajtják végre (ahol a pálya délről északra halad az egyenlítőn) vagy a csökkenő csomóponton (északról délre), ahol a sebességvektor igazodik a változáshoz.
• Hibrid pályák: A köztes, ferde pályát néha részleges globális lefedettség elérésére használják a poláris pálya átvitelének teljes költsége nélkül. Ez része lehet egy többlábú átvitelnek, ahol a hasznos teher több csomóponton halad át, fokozatosan megváltoztatva dőlésszögét.

---

3. Összehangolás a bolygók forgásával és a pályaprecesszióval

A MOLN jelentős hasznot húz a természetes pályadinamika, például a Föld forgása és a pályák precessziójának kihasználásából az átviteli útvonalak és az időzítés optimalizálása érdekében.

Forgási szinkronizáció a Föld felszínével

A felszíni indítómechanizmusokat pontosan szinkronizálni kell az orbitális csomópontokkal a hasznos teher zökkenőmentes átvitelének biztosítása érdekében. Az egyenlítői pályára történő indításhoz a Föld forgási sebessége további sebességnövekedést biztosít, csökkentve a pálya eléréséhez szükséges energiát.

Forgási lendület számítás: A Föld által biztosított forgási sebesség (vrotv_{\text{rot}}vrot) az egyenlítőnél a következőképpen számítható ki:

vrot=REarth⋅ωEarthv_{\text{rot}} = R_{\text{Earth}} \cdot \omega_{\text{Earth}}vrot=REarth⋅ωEarth

hol:

• REarthR_{\text{Earth}}REarth: A Föld sugara (kb. 6,378 km)
• ωEarth\omega_{\text{Earth}}ωEarth: A Föld szögsebessége (7,292 \times 10^{-5} rad/s)

Ez a lendület üzemanyagot takaríthat meg és optimalizálhatja az indítási energiát, hatékonyabbá téve az egyenlítői indításokat.

Precesszió és csomóponti regresszió

A pályák idővel a Föld egyenlítői domborulatából, a Holdból és a Napból származó gravitációs perturbációk miatt precessziósak. A precesszió mértéke (Ω ̇\dot{\Omega}Ω ̇) befolyásolja a MOLN csomópontok és a hasznos terhelések közötti szinkronizálást, és figyelembe kell venni az átvitel tervezésénél.

Precessziós ráta képlet:

Ω ̇=−32J2REarth2a2(1−e2)2ncosi\dot{\Omega} = -\frac{3}{2} J_2 \frac{R_{\text{Earth}}^2}{a^2 (1 - e^2)^2} n \cos iΩ ̇=−23J2a2(1−e2)2REarth2ncosi

hol:

• J2J_2J2: A Föld második zónaharmonikusa (a Föld oblátusának mértéke)
• aaa: A pálya félnagytengelye
• eee: A pálya excentricitása
• nnn: Átlagos mozgás
• iii: A pálya dőlésszöge

A pályák precessziója előnyös lehet az orbitális csomópontok összehangolásához, hogy megfeleljenek a különböző dőlésszögekből vagy felszíni helyekről érkező hasznos terheknek.

---

Alkalmazások és stratégiák a hatékony átvitelhez

• Pontos időzítési algoritmusok: AI-alapú algoritmusok megvalósítása az indítások, a fázisok és a csomópontok közötti átvitel optimális időzítésének meghatározásához.
• Minimális üzemanyag-fogyasztás: A természetes dinamikák, például a Föld forgásának és precessziójának kihasználása, valamint az alacsony energiájú manőverek, például a Hohmann-transzferek használata.
• Dinamikus csomópont-koordináció: A MOLN csomópontok dinamikusan módosítják pályájukat, hogy igazodjanak a hasznos teher pályájához, fedélzeti hajtóműveket és lendületcserélő eszközöket használva a finom vezérléshez.

---

Vizuális diagram: Orbitális átviteli útvonalak

Egy diagram illusztrálhatja a LEO, MEO és GEO csomópontok közötti átvitelt, bemutatva a különböző pályapályákat, időzítési igazításokat és átviteli manővereket (pl. Hohmann-transzferek, síkváltozások). A nyilak jeleznék a csomópontok szinkronizálását a bolygó forgásával és a fázisok sorrendjét az optimális átviteli hatékonyság elérése érdekében.

---

Következtetés

Az orbitális szinkronizálás elengedhetetlen a MOLN hatékonyságához a hasznos terhek különböző pályák közötti továbbításában. A pontos szakaszolás, a pályák közötti koordináció és a természetes pályadinamika, például a bolygók forgása és precessziója kihasználásával a MOLN minimális energiafogyasztást ér el, és maximalizálja a pályaátvitel sebességét és megbízhatóságát, lehetővé téve a sokoldalú és méretezhető orbitális szállítási hálózatot.

3.4 Útvonaltervezés és összeköttetések

A moduláris orbitális indítóhálózat (MOLN) úgy  épül fel, hogy megkönnyítse a hasznos teher hatékony átvitelét több pálya és célállomás között. Útvonalainak és összeköttetéseinek kialakítása döntő szerepet játszik annak meghatározásában, hogy a hasznos terhek mennyire hatékonyan továbbíthatók a különböző pályarétegek között. A folyamat kulcsfontosságú tényezői közé tartozik a többpályás útválasztás, az adaptív útvonalkeresés és az orbitális résidő-kiosztás a torlódások kezelése és a rendszer hatékonyságának maximalizálása érdekében.

Az útvonaltervezés fő összetevői

1. Többpályás útválasztási hálózat
2. Adaptív útkereső algoritmusok
3. Orbitális résidőkiosztás és torlódáskezelés

---

3.4.1 Multi-Orbit útválasztási hálózat

A MOLN csomópontok több orbitális rétegben oszlanak meg (pl. Low Earth Orbit (LEO), Medium Earth Orbit (MEO), Geostacionárius Orbit (GEO)), hogy összekapcsolt útválasztási hálózatot hozzanak létre, amely lehetővé teszi a hasznos terhek hatékony átvitelét a különböző pályák között. Ez a rétegzett hálózat útvonalak összekapcsolt hálózataként működik, amelynek célja az átviteli idő, az energiafogyasztás minimalizálása és a rendszer rugalmasságának javítása.

Csomópontok összekapcsolása és útválasztási fóliák

1. A LEO csomópontok belépési pontként szolgálnak az orbitális hálózatba, és lehetővé teszik a gyors hasznos teher átvitelét az alacsonyabb keringési periódusuk miatt. Általában közelebb vannak egymáshoz, nagy hálózati sűrűséget és gyakori átviteli lehetőségeket biztosítanak.
2. A MEO csomópontok nagyobb magasságban működnek, átmeneti pontokként szolgálnak az alacsonyabb és magasabb pályák között. Ezek a csomópontok megkönnyítik a középtávú transzfereket, és összeköttetést biztosítanak a hosszú távú útvonalakhoz, például az interkontinentális műholdas lefedettséghez vagy a Földön túli küldetésekhez.
3. A GEO csomópontok a Föld felszínéhez képest álló helyzetben vannak, és kritikusak a fixpontos átvitelhez, a hosszú távú kommunikációhoz és a mélyűri küldetésekhez. Stabil alapot biztosítanak a nagy magasságú, távolsági útvonaltervezéshez.

Átviteli útvonal optimalizálása

A hasznos teher átvitelének optimalizálása ezeken az összekapcsolt rétegeken keresztül magában foglalja a minimális energiájú átviteli pályák kiszámítását, mint például a Hohmann-transzferek, a bi-elliptikus transzferek vagy az alacsony tolóerejű folyamatos spirálátvitelek. Az átviteli pályát a következő szempontok alapján választják ki:

• Átviteli idő (ttransfert_{\text{transfer}}ttransfer): A gyors útválasztás érdekében minimalizálva.
• Energiahatékonyság (Δv\Delta vΔv): A csomópontok közötti mozgáshoz szükséges sebességváltozás, amely befolyásolja az üzemanyag-felhasználást.
• Csatlakozási lehetőségek: Szinkronizált csomópontok elérhetősége, amelyek pozícióban és időzítésben is igazodnak.

A pályák közötti optimális átvitel gyakran a csomópontok közötti ugrások sorozatát követi, kihasználva a gravitációs asszisztokat, a tolóerő-alapú beállításokat és az orbitális igazítást.

---

3.4.2 Adaptív útkereső algoritmusok

Az útkeresés a MOLN-ban nem statikus folyamat, hanem valós időben alkalmazkodik a pályák változó dinamikájához és a hasznos terhelés igényeihez. A fejlett algoritmusok meghatározzák az egyes átvitelek leghatékonyabb útvonalát az aktuális keringési feltételek, a csomópontok rendelkezésre állása és a küldetés korlátai alapján.

Útvonalkereső algoritmus felépítése

A MOLN útvonalkereső algoritmusai a  számítógépes hálózatok hálózati útválasztási algoritmusaihoz hasonló elveket alkalmaznak  . Figyelembe veszik az orbitális mechanikát, beleértve a perturbációkat, a szinkronizálási időket és a rendelkezésre álló átviteli ablakokat. Az adaptív útvonalkeresés legfontosabb szempontjai a következők:

• *Heurisztikus alapú keresés (pl. algoritmus )**: A leghatékonyabb útvonal megtalálására szolgál a MOLT-on keresztül több kritérium (pl. energiafogyasztás, utazási idő és csomópontkapacitás) kiértékelésével.
• Költségfüggvény (f(n)f(n)f(n)): Az optimális útvonal meghatározására szolgáló heurisztikus. Egy tipikus költségfüggvény lehet:

f(n)=g(n)+h(n)f(n) = g(n) + h(n)f(n)=g(n)+h(n)

hol:

• g(n)g(n)g(n): A kezdő csomópont és az aktuális nnn csomópont közötti tényleges költség (pl. halmozott Δv\Delta vΔv).
• h(n)h(n)h(n): Az nnn és a célcsomópont közötti becsült költség (pl. tervezett átviteli idő vagy energiafogyasztás).
• Valós idejű adatintegráció: Az algoritmusok valós idejű adatokat használnak az orbitális pozíciókról, a sebességekről, a csomópontok rendelkezésre állásáról és a hasznos terhelés követelményeiről az útválasztási döntések dinamikus meghozatalához.
• Gráfelméleti alkalmazás: A csomópontok és útvonalak gráfként vannak ábrázolva, ahol a csomópontok csúcsok, az összeköttetések (transzferek) pedig élek. Az útvonalkeresés magában foglalja az optimális útvonalak keresését ezen a grafikonon, miközben figyelembe veszi az űrutazás sajátos dinamikáját.

Példa dinamikus útválasztásra

Például, ha egy hasznos tehernek LEO-ból GEO-ba kell utaznia, az algoritmus meghatározhat egy útvonalat, amely magában foglal egy rövid Hohmann-átvitelt egy MEO csomópontra, egy rövid várakozási időt, hogy igazodjon a következő elérhető GEO átviteli ablakhoz, majd egy utolsó Hohmann- vagy spirálátvitelt a GEO-ba.

---

3.4.3 Orbitális résidőkiosztás és szűk keresztmetszetek kezelése

Mivel több hasznos teher, küldetés és átvitel történik egyidejűleg különböző orbitális rétegeken, a résidők hatékony kiosztása és a torlódások kezelése kritikus fontosságú a szervezett és konfliktusmentes útválasztási hálózat fenntartásához.

Orbitális résidők kiosztása

• Előre hozzárendelt orbitális tárolóhelyek: Minden csomópont meghatározott tárolóhelyeket foglal le a hasznos adatok átviteli időszakaihoz. Ezek a résidők figyelembe veszik az orbitális dinamikát, például a precessziót és a csomóponti sodródást, biztosítva, hogy minden átvitelnek világos és kiszámítható útja legyen.
• Dinamikus kártyahely-hozzárendelés: A hasznos terhelés iránti igények változásával és az orbitális feltételek változásával a résidők valós időben átcsoportosíthatók a hálózat teljesítményének optimalizálása és a szűk keresztmetszetek megelőzése érdekében.

Torlódáskezelési technikák

• Prioritás-útválasztás: A hasznos terhelésekhez különböző prioritások vannak hozzárendelve a küldetés kritikussága, az időérzékenység és az energiahatékonyság alapján. A magas prioritású hasznos terhek hozzáférést kaphatnak a leghatékonyabb útvonalakhoz, míg az alacsonyabb prioritású transzferek alternatív útvonalakat használnak a torlódások elkerülése érdekében.
• Terheléselosztás csomópontok között: A MOLN kiegyensúlyozza a hasznos terhelések áramlását az összes rendelkezésre álló csomópont és útvonal között, biztosítva, hogy egyetlen csomópont se legyen túlterhelt. Ezt az egyensúlyt úgy érik el, hogy újraosztják a hasznos terhelések átvitelét a kihasználatlan csomópontokra, vagy módosítják az időzítési ablakokat a forgalom elosztásához.

---

Vizuális diagram: Összekapcsolt útvonalak és csomópont-átvitelek

A vizuális elem tartalmazhat egy diagramot, amely különböző pályákon (LEO, MEO, GEO) elosztott csomópontokat ábrázol, a lehetséges átviteli útvonalakat mutató útvonalakkal, kiemelve a közvetlen kapcsolatokat, az átviteli csomópontokat, valamint az idő- és energiahatékonyságra optimalizált útvonalakat.

• A csomópontok közötti nyilak a lehetséges átviteli útvonalakat jelölik, különböző színekkel jelölve az optimális útvonalakat különböző kritériumok alapján (pl. leggyorsabb átvitel vs. leginkább energiahatékony átvitel).
• A megfelelő pályatípussal (pl. LEO, MEO, GEO) és funkciókkal (pl. Relécsomópont, szinkronizáló csomópont) jelölt csomópontok.

---

Következtetés

A MOLN útvonalhálózatának kialakítása elengedhetetlen a működési hatékonysághoz. A csomópontok különböző pályákon történő összekapcsolásával, adaptív útvonalkereső algoritmusok használatával, valamint a résidő-kiosztás és a torlódások kezelésével a MOLN megbízható, hatékony és méretezhető átviteli útvonalakat tesz lehetővé mindenféle hasznos teher számára. Ez az összekapcsolt megközelítés biztosítja az erőforrások optimális felhasználását és maximalizálja az átviteli sebességet a teljes hálózaton.

4.1 Hullámvasút dinamikája a hasznos teher mozgásához

A "hullámvasút dinamika" fogalma a moduláris orbitális indítóhálózatban (MOLN) a hasznos terhek csomópontok közötti egyenletes, hatékony mozgására vonatkozik szabályozott gyorsulás és lassulás révén, gravitációs segédeszközök, centripetális erők és mágneses meghajtórendszerek felhasználásával. A hullámvasúthoz hasonlóan a rendszer célja az energiaveszteség minimalizálása, a stabil sebességváltozások biztosítása és a hasznos teher mozgásának pontos szabályozása az út során.

Ez a rész a hasznos teher dinamikáját szabályozó elvekre összpontosít, beleértve a centrifugális erőkezelést, a sebességszabályozást és az elektromágneses pályák szerepét a zökkenőmentes és hatékony hasznos teherátvitel fenntartásában.

---

A hullámvasút dinamikájának alapelvei

A hasznos teher mozgásának dinamikája a MOLN-ban az erők és az energia szabályozásán alapul a pontos és hatékony átvitel elérése érdekében. Néhány kulcsfontosságú alapelv:

1. Centripetális és centrifugális erők: Ezeknek az erőknek a szabályozása döntő fontosságú a hasznos terhek görbéken, irányváltásokon és változó gyorsulásokon való átvezetésénél.
2. Egyenletes gyorsulás és lassulás: A hasznos terhelés pontos egyensúlyt igényel a meghajtás és a fékezés között, különösen a csomópont-átmenetek során, hogy minimalizálják a szerkezet terhelését és optimalizálják az energiafelhasználást.
3. Elektromágneses meghajtás és rögzítés: A hasznos terheket elektromágneses rendszerek tartják a pályán, amelyek emelést (lebegéshez) és tolóerőt (előre mozgáshoz) biztosítanak, csökkentve a fizikai érintkezést és kopást, miközben zökkenőmentes utazást biztosítanak.

---

4.1.1 Centrifugális erő és fordulatszám-szabályozás

Amikor egy hasznos teher egy ívelt pályán mozog, centrifugális és centripetális erők lépnek működésbe. A MOLN-ban ez olyan, mint egy hasznos teher a pályán, hasonlóan ahhoz, ahogy a hullámvasutak működnek, de sokkal nagyobb léptékben és térben. A hasznos tehernek fenn kell tartania egy meghatározott sebességet annak biztosítása érdekében, hogy a pályán maradjon anélkül, hogy túlzott feszültség nehezedne a szerkezetre.

A centripetális erő kiszámítása (FcF_cFc)

A centripetális erő az az erő, amely egy körkörös úton mozgó testre hat, és a görbület középpontja felé irányul. Ezt a következő képlet adja meg:

Fc=mv2rF_c = \frac{m v^2}{r}Fc=rmv2

hol:

• mmm = a hasznos teher tömege (kg)
• vvv = a hasznos teher sebessége (m/s)
• RRR = a körpálya vagy görbület sugara (m)

Ezt az erőt gondosan kell kezelni annak biztosítása érdekében, hogy a hasznos teher biztonságosan maradjon az útjában anélkül, hogy túlzott terhelést okozna akár a hasznos teher, akár a vezetősín. Ha a FcF_cFc túl magas, szerkezeti károsodáshoz vagy destabilizációhoz vezethet.

A sebesség kezelése útvonaltervezéssel

Az optimális centripetális erő fenntartása érdekében a hasznos teher vvv sebessége dinamikusan állítható a meghajtórendszerrel. Kisebb sugarú görbék (rrr) megközelítésekor a vvv sebesség csökken a kezelhető FcF_cFc fenntartása érdekében.

---

4.1.2. Elektromágneses vágánykialakítás és a hasznos teher lehorgonyzása

A hasznos terhek mozgását a MOLN útvonalak mentén elektromágneses pályák segítségével kezelik, amelyek mágneses mezők kombinációján keresztül biztosítják a meghajtást, a lebegést és a vezérlést. Ez a mechanizmus minimalizálja a súrlódást és biztosítja a zökkenőmentes mozgást, hasonlóan a maglev vonatokhoz, de űralapú környezetben.

Elektromágneses lebegtetés

A pálya mágneses mezőt generál, amely kölcsönhatásba lép a hasznos teherrel, és olyan emelőerőt hoz létre, amely ellensúlyozza a gravitációs vagy centrifugális erőket. A lebegési erőt (FlevF_{\text{lev}}Flev) a pálya tekercseiben lévő áram szabályozza:

Flev=kI2F_{\text{lev}} = k I^2Flev=kI2

hol:

• A KKK-k egy állandó, amely a mágneses rendszer geometriájától és konfigurációjától függ.
• III az elektromágneses tekercsek elektromos árama.

Tolóerő és fékmechanizmusok

A meghajtórendszer lineáris szinkronmotorokat (LSM) vagy lineáris indukciós motorokat (LIM) használ a tolóerő és a fékezés kifejtésére a hasznos teherre. A motor által kifejtett erőt (FthrustF_{\text{thrust}}Fthrust) a következő képlet adja meg:

Fthrust=BILF_{\text{thrust}} = B I LFthrust=BIL

hol:

• BBB a mágneses térerősség (T)
• III az áramerősség (A)
• LLL a vezető hossza (m)

A hasznos teher lassítására a rendszer regeneratív fékezést alkalmaz, amely a mozgó hasznos teher mozgási energiáját elektromos energiává alakítja vissza, amely tárolható vagy újra felhasználható.

Hasznos teher rögzítése és stabilitása

A hasznos teher oldalirányú mozgásának vagy eltolódásának megakadályozása érdekében a mágneses tekercsek vagy sínek másodlagos készlete biztosítja a stabilizálást. Ezek a stabilizáló rendszerek fenntartják a hasznos teher irányát és helyzetét a pályához képest, biztosítva a biztonságos áthaladást még kanyarokban vagy sebességváltozások során is.

---

Energia- és energiagazdálkodás a hullámvasút dinamikájában

A hasznos teher átvitelének hatékonysága az optimális energiafelhasználástól függ az útvonal során. Ennek elérése érdekében:

1. Kinetikai és potenciális energiamérleg: A rendszer a mozgási energia (KE=12mv2KE = \frac{1}{2} mv^2KE=21mv2) és  a gravitációs potenciálenergia (PE=mghPE = mghPE=mgh) között alakít át, ahol alkalmazható, a meghajtórendszerek aktív használatának minimalizálása érdekében.
2. A veszteségek minimalizálása: A súrlódás és az aerodinamikai légellenállás gyakorlatilag megszűnik a tér vákuumában, de a maradék erők, például a mágneses ellenállás vagy a rendszer ellenállása minimalizálható az elektromágneses pályák pontos tervezésével és a valós idejű vezérlési beállításokkal.
3. Tápellátás és tárolás: Az elektromágneses rendszerek egy elektromos hálózatra támaszkodnak, amely fedélzeti szuperkondenzátorokat vagy akkumulátorokat használ, amelyek nagy energialöketeket biztosítanak a gyors gyorsuláshoz vagy lassuláshoz. Az energiát intelligens energiarendszereken keresztül kezelik, amelyek optimalizálják a felhasználást a hasznos teher pályája és a hálózat állapota alapján.

---

Vizuális ábrázolás

Egy vizuális diagram szemléltetheti:

• Csomópontok és útvonalak sorozata, amelyek egy "hullámvasút"-szerű rendszert alkotnak.
• A hasznos teher irányát és sebességét jelző nyilak.
• Mágneses pályák, amelyek megmutatják, hogyan alkalmazzák az emelést és a meghajtást az útvonal különböző szakaszaiban.
• A vezérlőmechanizmusok, beleértve a tolóerő-beállításokat és a fékezési pontokat, stratégiailag vannak elhelyezve az út mentén.

---

Következtetés

A hasznos teher mozgásának hullámvasút-dinamikája a MOLN-ban biztosítja, hogy a csomópontok közötti átvitel hatékony, stabil és ellenőrzött legyen. A centripetális és centrifugális erők hatékony felhasználásával, valamint az elektromágneses pályák meghajtással és stabilitással történő kihasználásával a hasznos terhek zökkenőmentesen mozoghatnak a hálózaton, maximalizálva az energiahatékonyságot és minimalizálva a rendszer terhelését. Ez a megközelítés alátámasztja a MOLN moduláris és alkalmazkodó jellegét, és alapot biztosít a biztonságos és megbízható űrszállításhoz.

4.2 Gravitációs asszisztok és pályaszabályozás

A gravitációs asszisztencia koncepciója döntő szerepet játszik a Moduláris Orbitális Indítóhálózaton (MOLN) belüli pályaszabályozásban, lehetővé téve a hasznos terhek hatékony átvitelét a pályák vagy az égitestek között. Egy bolygó, hold vagy más nagy tömegű test gravitációs vonzásának felhasználásával a hasznos teher sebessége és iránya megváltoztatható anélkül, hogy jelentős energiát fordítanának a fedélzeti meghajtórendszerekből.

Ez a fejezet megvitatja, hogyan működnek a gravitációs segédeszközök, hogyan alkalmazzák őket az optimális hasznos teher pályák eléréséhez, valamint az ilyen manőverek tervezéséhez és végrehajtásához használt matematikai és számítási módszereket.

---

4.2.1 Optimális beállítás a sebességnöveléshez

A gravitációs asszisztok, más néven gravitációs csúzlik, kihasználják az égitest mozgását, hogy további sebességet adjanak a hasznos tehernek. Ez a manőver lehetővé teszi a hasznos teher röppályájának és sebességének hatékony megváltoztatását, pontos beállítást és időzítést igényel a gravitációs erő előnyeinek maximalizálása érdekében.

A gravitációs asszisztok alapjai

A hasznos teher megközelíti a pályáján lévő hatalmas testet (mint egy bolygót), és ahogy elhalad, a bolygó gravitációja húzza a hasznos terhet. Ahogy a hasznos teher kilép a gravitációs hatásból, további sebességet nyer és irányt változtat. Ennek a sebességváltozásnak a nagysága és iránya (Δv\Delta vΔv) olyan tényezőktől függ, mint a hasznos teher és a test közötti relatív sebesség, a test tömege és a pályaszög.

Δvassist=2vbodysin(θ/2)\Delta v_{\text{assist}} = 2v_{\text{body}} \sin(\theta/2)Δvassist=2vbodysin(θ/2)

hol:

• vassistv_{\text{assist}}vassist a hasznos tehernek átadott sebesség változása.
• vbodyv_{\text{body}}vbody az égitest sebessége a pályáján.
• θ\thetaθ a test keringési pályájához viszonyított megközelítési szög.

Ez a sebességnövekedés vagy magasabb pályára emelheti a hasznos terhet, vagy módosíthatja pályáját a bolygóközi transzferekhez. Az időzítés és a relatív pozicionálás kulcsfontosságú tényezők, mivel a rosszul időzített megközelítés az előnyök csökkenéséhez vagy nem hatékony pályakiigazításokhoz vezethet.

Az átviteli pálya kiszámítása

Egy tipikus gravitációs segítséget terveznek a kinetikus energia átadásának maximalizálására. Tekintettel a hasznos teher kezdeti sebességére (vinitialv_{\text{initial}}vinitial), az assziszt utáni teljes sebesség:

vfinal=vinitial2+Δvassist2+2vinitialΔvassistcos(φ)v_{\text{final}} = \sqrt{v_{\text{initial}}^2 + \Delta v_{\text{assist}}^2 + 2 v_{\text{initial}} \Delta v_{\text{assist}} \cos(\phi)}vfinal=vinitial2+Δvassist2+2vinitialΔvassistcos(φ)

hol:

• φ\phiφ a kezdeti sebességvektor és a sebességvektor változása közötti szög.

Ez az egyenlet megmutatja, hogy a gravitációs test és a hasznos teher közötti kölcsönhatás jelentős változásokat eredményezhet a sebességben és az irányban, hatékony pályán hajtva a hasznos terhet.

---

4.2.2 A pályaalakítás matematikai modelljei

A gravitációs asszisztok teljes kihasználásához fejlett pályatervezésre van szükség. A cél az optimális útvonal kiszámítása, amely lehetővé teszi a hasznos teher számára, hogy minimális üzemanyag-ráfordítással érje el a kívánt sebességet és pozíciót.

Foltozott kúpos közelítés

A gravitációs asszisztok kiszámításának egyik leggyakoribb módszere a foltozott kúpos közelítés, ahol a pálya szegmensekre oszlik, amelyek mindegyikét más gravitációs test irányítja. Az egyes szegmenseken belül csak az elsődleges gravitációs hatást veszik figyelembe, egyszerűsítve a számításokat. A röppályát olyan átmeneti pontokon foltozzák össze, ahol a hasznos teher az egyik gravitációs befolyási szférából a másikba mozog.

A pályaszegmensek a következők:

1. Bejövő hiperbolikus pálya: Az az út, amikor a hasznos teher megközelíti az égitestet.

r=p1+ecos(θ)r = \frac{p}{1 + e \cos(\theta)}r=1+ecos(θ)p

hol:

• RRR az égitest középpontjától mért sugárirányú távolság.
• A ppp a hiperbolikus út féllatus végbél.
• EEE az útvonal excentricitása (hiperbolikus pályák esetén e>1e > 1e>1).
• θ\thetaθ a pálya valódi anomáliája.
1. Hajlítási szög kiszámítása: Ahogy a hasznos teher áthalad a befolyási zónán, pályáját egy δ\deltaδ szög hajlítja meg, amelyet a pályaparaméterek határoznak meg:

δ=2arcsin(1e)\delta = 2 \arcsin \left( \frac{1}{e} \right)δ=2arcsin(e1)

3. Kimenő röppálya és szökési sebesség: A befolyási övezet elhagyásakor a hasznos teher új hiperbolikus pályát követ, az irány és a sebesség változását a gravitációs segédeszköz diktálja.

Numerikus szimulációk és optimalizálási algoritmusok

Fejlett szimulációkat használnak ezeknek a pályáknak a modellezésére és az egyes segédvonalak időzítésének, szögének és sebességének optimalizálására. Numerikus módszereket, például a Runge-Kutta vagy Gauss-Jackson integrációs technikákat alkalmazzák a mozgásegyenletek megoldására, míg az optimalizálási algoritmusok, például  a genetikai algoritmusok vagy  a differenciális evolúció segítenek megtalálni az optimális utat és időzítést egy sor gravitációs assziszthoz.

Például egy optimalizálási algoritmus objektív funkciója megpróbálhatja minimalizálni a pályakorrekciókhoz szükséges energiaköltséget (Δvprop\Delta v_{\text{prop}}Δvprop), miközben maximalizálja az egyes asszisztok sebességnövekedését:

mintrajectory(∑i=1nΔvprop(i)−∑j=1mΔvassist(j))\min_{\text{trajectory}} \left( \sum_{i=1}^n \Delta v_{\text{prop}}(i) - \sum_{j=1}^m \Delta v_{\text{assist}}(j) \right)trajectorymin(i=1∑nΔvprop(i)−j=1∑mΔvassist(j))

hol:

• nnn a meghajtási manőverek száma.
• mmm a gravitációs asszisztok száma.

---

Vizuális ábrázolás

A gravitációs segítő manőverek grafikus ábrázolása létrehozható, bemutatva:

• Egy bolygó vagy égitest illusztrált befolyási övezettel.
• A hasznos teher megközelítési és indulási pályája, amelyet a test körüli ívelt pályaként ábrázolnak.
• Az assziszt során a sebesség és irány változásait ábrázoló vektorok.
• Több assziszt sorozata, amely megmutatja, hogyan láncolódnak össze, hogy elérjék a kívánt végső pályát.

Ez a vizualizáció segít illusztrálni a gravitációs segédeszközök összetett, de rendkívül hatékony természetét, mivel pontos és energiatakarékos pályaátvitelt tesznek lehetővé a MOLN-on belül.

---

Következtetés

A gravitációs asszisztensek és a pályaszabályozás a MOLN rendszer alapvető elemei, amelyek lehetővé teszik az energiahatékony átvitelt és lehetővé teszik a hasznos terhek pontos pozicionálását a különböző pályarétegekben. Az égitestek gravitációs vonzásának kihasználásával a MOLN csökkenti az üzemanyag-felhasználást, maximalizálja a hasznos teher sebességét és manőverezhetőségét, gerincet képezve a csomópontok közötti hatékony átvitelhez és a nagy hatótávolságú űrszállításhoz.

4.3 Adaptív útvonaltérképezés és döntési algoritmusok

A hasznos terhek hatékony átvitele a MOLN (Modular Orbital Launch Network) segítségével dinamikus és adaptív útvonaltérképezést igényel az energiafelhasználás optimalizálása, az utazási idő csökkentése és a biztonságos áthaladás biztosítása érdekében. A pályapályák, az űrkörnyezet változói és a hasznos teher korlátainak összetett és folyamatosan változó jellege fejlett döntési algoritmusokat tesz szükségessé, amelyek valós időben módosíthatják az útvonalakat az aktuális feltételek és a várható fejlemények alapján.

Ez a fejezet feltárja az adaptív útvonaltérképezéshez használt módszertanokat és olyan döntéshozatali algoritmusok fejlesztését, amelyek lehetővé teszik a MOLN számára a hasznos terhek átviteli útvonalainak optimalizálását. Megvitatja a valós idejű optimalizálás, az útvonal-előrejelzés és az algoritmikus megközelítések technikáit a hálózatban történő útkereséshez.

---

4.3.1 Az átviteli útvonalak valós idejű optimalizálása

A MOLN valós idejű optimalizálása magában foglalja az egyik csomópont és a másik közötti leghatékonyabb útvonal kiszámítását, figyelembe véve olyan tényezőket, mint az energiafogyasztás, az utazási idő, a biztonság és a hálózati torlódás. Az algoritmusoknak folyamatosan elemezniük kell az orbitális dinamikát, a forgalmi mintákat és a rendelkezésre álló útvonalakat, a körülmények változásával módosítva az útvonalakat.

A valós idejű útvonal-optimalizálás alapelvei

A hasznos teher optimális útvonala a MOLN-ban számos tényezőtől függ:

• Orbitális konfiguráció: A csomópontok helyzetének és sebességének megértése a különböző pályarétegekben, beleértve a LEO-t (alacsony Föld körüli pálya), a MEO-t (közepes Föld körüli pálya) és a GEO-t (geostacionárius Föld körüli pálya).
• Hasznos teher dinamikája: Figyelembe véve a hasznos teher tömegét, sebességét és rendeltetési helyét a leginkább energiahatékony útvonal meghatározásához.
• Csomópontok rendelkezésre állása és időzítése: Olyan csomópontok azonosítása, amelyek megkönnyíthetik az átvitelt, és egyeztethetik a hasznos teher érkezésének és indulásának időzítését, minimalizálva a várakozási időket.

Az alábbi tényezők kiegyensúlyozására optimalizálási célú függvény határozható meg:

minPath(∑i=1n(Efuel(i)+Ttime(i)+γ⋅Ccongestion(i)))\min_{\text{Path}} \left( \sum_{i=1}^{n} \left( E_{\text{fuel}}(i) + T_{\text{time}}(i) + \gamma \cdot C_{\text{congestion}}(i) \right)Pathmin(i=1∑n(Efuel(i)+Ttime(i)+γ⋅Ccongestion(i)))

hol:

• Efuel(i)E_{\text{fuel}}(i)Efuel(i) az útvonal iii-adik szakaszának energia- vagy üzemanyagköltsége.
• Ttime(i)T_{\text{time}}(i)Ttime(i) az adott szegmens utazási ideje.
• Ccongestion(i)C_{\text{congestion}}(i)A Ccongestion(i) egy torlódási költségtényező, amely a csomópontok lehetséges késéseit számolja el.
• γ\gammaγ egy súlyozási tényező, amely beállítja a torlódás fontosságát az útvonal-optimalizálásban.

Grafikon alapú útvonaltérképezés megvalósítása

A MOLN grafikonként ábrázolható  , ahol:

• A csomópontok a hálózat egyes átviteli pontjait képviselik.
• Az élek  a csomópontok közötti útvonalakat vagy útvonalakat jelölik, az átviteli költségeknek, például az energiafogyasztásnak, a távolságnak vagy az időnek megfelelő súlyozással.

Az sss forráscsomópont és a ddd célcsomópont közötti optimális útvonal megtalálásának problémája ebben a grafikonban olyan algoritmusokkal oldható meg, mint a Dijkstra algoritmusa a legrövidebb úthoz vagy az A* (A-csillag) egy heurisztikusabb alapú megközelítéshez, figyelembe véve további tényezőket, például a csomópontok rendelkezésre állását és az energiahatékonyságot.

Dijkstra algoritmusa:

piton

Kód másolása

def dijkstra(grafikon, forrás, cél):

    dist = {node: float('infinity') for node in graph}

    prev = {csomópont: Nincs a gráf csomópontjához}

    eloszla[forrás] = 0

    queue = list(graph.keys())

 

    Várólista állapotban:

        current = min(queue, key=lambda node: dist[csomópont])

        queue.remove(aktuális)

 

        if current == rendeltetési hely:

            törik

 

        szomszéd esetén súly a grafikonban[aktuális].items():

            alt = eloszlás[áram] + súly

            Ha alt < dist[szomszéd]:

                dist[szomszéd] = alt

                előző[szomszéd] = áram

 

    elérési út = []

    Míg az úticél:

        path.insert(0, cél)

        cél = előző[cél]

    visszatérési útvonal

Ebben a kódban:

• grafikon: A MOLN hálózat csomópontok és éleik szótáraként ábrázolva.
• forrás és cél: A hasznos adatok útjának kezdő és záró csomópontjai.
• Az algoritmus az optimális útvonalat adja ki a legkisebb költséggel.

Ez az algoritmus adaptálható úgy, hogy figyelembe vegye a különböző élsúlyokat, például az energiafelhasználást és a torlódásokat, így olyan útvonalat biztosít, amely minimalizálja az általános költségeket.

---

4.3.2 MI-vel támogatott útvonal-előrejelzés és -adaptáció

Az űrutazás dinamikus természetének és a pályákon belüli csomópontok folyamatos mozgásának kezelésére a MOLN AI algoritmusokat alkalmaz, amelyek segítenek az útvonal előrejelzésében, adaptálásában és tanulásában az idő múlásával. Ezek az algoritmusok prediktív modellek és valós idejű adatok kombinációját használják a hatékony útválasztás biztosítása érdekében.

Gépi tanulás prediktív útválasztáshoz

A gépi tanulási modellek korábbi átviteli adatokon, orbitális dinamikán és környezeti változókon való betanításával a MOLN még azelőtt képes előre jelezni a legjobb útvonalakat, hogy a hasznos teher készen állna az átvitelre. A prediktív modell olyan útvonalakat javasolhat, amelyek minimalizálják a költségeket vagy kockázatokat a múltban megfigyelt minták alapján.

Az egyik lehetséges AI-modell a Recurrent Neural Network (RNN) vagy a Long Short-Term Memory (LSTM) hálózat, amely képes kezelni az időszekvenált adatokat, és idővel alkalmazkodni az új pályaadatok beérkezésekor.

LSTM betanítása útvonal-előrejelzéshez:

piton

Kód másolása

from keras.models import Sequential

tól keras.layers import LSTM, Sűrű

 

model = Sequential()

modell.add(LSTM(64; input_shape=(time_steps; jellemzők)))

model.add(Sűrű(32; aktiválás='relu'))

model.add(Dense(1, activation='linear')) # Megjósolja az optimális útvonalköltséget

modell.compill(optimalizáló='adam'; loss='MSE')

 

# X_train, y_train: bemeneti szekvenciák és célútvonal költségek

modell.illeszt(X_train; y_train; korszakok=100; batch_size=64)

Ebben a kódban:

• Az LSTM-et a lehetséges útvonalakat reprezentáló adatsorozatokon és a kapcsolódó költségeken tanítják be.
• A betanított modell előrejelzi a különböző útvonalak költségeit, így az algoritmus a múltbeli tapasztalatok alapján kiválaszthatja a leghatékonyabb útvonalat.

Adaptív algoritmusok a valós idejű döntéshozatalhoz

Annak biztosítása érdekében, hogy a hasznos adatok a leghatékonyabb útvonalon maradjanak, az adaptív algoritmusok figyelik a valós idejű változókat, és szükség szerint módosítják az útvonalakat. Ezek az algoritmusok képesek kezelni:

• Váratlan torlódás: Ha egy csomópont elérhetetlenné vagy túlterheltté válik, az algoritmus átirányítja a hasznos adatokat.
• Energiaoptimalizálás: Ha alacsonyabb energiájú útvonal válik elérhetővé, az algoritmus dinamikusan átvált az új útvonalra.
• Környezeti veszélyek: Kiigazítások az űrszemét elkerülése vagy a sugárterhelés minimalizálása érdekében.

A döntési algoritmus genetikai algoritmusok és megerősítő tanulás  kombinációját használhatja több cél kiegyensúlyozására és a tér változó körülményeihez való gyors alkalmazkodásra.

Példa a megerősítő tanulási megközelítésre:

1. A MOLN olyan környezetként van modellezve  , ahol a csomópontok és útvonalak az állapotok, és minden művelet megfelel a hasznos adatok csomópontok közötti átvitelének.
2. A jutalmazási funkció olyan útvonalakat részesít előnyben, amelyek minimalizálják az energiát és az időt, miközben maximalizálják a biztonságot és a megbízhatóságot.
3. A Q-learning vagy a Deep Q-Networks (DQN) az útválasztás optimális szabályzatainak megismerésére szolgál.

---

Vizuális ábrázolás

Ehhez a szakaszhoz számos szemléltetőelem hozható létre, például:

• Grafikus hálózati térképek: A csomópontok és útvonalak megjelenítése a MOLN-ban, súlyozott élekkel, amelyek a különböző útvonalak költségeit mutatják.
• A döntési folyamatok folyamatábrái: Annak szemléltetése, hogy az adaptív útvonaltérképezési rendszer hogyan dönt valós időben az optimális útvonalakról.
• Neurális hálózati diagramok: A prediktív útválasztáshoz használt AI-modellek (például LSTM-ek) szerkezetének bemutatása.

Ezek a vizualizációk átfogó megértést nyújtanak arról, hogyan működnek az adaptív útválasztási algoritmusok a MOLN-on belüli optimális hasznos teherátvitel elérése érdekében.

---

Következtetés

Az adaptív útvonaltérképezési és döntési algoritmusok kulcsfontosságúak a MOLN hatékonyságának, biztonságának és megbízhatóságának biztosításához. A valós idejű adatok, az AI-támogatott előrejelzések és a robusztus optimalizálási technikák felhasználásával a MOLN dinamikusan irányítja a hasznos terheket a legoptimálisabb útvonalakon, alkalmazkodva a hálózati és űrkörnyezet változásaihoz.

5.1 Földi telepítésű indítómechanizmusok

A földi indítási mechanizmusok kritikus fontosságúak a Föld felszíne és a MOLN (Modular Orbital Launch Network) közötti összeköttetéshez. Ezek az első lépcsőfokként szolgálnak a hasznos terhek űrbe történő átvitelében, biztosítva a szükséges kezdeti sebességet, magasságot és energiát a pályán lévő MOLN csomópontokkal való találkozáshoz. Ezeket az indítómechanizmusokat úgy tervezték, hogy hatékonyak, újrafelhasználhatók legyenek, és képesek legyenek gyakori és változatos hasznos terhek kezelésére, a műholdaktól és a rakománytól kezdve a legénységgel ellátott űrjárművekig.

Ebben a részben megvizsgáljuk a földi indítási mechanizmusok különböző típusait, beleértve az elektromágneses indítótornyokat és a felszíni maglev gyorsítókat, összpontosítva azok kialakítására, fizikájára és a MOLN-nal való integrációjára.

---

5.1.1 Elektromágneses indítótornyok

Az elektromágneses indítótornyok lineáris elektromos motorokat használnak, hogy felgyorsítsák a hasznos terheket nagy sebességre, mielőtt a felső légkörbe engednék őket. A hasznos teher meghajtására szolgáló mágneses mezők használatával ezek a tornyok energiahatékonyabb és újrafelhasználható alternatívát kínálnak a hagyományos kémiai rakétaindításokkal szemben.

Tervezési elvek

Az elektromágneses indítótornyok alapelve a Lorentz-erő (FFF), amely akkor keletkezik, amikor egy elektromos áram (III) áthalad egy mágneses mezőben (BBB) lévő vezetőn:

F=I⋅L⋅BF = I \cdot L \cdot BF=I⋅L⋅B

hol:

• III a vezetőn áthaladó áram.
• LLL a vezető hossza.
• BBB a mágneses térerősség.

Ez az erő hajtja a hasznos terhet a torony hosszában, amely tekercsek sorozatával van felszerelve, hogy változó mágneses mezőt hozzon létre, felgyorsítva a hasznos terhet, hogy elkerülje a sebességet.

Gyorsulási és teljesítményigény

A hasznos teher elindításához szükséges teljesítmény és gyorsulás meghatározása:

a=v22da = \frac{v^2}{2d}a=2dv2

hol:

• AAA a szükséges gyorsulás.
• VVV a végső sebesség (szökési sebesség vagy orbitális beillesztési sebesség).
• ddd az indítótorony hossza.

Például, ha a kívánt sebesség v=7,800 m/sv = 7,800 \, \text{m/s}v=7,800m/s (hozzávetőleges sebesség alacsony Föld körüli pályára állítás esetén), és a kilövőtorony hossza d=3,000 md = 3,000 \, \text{m}d=3,000m, akkor a szükséges gyorsulás:

a=(7 800 m/s)22×3 000 m=10,14 m/s2a = \frac{(7 800 \, \text{m/s})^2}{2 \times 3 000 \, \text{m}} = 10,14 \, \text{m/s}^2a=2×3,000m(7,800m/s)2=10,14m/s2

A teljesítményigény a hasznos teher tömegétől (mmm) és a gyorsulástól függ:

P=m⋅a⋅vP = m \cdot a \cdot vP=m⋅a⋅v

Előnyök és kihívások

Előnyök:

• Energiahatékonyság: Az elektromágneses hordozórakéták villamos energiát használnak, amelyet megújuló források, például nap- vagy szélenergia biztosíthat.
• Újrafelhasználható infrastruktúra: A vegyi rakétákkal ellentétben maga az indítótorony újrafelhasználható, jelentősen csökkentve az indításonkénti költségeket.
• Szabályozott gyorsulás: A mágneses lebegtetés egyenletes gyorsulást tesz lehetővé üzemanyag-égés nélkül.

Kihívások:

• Magas kezdeti költségek: A nagyméretű elektromágneses tornyok építése jelentős előzetes beruházással jár.
• Szerkezeti integritás: A tornyoknak hatalmas erőknek és rezgéseknek kell ellenállniuk a hasznos teher indításakor, ami robusztus anyagokat és kialakítást igényel.

---

5.1.2 Felszíni maglev gyorsítók és tömegmeghajtók

A felszíni maglev gyorsítók, más néven tömegmozgatók, olyan földi mechanizmusok, amelyek mágneses lebegést és meghajtást használnak a hasznos terhek felgyorsítására egy vízszintes pályán, mielőtt elindítanák őket a felső légkörbe. Ezek a rendszerek hasonlóak az elektromágneses indítótornyokhoz, de vízszintes vagy ferde pályákon működnek.

Mágneses lebegtetés és meghajtás

A Maglev rendszerek a mágneses levitáció és  a lineáris meghajtás kombinációját  alkalmazzák a súrlódás csökkentése és a hasznos terhelés hatékony felgyorsítása érdekében.

A lebegést elektromágneses felfüggesztéssel (EMS) vagy elektrodinamikus felfüggesztéssel (EDS) érik el:

• Az EMS vonzó mágneses erőket használ a hasznos teher felemelésére.
• Az EDS szupravezető mágnesek által generált taszító mágneses erőket használ a lebegés eléréséhez.

A meghajtást lineáris motorok biztosítják:

• Lineáris indukciós motorok (LIM-ek): Használjon váltakozó áramokat, hogy utazó mágneses mezőt hozzon létre a pálya hosszában, áramokat indukálva a hasznos teherben és előre hajtva.
• Lineáris szinkronmotorok (LSM-ek): Hasonló a LIM-ekhez, de hatékonyabbak, mivel szinkronizálják a mágneses mező frekvenciáját a hasznos teher helyzetével.

A  levitációs erő által keltett mágneses nyomást (PmP_mPm) a következő képlet adja meg:

Pm=B22μ 0P_m = \frac{B^2}{2 \mu_0}Pm=2μ0B2

hol:

• BBB a mágneses fluxus sűrűsége.
• μ0\mu_0 μ0 a szabad tér permeabilitása (4π×10−7 N/A24\pi \times 10^{-7} \, \text{N/A}^24π×10−7N/A2).

Indítsa el a dinamikát és a ferde pályákat

A felszíni maglev gyorsító dinamikáját befolyásolja a pálya hossza, szöge és célsebessége. A ferde síneket gyakran használják mind vízszintes, mind függőleges komponensek átadására a hasznos teher sebességéhez, javítva a légköri kilépés hatékonyságát.

θ\thetaθ szögű ferde vágány esetén:

vhorizontal=v⋅cos(θ)v_{\text{horizontal}} = v \cdot \cos(\theta)vhorizontal=v⋅cos(θ) vvertical=v⋅sin(θ)v_{\text{vertical}} = v \cdot \sin(\theta)vvertical=v⋅sin(θ)

Az optimális θ\thetaθ szög kiegyensúlyozza a vízszintes sebesség (a keringési sebesség eléréséhez) és a függőleges emelkedés (a légkörből való kijutáshoz) szükségességét. A tipikus értékek 20∘20^\circ20∘ és 45∘45^\circ45∘ között vannak.

Teljesítménnyel és gyorsítással kapcsolatos szempontok

A maglev gyorsító teljesítményigényét a következők határozzák meg:

P=Fpropulsion⋅vP = F_{\text{propulsion}} \cdot vP=Fpropulsion⋅v

hol:

• FpropulsionF_{\text{propulsion}} A meghajtás a lineáris motor által generált erő.

Mivel a maglev rendszerben a súrlódás szinte megszűnik, az elsődleges leküzdendő erők az aerodinamikai légellenállás és a gravitáció.

---

Integráció a MOLN-nal

A földi indítási mechanizmusoknak, akár függőleges elektromágneses tornyok, akár vízszintes maglev pályák, zökkenőmentesen kell integrálódniuk a pályán keringő MOLN csomópontokba. Ez az integráció pontos időzítést és koordinációt igényel annak biztosítása érdekében, hogy a hasznos terhek elérjék a megfelelő magasságot és sebességet a MOLN csomópontokkal való találkozáshoz.

A szinkronizálás a következőket foglalja magában:

• Orbitális igazítás: Annak biztosítása, hogy a földi indítóhely igazodjon a MOLN csomópont pályájához az indításkor.
• Sebességillesztés: A megfelelő sebesség elérése a MOLN csomópont útjának metszéséhez és a zökkenőmentes átvitel lehetővé tételéhez.

---

Vizuális elemek

A földi indítási mechanizmusok jobb megértése érdekében számos vizuális elem beépíthető:

• Elektromágneses indítótornyok diagramjai: A gyorsulási folyamat, a mágneses mezők és a hasznos teher dinamikájának bemutatása.
• A felszíni maglev pályák vázlata: A vízszintes vagy ferde pálya, a maglev lebegtetés és a meghajtórendszerek szemléltetése.
• Teljesítmény-sebesség görbék grafikonjai: A teljesítményigény ábrázolása, ahogy a hasznos teher felgyorsul az indítótorony vagy a pálya mentén.
• Orbitális szinkronizációs vizualizáció: Animáció vagy diagram, amely bemutatja, hogy a hasznos terhek hogyan érik el a sebességegyeztetést és metszik a MOLN csomópontokat.

---

Következtetés

A földi telepítésű indítómechanizmusok a MOLN infrastruktúra kulcsfontosságú elemei, amelyek hatékony, újrafelhasználható és fenntartható módszereket kínálnak a hasznos terhek Föld felszínéről az űrbe történő átvitelére. Az elektromágneses meghajtás és a mágneses lebegtetési technológiák kihasználásával ezek a mechanizmusok utat biztosítanak a gyors, költséghatékony és gyakori űrhozzáféréshez, összhangban a modern űrszállítás és -bővítés céljaival.

5.2 Randevú a MOLN csomópontokkal

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) csomópontokkal való sikeres találkozás elérése az űrszállítás egyik legkritikusabb szakasza, amely biztosítja, hogy a felszínről indított hasznos terhek hatékonyan dokkoljanak és integrálódjanak a keringő csomópontokkal. Megfelelő szinkronizálásra, pozicionálásra és stabilizálásra van szükség ahhoz, hogy lehetővé váljon a hasznos terhek zökkenőmentes átvitele a földi indító mechanizmusokról a MOLN csomópontok útvonalaira. Ez a rész lefedi az orbitális randevú legfontosabb szempontjait, beleértve az időzítést, a navigációt, az interfész protokollokat és a hasznos teher átvitelének mechanikáját.

---

5.2.1 A felszíni indítás szinkronizálása orbitális csomópontokkal

A felszíni indítású hasznos terhek és a keringő MOLN csomópontok közötti szinkronizálás elengedhetetlen a pontos randevú biztosításához. Ennek elérése gondos tervezést és ellenőrzést igényel a hasznos teher emelkedésének pályája, sebessége és időzítése felett.

Orbitális időzítés és fázisillesztés

A szinkronizáció célja, hogy a hasznos teher orbitális helyzetét és sebességét a MOLN csomópontéhoz igazítsa. Ezt az orbitális mechanika és  a fázisszögek elvei szabályozzák. A szinkronizálási folyamathoz a következő számításokra van szükség:

• Fázisszög (φ\phiφ): A hasznos teher aktuális helyzete és a MOLN csomópont helyzete közötti szögkülönbség a megfelelő pályán. Ez a következőképpen számítható ki:

φ=Δt⋅(2πTnode−2πTpayload)\phi = \Delta t \cdot \left( \frac{2\pi}{T_{\text{node}}} - \frac{2\pi}{T_{\text{payload}}} \right)φ=Δt⋅(Tnode2π−Tpayload2π)

hol:

• Δt\Delta tΔt az az időintervallum, amíg a hasznos teher eléri a randevút.
• TnodeT_{\text{node}}Tnode és TpayloadT_{\text{payload}}Tpayload a MOLN csomópont és a hasznos teher keringési periódusai.

Ez az egyenlet segít meghatározni a felszíni indítás pontos időzítését, hogy tökéletes fázisegyezést érjen el a randevún.

• Sebességegyeztetés: A MOLN csomóponthoz való sikeres dokkoláshoz a hasznos teher sebességének meg kell egyeznie a csomópont keringési sebességével. A sebességet (vorbitv_{\text{orbit}}vorbit) a következő határozza meg:

vorbit=GMrv_{\text{orbit}} = \sqrt{\frac{GM}{r}}vorbit=rGM

hol:

• GGG a gravitációs állandó (6,674×10−11 N m2 kg−26,674 \times 10^{-11} \, \text{N m}^2 \, \text{kg}^{-2}6.674×10−11N m2kg−2).
• MMM a Föld tömege (5.972×1024 kg5.972 \times 10^{24} \, \text{kg}5.972×1024kg).
• rrr a keringési sugár (távolság a Föld középpontjától).

A hasznos teher emelkedési szögének és sebességének szabályozásával sebessége beállítható a MOLN csomópont sebességéhez.

---

5.2.2 Légköri interfész és hasznos teher átviteli protokollok

A légkör és az űr közötti interfész egyedülálló kihívásokat jelent a hasznos teher orbitális pályára való átmenete során. Ezek a kihívások magukban foglalják a légköri légellenállást, a termikus fűtést és a szerkezeti integritás fenntartását.

Légköri kilépés és légellenállás-csökkentés

A felemelkedési fázisban a hasznos tehernek hatékonyan kell távoznia a légkörből, miközben minimalizálja a légellenállást és az aerodinamikai ellenállást. Az emelkedés optimális szöge általában elég meredek ahhoz, hogy gyorsan elérje a pályamagasságot, de nem olyan meredek, hogy túlzott sebességet igényeljen. A hasznos teher által tapasztalt húzóerő (FdF_dFd):

Fd=12Cdρ Av2F_d = \frac{1}{2} C_d \rho A v^2Fd=21CdρAv2

hol:

•  CdC_dCd  a húzási együttható, amelyet a hasznos teher alakja és aerodinamikája határoz meg.
• ρ\rhoρ a levegő sűrűsége, amely a magassággal csökken.
• AAA a hasznos teher keresztmetszeti területe.
• vvv a hasznos teher sebessége.

A légellenállás csökkentése magában foglalja a hasznos teher alakjának racionalizálását, keresztmetszetének minimalizálását és a szabályozott emelkedési szög fenntartását.

Dokkoló és leválasztó rendszerek

Amint a hasznos teher eléri a magasságot és a sebességet, hogy találkozzon egy MOLN csomóponttal, speciális dokkolórendszereket alkalmaznak a biztonságos kapcsolat biztosítása érdekében. Ezek a rendszerek a következők lehetnek:

• Mágneses dokkolórendszerek: Használjon elektromágneses mezőket a hasznos teher vonzására és biztosítására a MOLN csomóponthoz. A mágneses erő erősségét dinamikusan szabályozzák, hogy biztosítsák a zökkenőmentes dokkolási folyamatot a hasznos teher károsítása nélkül.
• Mechanikus bilincsek és lágy rögzítő mechanizmusok: A lágy rögzítési mechanizmusokat, például a visszahúzható reteszeket és horgokat úgy tervezték, hogy megközelítéskor "lágyan" rögzítsék a hasznos terhet, mielőtt a helyükre rögzítenék. Ez a megközelítés csökkenti a relatív mozgást és a mechanikai igénybevételt mind a hasznos teher, mind a csomópont esetében.

Vezérlő- és villamosenergia-rendszerek átadása

Sikeres dokkolás esetén a hasznos tehernek kommunikációt és energiaátvitelt kell létrehoznia a MOLN csomóponttal. Ez magában foglalja:

• Adatinterfész protokollok: Annak biztosítása, hogy a hasznos teher fedélzeti rendszerei szinkronizálva legyenek a MOLN csomópont vezérlőrendszereivel, lehetővé téve az irányítást, a vezérlést és a telemetriai átvitelt.
• Energiacsatlakozó rendszerek: Elektromos csatlakozások létrehozása, amelyek lehetővé teszik az energia átvitelét a csomópontról a hasznos teherre, biztosítva, hogy rendszerei működőképesek maradjanak az átvitel során.

Ezeknek a csatlakozásoknak a megkönnyítése érdekében szabványosított csatlakozóportokat és csatlakozókat használnak, amelyek gyors igazításra és biztonságos reteszelésre szolgálnak.

---

Vizuális elemek

A következő vizuális elemek támogathatják a randevú folyamatának magyarázatát:

• Orbitális fázisillesztési diagram: A hasznos teher pályája és a MOLN csomópont pályája közötti fázisszög vizuális ábrázolása, amely megmutatja, hogyan igazodnak egymáshoz az idő múlásával.
• Légköri interfész illusztráció: Bemutatja, hogyan lép ki a hasznos teher a légkörből, részletezve a levegő sűrűségének, a húzóerőknek és a felemelkedési szögnek a változásait.
• Dokkolórendszer vázlata: Bemutatja a mágneses dokkolórendszerek és lágy rögzítési mechanizmusok kialakítását és működését, kiemelve, hogyan működnek együtt a biztonságos kapcsolat elérése érdekében.
• Adat- és tápinterfész-diagram: A hasznos teher és a MOLN csomópont közötti adatátvitelhez és teljesítmény-csatoláshoz szükséges szabványos csatlakozásokat szemlélteti.

---

Következtetés

A felszíni indítású hasznos terhek és a MOLN csomópontok közötti randevú összetett folyamat, amely pontos időzítést, sebességillesztést és biztonságos dokkolómechanizmusokat igényel. A kifinomult szinkronizációs algoritmusok, aerodinamikai vezérlők és megbízható dokkolórendszerek integrálásával a hasznos terhek zökkenőmentesen átkerülhetnek a Föld felszínéről a MOLN hálózatba, lehetővé téve a hatékony és újrafelhasználható űrszállítást.

5.3 Légköri lefölözés és alacsony pályán végzett műveletek

A légköri lefölözés és az alacsony pályán végzett műveletek döntő szerepet játszanak a hasznos terhek zökkenőmentes átadásában a MOLN (Modular Orbital Launch Network) és a MOLN (Modular Orbital Launch Network) között. Ezek a műveletek magukban foglalják a légkör és az űr különböző rétegei közötti átmenet kezelését, az orbitális pozíciók stabilizálását és a légköri húzással való kölcsönhatás optimalizálását. Annak megértése, hogyan lehet hatékonyan kezelni ezeket a szempontokat, létfontosságú a MOLN-alapú szállítás biztonságának és hatékonyságának biztosításához.

---

5.3.1 Hővédelem és hasznos teher befogási dinamika

Légköri lefölözés áttekintése

A légköri lefölözés arra a folyamatra utal, amikor a hasznos terhet a légkör külső szélein keresztül mozgatják, miközben megtartják a pályán maradáshoz szükséges magasságot. Ez a technika lehetővé teszi a MOLN csomópontok vagy hasznos terhek számára, hogy lassítsák vagy módosítsák pályájukat a légköri légellenállás kihasználásával, miközben minimalizálják a hőfelhalmozódást. A soványodás dinamikája a gravitációs húzás, emelés, húzás és centrifugális erők közötti egyensúlyként írható le.

A lefölözés során a hasznos terhelésre ható aerodinamikai erők a következő egyenletekkel számíthatók ki:

• Emelőerő (LLL): A hasznos teher aerodinamikai alakja generálja, lehetővé téve a légkör "lefölözését".

L=12ρv2SCLL = \frac{1}{2} \rho v^2 S C_LL=21ρv2SCL

hol:

• ρ\rhoρ a levegő sűrűsége.
• vvv a hasznos teher sebessége.
• Az SSS a hasznos teher referenciafelülete.
• CLC_LCL az emelési együttható, amely a támadás alakjától és szögétől függ.
• Húzóerő (DDD): A hasznos teher által a légköri súrlódás miatt tapasztalt ellenállás.

D=12ρv2SCDD = \frac{1}{2} \rho v^2 S C_DD=21ρv2SCD

hol:

• CDC_DCD a húzási együttható.

Az emelés és a húzás közötti optimális egyensúly határozza meg a lefölözési manőver hatékonyságát. A CL/CDC_L / C_DCL/CD maximalizálásával a hasznos teher hatékonyan használhatja a légkört pályájának lassítására vagy stabilizálására túlzott hőfelhalmozódás vagy energiaveszteség nélkül.

Hővédelmi rendszerek (TPS)

A hővédelem elengedhetetlen a hasznos teher védelméhez a légköri lefölözés során, mivel a nagy sebességű levegőmolekulákkal való kölcsönhatás intenzív hőt termel a súrlódás és a kompresszió révén. A hasznos teher által tapasztalt hőáram (qqq):

q=εσT4q = \epszilon \szigma T^4q=εσT4

hol:

• ε\epsilonε az anyag emissziós képessége.
• σ\sigmaσ a Stefan-Boltzmann állandó (5,67×10−8 W m−2K−45,67 \times 10^{-8} \, \text{W m}^{-2} \text{K}^{-4}5,67×10−8W m−2K−4).
• TTT a hasznos teher felületi hőmérséklete.

A hőfelhalmozódás mérséklése érdekében a TPS a következőket tartalmazhatja:

• Ablatív bevonatok: Ezek a bevonatok rétegekben égnek el, eloszlatják a hőt és védik az alatta lévő hasznos terhet.
• Sugárzó hőpajzsok: Fényvisszaverő anyagok, amelyek hőt sugároznak a hasznos tehertől.
• Szigetelő rétegek: Alacsony hővezető képességű anyagok a hőátadás lassítására.

A megfelelő TPS kiválasztása a légköri kölcsönhatás konkrét sebességétől, szögétől és időtartamától függ.

Hasznos teher rögzítési dinamikája

A sikeres légköri lefölözés után a következő lépés a hasznos teher stabil pályára állítása egy MOLN csomópont körül. Ez a folyamat a sebesség pontos beállítását igényli, amelyet delta-v (Δv\Delta vΔv) néven ismerünk, hogy elérjük a kívánt pályaparamétereket:

Δv=vf−vi\Delta v = v_f - v_i Δv=vf−vi

hol:

•  vfv_fvf  a végső keringési sebesség.
•  viv_ivi  a kezdeti lefölözési sebesség.

Kis hajtóművek vagy mágneses hevederek használatával a MOLN csomóponttal a hasznos teher ellenőrzött manővereket hajthat végre sebességének és röppályájának beállítására, lehetővé téve a zökkenőmentes integrációt a MOLN hálózatba.

---

5.3.2 Gyors stabilizációs és pályakorrekciós eljárások

Miután a hasznos terhet befogták egy alacsony pályán keringő csomópontba, gyors stabilizációs és pályakorrekciós eljárásokra van szükség a biztonságos és hatékony pozicionálás biztosításához a MOLN hálózaton keresztül történő további szállításhoz.

Keringési körforgás

A keringési pálya az a folyamat, amikor egy elliptikus pályát egy közel kör alakú pályává módosítanak egy MOLN csomópont körül. A Hohmann-transzfer egy gyakori manőver, amelyet ennek elérésére használnak, és számított sebességváltozást igényel (Δv\Delta vΔv):

Δvcircularize=GMrf−GMri\Delta v_{\text{circularize}} = \sqrt{\frac{GM}{r_f}} - \sqrt{\frac{GM}{r_i}}Δvcircularize=rfGM−riGM

hol:

• GGG a gravitációs állandó.
• MMM a központi test (pl. Föld) tömege.
•  rfr_frf  és rir_iri a végső és a kezdeti keringési sugár.

Aktív stabilizálás

Az alacsony pályán történő műveletek során kritikus fontosságú a hozzáállás és a tájékozódás fenntartása. Az aktív stabilizáló rendszerek, például  a reakciós kerekek és  a vezérlőnyomaték-giroszkópok (CMG-k) pontosan szabályozzák a hasznos teher irányát. Az ezen eszközök által generált nyomatékot (τ\tauτ) a következő képlet írja le:

τ=I⋅α\tau = I \cdot \alphaτ=I⋅α

hol:

• III a tehetetlenségi nyomaték.
• α\alphaα a szöggyorsulás.

A CMG-k különösen előnyösek az alacsony pályán történő stabilizáláshoz, mivel képesek nagy nyomatékot biztosítani a tömeg kiürítése nélkül, így megtakarítva az üzemanyagot az orbitális beállításokhoz.

A pályakorrekciók finomhangolása

A MOLN hálózaton belüli pontos pozicionáláshoz, például a magasság, a dőlésszög vagy a fázis beállításához pályakorrekciókra van szükség. A kis tolóerő-égések ezeket a korrekciókat fedélzeti meghajtórendszerekkel, például ionhajtóművekkel vagy hideggáz-hajtóművekkel érhetik el.

A tolóerő fajlagos impulzusa (IspI_{sp}Isp) határozza meg annak hatékonyságát a szükséges delta-v biztosításában:

isp=Fm ̇ g0I_{sp} = \frac{F}{\dot{m} g_0}Isp=m ̇g0F

hol:

• FFF a tolóerő.
• m ̇\dot{m}m ̇ a hajtóanyag tömegárama.
• g0g_0g0 a standard gravitációs gyorsulás (9,81 m/s29,81 \, \text{m/s}^29,81m/s2).

A nagy IspI_{sp}ISP hajtóművek, akárcsak az ionhajtóművek, hatékony pályakorrekciót biztosítanak, lehetővé téve a hasznos teher számára, hogy minimális üzemanyag-fogyasztás mellett tartsa pályáját.

---

Vizuális elemek

A légköri lefölözés és az alacsony pályán végzett műveletek jobb megértése érdekében a következő vizuális elemek használhatók:

• Skimming pályadiagramok: A hasznos teher légkörön keresztüli útjának szemléltetése, az emelkedés, a húzás és a stabil pályára való átmenet bemutatása.
• Hővédelmi rendszer (TPS) keresztmetszetek: A hővédő pajzsok, ablatív anyagok és szigetelőszerkezetek különböző rétegeinek bemutatása.
• Orbitális körkörös látvány: Egy elliptikus pálya kör alakú pályára történő előrehaladásának bemutatása Hohmann átviteli manőverek segítségével.
• Stabilizációs mechanizmus diagramok: A reakciós kerekek és CMG-k működését ábrázolja a hasznos teher helyzetének beállítására és stabilizálására.

---

Következtetés

A légköri lefölözés és az alacsony pályán végzett műveletek hidat képeznek a Föld felszíne és a MOLN hálózat keringési pályái között. Az aerodinamikai erők, a hővédelem, a stabilizálás és a pályakorrekciók hatékony kezelésével a MOLN rendszer lehetővé teszi a hasznos teher hatékony átvitelét, pozicionálását és további integrálását az orbitális szállítóhálózatba.

6.1 Visszatápláló fékezés és mozgási energia visszanyerés

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) esetében az energiahatékonyság kritikus tényező a hosszú távú működés fenntartásában és az energiaköltségek minimalizálásában. Az erre a célra használt egyik elsődleges technika a regeneratív fékezés, amely lassítás közben összegyűjti a mozgó hasznos terhek mozgási energiáját, és felhasználható elektromos energiává alakítja. Ez a rész feltárja a regeneratív fékezés alapelveit, a kinetikus energia-visszanyerésben részt vevő technológiát és azok alkalmazását a MONN-on belül az energiafelhasználás optimalizálása érdekében.

---

6.1.1. Elektromágneses fékrendszerek

A visszatápláló fékezés alapelvei

A visszatápláló fékezés a hasznos teher vagy jármű lassításának folyamata, miközben mozgási energiáját (EkE_kEk) visszaalakítják elektromos energiává, amelyet későbbi felhasználásra tárolhatnak. Ezt egy elektromágneses fékrendszerrel érik el  , amelyben a hasznos teher mozgása ellentétes elektromágneses erőt generál, amely lelassítja azt.

A mozgó tárgy kinetikus energiáját a következő képlet adja meg:

Ek=12mv2E_k = \frac{1}{2} mv^2Ek=21mv2

hol:

• mmm a hasznos teher tömege.
• VVV a sebessége.

Ahelyett, hogy ezt az energiát hőként oszlatná el, mint a hagyományos fékezésnél, a rendszer elektromágneses indukcióval visszaalakítja elektromos energiává. Amikor egy vezető mágneses mezőn mozog, áram indukálódik a vezetőben, Faraday elektromágneses indukciós törvényét követve:

E=−dΦdt\mathcal{E} = -\frac{d\Phi}{dt}E=−dtdΦ

hol:

• E\mathcal{E}E az elektromotoros erő (EMF).
• Φ\PhiΦ a mágneses fluxus.

Az indukált áram a mozgással ellentétes erőt hoz létre (Lenz törvényének megfelelően), fékhatást biztosítva, miközben villamos energiát termel.

Az elektromágneses fékrendszerek szerkezete

A MOLN elektromágneses fékrendszerei több kulcsfontosságú összetevőből állnak:

1. Tekercsek vagy tekercsek: A pálya sínjeire vannak szerelve, és mozgás közben kölcsönhatásba lépnek a hasznos teher mágneseivel vagy vezető alkatrészeivel.
2. Mágnesek vagy vezetőképes lemezek: Magára a hasznos teherre helyezve kölcsönhatásba lépnek a tekercsek által létrehozott elektromágneses mezővel.
3. Vezérlőrendszerek: Ezek szabályozzák az áramáramlást a tekercsekben, meghatározzák az elektromágneses erő erősségét és dinamikusan állítják be az optimális fékerő és energiaátalakítás elérése érdekében.

A fékezés során keletkező erőt (FBF_BFB) a következő képlet adja meg:

FB=BILF_B = B I LFB=BIL

hol:

• BBB a mágneses térerősség.
• III a vezetőben indukált áram.
• LLL a vezető hossza.

Alkalmazás a MOLN hálózatban

A MOLN-ban elektromágneses fékeket alkalmaznak a kritikus lassulási fázisokban, például:

• Érkezés egy csomóponthoz: Ahogy a hasznos terhek megközelítik a csomópontot dokkoláshoz vagy átvitelhez, a regeneratív fékek lelassítják őket és energiát gyűjtenek.
• Pályabeállítások: Amikor egy hasznos teher pályáját alacsonyabb energiaállapotba való átmenethez vagy egy csomópont sebességéhez igazítja.

A visszanyert energiát visszatáplálják a rendszer szuperkondenzátoraiba vagy akkumulátoros tárolóegységeibe, ahol újra felhasználhatók a sínek vagy a MOLN egyéb alkatrészeinek táplálására.

---

6.1.2 A lassulási energia tárolása és újrafelhasználása

Kinetikus energia-visszanyerés és -átalakítás

A fékezés során visszanyert mozgási energia elektromos energiává alakul, és hatékony tárolórendszereket igényel a minimális veszteség biztosítása érdekében. A szuperkondenzátorok és  a nagy sűrűségű akkumulátorok az erre a célra használt elsődleges tárolási technológiák.

A mozgási energiából előállított teljesítményt (PPP) a következőképpen kell kiszámítani:

P=dEkdtP = \frac{dE_k}{dt}P=dtdEk

Ennek az energiának a hatékony tárolásához olyan rendszerekre van szükség, amelyek gyorsan tölthetők és kisülhetnek, minimális veszteséggel az idő múlásával. A MOLN hálózatban a szuperkondenzátorok döntő szerepet játszanak, mivel képesek kezelni a nagy energiasűrűséget és a gyors töltési ciklusokat, így ideálisak a rövid távú, nagy energiájú átvitelhez.

Energiatároló rendszer tervezése

1. Szuperkondenzátorok: A hagyományos akkumulátorokkal ellentétben a szuperkondenzátorok nem kémiai, hanem elektrosztatikusan tárolják az energiát, lehetővé téve a gyors energiaelnyelést és kisülést. Nagy teljesítménysűrűséggel és hosszú életciklussal rendelkeznek, így kiválóan alkalmasak a MOLN gyors lassulási eseményeiből származó energia befogására. A szuperkondenzátorban (EscE_{sc}Esc) tárolt energiát a következő képlet adja meg:

Esc=12CV2E_{sc} = \frac{1}{2} C V^2Esc=21CV2

hol:

• CCC a kapacitás.
• VVV a kondenzátor feszültsége.

A rendszer kialakítása egy sor szuperkondenzátort tartalmaz, amelyek a MOLN csomópontjain vannak elosztva a hatékony és kiegyensúlyozott energialeválasztási folyamat biztosítása érdekében. Ezeknek a kondenzátoroknak a modularitása könnyű karbantartást és méretezhetőséget tesz lehetővé az energiaigény növekedésével.

2. Akkumulátoros tárolóegységek: A visszanyert energia hosszabb távú tárolására nagy sűrűségű lítium-ion akkumulátorokat használnak. Ezek az akkumulátorok nagyobb energiasűrűséggel, de kisebb teljesítménysűrűséggel rendelkeznek, mint a szuperkondenzátorok, így alkalmasak az idő múlásával történő állandó energiafelhasználásra, nem pedig gyors töltési-kisütési ciklusokra. Az akkumulátorban (EbatE_{bat}Ebat) tárolt energia a következőképpen közelíthető:

Ebat=QVE_{denevér} = Q VEbat=QV

hol:

• A QQQ az akkumulátor töltési kapacitása.
• VVV az üzemi feszültség.

Az akkumulátorokat stratégiailag az egész MOLTN-ban elhelyezik, hogy kiegyensúlyozzák az energiaterhelést és biztosítsák az energia rendelkezésre állását a tartós energiát igénylő műveletekhez, például mágneses síngyorsításhoz vagy csomópont-stabilizáláshoz.

Energia-újrafelhasználás a MOLN hálózatban

A visszatápláló fékezés során visszanyert energiát nemcsak tárolják, hanem dinamikusan újra felhasználják a MOLN teljes területén. Íme néhány az elsődleges alkalmazások közül:

• Síngyorsulási lökések: A szuperkondenzátorokban tárolt energia gyorsan kiüríthető az elektromágneses sínek táplálására, amikor egy hasznos teher gyorsítást igényel, minimalizálva az elsődleges energiaforrásokból származó energiafelvételt.
• Csomópont-műveletek áramellátása: A tárolt energiát a MOLN csomópontok különböző rendszereinek táplálására használják, beleértve a kommunikációs rendszereket, a stabilizáló hajtóműveket és a hasznos teherkezelő mechanizmusokat.
• Tartalék és vészhelyzeti áramellátás: Olyan helyzetekben, amikor az elsődleges áramforrás nem áll rendelkezésre vagy nem elegendő, a visszatápláló fékezésből származó energia tartalékként szolgálhat, biztosítva a kritikus rendszerek folyamatos működését.

Vezérlő algoritmusok az energiaoptimalizáláshoz

A MOLN hálózat egy sor vezérlő algoritmust használ a kinetikus energia-visszanyerés és -tárolás hatékonyságának maximalizálására. Ezek az algoritmusok a következők:

1. Prediktív fékvezérlés: Az AI és a prediktív modellezés segítségével a MOLN előre láthatja, hogy mikor lesz szükség fékezésre, és ennek megfelelően beállíthatja a mágneses mezőket az energia-visszanyerés maximalizálása érdekében.
2. Adaptív tápellátás: Az energia befogása után a rendszer meghatározza az optimális elosztást – vagy a szuperkondenzátorok felé azonnali újrafelhasználás céljából, vagy az akkumulátorok felé a hosszabb távú tárolás érdekében.
3. Dinamikus terheléselosztás: Az egyes tárolóegységek túlterhelésének elkerülése érdekében a hálózat dinamikusan kiegyensúlyozza az energiaáramlást, biztosítva az egységes töltési/kisütési ciklust az összes csomóponton. Ez meghosszabbítja a tárolóelemek élettartamát és fenntartja a hatékonyságot.

Az algoritmusok figyelembe veszik a hálózat aktuális működési állapotát, az energiaigényt és az előre jelzett energiaigényt az ütemezett hasznos terhelések átvitele és a csomópont-tevékenység alapján.

---

6.1.3 Példaeset: Energia-visszanyerés hasznos teher dokkolásakor

Annak szemléltetésére, hogy a regeneratív fékezés és a kinetikus energia-visszanyerés hogyan működik a MOLN-ban, vegyünk egy tipikus forgatókönyvet, amikor a hasznos tehernek lassulnia kell, mielőtt dokkolna egy csomóponttal.

1. Megközelítési fázis: Ahogy a hasznos teher közeledik a csomóponthoz, nagy relatív sebességgel halad. A csomópont elektromágneses sínek aktiválódnak, hogy ellensúlyozó mágneses erőt generáljanak a hasznos teher vezető elemeire.
2. Lassulás és energiarögzítés: A hasznos teher lassulni kezd, és a mozgási energia elektromos energiává alakul az elektromágneses fékrendszer indukált áramán keresztül. Ez az energia azonnal átkerül a csomópontban található szuperkondenzátorokba.
3. Energiatárolás és újraelosztás: A begyűjtött energiát ezután a csomópont működési igényei alapján osztják el. Ha azonnali energiára van szükség a későbbi hasznos teherátvitelhez, akkor azt a szuperkondenzátorokhoz vezetik. Ha nem, akkor későbbi felhasználás céljából átkerül az akkumulátoros tárolóegységekbe.
4. Újrafelhasználás és hatékonyságoptimalizálás: Amint a hasznos teher biztonságosan dokkolva van, az energia újra felhasználható a csomópont rendszereinek táplálására, a hasznos teher feldolgozásának kezdeményezésére, vagy visszaküldhető a MOLN hálózatba a jövőbeli átviteli eseményekhez.

Ezt a regeneratív fékezési folyamatot úgy tervezték, hogy nagy hatékonyságot érjen el, az energia-visszanyerési arány gyakran meghaladja  a 80% -ot, a hasznos teher tömegétől, sebességétől és az elektromágneses fékrendszer kapacitásától függően.

---

Grafikus elemek

A visszatápláló fék- és kinetikus energia-visszanyerő rendszer jobb megértése érdekében a következő vizuális elemek szerepelhetnek:

1. Az energia-visszanyerési folyamat folyamatábrája: Az energialeválasztás, -átalakítás, -tárolás és -újrafelhasználás egymást követő folyamatát bemutató folyamatábra. Ez a diagram kiemelheti az érintett alkatrészeket, például az elektromágneses fékeket, a szuperkondenzátorokat és az akkumulátorokat.
2. Az elektromágneses fékmechanizmus illusztrációja: Keresztmetszeti diagram, amely bemutatja, hogyan hat a hasznos teher a csomópont mágneses sínjeire, részletezve a tekercsek, vezető elemek és vezérlőrendszerek elhelyezését.
3. A kinetikus energia és a visszanyert energia grafikonja: A hasznos teher mozgási energiája és a fékezés során visszanyert energia mennyisége közötti kapcsolatot bemutató grafikon, amely bemutatja a folyamat hatékonyságát.
4. A szuperkondenzátor és az akkumulátor integrációjának áramköri rajza: Egyszerűsített elektromos áramkör, amely megmutatja, hogyan csatlakoznak a szuperkondenzátorok és az akkumulátorok az optimális töltési-kisütési ciklusok érdekében a MOLN csomóponton belül.

A MOLN-on belüli regeneratív fékezés és kinetikus energia-visszanyerés alkalmazásával a hálózat magas működési hatékonyságot ér el, csökkenti az energiaköltségeket és támogatja a fenntartható űrszállítási műveleteket. Ez a megközelítés nemcsak a hasznos teher gyors mozgatását és továbbítását teszi lehetővé, hanem minimalizálja a hálózat teljes energiafelhasználását is, így a MOLN önfenntartó, adaptálható rendszerré válik a jövő űrlogisztikájához.

6.2 Napenergia betakarítás és energiasugárzás

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) megújuló energiaforrásokra támaszkodik működési hatékonyságának fenntartása és hosszú távú funkcionalitásának lehetővé tétele érdekében. A napenergia-betakarítás és az energiasugárzás a MOLN csomópontok energetikai infrastruktúrájának kulcsfontosságú elemei, lehetővé téve a fenntartható, nagy hatékonyságú energiatermelést és elosztást az orbitális hálózaton.

6.2.1 Napelemes rendszerek kialakítása a nagy hatékonyságú energiagyűjtéshez

A napenergia bőséges és hatékony az űrben, így a MOLN csomópontok elsődleges energiaforrása. A csomópontok fejlett napelemekkel vannak felszerelve, amelyek maximalizálják az energiafelvételt, miközben megőrzik a szerkezeti integritást és minimalizálják a súlyt. Ezek a napelemek gyakran rugalmas, vékonyrétegű napelemek vagy többcsomópontú fotovoltaikus cellák, amelyeket nagy energiaátalakítási sebességre és tartósságra optimalizáltak a nehéz térbeli körülmények között.

A napelemek fő tervezési szempontjai

1. Nagy hatékonyságú fotovoltaikus cellák: Az energiaátalakítás maximalizálása érdekében a napelemeket többcsomópontú cellákkal tervezték, amelyek a napspektrum széles skáláját villamos energiává alakíthatják. A többcsomópontú cellák különböző félvezető anyagokat halmoznak fel, amelyek mindegyike a fény egy adott hullámhossztartományára van hangolva,  és 30-40% -os hatékonyságot ér el.

A napelem rendszer (PsolarP_{solar}Psolar) által termelt energiát a következő képlet adja meg:

Psolar=A⋅Esolar⋅ηP_{solar} = A \cdot E_{solar} \cdot \etaPsolar=A⋅Esolar⋅η

hol:

• AAA: A napelem tömb területe.
• EsolarE_{napenergia}Esolar: Napsugárzás (jellemzően kb. 1361 W/m² az űrben).
• η\etaη: A fotovoltaikus cella hatásfoka.
1. Orientációs és követési mechanizmusok: A napelemek kardántengelyekre vannak felszerelve, amelyek lehetővé teszik a napkövetést a beesési szög optimalizálása és az energiabefogás maximalizálása érdekében. Azáltal, hogy tájolásukat úgy állítják be, hogy merőlegesek maradjanak a napsugarakra, a tömbök fenntarthatják az optimális energiatermelést a csomópont pályáján.
2. Telepíthető szerkezetek a helytakarékosság érdekében: Szállítás közben vagy használaton kívül a napelemek kompakt formában tárolhatók. Telepítéskor nagy felületet fednek le, biztosítva a maximális napfénynek való kitettséget, miközben csökkentik a hasznos teher indítási térfogatát.
3. Napelemek hőkezelése: Az űrben lévő napelemek magas hőmérsékletet érhetnek el, ami potenciálisan csökkentheti hatékonyságukat. Ennek csökkentése érdekében a MOLN sugárzó hűtőfelületeket és hővezető anyagokat  alkalmaz a hő hatékony eloszlatására és az optimális üzemi hőmérséklet fenntartására.

Példák napelemes konfigurációkra

• Rögzített paneles tömbök: A csomópont viszonylag helyhez kötött részein telepítve ezek a tömbök konzisztens alapszintű áramellátást biztosítanak.
• Forgó tömbök: A csomópont dinamikus elemeihez, például kötésekhez vagy mozgó karokhoz csatlakoztatva ezek a tömbök foroghatnak vagy eltolódhatnak az energiagyűjtés maximalizálása érdekében.

6.2.2. Sugárhajtású erőátviteli és -vételi rendszerek

A MOLN hálózat hatékony energiaelosztásának lehetővé tétele és más űrhajók vagy földi létesítmények potenciális áramellátása érdekében a MOLN energiasugárzási technológiát alkalmaz. Ez magában foglalja az energia vezeték nélküli továbbítását mikrohullámokon vagy lézereken  keresztül az energiában gazdag csomópontoktól más csomópontokhoz vagy célokhoz.

Mikrohullámú és lézeres teljesítménysugárzási elvek

Az energiasugárzás koncepciója magában foglalja a napenergia elektromágneses hullámokká történő átalakítását, amelyeket ezután egy rectennákkal (egyenirányító antennákkal) vagy fotovoltaikus vevőkkel  felszerelt célpont felé irányítanak, hogy a sugarat elektromos energiává alakítsák vissza.

1. Erőátviteli számítás

A sugárzó forrás (PtransP_{trans}Ptrans) által továbbított teljesítményt a következők szabályozzák:

Ptrans=Psolar⋅ηconvP_{trans} = P_{napenergia} \cdot \eta_{conv}Ptrans=Psolar⋅ηconv

hol:

• PsolarP_{napenergia}Psolar: Napelemekből gyűjtött energia.
• ηconv\eta_{conv}ηconv: Az elektromos energiáról mikrohullámú/lézeres teljesítményre történő átalakítás hatékonysága (jellemzően 50-70% körül).
1. Sugárterjedés és veszteségek

A céltárgynál vett teljesítményt (PrecvP_{recv}Precv) az adó és a vevő közötti távolság, valamint a sugár divergenciája és csillapítása határozza meg:

Precv=Ptrans⋅ηprop⋅ηrecvP_{recv} = P_{trans} \cdot \eta_{prop} \cdot \eta_{recv}Precv=Ptrans⋅ηprop⋅ηrecv

hol:

• ηprop\eta_{prop}ηprop: A nyaláb terjedésének hatékonysága (függ a távolságtól és a nyaláb divergenciájától).
• ηrecv\eta_{recv}ηrecv: A teljesítményátalakítás hatékonysága a vevő végén (jellemzően 40-90% körül).

A divergencia miatti effektív sugárteljesítmény-veszteség a nyaláb hullámhosszának (λ\lambdaλ), az adó rekeszátmérőjének (DtransD_{trans}Dtrans), valamint az adó és a vevő közötti távolságnak (ddd) a függvénye:

θdiv=λDtrans\theta_{div} = \frac{\lambda}{D_{trans}}θdiv=Dtransλ

hol:

• θdiv\theta_{div}θdiv: Nyaláb divergencia szög.
2. Az energiasugárzás típusai
• Mikrohullámú sugárnyaláb: A GHz-es tartományban lévő frekvenciákat használ, lehetővé téve a viszonylag alacsony veszteségeket az átvitel során. A Rectennas hatékonyan alakítja vissza a mikrohullámokat elektromos árammá, így ez a módszer alkalmas a MOLN-on belüli nagyobb távolságú sugárnyalábra.
• Lézeres teljesítménysugárzás: Nagy fókuszú, koherens fénysugarakat használ, általában infravörös  vagy látható spektrumban. A lézersugarak sokkal keskenyebb divergenciával rendelkeznek, mint a mikrohullámok, ami nagyobb teljesítménysűrűséget tesz lehetővé a vevőnél, de pontos célzást és rálátást igényelnek.

Dinamikus teljesítményelosztás

A MOLN egy adaptív energiaelosztó rendszert  tartalmaz, amely AI algoritmusok segítségével határozza meg az energia optimális elosztását a hálózat működési követelményei alapján. A rendszer valós időben értékeli az energiaigényt, a rendelkezésre álló napenergia-kapacitást és a potenciális sugárzási útvonalak hatékonyságát a kiegyensúlyozott és hatékony energiaáramlás biztosítása érdekében.

1. Prioritás alapú útválasztás: A kritikus csomópontok vagy hasznos terhelési műveletek elsőbbséget élvezhetnek az azonnali energiaigényük alapján történő besugárzás fogadására, biztosítva, hogy a nagy energiaigényű feladatok hatékonyan elkészüljenek.
2. Terheléselosztási protokollok: A felesleges energiatermelési képességgel rendelkező csomópontok energiát sugároznak a hiányosaknak, fenntartva az energiaegyensúlyt az egész hálózaton.

Vezérlési algoritmusok a sugárzás hatékonyságához

A MOLN energiasugárzása pontos szabályozást igényel a sugár beállításának fenntartása, az energiaveszteségek minimalizálása és a biztonságos működés biztosítása érdekében. A legfontosabb kontrollrendszerek a következők:

• Nyalábmutató algoritmusok: Az igazítás fenntartása érdekében a MOLN visszacsatolási hurkokat és érzékelőalapú beállításokat  használ a sugár helyzetének valós idejű nyomon követésére és korrigálására, kompenzálva az orbitális mozgást és a környezeti zavarokat.
• Adaptív nyalábintenzitás-szabályozás: A vevő károsodásának megelőzése és az optimális konverziós hatékonyság biztosítása érdekében a sugár teljesítményintenzitását dinamikusan állítják be a távolság és a vételi körülmények alapján.

Grafikus elemek

A napenergia betakarításának és az energiasugárzásnak a MOLN-ban történő vizuális átláthatósága érdekében a következő ábrákat javasoljuk:

1. Napelemek telepítési diagramja: A napelemek telepítésének szakaszait bemutató ábra, a tárolt konfigurációtól a teljes expozícióig.
2. Sugárzási útvonal illusztráció: Egy diagram, amely bemutatja, hogyan sugározzák az energiát két csomópont között, beleértve az adót, a nyaláb útját és a vevő alkatrészeit.
3. Teljesítmény-áramlási diagram: Folyamatábra, amely bemutatja, hogyan mozog az energia a MOLN hálózaton, a napenergia befogásától az elosztásig a sugárzáson és a végső felhasználáson keresztül.
4. Hatékonysági grafikonok: A napenergia-átalakítás és az energiasugárzás hatékonyságát különböző körülmények között, például sugártávolság, divergencia és vevőszög mellett mutató grafikonok.

---

A napenergia-betakarítás és az energiasugárzás kihasználásával a MOLN robusztus, rugalmas és skálázható energiainfrastruktúrát ér el. Ez a megközelítés nemcsak konzisztens, megújuló energiát biztosít a csomópontok számára, hanem lehetővé teszi a hatékony energiamegosztást és erőforrás-gazdálkodást az orbitális hálózat egészében, csökkentve a hagyományos üzemanyagforrásoktól való függőséget és javítva az űrműveletek fenntarthatóságát.

6.3 Hőszabályozás és energiaelvezetés

A hőkezelés kritikus fontosságú az űrkörnyezetben az optimális üzemi hőmérséklet fenntartása és a berendezések meghibásodásának megelőzése érdekében. A MOLN (Modular Orbital Launch Network) számos hőszabályozó és energiaelvezető rendszert alkalmaz, amelyeket a napenergia-betakarítás, a meghajtórendszerek és a hasznos teher mozgása által generált intenzív hőterhelések kezelésére terveztek. A hatékony hőelvezetés biztosítja az alkatrészek megbízhatóságát és hosszú élettartamát szélsőséges hőmérséklet-ingadozások esetén, a közvetlen napfűtéstől a Föld pályáján belüli hideg árnyékokig.

6.3.1 Fejlett radiátor kialakítások

A MOLN hőszabályozásának elsődleges módszere a sugárzó hűtés, amelyet nagy hatékonyságú radiátorok használatával érnek el. Mivel a tér vákuumában nincs konvektív vagy vezetőképes hőátadás, a sugárzás az egyetlen életképes módszer a felesleges hő elutasítására.

Sugárzó hőátadási elvek

A felület által kisugárzott teljesítményt (PradP_{rad}Prad) a Stefan-Boltzmann törvény adja meg:

Prad=ε⋅σ⋅A⋅T4P_{rad} = \epsilon \cdot \sigma \cdot A \cdot T^4Prad=ε⋅σ⋅A⋅T4

hol:

• ε\epsilonε: A radiátor anyagának emissziós képessége (jellemzően 0,8 - 0,95  között nagy teljesítményű felületeken).
• σ\sigmaσ: Stefan-Boltzmann állandó (5.67×10−8 W⋅m−2⋅K−45.67 \times 10^{-8} \ \mathrm{W \cdot m^{-2} \cdot K^{-4}}5.67×10−8 W⋅m−2⋅K−4).
• AAA: A radiátor felülete.
• TTT: A radiátor felületi hőmérséklete (Kelvinben).

Az emissziós képesség és a felület maximalizálásával a radiátorok hatékonyan vezetik ki a hulladékhőt az űrbe. A MOLN radiátorait úgy tervezték, hogy a rendszer károsítása nélkül működjenek a hatékony hőelvezetésre optimalizált hőmérsékleten.

A radiátorok típusai

1. Hurkos hőcsöves radiátorok (LHP-k): Az LHP-k olyan típusú hőcsöves radiátorok, amelyek munkafolyadékot használnak a hő szállítására a forró alkatrészektől a radiátor felületére. Önszabályozóak és rendkívül hatékonyak, fenntartják a hőegyensúlyt az egész rendszerben azáltal, hogy a munkafolyadék áramlási sebességét a hőterhelés alapján módosítják.
2. Telepíthető radiátorok: Ezeket a radiátorokat az indítás során kompaktan tárolják, majd pályára állítják. Nagy vezetőképességű anyagokból, például alumíniumból vagy szénkompozitokból állnak, és nagy emissziós felületekkel  vannak bevonva a sugárzási hatékonyság javítása érdekében.
3. Folyadékhurkos radiátorok: Csövek és panelek hálózata keringeti a hűtőfolyadékot a csomópont szerkezetében. A fűtött hűtőfolyadék a radiátorpanelekbe áramlik, ahol infravörös energiát sugároz az űrbe. Ezeket a rendszereket úgy tervezték, hogy könnyen integrálhatók legyenek más hőtermelő rendszerekkel, például energiatároló egységekkel és meghajtóelemekkel.

Hővezető képesség és felületoptimalizálás

A radiátorok hatékonysága az anyag hővezető képességétől (kkk) és a rendszer kialakításától függ:

q=−k⋅A⋅dTdxq = -k \cdot A \cdot \frac{dT}{dx}q=−k⋅A⋅dxdT

hol:

• qqq: Hőátadási sebesség.
• kkk: Az anyag hővezető képessége.
• AAA: Keresztmetszeti terület a hőátadáshoz.
• dTdx\frac{dT}{dx}dxdT: Hőmérsékleti gradiens az anyagon.

A magas hővezető képességű anyagok (pl. alumínium, réz) használatával a radiátorokon keresztüli hőátadás maximalizálható, ami lehetővé teszi a hatékony elvezetést.

6.3.2 Hőt villamos energiává alakító technológiák

A műveletek során keletkező felesleges hőenergia visszaalakítható tárolt vagy felhasználható elektromos energiává, javítva ezzel a rendszer általános hatékonyságát. Ezt termoelektromos generátorok (TEG) vagy termofotovoltaikus (TPV) cellák segítségével érik el.

Termoelektromos generátorok (TEG)

A TEG-ek a Seebeck-effektust használják a hő közvetlen átalakítására villamos energiává. Kompaktak és rendkívül megbízhatóak, mozgó alkatrészek nélkül, így alkalmasak az űrkörnyezetben való használatra.

1. Seebeck-hatás: A hőmérsékleti gradiens (ΔT\Delta TΔT) termoelektromos anyagon keresztül feszültséget (VVV) indukál, lehetővé téve a hő elektromos energiává alakítását.

V=S⋅ΔTV = S \cdot \Delta TV=S⋅ΔT

hol:

• SSS: Az anyag Seebeck-együtthatója.
• ΔT\Delta TΔT: A hideg és meleg oldal közötti hőmérsékletkülönbség.
1. A TEG kimenő teljesítménye: A termelt villamos energiát (PTEGP_{TEG}PTEG) a következő képlettel számítják ki:

PTEG=ηTEG⋅qinP_{TEG} = \eta_{TEG} \cdot q_{in}PTEG=ηTEG⋅qin

hol:

• ηTEG\eta_{TEG}ηTEG: A termoelektromos átalakulás hatásfoka (jellemzően 5-10% körül).
• qinq_{in}qin: Hőbevitel a TEG-be.

Termofotovoltaikus (TPV) cellák

A TPV rendszerek úgy működnek, hogy a forró forrásból származó infravörös sugárzást speciális fotovoltaikus cellák segítségével villamos energiává alakítják.

1. Működési elv: A hulladék hőenergiával fűtött kibocsátó infravörös fotonokat sugároz, amelyeket a TPV cella rögzít, és villamos energiát termel. A cellákat az infravörös sugárzás specifikus hullámhossztartományára hangolják az optimális hatékonyság érdekében.
2. Hatékonysági szempontok: A TPV cellák hatásfoka (ηTPV\eta_{TPV}ηTPV) függ az emitter hőmérsékletétől és a sejtanyag sávszélességétől:

ηTPV=PelecPrad\eta_{TPV} = \frac{P_{elec}}{P_{rad}}ηTPV=PradPelec

hol:

• PelecP_{elec}Pelec: Elektromos teljesítmény.
• PradP_{rad}Prad: Sugárzási teljesítmény esemény a cellán.

Hőelosztó és -tároló rendszerek

A hőenergia, amelyet nem alakítanak át azonnal villamos energiává, vagy nem oszlat el radiátorokon keresztül, fázisváltó anyagokban (PCM) vagy termikus elemekben  tárolható későbbi felhasználás céljából.

• Fázisváltó anyagok: A PCM-ek energiát tárolnak a fázisváltás során szilárdról folyékonyra vagy folyékonyról gázra. Amikor a hőterhelés csökken, a tárolt hő visszavezethető a rendszerbe.
• Termikus akkumulátorok: Ezek az akkumulátorok reverzibilis kémiai reakciókat használnak a hőenergia igény szerinti tárolására és felszabadítására, pufferként működve a nagy hőterhelésű műveletek során.

Grafikus elemek

A MOLN hőszabályozási és energialeadási folyamatának vizuális ábrázolásához a következő ábrák javasoltak:

1. Radiátor hatékonysági grafikonok: Illusztrációk, amelyek bemutatják, hogyan teljesítenek a különböző radiátorok különböző hőterhelések és hőmérséklet-tartományok mellett.
2. Termoelektromos konverziós diagram: A Seebeck-effektus vizuális ábrázolása, amely megmutatja, hogyan alakítja át a hőt elektromos energiává egy TEG.
3. TPV rendszer sematikus: A kibocsátót, az infravörös sugárzást és a TPV cella szerepét részletező diagram a hő villamos energiává alakításában.
4. Termikus áramlási diagramok: Rendszerfolyamatábra, amely bemutatja, hogyan keletkezik, továbbítódik és kezelhető a hő a MOLN csomópont különböző összetevői között, az energiatermeléstől a hőelvezetésig.

Hőszabályozó vezérlő algoritmusok

A MOLN csomópontok hőkezelési algoritmusokat  használnak a hőterhelés felügyeletére és beállítására az egész rendszerben. Ezen algoritmusok legfontosabb összetevői a következők:

• Valós idejű hőmérséklet-felügyelet: A csomópontban található hőmérséklet-érzékelők sorával a rendszer észlelheti a forró pontokat és beállíthatja a radiátor tájolását, további hűtőrendszereket telepíthet, vagy szükség szerint aktiválhatja a hő-villamos energiát átalakító egységeket.
• Prediktív terheléselosztás: Az algoritmus a rendszer aktivitása (pl. meghajtási lökések, energiatermelés) alapján előrejelzi a jövőbeli hőterheléseket, és optimalizálja a hőelvezetés időzítését a hatékonyság maximalizálása érdekében.
• Adaptív hőelosztás: A rendszer dinamikusan újraosztja a hőt a csomópont különböző területei között az egyenletes hűtés biztosítása és a lokalizált túlmelegedés megelőzése érdekében. Ezt a hűtőfolyadék áramlási sebességének, a radiátor telepítésének és a hőtárolási mechanizmusoknak a beállításával érik el.

---

Ezeknek a fejlett hőszabályozási technikáknak az integrálásával a MOLN kiegyensúlyozott megközelítést ér el az űrkörnyezetben a hő kezelésében, a rendszer stabilitásának fenntartásában és az általános energiahatékonyság javításában innovatív hőelvezetési és átalakítási módszerek révén.

7.1 Moduláris csomópontbővítés és frissítések

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) csomópontok kialakítása eredendően moduláris, hogy lehetővé tegye az egyszerű bővítést, frissítést és testreszabást, hogy megfeleljen a változó küldetési követelményeknek. Ez a modularitás biztosítja, hogy a hálózat alkalmazkodni tudjon az új hasznos teherbíráshoz, küldetésprofilokhoz, technológiai fejlesztésekhez és űrszállítási igényekhez, hozzájárulva a hosszú távú fenntarthatósághoz és funkcionalitáshoz.

7.1.1 Vágányok és elektromágneses sínek hozzáadása

Vágány és sín modularitás

Minden MOLN csomópont elektromágneses sínrendszerekkel van felszerelve, amelyek megkönnyítik a hasznos terhelések gyorsulását és lassítását. A növekvő forgalomhoz való alkalmazkodás vagy új funkciók lehetővé tétele érdekében a vágányokat és síneket modulárisra tervezték:

• Szegmentált sínszakaszok: A sínszerkezet szabványosított szegmensekből vagy modulokból épül fel, amelyek lineárisan adhatók hozzá. A sínrendszer hosszát (LtotalL_{total}Ltotal) a következő képlet adja meg: Ltotal=n⋅LsegmentL_{total} = n \cdot L_{segment}Ltotal=n⋅Lsegment ahol:
• nnn a szegmensek száma.
• LsegmentL_{segment}Lsegment az egyes szegmensek hossza.

Ez lehetővé teszi a csomópontok számára, hogy a sínhosszt a hasznos terhelés követelményeihez igazítsák, például nagyobb tömeghez vagy nagyobb gyorsulási igényekhez. A hasznos teher teljes aaa gyorsulása a pálya hosszától és a generált mágneses erőtől függ, a következő képlet szerint:

a=Fmagma = \frac{F_{mag}}{m}a=mFmag

hol:

• FmagF_{mag}Fmag a vasúti rendszer által kifejtett mágneses erő.
• mmm a hasznos teher tömege.

Vasúti összeköttetés és felcserélhetőség

A síneket úgy tervezték, hogy univerzálisan kompatibilisek legyenek, biztosítva a felcserélhetőséget és lehetővé téve a hasznos terhek zökkenőmentes átvitelét a különböző csomópontok között. Az elektromos és mágneses alkatrészek szabványos interfészei lehetővé teszik a további sínek zökkenőmentes integrálását anélkül, hogy jelentős újrakábelezést vagy átalakítást kellene végezni.

1. Elektromágneses interfész csatlakozók: Minden szegmens interfész csatlakozókkal van felszerelve, amelyek összehangolják a mágneses mezőket a szomszédos sínek között.
2. Power Bus integráció: Az integrált energiabusz lehetővé teszi az energia elosztását az összes szegmens között, biztosítva, hogy az újonnan hozzáadott sínek a központi energiatároló rendszerből vagy a napenergiából származnak.

Mágneses levitációs és vezérlőrendszerek

Az elektromágneses sínek optimális működéséhez a csomópontok mágneses levitációs és dinamikus vezérlőrendszereket használnak. Ezek a vezérlőrendszerek felelősek a mágneses mezők szinkronizálásáért, a lebegési erő (FlevF_{lev}Flev) kezeléséért és a hasznos teher mozgásához való alkalmazkodásért. A mágneses levitációs erőt a következőképpen számítják ki:

Flev=μ0⋅I1⋅I2⋅A2⋅π⋅dF_{lev} = \frac{\mu_0 \cdot I_1 \cdot I_2 \cdot A}{2 \cdot \pi \cdot d}Flev=2⋅π⋅dμ0⋅I1⋅I2⋅A

hol:

• μ0\mu_0 μ0: A szabad tér permeabilitása.
• I1I_1I1 és I2I_2I2: Áramok a lebegő tekercsekben.
• AAA: A tekercs területe.
• ddd: A tekercsek közötti távolság.

A vezérlő algoritmusok valós időben állítják be a I1I_1I1 és I2I_2I2 a hasznos teher sebessége, helyzete és tömege alapján.

7.1.2 Csomópontcsere és moduláris javítási mechanizmusok

A megbízhatóság biztosítása és az állásidő minimalizálása érdekében a csomópontokat az alkatrészek egyszerű cseréjére és hatékony javítási mechanizmusokra tervezték. Ez csökkenti az üzemeltetési költségeket, és lehetővé teszi a frissítések gyors integrálását.

Gyors leválasztás és csere

A MOLN csomópontok gyors leválasztási mechanizmusokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé teszik a kritikus alkatrészek, például tápegységek, meghajtórendszerek vagy kommunikációs tömbök gyors eltávolítását és cseréjét. A legfontosabb jellemzők a következők:

• Reteszelő mechanizmusok: A biztonságos, de könnyen hozzáférhető reteszelő rendszerek lehetővé teszik az alkatrészek cseréjét a pályán, minimalizálva a bonyolult javítási küldetések szükségességét.
• Szabványosított interfészek: Az összes alkatrész szabványos tápellátási, adat- és szerkezeti csatlakozói megkönnyítik a bővítést és cserét.

Ez a modularitás különösen előnyös a technológiai fejlesztéseknél, mivel lehetővé teszi hatékonyabb meghajtórendszerek, fejlett érzékelők vagy továbbfejlesztett energiatároló egységek integrálását a teljes csomópontszerkezet újratervezése nélkül.

Moduláris redundancia és hibabiztos rendszerek

A csomópontokat redundanciával és hibabiztossággal tervezték annak biztosítása érdekében, hogy bármely hibás modul megkerülhető vagy cserélhető legyen a hálózati műveletek megszakítása nélkül.

• Redundáns rendszerek: A kritikus rendszerek, például az energiaelosztás és a kommunikációs tömbök duplikátumokkal rendelkeznek, amelyek meghibásodás esetén biztonsági mentést biztosítanak.
• Öndiagnosztikai algoritmusok: A csomópontok valós idejű figyelési és diagnosztikai algoritmusokat használnak az összetevők hibáinak észlelésére. Ezek az algoritmusok olyan adatokat használnak, mint az aktuális áramlás, a hőmérséklet és a működési állapot az anomáliák azonosítására, lehetővé téve a megelőző javítást vagy cserét.

A valós idejű egészségi állapot diagnosztikai képlete:

H(t)=∑i=1n(wi⋅Si(t))H(t) = \sum_{i=1}^{n} \left( w_i \cdot S_i(t) \right)H(t)=i=1∑n(wi⋅Si(t))

hol:

• H(t)H(t)H(t): Egészségi állapot a ttt időpontban.
• Si(t)S_i(t)Si(t): A iii-adik komponens állapota (pl. hőmérséklet, feszültség).
• wiw_iwi: Az egyes alkatrészek kritikusságát jelző súlytényező.
• nnn: A figyelt összetevők teljes száma.

Ha H(t)H(t)H(t) egy bizonyos küszöbérték alá esik, a csomópont riasztást küld kézi vagy automatizált karbantartásról.

Korszerűsíthető meghajtó- és energiaellátó rendszerek

A jövőbeli igényekhez való alkalmazkodás érdekében a MOLN csomópontokat korszerűsíthető meghajtó- és energiaellátó rendszerekhez tervezték, lehetővé téve a fejlett technológiák integrálását, amint azok elérhetővé válnak.

1. Meghajtási rendszerek: Az ionhajtóművek vagy az elektromos meghajtási technológiák fejlődésével a csomópontok hatékonyabb modellekre bővíthetők anélkül, hogy a csomópontot teljesen ki kellene cserélni. A moduláris tolóerő kialakítás lehetővé teszi a meghajtóegységek közvetlen cseréjét.
2. Energiatárolási fejlesztések: Az energiatárolás fejlődésével, például szilárdtest-akkumulátorokkal vagy szuperkondenzátorokkal, a csomópontok továbbfejlesztett tápegységekkel szerelhetők fel. A moduláris tápellátási architektúra szabványosított feszültség- és áraminterfészeken alapul, biztosítva az új és a meglévő tápegységek közötti kompatibilitást.

Szoftver- és vezérlőrendszer-frissítések

A moduláris frissítési stratégia részeként a MOLN csomópontokat futtató vezérlőszoftvereket és autonóm algoritmusokat úgy tervezték, hogy vezeték nélküli (OTA) frissítéseket kapjanak. Ez biztosítja, hogy a legújabb funkciók, optimalizálások és biztonsági protokollok a csomóponthoz való fizikai hozzáférés nélkül alkalmazhatók legyenek.

• OTA frissítési protokollok: A csomópontok rendszeresen csatlakoznak a földi irányításhoz vagy más csomópontokhoz, hogy szoftverjavításokat, új funkciókat és frissített algoritmusokat kapjanak a jobb útvonaltervezéshez, meghajtásvezérléshez és energiagazdálkodáshoz.
• Decentralizált szoftvervezérlés: A csomóponton belül minden modul saját mikrovezérlővel vagy számítástechnikai egységgel rendelkezik, amely függetlenül képes kezelni a helyi rendszereket, lehetővé téve a frissítések egyes modulokra való leküldését anélkül, hogy ez befolyásolná a teljes csomópont működését.

Grafikus és kódábrázolások

• Tágulási útvonal diagram: Egy diagram, amely bemutatja, hogyan kapcsolódnak további sínszakaszok a csomóponthoz, beleértve az elektromos, mechanikai és mágneses csatlakozások részleteit.
• Moduláris csomópontvázlat: A csomópont szerkezetének vizuális lebontása, moduláris alkatrészek, például tápegységek, meghajtórendszerek, sínek és kommunikációs modulok címkézése, valamint azok gyors leválasztási pontjai.
• Diagnosztikai algoritmus folyamatábrája: Az öndiagnosztikai algoritmus döntéshozatali folyamatát bemutató folyamatábra, beleértve az érzékelőbemeneteket, a riasztások küszöbértékeit és a hibamentes mechanizmusok aktiválásának lépéseit.

Példa kódrészletre moduláris vezérlőrendszerhez

piton

Kód másolása

osztály ModularNode:

    def __init__(én, azonosító):

        self.id = azonosító

        self.components = {}

        self.diagnostics = {}

 

    def add_component(én, comp_id, állapot):

        self.components[comp_id] = állapot

        self.diagnostics[comp_id] = self.monitor_status(comp_id)

 

    def monitor_status(saját, comp_id):

        status = self.components[comp_id]

        # Diagnosztikai ellenőrzés végrehajtása állapotparaméterek alapján

        Ha status['temperature'] > 100 vagy status['feszültség'] < 12:

            return "Alert: Component {} requires maintenance".format(comp_id)

        más:

            return "A(z) {} komponens megfelelően működik".format(comp_id)

 

    def update_component(saját, comp_id, new_status):

        self.components[comp_id] = new_status

        self.diagnostics[comp_id] = self.monitor_status(comp_id)

 

# Példa használat:

csomópont1 = ModulárisCsomópont("Csomópont-alfa")

node1.add_component("PowerUnit-1", {"hőmérséklet": 75, "feszültség": 15})

print(node1.diagnostics) # Kimenet: {'PowerUnit-1': 'A PowerUnit-1 komponens megfelelően működik'}

Ez a kód bemutatja, hogyan figyeli a rendszer az egyes csomópont-összetevők állapotát, és riasztásokat küld, ha bármely diagnosztikai érték meghaladja az előre meghatározott működési paramétereket.

---

A MOLN rendszernek ez a moduláris megközelítése rugalmas és adaptálható hálózatot tesz lehetővé, lehetővé téve a csomópontok hatékony frissítését és bővítését, miközben fenntartja az optimális teljesítményt és megbízhatóságot az összes űrszállítási küldetés során.

7.2 A MOLN hálózat és a cserélhető útvonalak méretezhetősége

A moduláris orbitális indítóhálózatot (MOLN) úgy tervezték, hogy nagymértékben skálázható legyen, és megfeleljen a jövőbeli bővítési és változó szállítási igényeknek. A csomópontok több pályán történő hozzáadásának, cseréjének és átirányításának képessége lehetővé teszi a MOLN számára, hogy hatékony, alkalmazkodó és megbízható szállítást biztosítson a különböző hasznos tehertípusok és méretek számára. A méretezhetőséget a csomópontok, útvonalak és összekapcsolhatóság rugalmas kialakításával érik el, biztosítva, hogy a hálózat képes legyen kezelni a megnövekedett hasznos terhelésű forgalmat és alkalmazkodni a feltörekvő technológiákhoz.

7.2.1 További csomópontok integrálása a nagyobb átviteli sebesség érdekében

A MOLN skálázhatóságának egyik alapvető szempontja, hogy képes további csomópontokat integrálni a forgalmi igény növekedésével. Minden csomópont továbbítási pontként működik, amely képes gyorsítani, lassítani és átirányítani a hasznos terheket a rendeltetési helyükre. Csomópontok hozzáadásával a hálózat növelheti átviteli kapacitását, kezelheti a hasznos adatok áramlását és csökkentheti az átviteli időket.

A hálózati átviteli sebesség matematikai modellje

A hálózat TTT átviteli sebessége egyenesen arányos az NNN csomópontok számával és feldolgozási képességeivel. Az átviteli sebességet a következő módon lehet ábrázolni:

T=∑i=1NCiT = \sum_{i=1}^{N} C_iT=i=1∑NCi

hol:

• TTT a teljes hálózati átviteli sebesség.
•  CiC_iCi  a III-adik csomópont kapacitása (hasznos terhelések egységnyi idő alatt).

Új csomópontok hozzáadásával a TTT teljes átviteli sebessége növekszik, feltéve, hogy az új csomópontok megfelelően integrálva vannak anélkül, hogy szűk keresztmetszeteket okoznának a hálózatban. Az egyes csomópontok feldolgozási képessége a pálya hosszától, az áramellátástól és az elektromágneses síngyorsulás hatékonyságától függ.

Adaptív forgalomelosztás

A forgalom hatékony kezelése érdekében a hálózat adaptív forgalomelosztási algoritmust használ, amely dinamikusan irányítja a hasznos adatokat a csomópontok rendelkezésre állása és kapacitása alapján. Az algoritmus súlyozott útválasztási megközelítést használ:

Proute=Wi∑j=1NWjP_{útvonal} = \frac{W_i}{\sum_{j=1}^{N} W_j}Proute=∑j=1NWjWi

hol:

• ProuteP_{route}Proute annak valószínűsége, hogy egy hasznos adatot a iii. csomóponton keresztül irányítanak.
•  WiW_iWi  a III. csomópont súlyozása, amely az aktuális rendelkezésre állást és feldolgozási kapacitást jelenti.
• ∑j=1NWj\sum_{j=1}^{N} W_j∑j=1NWj az összes csomópont teljes súlya.

A WiW_iWi súlyozása valós időben történik a csomópont feldolgozási terhelése, energiatartalékai és általános hatékonysága alapján, biztosítva a hasznos terhek kiegyensúlyozott elosztását a hálózaton.

A hálózat fizikai bővítése

A további csomópontok fizikai integrációja moduláris dokkolási mechanizmusokkal érhető el, amelyek összekapcsolják az új csomópontokat a meglévő útvonalakkal. Ezek a dokkolási mechanizmusok zökkenőmentes elektromos, adat- és szerkezeti kapcsolatokat biztosítanak, lehetővé téve az újonnan hozzáadott csomópontok azonnali működésének megkezdését.

1. Moduláris dokkolóportok: Minden csomópont szabványosított dokkolóportokkal van felszerelve, amelyek lehetővé teszik az új csomópontok zökkenőmentes csatlakoztatását és integrálását a hálózatba.
2. Automatikus kalibrálás: Egy új csomópont csatlakoztatása után az automatikus kalibrációs rutinok beállítják az elektromágneses sínek beállítását, szinkronizálják az energiaátviteli protokollokat, és biztosítják a helyes kommunikációs útvonalakat.

7.2.2 Rugalmasság az orbitális konfigurációkban és az új célútvonalakban

A MOLN hatékonyságának maximalizálása és a változatos küldetések lehetővé tétele érdekében a csomópontokat úgy tervezték, hogy rugalmasan elhelyezhetők legyenek különböző pályákon, például alacsony Föld körüli pályán (LEO), közepes Föld körüli pályán (MEO), geostacionárius pályán (GEO) és azon túl. Ez a rugalmasság lehetővé teszi a hasznos teher célállomások széles skáláját, és a hálózatot a különböző küldetési követelményekhez igazíthatóvá teszi.

Orbitális konfiguráció az optimális hatékonyság érdekében

A csomópontok különböző pályarétegeken belüli elhelyezése biztosítja, hogy a hasznos terheket hatékonyan lehessen eljuttatni rendeltetési helyükre a legkevesebb energia felhasználásával. A csomópontok közötti átvitel optimalizálása a Hohmann átviteli pálya elvei alapján történik:

Δv=μr1(2r2r1+r2−1)\Delta v = \sqrt{\frac{\mu}{r_1}} \left( \sqrt{\frac{2r_2}{r_1 + r_2}} - 1 \right)Δv=r1μ(r1+r22r2−1)

hol:

• Δv\Delta vΔv az átvitelhez szükséges sebességváltozás.
• μ\muμ a Föld standard gravitációs paramétere.
• r1r_1r1 és r2r_2r2 a kezdeti és végső keringési sugár.

A csomópontok különböző pályákon történő stratégiai elhelyezésével minimálisra csökkenthető a hasznos teher átviteléhez szükséges Δv\Delta vΔv, optimalizálva az energiafogyasztást és csökkentve az átviteli időket.

Felcserélhető útvonalak és átirányítás

A rugalmasság fenntartása érdekében a MOLN cserélhető útvonalakat alkalmaz, lehetővé téve a hálózat számára, hogy dinamikusan átirányítsa a hasznos terheket a változó feltételek vagy követelmények alapján. Ezt megkönnyíti a következők kombinációja:

• Csomópont átirányítása: Minden csomópont beépített meghajtó- és helyzetszabályozó rendszerrel rendelkezik, amely lehetővé teszi a pozíció és a pályaparaméterek kissé történő beállítását az alternatív útválasztás megkönnyítése érdekében.
• Adaptív útvonalkereső algoritmusok: Ezek az algoritmusok valós idejű hálózati feltételek alapján számítják ki az egyes hasznos adatok leghatékonyabb útvonalát. Az útvonalkereső algoritmus a következőképpen ábrázolható:

Popt=mink∈Paths(∑i=1nkCi,k⋅di,k)P_{opt} = \min_{k \in \text{Paths}} \left( \sum_{i=1}^{n_k} C_{i,k} \cdot d_{i,k} \right)Popt=k∈Pathsmin(i=1∑nkCi,k⋅di,k)

hol:

• PoptP_{opt}Popt az optimális elérési út.
•  nkn_knk  a kkk elérési út csomópontjainak száma.
• Ci,kC_{i,k}Ci,k a kkk útvonal iii-adik csomópontjának kapacitásköltsége.
• di,kd_{i,k}di,k a kkk útvonal III-adik csomópontjához tartozó távolságtényező vagy időkésleltetés.

Az összes lehetséges útvonal teljes költségének minimalizálásával az algoritmus azonosítja az egyes hasznos adatok optimális útvonalát.

Cserélhető útvonalak: esettanulmány példa

A MOLN útvonalai skálázhatóságának és rugalmasságának bemutatására vegyünk egy olyan forgatókönyvet, amelyben egy hasznos terhet át kell vinni a Földről egy MEO pályán lévő műholdra. A hálózat több lehetséges útvonalat azonosít:

1. Közvetlen átvitel LEO csomópontokon keresztül: A hasznos teher elindul a LEO csomópontokba, majd egy sor összekapcsolt LEO csomóponton keresztül továbbítódik, amíg el nem éri a kívánt magasságot és pozíciót a MEO-ban.
2. Közvetett átvitel a GEO Assist segítségével: A hasznos teher először a GEO egyik csomópontjára kerül, ahol gravitációs lendületet kap, mielőtt leereszkedne a cél MEO pályájára.

Az adaptív útvonalkereső algoritmus mindkét útvonalat kiértékeli, figyelembe véve a csomópontok rendelkezésre álló kapacitását, az egyes átvitelek energiaigényét és a teljes késleltetést. A hasznos teher átviteléhez az idő, az energia és a hálózati kapacitás közötti optimális kompromisszumot biztosító útvonal van kiválasztva.

---

Vizuális diagramok és grafikák

• Orbitális hálózati elrendezés: A MOLN hálózat grafikus ábrázolása, amely megmutatja a csomópontok eloszlását különböző pályákon (LEO, MEO, GEO), nyilakkal, amelyek jelzik a csomópontok közötti lehetséges átviteli útvonalakat.
• Átviteli sebesség grafikonok: A csomópontok száma és a teljes hálózati átviteli kapacitás közötti kapcsolatot bemutató diagram.
• Útvonalkereső algoritmus folyamatábrája: Az adaptív útvonalkereső algoritmus döntéshozatali folyamatát bemutató folyamatábra a hálózati feltételek felmérésétől az optimális átviteli útvonal kiválasztásáig.

Kódpélda útvonal-optimalizáláshoz

piton

Kód másolása

osztály MOLNPathOptimizer:

    def __init__(saját, csomópontok):

        self.nodes = csomópontok

        self.paths = []

   

    def calculate_capacity(én, elérési út):

        capacity_cost = szum(csomópont['capacity_cost'] az elérési úton lévő csomóponthoz)

        distance_cost = sum(node['distance'] csomópont elérési útjában)

        Visszatérési capacity_cost * distance_cost

   

    def find_optimal_path(saját, forrás, cél):

        possible_paths = self.get_possible_paths(forrás, cél)

        optimal_path = min(possible_paths, key=lambda útvonal: self.calculate_capacity(elérési út))

        visszatérő optimal_path

   

    def get_possible_paths(saját, forrás, cél):

        # Generálja az összes lehetséges útvonalat a forrástól a célig

        # Egyszerűsített helyőrző az útvonalkereső algoritmushoz

        return [[{'capacity_cost': 10, 'távolság': 100}, {'capacity_cost': 20, 'távolság': 200}],

                [{'capacity_cost': 15, 'távolság': 150}, {'capacity_cost': 5, 'távolság': 300}]]

 

# Példa használat:

nodes = [{'id': 'Node-LEO-1'}, {'id': 'Node-MEO-1'}, {'id': 'Node-GEO-1'}]

optimalizáló = MOLNPathOptimizer(csomópontok)

optimal_text = optimizer.find_optimal_text('csomópont-leo-1', 'csomópont-geo-1')

print("Optimális elérési út:"; optimal_path)

Ez a kódrészlet az útvonalkeresési folyamat egyszerűsített változatát mutatja be, kiszámítja a lehetséges útvonalak kapacitás- és távolságköltségeit, és azonosítja a hasznos adatok átvitelének leghatékonyabb útvonalát.

---

A skálázhatósággal és cserélhető útvonalakkal rendelkező MOLN hálózat kialakításával a hálózat alkalmazkodni tud a növekvő szállítási igényekhez, biztosítani tudja a hasznos terhek hatékony irányítását, és fenntarthatja a rugalmasságot a küldetések és célállomások széles körében.

7.3 Redundancia, megbízhatóság és hálózati rugalmasság

A redundancia, a megbízhatóság és a rugalmasság biztosítása a moduláris orbitális indítóhálózat (MOLN) kialakításának kulcsfontosságú szempontjai, mivel lehetővé teszik a megszakítás nélküli működést, minimalizálják a rendszerhibák kockázatát, és alkalmazkodóképességet biztosítanak a váratlan körülményekhez. A rugalmas MOLN-nak garantálnia kell a hasznos teher szállítását az olyan kihívások ellenére, mint a csomópontok meghibásodása, az orbitális törmelék vagy az energiahiány. Ez biztonsági mentési csomópontok, hatékony hibaészlelő rendszerek és dinamikus átirányítási képességek létrehozásával érhető el.

7.3.1. Biztonsági mentési csomópontok és útvonalak

Csomópont redundancia és biztonsági mentési rendszerek

A folyamatos működés fenntartása érdekében a MOLN redundáns csomópontokat épít be, amelyek stratégiailag a hálózaton belül helyezkednek el. Ezek a biztonsági mentési csomópontok hibabiztosként működnek minden olyan elsődleges csomópont számára, amely hibásan működik, vagy karbantartás miatt ideiglenesen offline állapotban van. A hasznos terhek átirányítására szolgáló több útvonallal a MOLN csökkenti a hálózat teljes leállításának valószínűségét.

A redundanciaarány RrR_rRr a tartalék csomópontok és az operatív csomópontok aránya egy adott útvonalon:

Rr=NbNoR_r = \frac{N_b}{N_o}Rr=NemNb

hol:

•  NbN_bNb  a biztonsági mentési csomópontok száma.
•  NoN_oNo  a hálózat operatív csomópontjainak száma.

A magasabb RrR_rRr rugalmasabb hálózatot jelez, és további biztonsági mentési csomópontok állnak rendelkezésre a hasznos adatok szükség szerinti átirányításához.

Adaptív átirányítási mechanizmus

A biztonsági mentési útvonalak elengedhetetlenek annak biztosításához, hogy a hasznos adatok akkor is elérjék a céljukat, ha bizonyos csomópontok vagy útvonalak nem érhetők el. A hálózat adaptív átirányítási algoritmust alkalmaz, amely valós időben számítja ki az alternatív útvonalakat.

Az algoritmus a Dijkstra legrövidebb út algoritmusát alkalmazza, amelyet az űrműveletekhez igazítottak, hogy figyelembe vegye a csomópont kapacitását, az energiatartalékokat és a lehetséges kockázatokat:

piton

Kód másolása

Halommemória importálása

 

def calculate_shortest_path(gráf, start_node, end_node):

    farok = [(0, start_node)]

    távolságok = {node: float('infinity') for node in graph}

    távolságok[start_node] = 0

    Várólista állapotban:

        current_distance, current_node = heapq.heappop(várólista)

        ha current_distance > távolságok[current_node]:

            folytatódik

        szomszéd esetén súly grafikon[current_node].items():

            távolság = current_distance + súly

            Ha távolság < távolság[szomszéd]:

                távolság[szomszéd] = távolság

                heapq.heappush(várólista; (távolság; szomszéd))

    visszatérési távolságok[end_node]

Ez az útvonalkereső kód kiszámítja a hasznos adatok optimális átirányítási útvonalát a távolság és az energiaköltségek minimalizálásával, figyelembe véve a csomópont rendelkezésre állását és kapacitását. A gráf adatstruktúrája csomópontokat és útvonalakat jelöl, a súlyozások pedig az átviteli energiaköltségek és az átviteli megbízhatóság alapján vannak hozzárendelve.

Orbitális tartalékok és energiatartalék

A tartalék csomópontok saját energiatartalékkal is rendelkeznek, fedélzeti szuperkondenzátorok vagy akkumulátorrendszerek formájában, hogy készen álljanak a műveletek szükség szerinti átvételére. A csomópont energiamentési egyenlete a következőképpen fejezhető ki:

Eb=Pres⋅topE_b = P_{res} \cdot t_{op}Eb=Pres⋅top

hol:

•  EbE_bEb  a csomópontban tárolt biztonsági mentési energia.
• PresP_{res}Pres a csomópont energiafogyasztása tartalék módban.
• topt_{op}top az elsődleges csomópontok online állapotba való visszatéréséig szükséges maximális működési idő.

Ez biztosítja, hogy a biztonsági mentési csomópontok elegendő energiával rendelkezzenek a hasznos adatok átvitelének kezeléséhez váratlan megszakítások esetén.

---

7.3.2 Hibaészlelési, válaszadási és átirányítási stratégiák

A MOLN megbízhatóságát folyamatos felügyelettel, prediktív karbantartással és hatékony hibareagálási mechanizmusokkal érik el. A hálózat azon képessége, hogy korán észleli a meghibásodásokat és azonnali korrekciós intézkedéseket hajt végre, minimális állásidőt és hatékony hasznos teherszállítást biztosít.

Folyamatos állapotfigyelés

A MOLN minden csomópontja érzékelőkkel és diagnosztikai rendszerekkel van felszerelve, amelyek figyelik a csomópont szerkezeti integritását, energiaellátó rendszereit és működési funkcionalitását. A csomópont megbízhatóságának értékeléséhez a H(t)H(t)H(t) állapotparamétert idővel számítják ki:

H(t)=Wp(t)+S(t)+Er(t)3H(t) = \frac{W_p(t) + S(t) + E_r(t)}{3}H(t)=3Wp(t)+S(t)+Er(t)

hol:

• Wp(t)W_p(t)Wp(t): Kopás és teljesítménycsökkenés az idő múlásával.
• S(t)S(t)S(t): Szerkezeti egészség (a feszültség és az anyagkopás alapján).
• Er(t)E_r(t)Er(t): Energiatartalékszintek és energiahatékonyság.

A H(t)H(t)H(t) állapot egy dinamikus érték, amely előrejelzi a lehetséges csomópont-hibákat, mielőtt azok bekövetkeznének, az automatikus riasztások és a karbantartási ütemezés küszöbértékeinek használatával.

Prediktív karbantartási algoritmusok

A prediktív karbantartás ütemezése a csomópont működési paraméterei és kopási statisztikái alapján történik. A gépi tanulási modellek elemzik az előzményadatokat, hogy előrejelezzék, mikor valószínű, hogy a csomópontok meghibásodnak. Ezek a modellek regressziós és osztályozási algoritmusok kombinációját használják az összetevők hátralévő hasznos élettartamának (RUL) becslésére:

• Support Vector Machine (SVM): A csomópontok különböző kockázati kategóriákba sorolása (pl. Alacsony kockázatú, közepes kockázatú, magas kockázatú).
• Lineáris regressziós modell: A romlási ráta előrejelzése a múltbeli használat és a stresszminták alapján.

piton

Kód másolása

from sklearn.linear_model import LinearRegression

innen: sklearn.svm SVC importálása

 

# Példaadatok a csomópont állapotának figyeléséhez

node_data = {'kopás': [0,1, 0,2, 0,3], 'energia': [80, 75, 70], 'szerkezeti': [90, 85, 82]}

node_rul = [100, 90, 85]

 

# Regressziós modell a RUL előrejelzésére

reg_model = LinearRegression()

reg_model.fit(node_data.értékek(); node_rul)

 

# Osztályozás kockázatértékeléshez

svc_model = SVC()

svc_model.fit(node_data.values(), [0, 1, 1]) # Osztályok: 0 (alacsony kockázat), 1 (magas kockázat)

Ezek a modellek lehetővé teszik a csomópontok romlásának korai észlelését, lehetővé téve a proaktív cserét vagy javítást.

Dinamikus átirányítási stratégiák

Meghibásodás vagy észlelt rendellenesség esetén a MOLN vezérlőrendszere aktiválja a dinamikus átirányítási stratégiákat. Az átirányítást a leggyorsabb elérhető alternatív útvonal kiszámításával határozzák meg, figyelembe véve a csomópontok rendelkezésre állását, az energiaköltségeket és az általános hálózati hatékonyságot. Az átirányítási stratégia prioritásalapú sorba állítási rendszert alkalmaz:

• Prioritás-hozzárendelés: A hasznos adatok prioritási pontszámokat kapnak a sürgősség, a méret és az energiakorlátok alapján.
• Sorkezelés: A magasabb prioritási pontszámmal rendelkező hasznos adatok azonnal átirányításra kerülnek az optimális útvonalakon, míg mások a csomópontok rendelkezésre állása alapján várólistára kerülnek.

Ezt a stratégiát egy dinamikus prioritási várólista-rendszer képviseli:

piton

Kód másolása

Várólista importálása

 

osztály PriorityPayloadQueue:

    def __init__(saját):

        self.p_queue = farok. PriorityQueue()

 

    def add_payload(én, payload_id, priority_score):

        self.p_queue.put((-priority_score, payload_id))

 

    def process_next_payload(saját):

        return self.p_queue.get()[1]

 

# Példa használat:

ppq = PriorityPayloadQueue()

ppq.add_payload('Hasznos teher-1', priority_score=95)

ppq.add_payload('Hasznos teher-2'; priority_score=80)

 

# A legmagasabb prioritású hasznos teher feldolgozása

next_payload = ppq.process_next_payload()

print(f"Feldolgozási hasznos teher: {next_payload}")

A hasznos terhek rangsorolásával és dinamikus átirányításával a MOLN megbízható és hatékony forgalomáramlást tart fenn még zavarok esetén is.

---

Vizuális diagramok és grafikák

• Redundancia-folyamatábra: A biztonsági mentési csomópontok aktiválását és átirányítását bemutató folyamatábra csomóponthiba esetén.
• Prediktív karbantartási idővonal: A csomópontok prediktív karbantartási ütemtervét megjelenítő grafikus idővonal, a kopási szintek és a szerkezeti állapot mutatóival.
• Csomópontállapot-figyelési irányítópult: Vizuális irányítópult, amely valós időben figyeli a csomópont állapotának paramétereit, beleértve a kopást, a szerkezeti állapotot és az energiaszinteket.

---

A redundancia, a valós idejű állapotfigyelés, a prediktív karbantartás és a dinamikus átirányítási stratégiák révén a MOLN nagy megbízhatóságot és hálózati rugalmasságot ér el, biztosítva a hasznos terhelés következetes szállítását és a hálózat működését a forgatókönyvek és a lehetséges hibák széles skáláján.

8.1 Csomópontok közötti kommunikációs protokollok

A moduláris orbitális indítóhálózatban (MOLN) a csomópontok közötti kommunikáció kritikus eleme a hasznos teher zökkenőmentes átvitelének, a csomópontok pontos koordinációjának és a valós idejű rendszerbeállításoknak a biztosításához. A hatékony kommunikációs protokollok lehetővé teszik az adatátvitelt a csomópontok, földi irányító állomások és hasznos terhek között, garantálva az optimális hálózati működést.

8.1.1 Biztonságos adatátviteli rendszerek

Kommunikációs infrastruktúra és protokollrétegek

A MOLN egy többrétegű kommunikációs protokollra támaszkodik a különböző típusú adatcserék kezelésére, beleértve a csomópontok állapotát, a hasznos terhelésre vonatkozó információkat, a pályafrissítéseket és a vezérlési parancsokat. A kommunikációs protokoll rétegei az OSI modellhez hasonló struktúrát követnek:

1. Fizikai réteg: Ez a réteg a jelek fizikai továbbításával foglalkozik a csomópontok között rádiófrekvenciák (RF), lézer alapú optikai kommunikáció vagy mikrohullámú átvitel segítségével. Minden csomópont nagy sávszélességű, alacsony késleltetésű kommunikációra képes adó-vevőkkel és fejlett nyalábformáló antennákkal van felszerelve, hogy robusztus kapcsolatokat tartson fenn még nagy sebességű relatív mozgás esetén is.
2. Adatkapcsolati réteg: A keretezésért, a hibaészlelésért és a hivatkozásvezérlésért felelős. A protokoll automatikus ismételt újrakeresési (ARQ) mechanizmusokat használ az adatok integritásának biztosítására, ciklikus redundancia-ellenőrzésekkel (CRC) a hibák észlelésére.
3. Hálózati réteg: Ez a réteg kezeli az adatok útválasztását a MOLN csomópontok között, adaptív útválasztási algoritmusokat alkalmazva a csomópontok rendelkezésre állása, az adatok prioritása és az átviteli késés alapján.
4. Transport Layer: Biztosítja a végpontok közötti adatintegritást és megbízhatóságot. A Transmission Control Protocol (TCP) az űrkörnyezetnek megfelelően módosult, és olyan mechanizmusokat tartalmaz, amelyek megbirkóznak a csomagvesztéssel és a változó késleltetésekkel.
5. Alkalmazásréteg: Alkalmazásspecifikus protokollokat biztosít a különböző adattípusokhoz, beleértve a hasznos adatok átviteli utasításait, az állapotfigyelési adatokat és a pályabeállítási parancsokat.

Titkosítás és adatbiztonság

Tekintettel a MOLN-on belüli kommunikáció érzékeny jellegére, az adatbiztonság kiemelkedő fontosságú. A biztonságos átvitel olyan fejlett titkosítási technikákkal érhető el, mint az AES (Advanced Encryption Standard) 256 bites kulccsal és  a Quantum Key Distribution (QKD) az adatok integritásának és titkosságának biztosítása érdekében. A titkosítási folyamat definíciója:

C=Ek(M)C = E_k(M)C=Ek(M)

hol:

• A CCC a titkosított szöveg (titkosított adatok).
•  EkE_kEk  titkosítási funkció a kkk kulcs használatával.
• Az MMM az egyszerű szöveges üzenet.

A biztonságos kommunikáció érdekében minden csomópont rendelkezik egy nyilvános-titkos kulcspárral. Az RSA algoritmust vagy  az elliptikus görbéjű titkosítást (ECC)  használó nyilvános kulcsú titkosítás megkönnyíti a biztonságos kulcscserét:

1. Kulcs generálása:

Kpub,Kpriv=GenerateKeys()K_{pub}, K_{priv} = \text{GenerateKeys}()Kpub,Kpriv=GenerateKeys()

2. Titkosítás (nyilvános kulcs):

C=Titkosítás(M,Kpub)C = \szöveg{Titkosítás}(M, K_{pub})C=Titkosítás(M,Kpub)

3. Visszafejtés (privát kulcs):

M=Visszafejtés(C,Kpriv)M = \szöveg{Visszafejtés}(C, K_{priv})M=Visszafejtés(C,Kpriv)

Ezek a technikák biztosítják, hogy jogosulatlan entitások ne tudják elfogni vagy manipulálni a csomópontok között kicserélt adatokat.

---

8.1.2. Koordináció a földi irányítással és a hasznos teherrel

Föld-Föld körüli kommunikáció

A MOLN csomópontoknak következetes és megbízható kommunikációt kell fenntartaniuk a földi irányító központokkal. Ez lehetővé teszi az üzemeltetők számára, hogy figyelemmel kísérjék a hálózat állapotát, parancsokat adjanak ki és hatékonyan kezeljék a hasznos terheket. A földi állomások globálisan vannak elosztva, lehetővé téve a folyamatos lefedettséget és az adattovábbítást geostacionárius műholdakon keresztül.

A csomópont által egy földi állomástól vagy egy másik csomóponttól kapott jelerősség kiszámításához használt kapcsolati költségvetési egyenletet a következő képlet adja meg:

Pr=Pt+Gt+Gr−Ls−LmP_r = P_t + G_t + G_r - L_s - L_mPr=Pt+Gt+Gr−Ls−Lm

hol:

• PrP_rPr: Fogadott teljesítmény (dBm).
• PtP_tPt: Átviteli teljesítmény (dBm).
• GtG_tGt: Antennanyereség (dBi) továbbítása.
• GrG_rGr: Vevőantenna-nyereség (dBi).
• LsL_sLs: Térútveszteség (dB).
• LmL_mLm: Egyéb veszteségek (pl. légköri, polarizációs eltérés).

A térbeli útvesztési LsL_sLs  a következőképpen számítható ki:

Ls=20log10(d)+20log10(f)−147.55L_s = 20 \log_{10}(d) + 20 \log_{10}(f) - 147,55Ls=20log10(d)+20log10(f)−147,55

hol:

• ddd: Az adó és a vevő közötti távolság (km).
• fff: Az átvitel frekvenciája (MHz).

Csomópontok közötti szinkronizálás és koordináció

A MOLN-on belüli csomópontoknak folyamatosan össze kell hangolniuk pozícióikat és sebességüket, hogy lehetővé tegyék a hasznos teher pontos átvitelét. Ezt a koordinációt egy időszinkronizálási protokoll, például  a Precision Time Protocol (PTP) kezeli, amely mikroszekundumnál kisebb pontosságot biztosít. A csomópontok sugározzák az óraidejüket, hogy szinkronizált időreferenciát tartsanak fenn, lehetővé téve a hatékony ütemezést és pozicionálást.

A csomópontok közötti órajel-eltolódás becslése a következő:

Δt=(T2−T1)+(T4−T3)2\Delta t = \frac{(T_2 - T_1) + (T_4 - T_3)}{2}Δt=2(T2−T1)+(T4−T3)

hol:

• T1T_1T1: Időbélyeg, amikor a szinkronizálási üzenetet az A csomópont küldi.
• T2T_2T2: Időbélyeg, amikor a szinkronizálási üzenetet a B csomópont fogadja.
• T3T_3T3: Időbélyeg, amikor a késleltetési kérelmet a B csomópont küldi.
• T4T_4T4: Időbélyeg, amikor az A csomópont megkapja a késleltetési kérelmet.

Ez biztosítja, hogy minden csomópont egységes időreferencia alapján működjön, minimalizálva az adatcsere és a hasznos adatok átvitelének késedelmét.

Prioritás alapú adatkezelés

A különböző adattípusok hatékony kezelése érdekében a MOLN egy szolgáltatásminőségi (QoS)  modellt valósít meg, amely különböző prioritási szintekre kategorizálja az adatokat:

1. 1. prioritás: Vészhelyzeti adatok (pl. ütközésre figyelmeztető jelzések, kritikus egészségügyi adatok).
2. 2. prioritás: Vezérlési parancsok (pl. pályabeállítások, csomópont-üzemeltetési parancsok).
3. 3. prioritás: Rutinszerű működési adatok (pl. állapotfrissítések, állapotfigyelés).
4. 4. prioritás: Alacsony prioritású adatok (például nem kritikus telemetria).

A prioritási rendszer biztosítja, hogy a fontos üzenetek továbbítása minimális késéssel történjen, míg az alacsonyabb prioritású adatok a hálózat elérhetősége alapján várólistára kerüljenek. A Weighted Fair Queuing (WFQ) algoritmus az adatátvitel kezelésére szolgál a hozzárendelt prioritások alapján, biztosítva a hálózat sávszélességének hatékony kihasználását:

piton

Kód másolása

Halommemória importálása

 

osztály WFQQueue:

    def __init__(saját):

        self.queue = []

   

    def add_packet(saját, packet_id, prioritás):

        heapq.heappush(self.queue, (-priority, packet_id)) # Először a magasabb prioritást dolgozza fel a rendszer

 

    def process_packet(saját):

        return heapq.heappop(self.queue)[1]

 

# Példa a használatra

wfq = WFQQueue()

wfq.add_packet('Emergency_Data'; prioritás=1)

wfq.add_packet('Control_Command'; prioritás=2)

wfq.add_packet('Routine_Status', prioritás=3)

 

# A legmagasabb prioritású csomag feldolgozása

packet_to_transmit = wfq.process_packet()

print(f"Csomag továbbítása: {packet_to_transmit}")

Az adatok prioritáson alapuló kezelésével és hatékony sorba állítási algoritmusok használatával a MOLN biztosítja a kritikus műveletek megbízható és időben történő továbbítását.

---

Vizuális ábrázolások és diagramok

• Communication Protocol Stack: A csomópontok közötti kommunikációs protokoll különböző rétegeinek vizuális diagramja, a fizikai rétegtől az alkalmazási rétegig.
• Titkosítási munkafolyamat: A MOLN-on belüli biztonságos adatcsere titkosítási és visszafejtési folyamatait részletező folyamatábra.
• Hálózati prioritási folyamat: Egy grafikon, amely bemutatja, hogy a különböző típusú adatok hogyan vannak prioritásokhoz rendelve és feldolgozva a hálózaton keresztül QoS-alapelvek alapján.

---

A MOLN csomópontközi kommunikációs protokolljait úgy tervezték, hogy biztonságos, megbízható és hatékony adatcserét biztosítsanak, lehetővé téve a hálózat zökkenőmentes működését az összes csomóponton keresztül és földi irányítással, biztosítva, hogy a hasznos teherátvitelt pontosan és biztonságosan kezeljék.

8.2 Autonóm irányítás és döntéshozatal

A Modular Orbital Launch Network (MOLN) működése nagymértékben támaszkodik a fejlett autonóm irányítási és döntéshozatali rendszerekre. Ezek a rendszerek lehetővé teszik a MOLN számára, hogy fenntartsa a csomópont stabilitását, koordinálja a hasznos teher átvitelét, kezelje az orbitális pozicionálást és optimalizálja a hálózati teljesítményt valós időben, állandó emberi beavatkozás nélkül. Az autonóm műveletek kritikus fontosságúak a MOLN zökkenőmentes működéséhez, különös tekintettel az elosztott orbitális csomópontok hálózatának kezelésével járó távolságokra és összetettségre.

8.2.1 Csomópont autonómia és valós idejű vezérlőrendszerek

Decentralizált autonóm csomópont-vezérlés

A MOLN csomópontok intelligens vezérlőegységekkel vannak felszerelve, amelyek képesek autonóm döntéshozatalra. Minden csomópontot úgy terveztek, hogy függetlenül működjön, megőrizve stabilitását, pályáját és energiagazdálkodását, miközben szükség szerint összehangolja a többi csomóponttal. Az autonóm csomópont-vezérlés legfontosabb összetevői a következők:

1. Állapotbecslés és előrejelzés: Minden csomópont folyamatosan becsüli az állapotparamétereit – például a pozíciót, a sebességet és a tájolást – fedélzeti érzékelők, például giroszkópok, gyorsulásmérők, csillagkövetők és GPS-rendszerek kombinációjával. Az állapotbecslést általában egy kiterjesztett Kalman-szűrő (EKF) segítségével végzik, amely segít a jövőbeli állapot előrejelzésében és az esetleges eltérések kijavításában.

Az alapállapot becslése a következőképpen ábrázolható:

x^k∣k=x^k∣k−1+Kk(zk−Hx^k∣k−1)\hat{x}_{k|k} = \hat{x}_{k|k-1} + K_k (z_k - H \hat{x}_{k|k-1})x^k∣k=x^k∣k−1+Kk(zk−Hx^k∣k−1)

hol:

• x^k∣k\hat{x}_{k|k}x^k∣k: Frissített állapotbecslés a kkk időlépésben.
• x^k∣k−1\hat{x}_{k|k-1}x^k∣k−1: Előrejelzett állapotbecslés.
• KkK_kKk: Kálmán nyereség.
• zkz_kzk: Mérési vektor.
• HHH: Megfigyelési mátrix.

A Kálmán-nyereség KkK_kKk kiszámítása a következőképpen történik:

Kk=Pk∣k−1HT(HPk∣k−1HT+R)−1K_k = P_{k|k-1} H^T (H P_{k|k-1} H^T + R)^{-1}Kk=Pk∣k−1HT(HPk∣k−1HT+R)−1

hol:

• Pk∣k−1P_{k|k-1}Pk∣k−1: Az előrejelzett állapot kovarianciamátrixa.
• RRR: Mérési zaj kovariancia.
1. Adaptív vezérlési algoritmusok: A csomópontok a modell prediktív vezérlését (MPC)  használják a vezérlési műveletek optimalizálására egy jövőbeli horizonton, minimalizálva egy objektív funkciót, amely kiegyensúlyozza az üzemanyag-fogyasztást, a pálya stabilitását és a hasznos teher átviteli hatékonyságát. A JJJ objektív függvényt a következő képlet adja meg:

J=∑i=0N[∥xi+k−xtarget∥Q2+∥ui∥R2]J = \sum_{i=0}^N \left[ \|x_{i+k} - x_{\text{target}}\|^2_Q + \|u_i\|^2_R \right]J=i=0∑N[∥xi+k−xtarget∥Q2+∥ui∥R2]

hol:

• xi+kx_{i+k}xi+k: Előrejelzett állapot az i+ki+ki+k jövőbeli lépésben.
• xtargetx_{\text{target}}xtarget: Célállapot (kívánt pálya, pozíció, sebesség).
• uiu_iui: Bemenet vezérlése a iii. lépésben.
• QQQ és RRR: Az állapothiba és a vezérlőbemenet mátrixainak súlyozása.

Az MPC algoritmus kiszámítja az uuu vezérlőbemenetek optimális sorrendjét a kívánt állapot elérése érdekében, miközben betartja a rendszer korlátait (pl. A tolóerő korlátai).

3. Döntési logika a keringéshez és a hasznos terhelés átviteléhez: A csomópontok heurisztikus alapú algoritmusokon, szabályalapú rendszereken és megerősítő tanuláson alapuló döntéshozatali logikát alkalmaznak a különböző forgatókönyvek, például torlódások, csomóponthibák vagy a hasznos adatok prioritásainak változásainak kezelésére. Például egy Q-learning algoritmus használható olyan műveletek kiválasztására, amelyek maximalizálják a hosszú távú jutalom RRR-t:

Q(s,a)←Q(s,a)+α[r+γmaxa′Q(s′,a′)−Q(s,a)]Q(s, a) \balra nyíl Q(s, a) + \alpha \left[ r + \gamma \max_{a'} Q(s', a') - Q(s, a) \right]Q(s,a)←Q(s,a)+α[r+γa′maxQ(s′,a′)−Q(s,a)]

hol:

• sss: Jelenlegi állapot.
• aaa: Intézkedés.
• α\alphaα: Tanulási sebesség.
• rrr: Jutalom a cselekvésért aaa.
• γ\gammaγ: Diszkonttényező.
• s′s's′: Következő állapot az aaa művelet elvégzése után.

---

8.2.2 AI algoritmusok az optimális útvonaltervezéshez és pályabeállításhoz

A MOLN mesterséges intelligencia által vezérelt algoritmusokat alkalmaz a hasznos terhek útvonalának optimalizálására és az orbitális beállítások hatékony végrehajtására. Ezek az algoritmusok biztosítják, hogy a hálózat reagáljon a dinamikus körülményekre, például az igény változásaira, a csomópontok rendelkezésre állására vagy az űridőjárási eseményekre.

Útvonalkereső és útválasztási algoritmusok

A hasznos adatok útválasztása kritikus fontosságú a hatékony hálózati műveletek szempontjából, mivel meghatározza a csomópontok optimális sorrendjét, amelyeken keresztül a hasznos teher átvitele történik. A Dijkstra algoritmust vagy A* (A-csillag) algoritmust gyakran használják a csomópontok közötti legrövidebb vagy legalacsonyabb költségű útvonal megtalálására.

• Dijkstra algoritmusa: Megkeresi a legrövidebb utat a csomópontok között egy gráfban, ahol a csomópontok a MOLN csomópontokat, az élek pedig a potenciális hasznos terhelés átviteli útvonalait képviselik. Az uuu és vvv csomópontok közötti C(u,v)C(u, v)C(u,v) költségfüggvény figyelembe veheti a szükséges időt, az energiafogyasztást és a hasznos terhelés prioritását.

piton

Kód másolása

Halommemória importálása

 

def Dijkstra(grafikon, start):

    queue = [(0, start)]

    távolságok = {start: 0}

    Várólista állapotban:

        (költség, csomópont) = heapq.heappop(várólista)

        szomszéd esetén súly grafikonon[csomópont]:

            old_cost = távolságok.get(szomszéd, float('inf'))

            new_cost = költség + súly

            Ha new_cost < old_cost:

                távolságok[szomszéd] = new_cost

                heapq.heappush(várólista; (new_cost; szomszéd))

    visszatérési távolságok

• A* algoritmus: A Dijkstra algoritmusának továbbfejlesztéseként az A* tartalmaz egy heurisztikus h(n)h(n)h(n), amely megbecsüli az nnn csomópont és a célcsomópont közötti költséget. Ez a heurisztika segít a keresés hatékonyabb irányításában, csökkentve a számítási időt.

f(n)=g(n)+h(n)f(n) = g(n) + h(n)f(n)=g(n)+h(n)

hol:

• f(n)f(n)f(n): Teljes költség függvény.
• g(n)g(n)g(n): A kezdő csomópont és az nnn csomópont közötti költség.
• h(n)h(n)h(n): Heurisztikus költségbecslés az nnn-től a célig.

AI-támogatott pályabeállítások

A mesterséges intelligencia által vezérelt pályabeállító rendszerek hatékony manővereket tesznek lehetővé, miközben minimalizálják az üzemanyag-fogyasztást és biztosítják a csomópontok pontos pozicionálását. Ezek a rendszerek neurális hálózatokat  használnak az optimális tolóerő-tüzelési minták előrejelzésére az aktuális állapotvektorok és a kívánt pályaváltozások alapján.

A θ\thetaθ neurális hálózati modell betanítva van betanítva az uuu vezérlő bemenetek előrejelzésére xxx állapotvektor esetén:

u=fθ(x)u = f_\theta(x)u=fθ(x)

Az LLL veszteségfüggvény edzés közben úgy lett kialakítva, hogy minimalizálja a kívánt pályaparaméterektől való eltérést, miközben alacsony szinten tartja az üzemanyag-fogyasztást:

L=∥xpredicted−xtarget∥2+λ∥u∥2L = \| x_{\text{predicted}} - x_{\text{target}} \|^2 + \lambda \| u \|^2L=∥xpredicted−xtarget∥2+λ∥u∥2

hol:

• xpredictedx_{\text{predicted}}xpredicted: Előrejelzett állapot a vezérlőbemenet alkalmazása után.
• xtargetx_{\text{target}}xtarget: Célállapot.
• λ\lambdaλ: Regularizációs paraméter a magas kontroll bemenetek büntetésére.

A neurális hálózat különböző forgatókönyvekkel történő betanításával az AI modell képessé válik hatékony orbitális manőverek autonóm végrehajtására, alkalmazkodva a MOLN valós idejű körülményeihez.

---

Vizuális ábrázolások és diagramok

• Állapotbecslési folyamatábra: Egy diagram, amely bemutatja, hogyan becsülhető meg egy csomópont állapota érzékelők és a Kalman-szűrő segítségével.
• Vezérlőrendszer-diagram: A modell prediktív vezérlési (MPC) folyamatát szemléltető blokkdiagram, amely bemutatja, hogyan használhatók az állapot-előrejelzések a vezérlési műveletek optimalizálására.
• Útvonalkereső algoritmus folyamatábrája: A csomópontok közötti optimális hasznos terhelés útválasztásának lépéseit ábrázoló folyamatábra.
• AI-Driven Orbital Adjustment System: Neurális hálózati diagram, amely bemutatja a bemeneti állapotvektorokat, a rejtett rétegeket és a tolóerő-manőverek kimenetvezérlő bemeneteit.

---

A MOLN autonóm irányítási és döntéshozatali rendszerei lehetővé teszik a csomópontok műveleteinek, a hasznos teher átadásának és az orbitális beállításoknak a rendkívül hatékony és adaptív kezelését, miközben fenntartják a megbízhatóságot és csökkentik az állandó emberi felügyelet szükségességét.

8.3 Hálózatfigyelés és állapotdiagnosztika

A hatékony hálózatfelügyelet és diagnosztika elengedhetetlen a MOLN (Modular Orbital Launch Network) számára, hogy fenntartsa nagy teljesítményét, megbízhatóságát és biztonságát az űrműveletekben. Tekintettel az orbitális dinamika, a hasznos teher átvitele és a többcsomópontos koordináció összetettségére, a MOLN érzékelők, prediktív diagnosztika és AI-vezérelt elemzés integrált rendszerét alkalmazza a zökkenőmentes funkcionalitás és a proaktív problémamegoldás biztosítása érdekében.

8.3.1 Érzékelők és valós idejű adatgyűjtés

Szenzorhálózatok és adatfolyamok

A MOLN csomópontok érzékelők egész sorával vannak felszerelve, amelyek több, a működéshez kulcsfontosságú paramétert felügyelnek. Ezek az érzékelők nagy felbontású adatokat gyűjtenek, biztosítva, hogy az egyes csomópontok és hasznos terhelések minden működési aspektusa valós időben nyomon követhető legyen. Az alábbiakban bemutatunk néhány kulcsfontosságú érzékelőtípust és azok céljait:

1. Pozicionáló és orbitális érzékelők:
• Csillagkövetők: Használjon csillagmintákat a pontos tájolás és térbeli pozicionálás fenntartásához.
• Giroszkópok és gyorsulásmérők: Mérje meg a szögsebességet és a gyorsulást, segítve a hozzáállást és a mozgásszabályozást.
• GPS-vevők: Nagy pontosságú helyzet- és sebességadatokat szolgáltatnak alacsony Föld körüli pályán (LEO).

A szenzorfúziós algoritmus kombinálja az alábbi műszerek adatait, jellemzően Kalman-szűrők  használatával becsüli meg az egyes csomópontok pontos állapotát:

x^k=x^k−1+Kk(zk−Hkx^k−1)\hat{x}_k = \hat{x}_{k-1} + K_k(z_k - H_k \hat{x}_{k-1})x^k=x^k−1+Kk(zk−Hkx^k−1)

hol:

• x^k\hat{x}_kx^k: Becsült állapotvektor (pozíció, sebesség, tájolás).
• KkK_kKk: Kálmán nyer a kkk időlépésben.
• zkz_kzk: Mérési vektor érzékelőkből.
• HkH_kHk: Megfigyelési mátrix.
1. Állapot- és állapotérzékelők:
• Hőérzékelők: Felügyeli a kritikus rendszerek hőmérsékletét, beleértve a hőelvezető rendszereket és a hasznos teret.
• Teljesítmény- és feszültségérzékelők: Mérje meg a szuperkondenzátorok, napelemek és elektromágneses meghajtórendszerek energiaszintjét az optimális energiafelhasználás biztosítása érdekében.
• Szerkezeti feszültségérzékelők: Érzékeli a csomópont szerkezetének feszültségét és feszültségét, különösen a csatlakozási pontok körül vagy a hasznos teher átvitele során.
2. Hasznos terhelést figyelő érzékelők:
• Közelség- és távolságérzékelők: Nyomon követheti a bejövő és kimenő hasznos terhek helyét a pontos rögzítési és kioldási műveletek érdekében.
• Rezgés- és ütésérzékelők: Mérje meg a mechanikai zavarokat, hogy biztosítsa a hasznos teher biztonságát gyorsítási és dokkolási manőverek során.

Adatgyűjtési és kommunikációs architektúra

A MOLN minden csomópontja hierarchikus adatkommunikációs rendszerrel rendelkezik:

• Helyi adattárolás: Minden csomópont nagyfrekvenciás érzékelőadatokat tárol azonnali felhasználásra a vezérlési algoritmusokban.
• Csomópontok közötti adatmegosztás: A csomópontok lézeres kommunikációs kapcsolatokon vagy RF-sávokon keresztül kommunikálják a kritikus működési állapotot és az állapotmetrikákat a szomszédos csomópontokkal.
• Központi parancsadat-továbbítás: A csomópontok rendszeres időközönként tömörített adatcsomagokat küldenek egy központi földi vagy orbitális parancsnoki központba előzményelemzés, hálózati diagnosztika és optimalizálás céljából.

Az adatok továbbítása alacsony késleltetésű, nagy sávszélességű protokollal történik, hogy valós idejű rendelkezésre állást biztosítson a döntéshozatalhoz. A kommunikációs protokoll Time-Division Multiple Access (TDMA) rendszert használhat a csomópontok közötti információáramlás hatékony kezelésére.

---

8.3.2 Prediktív karbantartási és automatizált javító rendszerek

A prediktív karbantartás és az automatizált diagnosztika kritikus fontosságú a hibák megelőzéséhez és a hálózat hatékonyságának fenntartásához. A fejlett adatelemzési és gépi tanulási modellek használatával a MOLN előre jelzi a lehetséges problémákat, mielőtt azok kritikus hibákká eszkalálódnának.

Anomáliadetektálási algoritmusok

1. Statisztikai folyamatszabályozás (SPC):
• Az érzékelők adatait statisztikai módszerekkel folyamatosan elemzik, a szabályozási határértékeket a múltbeli normák alapján határozzák meg. A beállított tűréshatáron túli eltérések potenciális hibákat jeleznek.
• A rendszer egy vezérlődiagramot alkalmaz a metrikák időbeli nyomon követésére a felső és alsó ellenőrzési határértékek (UCL és LCL) képletének használatával:

UCL=xˉ+kσ\szöveg{UCL} = \bar{x} + k \sigmaUCL=xˉ+kσ LCL=xˉ−kσ\text{LCL} = \bar{x} - k \sigmaLCL=xˉ−kσ

hol:

• xˉ\bar{x}xˉ: Az adatminta átlaga.
• kkk: Szabályozási határtényező, gyakran 3-ban állítják be 99,73%-os konfidenciaintervallumra.
• σ\sigmaσ: Az adatminta szórása.
1. Gépi tanuláson alapuló állapotdiagnosztika:
• Felügyelt tanulási modellek: címkézett adatkészletek használata az érzékelőelőzményekből a lehetséges összetevőhibák előrejelzéséhez. A véletlenszerű erdő osztályozója vagy a támogató vektorgép (SVM) használható a működési állapotok "normál" vagy "hibás" besorolására.
• Ismétlődő neurális hálózatok (RNN-ek) és hosszú rövid távú memória (LSTM) hálózatok: Idősoros érzékelőadatok elemzése a fokozatos kopásra, anomáliákra vagy más időfüggő eseményekre utaló minták rögzítéséhez.

Az alábbi példa egy egyszerű példát mutat be arra, hogyan valósítható meg egy neurális hálózatalapú diagnosztikai modell a Pythonban egy olyan keretrendszer használatával, mint a TensorFlow:

piton

Kód másolása

Tensorflow importálása TF-ként

from tensorflow.keras.models import Sequential

from tensorflow.keras.layers import LSTM, Sűrű

 

# A modell meghatározása

model = Sequential()

model.add(LSTM(64; input_shape=(időlépések; jellemzők)))

model.add(Dense(1, activation='sigmoid')) # Bináris osztályozás

 

# Fordítsa le a modellt

modell.compill(optimalizáló='adam'; loss='binary_crossentropy'; metrics=['pontosság'])

 

# A modell betanítása

modell.illeszt(train_data; train_labels; korszakok=10; batch_size=32; validation_split=0,2)

3. Prognosztika és egészségügyi menedzsment (PHM):
• A fizikai modellek és statisztikai algoritmusok kombinációja előrejelzi az  összetevők hátralévő hasznos élettartamát (RUL). A részecskeszűrő egy általánosan használt módszer erre, amely magában foglalja a lehetséges állapotokat reprezentáló részecskék terjedését az idő múlásával.

A RUL előrejelzési egyenlete a következő formában lehet:

RUL=Tfailure−Tcurrentromlási ráta\text{RUL} = \frac{T_{\text{failure}} - T_{\text{current}}}{\text{romlási ráta}}RUL=romlási rátaTfailure−Tcurrent

hol:

• TfailureT_{\text{failure}}Tfailure: Az összetevő meghibásodásának becsült ideje.
• TcurrentT_{\text{current}}Tcurrent: Aktuális idő.
• Romlási arány: Az összetevő lebomlásának becsült üteme.

Automatikus javítási és válaszadási protokollok

A csomópontok moduláris javítóegységekkel  vannak felszerelve, amelyek képesek önjavításra vagy redundáns rendszerek karbantartására. Ezek az egységek számos feladatot képesek kezelni:

• Alkatrészek cseréje és újrakonfigurálása: A csomópontok moduláris felépítésűek, lehetővé téve a kritikus alrendszerek, például hajtóművek, elektromágneses sínrendszerek vagy energiatároló egységek gyors cseréjét.
• Kalibráló és kiegyensúlyozó rendszerek: A fedélzeti rendszerek önállóan újrakalibrálhatják az érzékelőket, hajtóműveket és energiagazdálkodási egységeket az érzékelődiagnosztika hatására.
• Redundáns biztonsági mentési rendszerek: Minden csomópont tartalmaz biztonsági mentési rendszereket a kulcsfontosságú összetevőkhöz (pl. kommunikáció, meghajtás, áramellátás), amelyek automatikusan bekapcsolnak, ha egy elsődleges rendszer meghibásodik.

Feladatátvételi és átirányítási algoritmusok

Csomóponthiba esetén a MOLN feladatátvételi és átirányítási algoritmusokat  használ a hálózati funkcionalitás fenntartásához:

1. Legrövidebb útvonalú átirányítási algoritmusok: Igazítsa az útvonalakat egy hibásan működő csomópont körül olyan algoritmusok használatával, mint a Bellman-Ford vagy  az A* keresés, hogy dinamikusan kiszámítsa az új útvonalakat.
2. Terheléselosztás és forgalomkezelés: Ossza el újra a hasznos adatok átvitelét más elérhető csomópontok között a hálózaton keresztüli hatékony áramlás biztosítása érdekében.

---

Vizuális ábrázolások és grafikus objektumok

• Érzékelő elhelyezési diagramja: Egy MOLN csomópont vázlata, amely az érzékelők elhelyezését mutatja a pozicionális, termikus, szerkezeti és hasznos teher felügyeletéhez.
• Adatfolyam-diagram: Az érzékelők adatgyűjtésétől a helyi feldolgozásig, a csomópontok közötti kommunikációig és a központosított parancstovábbításig tartó adatútvonalakat ábrázoló folyamatábra.
• Statisztikai folyamatszabályozás ellenőrzési diagramja: Grafikus ábrázolás, amely az érzékelők adatait mutatja az idő múlásával, felső és alsó szabályozási határértékekkel (UCL és LCL).
• Neurális hálózati architektúradiagram: A prediktív karbantartási diagnosztikához használt LSTM vagy RNN hálózat vizualizációja.

---

Az integrált hálózatfelügyelet és diagnosztika biztosítja, hogy a MOLN csomópontok csúcshatékonysággal működjenek, prediktív karbantartást, valós idejű állapotfigyelést és adaptív javítási képességeket biztosítva a robusztus és rugalmas űrszállítási hálózat fenntartása érdekében.

9.1 Kereskedelmi alkalmazások

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) kereskedelmi lehetőségek széles skáláját nyitja meg azáltal, hogy hatékony, méretezhető és rugalmas hálózatot biztosít a hasznos terhek több pályán történő továbbításához. Ez a fejezet feltárja a MOLN főbb kereskedelmi alkalmazásait, arra összpontosítva, hogy képességei hogyan befolyásolhatják jelentősen a műholdak telepítését, az infrastruktúra összeszerelését, az űrturizmust és más ipari felhasználásokat.

9.1.1. A műholdak telepítése és az űrinfrastruktúra összeszerelése

Műholdfelbocsátási szolgáltatások és telepítés

A MOLN jelentősen csökkenti a műholdak alacsony Föld körüli pályára (LEO), közepes Föld körüli pályára (MEO) és geostacionárius pályára (GEO) történő elhelyezésének költségeit és összetettségét azáltal, hogy következetes, megismételhető és méretezhető útvonalakat biztosít a hasznos teher átviteléhez.

• Indítási hatékonyság: A hagyományos indítórendszerek pontos ütemezést és feláldozható rakétákat igényelnek, ami drágává és kevésbé rugalmassá teszi a folyamatot. A MOLN csomópontokat használ a csúzli hasznos terhére, lehetővé téve a gyakoribb indításokat és csökkentve a szállított hasznos teher kilogrammonkénti összköltségét.
• Moduláris telepítés: A hálózat lehetővé teszi több műholdtípus telepítését, a kis CubeSat-októl a nagyobb geostacionárius műholdakig, amelyek hatékonyan küldhetők a megfelelő pályájukra. Ezenkívül a MOLN elosztott csomópont-hálózata több hozzáférési pontot biztosít, csökkentve a torlódásokat és biztosítva az időben történő telepítést.

A keringési pálya kilogrammonkénti költsége (C/kg) a MOLN csomópont hatékonyságának, csomópontkapacitásának és energiafogyasztásának függvényében ábrázolható, a következőképpen:

Ckg=Pnode⋅Etransferηnode⋅MpayloadC_{\text{kg}} = \frac{P_{\text{node}} \cdot E_{\text{transfer}}}{\eta_{\text{node}} \cdot M_{\text{payload}}}Ckg=ηnode⋅MpayloadPnode⋅Etransfer

hol:

• PnodeP_{\text{node}}Pnode: A csomópont által igényelt energia.
• EtransferE_{\text{transfer}}Etransfer: Az átvitel energiaköltsége (joule per kg-ban).
• ηnode\eta_{\text{node}}ηnode: Az energiaátviteli rendszer hatékonysága.
• MpayloadM_{\text{payload}}Mpayload: A hasznos teher tömege.

Űrinfrastruktúra összeszerelése

• Keringési pályán történő gyártás és összeszerelés: Az anyagok és alkatrészek MOLN segítségével történő átvitelének képessége lehetővé teszi nagyobb űrszerkezetek összeállítását a pályán. Ez lehetőséget teremt űrbéli élőhelyek, űrállomások és nagyszabású platformok építésére a napenergia gyűjtésére.
• Üzemanyagtöltő és szervizállomások: A csomópontok konfigurálhatók úgy, hogy műholdak és űrhajók töltőállomásaként működjenek, meghosszabbítva a küldetés élettartamát, és lehetőséget biztosítva a keringési pályán történő szervizelésre és korszerűsítésre. Ez az "űrlogisztikai" képesség gazdasági modellt nyújt az öregedő műholdak felújításához.

A MOLN azon képességének kihasználásával, hogy az alkatrészeket pontosan a saját pályájukon pozicionálja, szabályozott összeszerelési megközelítést valósíthatunk meg. Ez a módszer mesterséges intelligencia által irányított robotkarokat használ, amelyek csomópontokhoz vannak rögzítve, amelyek inverz kinematikai számításokat használnak a mozgáshoz:

X⃗=J−1(θ)⋅θ ̇⃗\vec{X} = J^{-1}(\theta) \cdot \vec{\dot{\theta}}X=J−1(θ)⋅θ ̇

hol:

• X⃗\vec{X}X: Végeffektor sebessége.
• J−1(θ)J^{-1}(\theta)J−1(θ): A robotkar inverz Jacobi-mátrixa θ\thetaθ illesztési szögek alapján.
• θ ̇⃗\vec{\dot{\theta}}θ ̇: Ízületi sebességek.

Ezek az egyenletek biztosítják az alkatrészek pontos összeszerelését és integrálását a keringés során.

---

9.1.2 Űrturizmus közlekedési rendszerei

Megfizethető és gyakori hozzáférés a helyhez

A MOLN egyedülálló platformot biztosít az űrturizmus fejlesztéséhez, biztonságos, megfizethető és gyakori lehetőségeket kínálva a szuborbitális és orbitális űrutazáshoz. Az űrturisztikai vállalatok felhasználhatják a MOLN hálózatot, hogy turistákat szállítsanak különböző érdekes helyekre, például alacsony Föld körüli pályán keringő élőhelyekre vagy űrállomásokra.

• Űrállomások és szállodák: A modulok gyors és hatékony telepítésének képességével a MOLN megkönnyíti a keringő szállodák és élőhelyek építését. Ezek a szerkezetek összekapcsolhatók a MOLN csomópontokkal mind az utasok, mind az ellátmány szállításához.
• Nagyfrekvenciás utazás: A MOLN csomópontok hatékonysága, amelyek felgyorsíthatják és lassíthatják az űrhajókat anélkül, hogy feláldozható rakétákra lenne szükség, lehetővé teszik a gyors fordulást és a napi többszöri utazást, javítva a turisták számára a tér elérhetőségét.

A szuborbitális turizmushoz szükséges sebesség az alapvető kinetikus energia képletből vezethető le:

vsub=2⋅g⋅hv_{\text{sub}} = \sqrt{2 \cdot g \cdot h}vsub=2⋅g⋅h

hol:

• ggg: Gravitációs gyorsulás (9,81 m/s²).
• hhh: A szuborbitális repülés csúcsmagassága.

Az orbitális turizmushoz nagyobb sebességre van szükség, igazodva a körkörös keringési sebesség egyenletéhez:

vorbital=GMrv_{\text{orbital}} = \sqrt{\frac{GM}{r}}vorbital=rGM

hol:

• GGG: Gravitációs állandó.
• MMM: A Föld tömege.
• rrr: Sugár a Föld középpontjától a pályáig.

Biztonság és utasélmény

A biztonság kiemelkedő fontosságú az űrturizmus számára, és a MOLN csomópontokat fejlett feladatátvételi rendszerekkel és redundanciákkal tervezték. A turistákat kifejezetten az emberi kényelem és biztonság érdekében tervezett utasmodulokban szállítanák, többek között:

• Túlnyomásos kapszulák: Szabályozott belső légkört biztosít hőmérséklet-szabályozással, sugárzásárnyékolással és vészhelyzeti életfenntartó rendszerekkel.
• Utasbiztonsági rendszer és kilátás: Kényelmes ülés utasbiztonsági rendszerekkel, amelyek kezelik a gyorsulás változásait, és panoráma kilátóablakok a magával ragadó élmény érdekében.

A turisztikai modul vizuális ábrázolása a következőket tartalmazza:

• 3D Cutaway modell: A belső elrendezés bemutatása, utasülésekkel, életmentő rendszerekkel és átlátszó látórészekkel.

---

9.1.3 Űrszállítmányozás és logisztika

Kereskedelmi teherszállítási hálózat

A MOLN elsődleges funkciója közlekedési hálózatként lehetővé teszi, hogy gerincként szolgáljon a kereskedelmi rakományok szállításához a Föld és a Föld körüli pálya, valamint a különböző orbitális csomópontok között. Ez teszi a MOLN-t létfontosságú eszközzé a következők számára:

• Just-in-time (JIT) gyártás az űrben: Az anyagok és termékek különböző pályákra történő gyors szállításának megkönnyítésével a MOLN támogatja a JIT gyártási folyamatait az űrben, minimalizálva a tárolási igényeket és csökkentve az átfutási időket.
• Inter-Node Cargo Transfer: A rakomány költséges rakétameghajtás nélkül szállítható a csomópontok között. Ez a folyamat magában foglalja a pontos pályaszámításokat a hatékony átvitel érdekében, amelyet a MOLN adaptív útválasztási algoritmusai irányítanak.

A csomópontok közötti átviteli idő ttransfert_{\text{transfer}}ttransfer a relatív mozgásegyenletek segítségével számítható ki:

ttransfer=2πΔrμ(1/r1−1/r2)t_{\text{transfer}} = \frac{2 \pi \Delta r}{\sqrt{\mu (1/r_1 - 1/r_2)}}ttransfer=μ(1/r1−1/r2)2π Δr

hol:

• Δr\Delta rΔr: Az eredeti csomópont és a célcsomópont közötti sugár változása.
• μ\muμ: A Föld standard gravitációs paramétere.
• r1,r2r_1, r_2r1,r2: A megfelelő pályák sugarai.

Veszélyes és érzékeny anyagok szállítása

• Érzékeny rakománykezelés: A MOLN lehetővé teszi érzékeny rakományok, például gyógyszerek, laboratóriumi minták vagy törékeny berendezések kezelését, amelyek szabályozott hőmérsékletet, nyomást és ütésvédelmet igényelhetnek.
• Veszélyes anyagok: A Földön veszélyes anyagok (pl. radioaktív izotópok vagy üzemanyagcellák) esetében a MOLN biztonságos szállítást biztosít az űrbe, ahol feldolgozhatók, tárolhatók vagy felhasználhatók az űralkalmazásokban anélkül, hogy kockázatot jelentenének a Föld környezetére.

---

9.1.4 Űrbányászat és erőforrás-kitermelés

A MOLN szállítási képességei kiterjednek az űrbányászat feltörekvő területének támogatására, különösen a Holdról, az aszteroidákról és a Marsról származó erőforrások kitermelésére és szállítására.

• Aszteroidabányászat: A bányászott anyagok aszteroidákból feldolgozó központokba történő szállításával a MOLN csökkenti a nagy mennyiségű fém és ásványi anyag Föld körüli pályára vagy más űrbeli célállomásokra történő visszaszállításának költségeit.
• Holdi erőforrás-transzfer: A holdkolonizáció és a bázisépítés előrehaladtával a MOLN megbízható logisztikai hálózatként szolgálhat a holdi regolit, a víz és más erőforrások keringési pályára vagy magára a Holdra történő mozgatásához.

Az erőforrás-átviteli számítások  a delta-v követelményeken  alapulhatnak az anyagok Hold (vagy aszteroida) felszínéről egy orbitális MOLN csomópontra történő mozgatására, a Tsiolkovsky rakétaegyenlet  segítségével a szükséges sebességváltozás kiszámításához:

Δv=Isp⋅g0⋅ln(m0mf)\Delta v = I_{\text{sp}} \cdot g_0 \cdot \ln \left( \frac{m_0}{m_f} \right)Δv=Isp⋅g0⋅ln(mfm0)

hol:

• Δv\Delta vΔv: Szükséges sebességváltozás.
• IspI_{\text{sp}}Isp: A meghajtórendszer fajlagos impulzusa.
• g0g_0g0: Standard gravitációs gyorsulás a Föld felszínén.
• m0m_0m0, mfm_fmf: A jármű kezdő, illetve végső tömege.

---

Illusztrációk és grafikák

• Kereskedelmi alkalmazások hálózati térképe: A rakomány, a turizmus és a műholdak telepítésének kulcsfontosságú csomópontjainak, szállítási útvonalainak és kereskedelmi csomópontjainak megjelenítése.
• Utasmodul vázlata: Az utasmodul címkézett kivágási diagramja, amely kiemeli az üléseket, az életfenntartó rendszereket és a biztonsági funkciókat.
• Space Mining Cargo Path: Folyamatábra, amely bemutatja az aszteroidák vagy a Hold erőforrásainak bányászatának, feldolgozásának és szállításának folyamatát különböző orbitális helyekre a MOLN csomópontokon keresztül.

---

Ezek a kereskedelmi alkalmazások hangsúlyozzák a MOLN sokoldalúságát és átalakító potenciálját az űrműveletekben, lehetővé téve egy fenntartható és kereskedelmileg életképes űrgazdaságot, amely integrálja a műholdak telepítését, a turizmust, a teherszállítást és az erőforrások kitermelését.

9.2 Ipari és erőforrás-kitermelési lehetőségek

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) létrehozása forradalmi platformot jelent az ipari műveletekhez és az űrbeli erőforrás-kitermeléshez, páratlan logisztikai támogatást nyújtva a bányászathoz, a gyártáshoz és az anyagszállításhoz a Föld felszínén kívül. Ez a fejezet feltárja a MOLN által elősegített lehetőségeket, beleértve az aszteroidabányászatot, a holdi és marsi erőforrások kitermelését és azok integrációját a hálózatba.

9.2.1 Aszteroidabányászati műveletek támogatása

Az aszteroidák hatalmas mennyiségű értékes anyagot tartalmaznak, például fémeket (nikkel, vas, platinacsoportú fémek), vizet és más illékony anyagokat, így az erőforrások kitermelésének elsődleges célpontjai. A MOLN alapvető infrastruktúrát biztosít a bányászati küldetések lehetővé tételéhez, az erőforrások hatékony szállításához és az ipari tevékenységek támogatásához az űrben.

Aszteroida kiválasztási és bányászati műveletek

A bányászatra alkalmas aszteroidák kiválasztásához számos paramétert kell figyelembe venni, beleértve az összetételt, a Föld közelségét és a pálya jellemzőit. A MOLN támogatja a bányászati küldetéseket azáltal, hogy optimális útvonalakat tesz lehetővé a célként szolgáló aszteroidák felé és felől, kihasználva a hálózatában található gravitációs asszisztenseket és lendületcserélő eszközöket.

Az  aszteroida eléréséhez szükséges delta-v (Δv\Delta vΔv) a pályaátviteli képlettel számítható ki:

Δvtotal=Δvlaunch+Δvtransfer+Δvrendezvous\Delta v_{\text{total}} = \Delta v_{\text{launch}} + \Delta v_{\text{transfer}} + \Delta v_{\text{rendezvous}}Δvtotal=Δvlaunch+Δvtransfer+Δvrendezvous

hol:

• Δvlaunch\Delta v_{\text{launch}}Δvlaunch: Sebességváltozás a Földről a MOLN csomópontra történő indításkor.
• Δvtransfer\Delta v_{\text{transfer}}Δvtransfer: A Hohmann-transzfer sebességváltozása a MOLN csomópontról az aszteroidára.
• Δvrendezvous\Delta v_{\text{rendezvous}}Δvrendezvous: Sebességváltozás az aszteroidával való egyezés érdekében.

A MOLN csomópontokat biztosít a Föld pályájának különböző pontjain, lehetővé téve a bányászati küldetések indítását a legoptimálisabb helyről minimális energiafelhasználás mellett. Továbbá, miután a bányászott anyagokat összegyűjtötték, feldolgozhatók és visszaszállíthatók egy MOLN csomópontba, hogy elosszák a hálózaton.

Bányászati műveletek és erőforrás-feldolgozás

Az aszteroidákat vízre (rakéta-üzemanyagként vagy életbiztosításra), nemesfémekre és egyéb elemekre lehet bányászni. A bányászat és feldolgozás a következőket foglalja magában:

• Robot bányászati berendezések: Anyagok autonóm kivonása fúrókkal, lézerekkel vagy más technikákkal.
• Űrbeli feldolgozás: Az erőforrások a helyszínen feldolgozhatók a szállítás előtti súly és térfogat csökkentése érdekében, az olvadt regolit elektrolízis vagy a gőzfázisú feldolgozás példák a fémek szétválasztására.

Erőforrás-átvitel MOLN csomópontokon keresztül

A kitermelt anyagokat a MOLN csomópontokon keresztül mozgatják, biztosítva a hatékony szállítást a Földre, a holdbázisokra vagy más orbitális helyekre további feldolgozás vagy felhasználás céljából. Az átviteli időt minimalizálja a MOLN adaptív útvonal-leképezése, és optimalizálja a hálózat AI-alapú döntési algoritmusai.

Az anyagátvitelhez szükséges energia  a tömeg- és pályaváltozáson alapul, és a következőképpen ábrázolható:

Etransfer=12mmaterial(vfinal2−vinitial2)E_{\text{transfer}} = \frac{1}{2} m_{\text{material}} \left( v_{\text{final}}^2 - v_{\text{initial}}^2 \right)Etransfer=21mmaterial(vfinal2−vinitial2)

hol:

• mmaterialm_{\text{material}}mmaterial: A kinyert erőforrás tömege.
• vinitialv_{\text{initial}}vinitial, vfinalv_{\text{final}}vfinal: Kezdeti és végső sebesség átvitel közben.

9.2.2 A Hold és a Mars erőforrás-szállítása

Holdbányászat és közlekedés

A Hold bőséges erőforrásokat kínál, beleértve a regolitot az építkezéshez, a vízjeget a pólusokon és a hélium-3-at a potenciális energiatermeléshez. A MOLN zökkenőmentes kapcsolatot biztosít a holdbázisok és a Föld pályája között, lehetővé téve az erőforrások és készletek kétirányú szállítását.

• Regolith bányászat építéshez: A holdi regolit építőanyagokká, például téglákká vagy olvadt regolit szálakká alakítható, amelyek élőhelyek, leszállóhelyek és egyéb infrastruktúrák helyszíni építésére használhatók.
• Vízkitermelés és szállítás: A vízjég, különösen a holdi pólusokból, kivonható és hidrogénre és oxigénre bontható, mind az élet fenntartására, mind a rakéta-üzemanyagra felhasználható. Ezek az illékony anyagok a MOLN hálózaton keresztül szállíthatók pályára.

Az anyagnak a Hold felszínéről a MOLN csomópontba történő mozgatására vonatkozó delta-v követelmény  kiszámításához a képletet a következő képlet adja meg:

Δvlunar=vescape⋅(1−cos(θ))\Delta v_{\text{lunar}} = v_{\text{escape}} \cdot \left( 1 - \cos \left( \theta \right) \right)Δvlunar=vescape⋅(1−cos(θ))

hol:

• vescapev_{\text{escape}}vescape: Menekülési sebesség a Hold felszínéről.
• θ\thetaθ: Indítási szög a Hold felszínéről.

  A MOLTN-on áthaladó átviteli útvonalak minimalizálják az erőforrások mozgatásához szükséges energiát, és a Hold körüli pályán lévő csomópontok megállóhelyként működnek a további szállításhoz.

Mars bányászat és infrastruktúra támogatás

A Mars újabb jövedelmező lehetőséget kínál az erőforrások kitermelésére és gyarmatosítására. A MOLN-t úgy tervezték, hogy támogassa a Mars és a Naprendszer más pontjai közötti szállítást, lehetővé téve az olyan anyagok hatékony mozgását, mint:

• Marsi regolit: A holdi regolithoz hasonlóan a marsi talaj vas-oxidot és más ásványi anyagokat tartalmaz, amelyek hasznosak az in-situ építéshez és gyártáshoz.
• Vízjég: A Mars felszín alatti jéglerakódásai vízbányászatra alkalmasak, ami kritikus fontosságú az élet fenntartása és az üzemanyag-előállítás szempontjából.

A Föld és a Mars közötti keringési idő a két bolygó relatív helyzetétől függ, és a Hohmann-átviteli egyenletek segítségével becsülhető meg:

ttransfer=π(rEarth+rMars)38μ Sunt_{\text{transfer}} = \pi \sqrt{\frac{(r_{\text{Earth}} + r_{\text{Mars}})^3}{8 \mu_{\text{Sun}}}}ttransfer=π8μSun(rEarth+rMars)3

hol:

• rEarthr_{\text{Earth}}rEarth, rMarsr_{\text{Mars}}rMars: A Föld és a Mars keringési sugara.
• μSun\mu_{\text{Sun}}μSun: A Nap gravitációs paramétere.

A Föld és a Mars közötti szállítás a MOLT-on keresztül nemcsak az erőforrások kitermelését könnyítheti meg, hanem a bázisok, ellátási láncok építését és az infrastruktúra fejlesztését is a Marson.

Energia- és anyagáramlás a MOLN csomópontokon keresztül

A MOLN hálózat lehetővé teszi az erőforrások áramlását, csővezetékként működve az energia- és anyagszállításhoz a bányászati helyszínek, a feldolgozó központok és az építési területek között. Minden MOLN csomópont képes:

• Erőforrások fogadása: Anyagok fogadása a bejövő útvonalakról, ideiglenes tárolása és felkészülés a további szállításra.
• Anyagfeldolgozás: Azokban az esetekben, amikor az anyagokat finomítani vagy tömöríteni kell, a csomópontok alapvető feldolgozó berendezésekkel vannak felszerelve az ércek finomításához, az illékony anyagok szűréséhez és az anyagok tömörítéséhez.

Az anyagok feldolgozásához és átviteléhez szükséges teljesítményigény képlete a következő:

Ptransfer=EtransfertprocessP_{\text{transfer}} = \frac{E_{\text{transfer}}}{t_{\text{process}}}Ptransfer=tprocessEtransfer

hol:

• EtransferE_{\text{transfer}}Etransfer: Az anyagátadáshoz szükséges energia.
• tprocesst_{\text{process}}tprocess: Az anyag feldolgozásához szükséges idő.

Hálózati hatékonyság és méretezhetőség

Az erőforrás-kitermelési műveletek bővülésével a MOLN ennek megfelelően méretezhető, további csomópontokat és finomítási útvonalakat adhat hozzá az energiafelhasználás optimalizálása és az átviteli idők csökkentése érdekében. A speciális erőforrás-feldolgozási feladatokra (pl. vízkitermelés, ércolvasztás) szánt csomópontok integrálhatók a hálózatba, speciális folyosókat képezve az anyagáramláshoz.

Illusztrációk és grafikák

• Erőforrás-kitermelő hálózati térkép: A kulcsfontosságú bányászati helyek vizuális ábrázolása, beleértve az aszteroidákat, a holdbázisokat és a marsi helyszíneket, amelyeket MOLN útvonalak kötnek össze.
• Csomópont-funkcionalitási diagramok: A csomópont képességeit bemutató keresztmetszetek, beleértve az anyagbeviteli, tárolási, feldolgozási és átviteli funkciókat.
• Anyagszállítási folyamatábra: Az anyagok kitermelésének, finomításának és a MOLN csomópontokon keresztül a rendeltetési helyükre történő mozgatásának folyamatát ábrázolja.

---

Ezek az ipari és erőforrás-kitermelési lehetőségek megmutatják a MOLN átalakító potenciálját a fenntartható űrműveletek lehetővé tételében és a Földön kívüli gazdaságok növekedésének támogatásában, az aszteroida fémek bányászatától és feldolgozásától kezdve a holdi és marsi bázisok robusztus ellátási láncának létrehozásáig.

9.3 A MOLN kiterjesztése bolygóközi és mélyűri küldetésekre

A Modular Orbital Launch Network (MOLN) átalakító képességet mutat be nemcsak a Föld pályáján belüli hatékony utazás lehetővé tételére, hanem a bolygóközi és mélyűri kutatás határainak megnyitására is. Ez a fejezet azt vizsgálja, hogy a MOLN hogyan terjeszthető ki a Föld pályáján túlra, hogy támogassa a Marsra, a külső bolygókra és azon túlra irányuló küldetéseket, megvitatva a szükséges technológiai fejlesztéseket, orbitális mechanikát és skálázható stratégiákat a mélyűri szállításhoz.

9.3.1 Integráció a Marssal Transzfer pályák és külső bolygók

Az űrhajózási technológiák fejlődésével a Mars a kiterjesztett kutatás és kolonizáció első fő célpontja. A MOLN Mars körüli pályára állítása jelentősen egyszerűsítheti a bolygóközi szállítás folyamatát, biztosítva az energiahatékonyságot és a megbízható hozzáférést mind a legénységes, mind a személyzet nélküli küldetések számára.

Mars transzfer pályák és szinkronizáció

A MOLN célja, hogy támogassa a bolygóközi szállítás létrehozását azáltal, hogy stratégiailag elhelyezett átviteli csomópontokat épít be a Mars-Föld útvonalak megkönnyítésére. A Hohmann transzfer pálya a leggyakrabban használt módszer a bolygók közötti bolygóközi utazáshoz, mivel ez igényli a legkevesebb delta-v-t (sebességváltozás). A Föld és a Mars közötti ttransfert_{\text{transfer}}ttransfer  átviteli időt a következő képlet adja meg:

ttransfer=π(rEarth+rMars)38μ Sunt_{\text{transfer}} = \pi \sqrt{\frac{(r_{\text{Earth}} + r_{\text{Mars}})^3}{8 \mu_{\text{Sun}}}}ttransfer=π8μSun(rEarth+rMars)3

hol:

• rEarthr_{\text{Earth}}rEarth, rMarsr_{\text{Mars}}rMars: A Föld és a Mars keringési sugara.
• μSun\mu_{\text{Sun}}μSun: A Nap standard gravitációs paramétere, kb. 1.327×1020 m3s−21.327 \times 10^{20} \, \text{m}^3\text{s}^{-2}1.327×1020m3s−2.

A Mars átviteli pályáin elhelyezett MOLN csomópontok lehetővé teszik az űrhajók számára, hogy szükség szerint gyorsuljanak vagy lassuljanak, megkönnyítve a zökkenőmentes átvitelt elektromágneses meghajtórendszerek vagy tether-alapú impulzuscserélő mechanizmusok segítségével.

A Mars orbitális csomópontjai és felszíni műveletei

A Mars körüli pályán keringő csomópontok döntő szerepet fognak játszani a felszín felé tartó űrhajók átjátszópontjaiként, megállóhelyeket kínálva a rakományszállításhoz, a legénységi leszállóegységekhez és az üzemanyag-feltöltési műveletekhez. Ezeknek a csomópontoknak az elsődleges funkciói a következők:

• Aerobraking Support: Az érkező űrhajók segítése fékezési manőverekkel a Mars légkörét használva.
• Orbitális töltőállomások: A szükséges üzemanyag-, víz- és életfenntartó készletek biztosítása.
• Energiaátviteli központok: Az energia napelemeken és sugáros energiarendszereken keresztül történő átadásának megkönnyítése.

A csomópont Mars körüli pályán elfoglalt helyét úgy választják meg, hogy egyensúlyba hozzák az energiahatékonyságot és az időátadást. A delta-v követelménye a Mars felszínére történő leszálláshoz és indításhoz, tekintettel a Földhöz képest alacsonyabb gravitációra, szintén minimalizálható a MOLN csomópontok átviteli pontként való használatával.

Külső planetáris küldetések

A Marson túl a MOLN kiterjesztheti hatókörét, hogy megkönnyítse a küldetéseket a külső bolygókra, például a Jupiterre, a Szaturnuszra, az Uránuszra és a Neptunuszra. Ezek a küldetések hatékony átviteli pályákra és gravitációs segédeszközök használatára támaszkodnak az üzemanyag-megtakarítás és az utazási idő csökkentése érdekében. A gravitációs segédeszköz vagy csúzli effektus a bolygó relatív mozgását használja az űrhajó sebességének növelésére további hajtóanyag nélkül.

A gravitációs segédeszköz által biztosított sebességváltozást (Δvgravity\Delta v_{\text{gravity}}Δvgravity) a következő képlettel számítjuk ki:

Δvgravitáció=2vplanetsin(φ2)\Delta v_{\text{gravitáció}} = 2 v_{\text{planet}} \sin \left( \frac{\phi}{2} \right)Δvgravity=2vplanetsin(2φ)

hol:

• vplanetv_{\text{planet}}vplanet: A segítő bolygó keringési sebessége.
• φ\phiφ: Az űrhajó bejövő és kimenő pályája közötti szög a bolygóhoz képest.

A MOLN csomópontok támogathatják a mélyűri küldetéseket azáltal, hogy relépontokat biztosítanak a gravitációs asszisztáláshoz, vagy autonóm energiaforrásként működnek, sugárzott energiát használva az űrhajók komplex pályákon történő meghajtására.

9.3.2 A MOLN hosszú távú fenntarthatósága és autonóm növekedése

A MOLN skálázhatósága és önfenntartó képességei elengedhetetlenek lesznek a bolygóközi küldetésekhez. Ez a növekedés moduláris bővítést, autonóm javítást és karbantartást, valamint adaptív konfigurációt foglal magában, hogy megfeleljen a bolygóközi szállítás változó igényeinek.

Hálózati önszerelés és autonóm építés

Ahogy a MOLN csomópontok terjeszkednek az egész Naprendszerben, szükség lesz arra, hogy önállóan összeszereljék, javítsák és frissítsék magukat az optimális működés fenntartása érdekében. Ez a következők révén érhető el:

• Autonóm gyártás: 3D nyomtatókkal és anyagfeldolgozó egységekkel felszerelt csomópontok az alkatrészek szükség szerinti felépítéséhez és cseréjéhez.
• Robot karbantartó rendszerek: Autonóm robotrendszerek, amelyek képesek ellenőrizni, diagnosztizálni és kijavítani a csomópontokon belüli hibákat.
• Swarm Intelligence for Expansion: Kisebb építőipari drónok csoportjai, amelyek képesek együttműködni új csomópont-struktúrák építésével és összeszerelésével.

Sugárzott energia és energiagazdálkodás

A sugárzott energia kritikus szerepet játszik a MOLN bolygóközi terjeszkedésében, különösen akkor, ha a csomópontok a Naptól távol helyezkednek el, ahol a napenergia kevésbé bőséges. A lézersugárzás vagy a mikrohullámú erőátvitel lehetővé teszi az energia nagy távolságokra történő továbbítását, folyamatos energiaellátást biztosítva távoli csomópontok és űrhajók számára.

A ηnyalábolás\eta_{\text{sugárzás}}ηsugárzás hatásfokát  a következő képlettel számítjuk ki:

ηbeaming=PreceivedPtransmitted\eta_{\text{beaming}} = \frac{P_{\text{received}}}{P_{\text{transmitted}}}ηbeaming=PtransmittedPreceived

hol:

• PtransmittedP_{\text{transmitted}}Ptransmitted: A forráscsomópontról küldött energia.
• PreceivedP_{\text{received}}Preceived: A célcsomópont vagy űrhajó által fogadott energia.

A sugárzott energiaellátó rendszerek tovább optimalizálhatók fényvisszaverők  használatával a hatékony energiabefogás érdekében, valamint adaptív fázisvezérelt antennák  alkalmazásával, hogy a nyalábot dinamikusan fókuszálják a célpontra.

Adaptív hálózatoptimalizálás és autonóm navigáció

A MOLN-nak dinamikusnak kell lennie, alkalmazkodnia kell az új küldetési követelményekhez, a változó szállítási igényekhez és a Naprendszeren belüli változó gravitációs dinamikához. Ez az alkalmazkodóképesség a következők révén érhető el:

• Valós idejű útvonalkereső algoritmusok: AI-alapú algoritmusok, amelyek optimális útvonalakat számítanak ki a MOLAN-on keresztül az aktuális feltételek, a hasznos terhelésre vonatkozó követelmények és az energia rendelkezésre állása alapján.
• Orbitális résidőkiosztás és torlódáskezelés: Annak biztosítása, hogy a csomópontok fenntartsák kijelölt pályáikat, szükség szerint módosítva a torlódások minimalizálása és a forgalom áramlásának optimalizálása érdekében.
• Adaptív energiagazdálkodás: A csomópontok önállóan kiegyensúlyozzák energiafelhasználásukat, rangsorolják a kritikus transzfereket, és ütemezik a nem sürgős tevékenységeket az energia rendelkezésre állása alapján.

A hálózat foptimalf_{\text{optimal}}foptimal  alapvető optimalizálási függvénye a következőképpen van definiálva:

foptimal=min[∑i=1N(EnodeiTtransferi)+λ⋅Dcongestion]f_{\text{optimal}} = \min \left[ \sum_{i=1}^N \left( \frac{E_{\text{node}_i}}{T_{\text{transfer}_i}} \right) + \lambda \cdot D_{\text{torlódás}} \right]foptimal=min[i=1∑N(TtransferiEnodei)+λ⋅Dcongestion]

hol:

• EnodeiE_{\text{node}_i}Enodei: Energiafogyasztás az egyes csomópontokon iii.
• TtransferiT_{\text{transfer}_i}Ttransferi: Az egyes átvitelekhez szükséges idő iii.
• λ\lambdaλ: A torlódás büntető tényezője.
• DcongestionD_{\text{torlódás}}Torlódás: A torlódás mértéke az útvonalon.

Illusztrációk és grafikus ábrázolás

• Interplanetáris csomópont hálózati térkép: A kiterjesztett MOLN vizualizációja, amely bemutatja a Mars-transzferhez, a külső bolygók küldetéseihez és a Föld, a Mars és azon túl lévő kapcsolatok csomópontjait.
• Csomópontbővítési diagramok: Illusztrációk, amelyek azt ábrázolják, hogy a csomópontok hogyan tudnak önállóan bővülni és frissíteni az idő múlásával, integrálva az új technológiákat és útvonalakat.
• Energiasugárzási rendszerek sematikus ábrái: Energiasugárzási képességekkel ellátott csomópontok keresztmetszetei, fázisvezérelt antennákkal, fényvisszaverőkkel és energiaátviteli útvonalakkal.

---

Ezeknek a fejlett stratégiáknak és technológiáknak a kihasználásával a MOLN célja, hogy kiterjedt, összekapcsolt közlekedési hálózatot hozzon létre a Naprendszerben. A Marstól a külső bolygókig és azon túl a MOLN moduláris, skálázható kialakítása biztosítja, hogy az űrmissziók hatékonyak, fenntarthatóak és képesek legyenek támogatni a bolygóközi kutatás növekvő igényeit.

10.1 Pályamechanika és energiaegyenletek

A hasznos terhek hatékony mozgatása a moduláris orbitális indítóhálózaton (MOLN) keresztül nagymértékben támaszkodik az orbitális mechanika és a pontos energiagazdálkodás alapelveire. Ez a rész a MOLN-ban használt alapvető egyenleteket és fogalmakat tartalmazza az orbitális transzferek, a tether dinamika és az energiafelhasználás megértéséhez és optimalizálásához.

10.1.1. Az orbitális mozgás alapjai

A pályán lévő tárgy mozgását Kepler bolygómozgási törvényei és Newton mozgástörvényei szabályozzák. A hasznos teher pályájának leírására egy olyan központi test körül, mint a Föld, kéttest-mechanikát használunk, a hasznos terhet és a Földet ponttömegként kezeljük, ahol a Föld tömege dominál.

Gravitációs erő és keringési sebesség

A gravitációs erőt (FgF_gFg), amely a Föld középpontjától rrr távolságra lévő mmm tömegű hasznos teherre hat, a következő képlet adja meg:

Fg=GMEarthmr2F_g = \frac{G M_{\text{Earth}} m}{r^2}Fg=r2GMEarthm

hol:

• GGG: Gravitációs állandó, 6,674×10−11 Nm2kg−26,674 \times 10^{-11} \, \text{Nm}^2\text{kg}^{-2}6.674×10−11Nm2kg−2.
• MEarthM_{\text{Earth}}MEarth: A Föld tömege, kb. 5.972×1024 kg5.972 \times 10^{24} \, \text{kg}5.972×1024kg.

A stabil körpályához szükséges pályasebességet (vorbv_{\text{orb}}vorb) úgy kapjuk meg, hogy a gravitációs erőt a centripetális erővel egyenlőre állítjuk:

vorb=GMEarthrv_{\text{orb}} = \sqrt{\frac{G M_{\text{Earth}}}{r}}vorb=rGMEarth

Ez a sebesség határozza meg azt a sebességet, amelyet a hasznos tehernek fenn kell tartania ahhoz, hogy rrr sugarú körpályán maradjon.

Fajlagos pályaenergia és szökési sebesség

A pályán keringő hasznos teher teljes fajlagos energiája (ε\epsilonε) az egységnyi tömegre jutó kinetikus és potenciális energiák összege:

ε=v22−GMEarthr\epsilon = \frac{v^2}{2} - \frac{G M_{\text{Earth}}}{r}ε=2v2−rGMEarth

Körkörös pálya esetén a fajlagos energia:

εcircular=−GMEarth2r\epsilon_{\text{circular}} = -\frac{G M_{\text{Earth}}}{2 r}εcircular=−2rGMEarth

A menekülési sebességet (vescapev_{\text{escape}}vescape), vagy azt a minimális sebességet, amely ahhoz szükséges, hogy a Föld gravitációs befolyása további meghajtás nélkül távozzon, a következő képlet adja meg:

vescape=2GMEarthrv_{\text{escape}} = \sqrt{\frac{2 G M_{\text{Earth}}}{r}}vescape=r2GMEarth

Ez a szökési sebesség 2\sqrt{2}2-szerese a kör alakú keringési sebességnek azonos sugár mellett.

10.1.2. Transzfer pályák és Delta-V számítások

A hasznos teher egyik pályáról a másikra történő átvitele, akár a magasság megváltoztatása, akár egy másik bolygótestre való áthelyezés, átviteli pályák használatát foglalja magában. A MOLN hálózat tipikus manővere a Hohmann transzfer pálya, amely hatékony módja a két koplanáris körpálya közötti mozgásnak.

Hohmann transzfer delta-v

Ahhoz, hogy egy hasznos terhet egy r1r_1r1 sugarú kezdeti körpályáról egy r2r_2r2 sugarú végső körpályára helyezzen, két égési sérülés szükséges:

1. Az első égés , amely belép az elliptikus transzfer pályára.
2. Egy második égés , hogy körkörösítse a pályát a rendeltetési helyen.

Az egyes égésekhez szükséges sebességváltozást (Δv\Delta vΔv) a következőképpen kell kiszámítani:

• Első égés (r1r_1r1-től az átviteli pályáig):

Δv1=GMEarthr1(2r2r1+r2−1)\Delta v_1 = \sqrt{\frac{G M_{\text{Earth}}}{r_1}} \left( \sqrt{\frac{2 r_2}{r_1 + r_2}} - 1 \right)Δv1=r1GMEarth(r1+r22r2−1)

• Második égés (r2r_2r2-nél):

Δv2=GMEarthr2(1−2r1r1+r2)\Delta v_2 = \sqrt{\frac{G M_{\text{Earth}}}{r_2}} \left( 1 - \sqrt{\frac{2 r_1}{r_1 + r_2}} \right)Δv2=r2GMEarth(1−r1+r22r1)

A Hohmann-transzfer teljes delta-v (Δvtotal\Delta v_{\text{total}}Δvtotal) értéke a két égés összege:

Δvtotal=Δv1+Δv2\Delta v_{\text{total}} = \Delta v_1 + \Delta v_2 Δvtotal=Δv1+Δv2

Ez a delta-v követelmény kritikus paraméter az orbitális manőverek tervezésénél, mivel közvetlenül korrelál a szükséges hajtóanyag mennyiségével vagy az elektromágneses meghajtórendszerek által igényelt energiával a MOLN-ban.

Bi-elliptikus transzfer és optimális Delta-V

A keringési sugár nagy változásai esetén (r2/r1>11.94r_2/r_1 > 11,94r2/r1>11,94) a bi-elliptikus transzfer hatékonyabbá válik, mint a Hohmann-transzfer. Ez az átvitel három égési sérülésből áll:

1. Kezdeti égés egy közbenső elliptikus pályára.
2. Egy második égés, amely tovább bővíti az ellipszist a végső pályáig.
3. Egy harmadik ég, hogy körkörözzön a célpályán.

A teljes delta-v minimálisra csökken, ha a rintermediate/r1r_{\text{intermediate}}/r_1rintermediate/r1 arányt optimálisan választjuk meg, és a következő képlet adja meg:

Δvbi-elliptikus=Δv1+Δvintermediate+Δv2\Delta v_{\text{bi-elliptikus}} = \Delta v_1 + \Delta v_{\text{intermediate}} + \Delta v_2 Δvbi-elliptikus=Δv1+Δvintermediate+Δv2

10.1.3. A MOLN meghajtórendszerek energiaegyenletei

A MOLN meghajtórendszereinek energiaigényét a delta-v számítások és a választott meghajtási módszer hatékonysága határozza meg. Például elektromágneses indítórendszerek vagy kötélalapú gyorsulások esetén a Δv\Delta vΔv sebességváltozás eléréséhez szükséges energia közvetlenül kötődik a hasznos teher tömegéhez (mmm) és a delta-v-hez:

Ekinetic=12m(Δv)2E_{\text{kinetikai}} = \frac{1}{2} m (\Delta v)^2Ekinetic=21m(Δv)2

A hasznos teher egyik pályáról a másikra történő mozgatásához szükséges teljes energia a kombinált kinetikus és potenciális energiaváltozásoktól függ, amelyeket a gravitációs segédeszközök, a mágneses síngyorsulások vagy a tether lendületcserék befolyásolnak.

Energiahatékonyság és -visszanyerés

Az energiafelhasználás optimalizálása érdekében a MOLN regeneratív rendszereket alkalmaz a mozgási energia visszanyerésére a lassítási fázisokban vagy a hasznos terhek befogásakor. Például, ha egy hasznos terhet elektromágneses fékrendszerrel lelassítanak, a mozgási energia visszaalakul elektromos energiává:

Ererecover=ηregen⋅EkineticE_{\text{recovered}} = \eta_{\text{regen}} \cdot E_{\text{kinetic}}Ererecover=ηregen⋅Ekinetic

hol:

• ErecoveredE_{\text{rerecover}} Ererecover: A lassítás során visszanyert energia.
• ηregen\eta_{\text{regen}}ηregen: A regeneratív rendszer hatékonysága (jellemzően 0≤ηregen≤10 \leq \eta_{\text{regen}} \leq 10≤ηregen≤1).

Ezeknek az energiatőzsdéknek az általános hatékonysága kritikus fontosságú a MOLN fenntartható működéséhez, biztosítva a minimális energiaveszteséget és az optimális energiaelosztást a hálózat egészében.

---

Grafikus ábrázolások és látványelemek

• Orbitális átviteli diagramok: A Hohmann és a bi-elliptikus transzferek útvonalait bemutató vizualizációk, amelyek jelzik az egyes pályaszakaszokban szükséges égési sérüléseket.
• Delta-V költségvetési táblázatok: A MOLN-on belüli gyakori orbitális manőverek delta-v követelményeit felsoroló táblázatok, beleértve a Föld-LEO, LEO-GEO és Föld-Mars transzfereket.
• Energiaáramlási diagramok: A rendszeren átáramló energiát szemléltető diagramok gyorsítási, lassítási és regeneratív fékezési fázisokban.

---

Az ebben a szakaszban felvázolt fogalmak alapvető keretet nyújtanak annak megértéséhez, hogy az orbitális mechanikát hogyan használják a MOLN-on belül a hatékony hasznos teherátvitelhez, az energiagazdálkodáshoz és a dinamikus pályakonfigurációkhoz. Ezen elvek integrálása biztosítja, hogy a MOLN optimális energiahatékonysággal és rugalmassággal tudja támogatni az űrszállítási küldetések széles körét.

10.2 Elektromágneses meghajtórendszer tervezése

Az elektromágneses meghajtás a moduláris orbitális indítóhálózat (MOLN) kritikus eleme. A rendszer mágneses mezők és elektromos áramok használatára támaszkodik a hasznos terhek nagy gyorsulásának és lassulásának elérése érdekében, hatékony, megismételhető és szabályozott mozgást biztosítva az orbitális hálózaton belül. Ez a fejezet feltárja az elektromágneses meghajtás alapelveit és tervezési szempontjait, olyan kulcsfontosságú elemekre összpontosítva, mint a pálya kialakítása, a mágneses térerősség, az energiahatékonyság és az üzemmódok.

10.2.1. A mágneses térerősség és gyorsulás számításai

Az elektromágneses meghajtás alapelve a Lorentz-erő, amely egy töltött részecske vagy vezető által mágneses mezőben tapasztalt erő. Ezt az erőt ki lehet használni a hasznos terhek meghajtására a pályán, hasonlóan ahhoz, ahogyan a maglev vonatok működnek a Földön.

A Lorentz-erő alapjai

A B⃗\vec{B}B mágneses mezőben v⃗\vec{v}v sebességgel mozgó qqq töltésű töltött részecskére ható (F⃗\vec{F}F) erőt a következő képlet adja meg:

F⃗=qv⃗×B⃗\vec{F} = q \vec{v} \times \vec{B}F=qv×B

A MOLN elektromágneses sínrendszer keretében az egyes töltött részecskék helyett áramvezető vezetőkkel foglalkozunk. A B ⃗\vec{B}B mágneses mezőben a III áramot hordozó LLL hosszúságú vezetőszegmensre ható erő:

F⃗=IL⃗×B⃗\vec{F} = I \vec{L} \times \vec{B}F=IL×B

hol:

• III: A vezetőn átfolyó áram.
• L⃗\vec{L}L: A vezető hosszát és irányát kifejező vektor.
• B⃗\vec{B}B: Mágneses tér vektor.

Ennek az erőnek a nagysága határozza meg a hasznos teher gyorsulását. Az egyenletes mágneses mezőre merőleges egyenes vezető esetében az erő nagysága egyszerűsödik:

F=ILBF = I L BF=ILB

A hasznos teher gyorsulása

Ha a hasznos teher teljes tömege (beleértve bármely tartószerkezetet is) mmmm, akkor az elektromágneses erő által adott gyorsulás (aaa):

a=Fm=ILBma = \frac{F}{m} = \frac{I L B}{m}a=mF=mILB

Ez az egyenlet biztosítja az alapvető kapcsolatot az áram, a mágneses térerősség és a gyorsulás között, ami az elektromágneses vasúti rendszerek optimalizálásának alapját képezi.

Mágneses mezők tervezési szempontjai

A mágneses mező erőssége és konfigurációja döntő fontosságú a hatékony meghajtás eléréséhez. A MOLN elektromágneses sávokat általában  állandó mágnesekből vagy elektromágnesekből álló Halbach-tömbökkel tervezték,  hogy erős és irányított mágneses mezőt hozzanak létre. A Halbach-tömb a mágnesek speciális elrendezése, amely a mágneses mezőt a tömb egyik oldalára összpontosítja, míg a másikra kioltja. Ez a kialakítás lehetővé teszi a mágneses mező hatékonyabb felhasználását a meghajtáshoz.

A  Halbach-tömb által generált BBB mágneses térerősség a mágnesek tulajdonságaitól és távolságától függ. A kapcsolatot általában a következőképpen fejezik ki:

B=B0e−kyB = B_0 e^{-k y}B=B0e−ky

hol:

• B0B_0B0: A mágneses térerősség csúcserőssége a mágnesek felületén.
• kkk: A mágnestömb hullámszáma, fordítottan összefügg a mágnesek közötti távolsággal.
• yyy: A tömb felületétől való távolság.

Az optimális gyorsulás érdekében a BBB mágneses térerősséget maximalizálni kell a teljesítmény és a tér tervezési korlátain belül.

10.2.2. Energiafogyasztási és hatékonysági modellek

Az energiafogyasztás kulcsfontosságú tényező az elektromágneses meghajtórendszerek tervezésében. Az áram fenntartásához szükséges elektromos teljesítmény (PPP) az RRR ellenállásvezetőben a következő:

P=I2RP = I^2 RP=I2R

Ezt az energiát a MOLN energiarendszereknek (pl. napelemeknek, szuperkondenzátoroknak) kell biztosítaniuk, és hatékonysága kulcsfontosságú az energiaveszteség minimalizálásához és a hasznos terhelés gyorsulásának maximalizálásához.

Elektromágneses sín hatékonyság

A vasúti rendszer hatásfoka (η\etaη) a hasznos tehernek átadott hasznos mozgási energiának a teljes felhasznált villamos energiához viszonyított arányaként határozható meg:

η=12mvfinal2∫0tP(t) dt\eta = \frac{\frac{1}{2} m v_{\text{final}}^2}{\int_0^t P(t) \, dt}η=∫0tP(t)dt21mvfinal2

hol:

• vfinalv_{\text{final}}vfinal: A hasznos teher végső sebessége.
• P(t)P(t)P(t): Pillanatnyi energiafogyasztás az idő függvényében ttt.

A hatékonyság maximalizálása magában foglalja a III. áram, a vezetők ellenállási RRR és a BBB mágneses mező optimalizálását a kívánt gyorsulás elérése érdekében, minimális energiaveszteséggel. A  sínes kialakításnál előnyben részesítik a nagy elektromos vezetőképességű anyagokat  (pl. réz vagy szupravezető anyagok) az ellenállási veszteségek minimalizálása érdekében.

Visszatápláló fékezés és teljesítmény-visszanyerés

A hatékonyság növelése érdekében a regeneratív fékmechanizmusokat integrálják a sínrendszerbe. A lassulás során a hasznos teher mozgási energiája visszaalakul elektromos energiává, amelyet szuperkondenzátorokban vagy más energiatároló eszközökben tárolnak újrafelhasználás céljából. A fékezés során visszanyert energiát (EregenE_{\text{regen}}Eregen) a következő képlet adja meg:

Eregen=ηregen⋅12mvinitial2E_{\text{regen}} = \eta_{\text{regen}} \cdot \frac{1}{2} m v_{\text{initial}}^2Eregen=ηregen⋅21mvinitial2

hol:

• ηregen\eta_{\text{regen}}ηregen: A regeneratív rendszer hatékonysága.
• vinitialv_{\text{initial}}vinitial: A hasznos teher kezdeti sebessége fékezés előtt.

Ez a regeneratív rendszer nemcsak energiát takarít meg, hanem további szabályozást biztosít a hasznos teher lassulása felett is.

10.2.3. Síntervezés és anyagválasztás

Az elektromágneses sínek fizikai szerkezetének el kell viselnie a hasznos teher gyorsulásában és lassulásában szerepet játszó nagy áramokat és mágneses erőket. A legfontosabb szempontok a következők:

• Vezető anyaga: A vezetőknek alacsony ellenállással kell rendelkezniük az energiaveszteség minimalizálása érdekében. Nagy teljesítményű alkalmazásokhoz szupravezetők használhatók az elektromos ellenállás teljes kiküszöbölésére, lehetővé téve a maximális hatékonyságot.
• Szerkezeti integritás: A síneknek és tartószerkezeteknek ellen kell állniuk a Lorentz-erőknek és a mozgó hasznos terhek által kiváltott dinamikus terheléseknek. A tartósság biztosítása érdekében nagy szilárdságú anyagok, például szénkompozitok vagy titánötvözetek használhatók.
• Hőkezelés: A sínek ellenállási veszteségei miatt keletkező hőt hatékonyan kell kezelni. A hűtőbordákat, folyadékhűtést vagy radiátorokat gyakran integrálják a sínkialakításba, hogy eloszlassák a felesleges hőenergiát.

Grafikus ábrázolások és látványelemek

• Mágneses mező diagramok: A Halbach-tömbök által létrehozott mágneses téreloszlás keresztmetszeti illusztrációi, bemutatva, hogy a mező hogyan koncentrálódik a sín egyik oldalán.
• Hatékonysági görbék: A gyorsulási hatékonyság, az energiafogyasztás és a különböző sínparaméterek (pl. Áram, ellenállás és mágneses térerősség) közötti kapcsolatot mutató grafikonok.
• Sín keresztmetszeti tervek: Az elektromágneses sínek szerkezetét ábrázoló mérnöki diagramok, beleértve a vezetők útvonalait, a hűtőcsatornákat és a támogató anyagokat.

Szimulációs kód: Hasznos terhelés gyorsításának modellezése

Az alábbiakban egy Python-alapú kódrészlet látható, amely a SciPy kódtárat használja egy elektromágneses sínen lévő hasznos teher gyorsulásának szimulálására:

piton

Kód másolása

Numpy importálása NP-ként

tól scipy.integrate import odeint

Matplotlib.pyplot importálása PLT-ként

 

# Állandók

G = 6,674 * 10**-11 # Gravitációs állandó Nm^2/kg^2-ben

M_earth = 5,972 * 10**24 # A Föld tömege kg-ban

R = 6371 * 10**3 # A Föld sugara méterben

B = 1,5 # Mágneses térerősség Teslában (példaérték)

L = 100 # A vezető hossza méterben (példaérték)

i = 1000 # áram amperben

m_payload = 1000 # A hasznos teher tömege kg-ban

 

# Funkció a gyorsulás kiszámításához

def gyorsulás (v, t):

    F = I * L * B # Lorentz-erő

    a = F / m_payload # Gyorsulás

    visszatérés a

 

# Idő tömb

t = np.linspace(0, 10, 100) # Szimulálás 10 másodpercig

 

# Kezdeti sebesség

v0 = 0 # Kezdje a pihenést

 

# Integrálja a sebesség időbeli megtalálásához

sebesség = odeint(gyorsulás; v0; t)

 

# Telek eredmények

PLT.PLOT(t; sebesség)

plt.xlabel('Idő(s)')

plt.ylabel('Sebesség (m/s)')

plt.title("Hasznos teher gyorsulása elektromágneses sínen")

plt.show()

Ez a kód egy elektromágneses vasúti rendszer hatására a hasznos teher gyorsulásának alapmodelljét nyújtja, bemutatva, hogy a Lorentz-erők következtében a sebesség idővel változik.

---

Ez a fejezet kiemeli a MOLN elektromágneses meghajtórendszereinek alapelveit és tervezési szempontjait, átfogó megértést nyújtva a mögöttes fizikáról, az energiagazdálkodásról és a szerkezeti megfontolásokról a hatékony hasznos teher átviteléhez a pályán.

10.3 A csomópont stabilitása és pályabeállítása

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) csomópontok stabilitásának és pontos orbitális pozicionálásának biztosítása elengedhetetlen a hasznos terhek zökkenőmentes átviteléhez és a hálózat általános integritásának fenntartásához. Ez a fejezet feltárja a csomópontok stabilitásának dinamikáját, az állomástartáshoz használt mechanizmusokat, valamint a szükséges pályabeállítások elvégzésének módszereit, hogy a csomópontok a tervezett helyzetükben és orientációjukban maradjanak.

10.3.1. Tolóerővezérlő és csomópont-pozicionáló algoritmusok

Orbitális stabilitás és perturbációk

Minden MOLN csomópont egy kijelölt pályára kerül, amely rendszeres kiigazításokat igényel a különböző zavaró erők miatt, például:

• A  Föld nem egyenletes tömegeloszlása által okozott gravitációs anomáliák.
• Napsugárzási nyomás a fotonok folyamatos fluxusából.
• Légköri légellenállás, különösen alacsonyabb magasságokban (pl. alacsony Föld körüli pályán).
• Az  űridőjárás (napszél, töltött részecskék) miatt a csomópontra ható elektromágneses erők.

Egy csomópont általános mozgásegyenletét ilyen zavaró erők hatására (F⃗pert\vec{F}_{\text{pert}}Fpert) a következő képlet adja meg:

md2r⃗dt2=−GMmr3r⃗+F⃗pertm \frac{d^2 \vec{r}}{dt^2} = -\frac{GMm}{r^3} \vec{r} + \vec{F}_{\text{pert}}mdt2d2r=−r3GMmr+Fpert

hol:

• mmm: A csomópont tömege.
• GGG: Univerzális gravitációs állandó.
• MMM: A Föld tömege.
• r⃗\vec{r}r: A csomópont pozícióvektora a Föld középpontjához viszonyítva.
• F⃗pert\vec{F}_{\text{pert}}Fpert: A csomópontra ható zavaró erők összege.

A jobb oldal két összetevőből áll:

1. Centripetális gravitációs erő: A −GMmr3r⃗-\frac{GMm}{r^3} \vec{r}−r3GMm r kifejezésszabályozza a csomópont mozgását egy zavartalan pályán.
2. Perturbációs erők: Ezek olyan nem gravitációs erők, amelyek megzavarják a csomópontot a tervezett pályájáról.

A zavarok ellensúlyozására és a csomópont stabilitásának fenntartására tolórendszereket alkalmaznak ellenőrzött manőverek végrehajtására.

Tolóerőtípusok és dinamika

Az ionhajtóművek az elsődleges meghajtórendszerek, amelyeket az állomás pontos tartására és az orbitális beállításra használnak. Az ionhajtómű által keltett tolóerő kiszámítása a következőképpen történik:

Fthrust=m ̇ vexhaustF_{\text{thrust}} = \dot{m} v_{\text{exhaust}}Fthrust=m ̇vexhaust

hol:

• m ̇\dot{m}m ̇: A hajtóanyag tömegárama (kg/s).
• vexhaustv_{\text{exhaust}}vexhaust: Az ionok kipufogógáz-sebessége.

A csomópontnak adott megfelelő gyorsulás:

athrust=Fthrustmnode=m ̇ vexhaustmnodea_{\text{thrust}} = \frac{F_{\text{thrust}}}{m_{\text{node}}} = \frac{\dot{m} v_{\text{exhaust}}}{m_{\text{node}}}athrust=mnodeFthrust=mnodem ̇vexhaust

A tolóerő algoritmusokat úgy tervezték, hogy kiszámítsák az optimális tüzelési időtartamot és irányt, hogy minimális üzemanyag-ráfordítással végezzenek korrekciókat, az optimális vezérlési elmélet és az orbitális mechanika alapján. A cél az, hogy a csomópontot a névleges pályájának előre meghatározott tűrésén belül tartsák.

Vezérlő algoritmusok a helyzet és a pálya karbantartásához

1. Arányos derivált (PD) vezérlők: Egyszerű vezérlőhurkok a pozíció és a tájolás fenntartásához a helyzethibán és a hibasebesség-változáson alapuló korrekciós tolóerő biztosításával:

Fkorrekció=Kp(r⃗vágyott−r⃗áram)+Kdddt(r⃗vágyott−r⃗áram)F_{\szöveg{korrekció}} = K_p (\vec{r}_{\szöveg{kívánt}} - \vec{r}_{\szöveg{aktuális}}) + K_d \frac{d}{dt} (\vec{r}_{\text{desired}} - \vec{r}_{\text{current}})Fcorrection=Kp(rdesired−rcurrent)+Kddtd(rdesired−rcurrent)

hol:

• KpK_pKp: Arányos nyereség.
• KdK_dKd: Származékos nyereség.
• r⃗desired\vec{r}_{\text{desired}}rdesired: Célpozíció.
• r⃗current\vec{r}_{\text{current}}rcurrent: Aktuális pozíció.
1. Modell prediktív vezérlés (MPC): Fejlettebb megközelítés, amely az aktuális adatok alapján előrejelzi a csomópont jövőbeli állapotát, és optimalizálja a vezérlési műveletek sorozatát egy véges időhorizonton a célpályától való eltérések minimalizálása érdekében.

10.3.2. Dinamikus pályaszimulációk

A pontos állomástartás és a minimális üzemanyag-felhasználás biztosítása érdekében fontos szimulálni az egyes csomópontok pályadinamikáját különböző perturbációk és vezérlési manőverek során. A numerikus szimulációk magukban foglalják a mozgásegyenletek megoldását n-test gravitációs modellek és nem inerciális referenciakeretek segítségével.

Mozgásegyenletek csomópontdinamikához

A csomópont helyzetét és sebességét  a mozgásegyenletek Runge-Kutta integrációjával számítják ki  . Általános megközelítés a 4. rendű Runge-Kutta (RK4) módszer használata:

r⃗(t+Δt)=r⃗(t)+16(k⃗1+2k⃗2+2k⃗3+k⃗4)Δt\vec{r}(t + \Delta t) = \vec{r}(t) + \frac{1}{6} (\vec{k}_1 + 2\vec{k}_2 + 2\vec{k}_3 + \vec{k}_4) \Delta tr(t+Δt)=r(t)+61(k1+2k2+2k3+k4)Δt

hol:

• k⃗1=v⃗(t)\vec{k}_1 = \vec{v}(t)k1=v(t)
• k⃗2=v⃗(t+Δt2)\vec{k}_2 = \vec{v}(t + \frac{\Delta t}{2})k2=v(t+2Δt)
• k⃗3=v⃗(t+Δt2)\vec{k}_3 = \vec{v}(t + \frac{\Delta t}{2})k3=v(t+2Δt)
• k⃗4=v⃗(t+Δt)\vec{k}_4 = \vec{v}(t + \Delta t)k4=v(t+Δt)

Ez az integrációs módszer a csomópont pozíciójának és sebességének frissítésére szolgál minden egyes időlépésben, lehetővé téve az orbitális beállítások pontos szimulációját.

Állomástartási szimulációk

Szimulációkat végzünk annak értékelésére, hogy a csomópont képes-e a kijelölt orbitális dobozon belül maradni, amely a névleges pálya körüli tér régiója, ahol a csomópont perturbációk miatt sodródhat. Az állomástartási szimulációs paraméterek a következők:

• Zavaró erők: Gravitációs anomáliák, légköri légellenállás és napsugárzási nyomás.
• Tolóerőprofilok: Az ionhajtóművek tüzelési ütemezése és iránya.
• Üzemanyag-fogyasztás: Az egyes manőverekhez felhasznált hajtóanyag becslése.

Szemléltető grafikonok és kód

Üzemanyag-fogyasztás az idő múlásával

Egy grafikon, amely  egy alacsony Föld körüli pályán lévő csomópont üzemanyag-fogyasztását és idejét ábrázolja  , bemutatva, hogy az üzemanyag-felhasználást hogyan befolyásolja a pályabeállítások gyakorisága és nagysága.

Python szimulációs kód az orbitális stabilitáshoz

Az alábbiakban egy alapszintű Python-kódrészlet látható, amely egy egyszerű tolóerő-vezérlési modell használatával szimulálja a csomópont helyzetét egy perturbált pályán.

piton

Kód másolása

Numpy importálása NP-ként

from scipy.integrate import solve_ivp

Matplotlib.pyplot importálása PLT-ként

 

# Állandók

G = 6,674 * 10**-11 # Gravitációs állandó (Nm^2/kg^2)

M_earth = 5,972 * 10**24 # A Föld tömege (kg)

R_earth = 6371 * 10**3 # A Föld sugara (m)

m_node = 1000 # Csomópont tömege (kg)

v_exhaust = 3000 # Az ionhajtómű kipufogógáz-sebessége (m/s)

thrust_force = 0,1 # Állandó tolóerő (N)

 

# Perturbációs erők (pl. napsugárzás)

def perturbing_forces(t, állapot):

    # Egyszerűsített perturbációs erő

    return np.array([0, 0, 0]) # Helyőrző a részletes modellhez

 

# Mozgásegyenletek

def equations_of_motion(t, állapot):

    x, y, z, vx, vy, vz = állapot

    r = np.gyök(x**2 + y**2 + z**2)

   

    # Gravitációs erő

    F_gravity = -G * M_earth / r**3 * np.array([x, y, z])

   

    # Tolóerő x-irányban (helyőrző vezérlési törvény)

    F_thrust = np.array([thrust_force / m_node, 0, 0])

   

    # Zavaró erők

    F_perturb = perturbing_forces(t, állapot)

   

    # Gyorsulási komponensek

    ax, ay, az = (F_gravity + F_thrust + F_perturb)

   

    return [vx, vy, vz, ax, ay, az]

 

# Kezdeti feltételek: pozíció (x, y, z), sebesség (vx, vy, vz)

initial_state = [R_earth + 400 * 10**3, 0, 0, 0, 7700, 0] # Példa: LEO csomópont

 

# A szimuláció időtartama

time_span = (0, 10000) # Szimulálás 10 000 másodpercig

time_eval = np.linspace(*time_span, 1000)

 

# Mozgásegyenletek megoldása

oldat = solve_ivp(equations_of_motion, time_span, initial_state, t_eval=time_eval)

 

# Telek eredmények

plt.ábra()

PLT.PLOT(megoldás.y[0]; megoldás.y[1])

plt.xlabel('X pozíció (m)')

plt.ylabel('Y pozíció (m)')

plt.title('Csomópont orbitális útvonala tolóerő-szabályozással')

plt.grid()

plt.show()

Ez a kód modellezi a MOLN csomópont mozgását a pályán, figyelembe véve a gravitációs erőket, a perturbációkat és az egyszerű tolóerő-szabályozást. Az eredményül kapott ábra szemlélteti a csomópont pályáját és időbeli változásait.

---

Ez a fejezet felvázolta a csomópont stabilitásának fenntartásának alapelveit a MOLN-ban, beleértve a zavaró erők szabályozását, az ionhajtóművek használatát a pálya karbantartásához, valamint a szimuláció fontosságát a pályabeállítások optimalizálásához.

11.1 Biztonsági protokollok a hasznos teher kezeléséhez és a csomópontok műveleteihez

A biztonság kiemelkedő fontosságú a MOLN csomópontok üzemeltetésében, különösen az értékes vagy érzékeny hasznos terhek átadásakor és az autonóm orbitális csomópontok kezelésekor. Ez a fejezet részletezi a hasznos teher kezeléséhez, a csomópontok műveleteihez és a kockázatcsökkentéshez szükséges biztonsági protokollokat az eszközök, a személyzet és a környezet védelmének biztosítása érdekében.

11.1.1 Hasznos teher kezelésére vonatkozó biztonsági protokollok

A hasznos terhek biztonságos kezelésének biztosítása elengedhetetlen a MOLN (Modular Orbital Launch Network) hatékony működéséhez. Ezeket a protokollokat úgy tervezték, hogy csökkentsék a hasznos terheknek a MOLN hálózaton keresztül történő átvitele során felmerülő kockázatokat, a földi indításoktól az orbitális átadásokig.

11.1.1.1. Biztonságos dokkolási és átviteli mechanizmusok

A hasznos terhek csomópontok közötti biztonságos átvitelének biztosítása érdekében a MOLN automatizált dokkolórendszereket alkalmaz  hibamentes mechanizmusokkal. Minden adatcsomag átvitele a következőket tartalmazza:

• Lágy rögzítési mechanizmusok: Az ütközési erők csökkentése érdekében az első érintkezés során a dokkolónyílások lágy rögzítési mechanizmusokat használnak, gyakran aktív csillapítórugókat vagy mágneses lengéscsillapítókat alkalmazva. A sarunyomás (FcontactF_{\text{contact}}Fcontact) úgy van beállítva, hogy egy kritikus küszöbérték alatt legyen:

Fcontact≤FcriticalF_{\text{contact}} \leq F_{\text{critical}}Fcontact≤Fcritical

hol:

• FcriticalF_{\text{critical}}Fcritical a legnagyobb megengedett ütközési erő a károsodás elkerülése érdekében.
• Hard-Capture és reteszelő rendszerek: Miután a lágy rögzítés befejeződött, egy sor elektromágneses retesz vagy mechanikus karom bekapcsol, hogy biztosítsa a merev kapcsolatot a hasznos teher és a csomópont között. A reteszelő erőnek meg kell haladnia az átvitel során tapasztalt üzemi terhelést:

Flatch>FoperationalF_{\text{latch}} > F_{\text{operatív}}Flatch>Foperational

hol:

• FlatchF_{\text{latch}}A lapos a reteszelő erő.
• FoperationalF_{\text{operational}} A foperational a tolóerő és a külső zavarok együttes ereje szállítás közben.

11.1.1.2. Redundancia átviteli rendszerekben

A hasznos teher sikertelen átvitele kockázatának csökkentése érdekében a MOLN rendszer többszörös redundanciákat tartalmaz:

• Kettős vezérlésű csatornák: Minden dokkolási szekvenciát két független adatcsatorna vezérel, biztosítva, hogy ha az egyik csatorna hibát tapasztal, a második folytathassa a szekvencia működését.
• Biztonsági tartalék reteszrendszerek: A másodlagos reteszek elsődleges reteszelés meghibásodása esetén aktiválódnak. Ezek a biztonsági mentési reteszek automatikusan reagálnak, ha problémát észlelnek az elsődleges rögzítési mechanizmusokkal.

11.1.1.3. Ütés- és rezgéscsillapítás

Gyorsulás, lassulás vagy környezeti zavarok (például mikrometeoroid ütközések) során a hasznos teher olyan erőknek van kitéve, amelyek ütést és rezgést okozhatnak. Az érzékeny alkatrészek védelme érdekében:

• Csillapító rendszerek: Viszkoelasztikus anyagok vagy hidraulikus lengéscsillapítók használata  az átvitt ütés csökkentése érdekében. A ζ\zetaζ csillapítási arányt optimális értéken kell tartani a kritikus csillapítás eléréséhez:

ζ=C2km\Zeta = \FraC{C}{2 \Sqrt{km}}ζ=2kmC

hol:

• CCC a csillapítási együttható.
• A KKK a rugó merevsége.
• mmm a hasznos teher tömege.
• Gyorsulási határértékek: A maximális gyorsulási (amaxa_{\text{max}}amax) küszöbértékek előre meg vannak határozva a hasznos terhelés szerkezeti korlátai alapján. A rendszernek korlátoznia kell a manőver során tapasztalt gyorsulást:

aexperienced≤amaxa_{\text{experienced}} \leq a_{\text{max}}atapasztalt≤amax

11.1.2. A csomópontok működési biztonsága

A csomópontok működésének biztonsága elengedhetetlen a meghibásodások, ütközések és egyéb káros események megelőzéséhez, amelyek veszélyeztethetik a hasznos terhelést, a csomópont integritását és a környező környezetet.

11.1.2.1. Autonóm felügyelet és hibaészlelés

A MOLN minden csomópontja valós idejű felügyeleti rendszerekkel van felszerelve  az anomáliák észlelésére és diagnosztizálására. Ezek a következők:

• Hőérzékelők: A csomópontok hőmérséklet-érzékelőket használnak annak biztosítására, hogy az alkatrészek biztonságos hőmérsékleti tartományban működjenek. A csomópont vészleállítást hajt végre, vagy újrakonfigurálja az energiafelhasználást, ha:

Tnode>TsafeT_{\text{node}} > T_{\text{safe}}Tnode>Tsafe

hol:

• TnodeT_{\text{node}}Tnode az aktuális hőmérséklet.
• TsafeT_{\text{safe}}A Tsafe a biztonságos működés felső küszöbértéke.
• Pozíció- és orientációérzékelők: Inerciális mérőegységeket (IMU) és csillagkövetőket alkalmaznak a csomópont helyzetének és tájolásának nyomon követésére. A tervezett pályától (Δr⃗\Delta \vec{r}Δr) való eltérés túllépi a küszöbértéket, riasztást vált ki:

∣Δr⃗∣>r⃗küszöb|\Delta \vec{r}| > \vec{r}_{\text{threshold}}∣Δr∣>rthreshold

11.1.2.2. Ütközéselkerülő rendszerek

A csomópontokat úgy programozták, hogy elkerüljék az ütközéseket egymással és a külső űrobjektumokkal. Ez a következőkön keresztül történik:

• Közelségérzékelők és LIDAR: A valós idejű távolságmérés lehetővé teszi a csomópontok számára, hogy észleljék a bejövő tárgyakat, és kitérő manőverek végrehajtásával elkerüljék a potenciális ütközéseket.
• Autonóm pályabeállítás: Ha potenciális ütközést észlel, a csomópont ionhajtóműveivel módosítja pályáját. Az új r⃗new\vec{r}_{\text{new}}rnew pozícióvektor  kiszámítása az ütközési objektum elkerülésére szolgál, minimális biztonsági távolságot biztosítva dsafed_{\text{safe}}dsafe: dcollision>dsafed_{\text{collision}} > d_{\text{safe}}dcollision>dsafe ahol:
• dcollisiond_{\text{collision}}dcollision a csomópont és a legközelebbi megközelítési ponton lévő objektum közötti távolság.

11.1.2.3. Üzembiztos üzemmódok

Rendszerhibák esetén a csomópontokat úgy tervezték, hogy hibamentes üzemmódra váltsanak, amely magában foglalja:

• Minimális energiafogyasztási mód: A csomópont korlátozza az energiafelhasználást, hogy energiát takarítson meg, amíg a földi irányítás visszanyeri a kapcsolatot és diagnosztikát végez.
• Biztonságos keringési mód: A csomópont pályáját egy előre meghatározott biztonságos tartási pályára állítja, ahol korlátlan ideig maradhat ütközésveszély nélkül, amíg javításra vagy további utasításokra vár.

11.1.2.4. Szoftverbiztonsági protokollok és frissítések

Az üzembiztonság érdekében az egyes csomópontokat vezérlő szoftvert szigorúan tesztelik és rendszeresen frissítik:

• Valós idejű diagnosztikai szoftver: A szoftver fel van szerelve arra, hogy valós idejű diagnosztikát végezzen a csomópont rendszerein, biztosítva, hogy a problémák gyorsan azonosíthatók és megoldódjanak.
• Redundáns kódútvonalak: A kritikus szoftverfunkciók redundáns kódútvonalakkal rendelkeznek, amelyek átvehetik az irányítást, ha az elsődleges kódútvonal hibát vagy hibát észlel.
• Szoftverfrissítési protokollok: A szoftverfrissítések biztonságos és szakaszos módon történnek. Minden frissítés árnyék módban megy keresztül, ahol az új kód párhuzamosan fut a meglévő rendszerrel, lehetővé téve az átfogó tesztelést a teljes megvalósítás előtt.

---

Ez a szakasz meghatározza azokat a biztonsági protokollokat, amelyek elengedhetetlenek a hasznos terhek hatékony és biztonságos kezeléséhez a MOLN-on belül, valamint az egyes csomópontok folyamatos üzembiztonságához. Ezekkel a biztonsági rendszerekkel a MOLN célja, hogy robusztus és megbízható platformot biztosítson az űrszállítás számára, minimalizálva a hasznos terhek kezelésének kockázatait, és biztosítva a teljes hálózat hosszú élettartamát és rugalmasságát.

11.2 Az űrszemét kezelése és a MOLN védelmi stratégiái

A MOLN (Modular Orbital Launch Network) célja, hogy megkönnyítse a hasznos terhek hatékony továbbítását az űrben. A MOLN és más űrműveletek előtt álló egyik jelentős kihívás azonban az űrszemét. A MOLN folyamatos biztonságos és hatékony működésének biztosítása érdekében elengedhetetlenek a törmelék észlelésére, elkerülésére és védelmére vonatkozó szilárd stratégiák. Ez a fejezet az űrszemét kihívásait tárgyalja, és proaktív és reaktív intézkedéseket vázol fel az ütközési kockázatok csökkentése és a MOLN eszközeinek védelme érdekében.

11.2.1. Az űrszeméttel kapcsolatos kihívások áttekintése

Az űrszemét elavult műholdakból, kiégett rakétafokozatokból, ütközésekből származó repeszekből és még kisebb tárgyakból, például nagy sebességgel haladó festékfoltokból áll. A törmelék ütközésveszélyt jelent az aktív műholdakra, űrhajókra és a MOLN csomópontokra. Mivel az alacsony Föld körüli pályán (LEO) a relatív sebesség elérheti a 7-15 km/s-ot, még a kis objektumok is jelentős károkat okozhatnak ütközéskor.

A Kessler-szindróma különösen súlyos forgatókönyvet mutat be, amelyben a pályán lévő objektumok ütközései lépcsőzetes hatást váltanak ki, még több törmeléket generálnak, és növelik a további ütközések valószínűségét. Ezért a hatékony törmelékkezelési stratégiák létfontosságúak a MOLN hosszú távú fenntarthatósága szempontjából.

11.2.2. Aktív törmelékkövetés és -térképezés

Az űrszemét elleni védelem egyik első vonala a pályán lévő tárgyak aktív nyomon követése és feltérképezése. A MOLN csomópontjai LIDAR (Light Detection and Ranging) rendszereket, radart és optikai teleszkópokat használnak  a törmelékobjektumok észlelésére és feltérképezésére.

11.2.2.1. Szenzorrendszerek és nyomkövető algoritmusok

• LIDAR és radarrendszerek: Minden csomópont LIDAR- és radarrendszerekkel van felszerelve a közelében lévő objektumok észlelésére. A kibocsátott impulzusok objektumokról való visszaverődéséhez szükséges idő kiszámításával ezek a rendszerek meghatározhatják a közeledő törmelék helyzetét és sebességét. Egy adott visszavert jel esetében a ddd távolságot egy objektumtól a következő képlettel számítják ki:

d=c⋅t2d = \frac{c \cdot t}{2}d=2c⋅t

hol:

• CCC a fénysebesség (kb. 3×1083 \times 10^83×108 m/s).
• TTT a jel visszatéréséhez szükséges idő.
• Orbitális követési algoritmusok: A fejlett algoritmusok megjósolják a törmelékobjektumok jövőbeli helyzetét az aktuális pályájuk, sebességük és pályaparamétereik alapján. A mozgásegyenleteket, beleértve a pályamechanikát és a perturbációs erőket (pl. légköri légellenállás, napsugárzási nyomás), ezen előrejelzések finomítására használják:

R⃗(T)=R0⃗+V0⃗T+12A⃗T2\VEC{R}(T) = \VEC{r_0} + \VEC{v_0} T + \Frac{1}{2} \vec{a} T^2R(T)=R0+V0T+21AT2

hol:

• r⃗(t)\vec{r}(t)r(t) az objektum pozícióvektora a ttt időpontban.
• r0⃗\vec{r_0}r0 a kezdeti pozícióvektor.
• v0⃗\vec{v_0}v0 a kezdeti sebességvektor.
• A⃗\vec{a}A a gyorsulásvektor olyan erők hatására, mint a gravitáció és a légellenállás.

11.2.2.2 Valós idejű adatmegosztás és -koordináció

A csomópontok aktívan megosztják egymással a nyomkövetési adatokat, hogy elosztott törmeléktérképezési hálózatot alkossanak. A csomópontok között valós idejű frissítések továbbítódnak, lehetővé téve a MOLN összes egysége számára, hogy naprakész képet kapjon a törmelék helyéről. A központi forgalomirányítási rendszer (TCS) összesíti és elemzi ezeket az adatokat, törmelékriasztásokat és elkerülési parancsokat ad  ki a csomópontoknak.

11.2.3. Törmelékelkerülés és orbitális manőverezés

Potenciális ütközés észlelésekor a MOLN csomópontok ütközéselkerülő manővereket (CAM) hajthatnak végre,  hogy biztonságosan eltávolodjanak a törmelék előre jelzett útjától. Ezeket a manővereket a csomópontok orbitális hajtóműveivel hajtják végre, amelyek képesek mind a pozíció, mind a helyzet beállítására.

11.2.3.1. Az ütközés elkerülésének küszöbértékei

A csomópontok kiszámítják az ütközés valószínűségét (Pc) a törmelék és a csomópont relatív pályája és keresztmetszeti területe alapján. Ha a PcPcPc túllép egy előre meghatározott küszöbértéket PcthresholdPc_{\text{threshold}}Pcthreshold, a csomópont CAM műveletet hajt végre. A PcPcPc számítása a következőképpen ábrázolható:

pc=Tervezett területPályaelválasztásPc = \frac{\text{Tervezett terület}}{\text{Pályaelválasztás}}Pc=PályaelválasztásTervezett terület

hol:

• A tervezett terület a csomópont keresztmetszete, amely metszheti a törmeléket.
• Az orbitális elválasztás a csomópont előrejelzett útja és a törmelékobjektum útja közötti távolság.

11.2.3.2. A pályahajtómű beállítása

A CAM végrehajtásához a csomópontok hajtóműveik segítségével megváltoztatják sebességvektorukat (Δv⃗\Delta \vec{v}Δv), megváltoztatva pályapályájukat. A szükséges sebességváltozás nagyságát az impulzusegyenlet segítségével számítjuk ki:

Δv⃗=Fthrust⋅Δtmnode\Delta \vec{v} = \frac{F_{\text{thrust}} \cdot \Delta t}{m_{\text{node}}}Δv=mnodeFthrust⋅Δt

hol:

• FthrustF_{\text{thrust}}Az Fthrust a hajtóművek által létrehozott erő.
• Δt\Delta tΔt az az idő, amely alatt a hajtóművek tüzelnek.
• mnodem_{\text{node}}mnode a csomópont tömege.

A manőver célja, hogy biztonságos távolságot érjen el dsafed_{\text{safe}}dsafe a törmelék előre jelzett útjától. A tolóerő tüzelési időtartama úgy van optimalizálva, hogy elérje a szükséges Δv⃗\Delta \vec{v}Δv értéket, miközben minimalizálja az üzemanyag-fogyasztást.

11.2.4. Törmelékvédelem és ütéscsökkentés

A kisebb törmelékek esetében, amelyeket nehéz nyomon követni vagy elkerülni, a MOLN csomópontok védőárnyékolást alkalmaznak  a károk enyhítésére. Ezeket a pajzsokat úgy tervezték, hogy elnyeljék vagy eltérítsék a néhány centiméternél kisebb átmérőjű tárgyak ütéseit.

11.2.4.1. Ostorpajzsok és többrétegű páncélzat

A csomópontokat Whipple pajzsok védik, amelyek több rétegű anyagból állnak, amelyek célja a bejövő törmelék szétbontása és energiájának eloszlatása, mielőtt elérné a kritikus alkatrészeket. A  pajzs lökhárító rétege elpárologtatja vagy összetöri a bejövő tárgyat, és a spall bélés elnyeli a fennmaradó energiát. A Whipple pajzs hatékonyságát a következő képlettel lehet modellezni:

Eabszorbeált=12mdebrisvdebris2−EpenetrationE_{\text{abszorbeált}} = \frac{1}{2} m_{\text{debris}} v_{\text{debris}}^2 - E_{\text{penetration}}Eabsorbed=21mdebrisvdebris2−Epenetráció

hol:

• EabsorbedE_{\text{abszorbeált}}Az elnyelt a pajzs által elnyelt energia.
• mdebrism_{\text{debris}}mdebris és vdebrisv_{\text{debris}}vdebris a törmelék tömege és sebessége.
• EpenetrationE_{\text{penetration}}Az epenetráció a pajzson való áthatoláshoz szükséges energia.

11.2.4.2. Redundáns rendszerek és árnyékolási zónák

A csomóponton belüli kritikus rendszerek (pl. tápegységek, kommunikációs tömbök) árnyékolt zónákba kerülnek,  további védelemmel. Ezeknek a rendszereknek a redundanciája biztosítja, hogy ha egy elsődleges egységet törmelék károsít, egy tartalék egység átveheti az irányítást anélkül, hogy veszélyeztetné a csomópont funkcionalitását.

11.2.5 Proaktív törmelékcsökkentés és aktív törmelékeltávolítás

Az űrszemét teljes sűrűségének csökkentése érdekében a MOLN részt vehet az aktív törmelékeltávolítási (ADR) erőfeszítésekben, beleértve speciális befogó egységek telepítését a megszűnt műholdak vagy nagy törmelék pályára állítására. A technikák a következők lehetnek:

• Lekötött fogók: A törmelék rögzítése és átirányítása rögzített megfogókkal, amelyek az objektumhoz kapcsolódnak, és alacsonyabb pályára vezetik a légkörbe való visszatéréshez.
• Ionsugaras terelés: Ionsugarak használata a törmelék fokozatos biztonságosabb pályára tolására, kihasználva  az ionmeghajtást,  hogy folyamatos erőt fejtsen ki az idő múlásával.

Ezek az aktív stratégiák, valamint az elkerülési és árnyékolási intézkedések hozzájárulnak a MOLN általános fenntarthatóságához és azon képességéhez, hogy biztonságosan működjön az egyre zsúfoltabb orbitális környezetben.

---

Ez a szakasz az űrszemét kezelésének kulcsfontosságú stratégiáival foglalkozott, hangsúlyozva az észlelést, az elkerülést, az árnyékolást és az aktív eltávolítást. Az itt felvázolt biztonsági protokollok és védelmi intézkedések biztosítják, hogy a MOLN biztonságosan és fenntarthatóan működjön az űrszemét növekvő kihívása közepette.

11.3 A földi kilövőrendszerek és az űrműveletek környezeti hatása

A Modular Orbital Launch Network (MOLN) és a hozzá kapcsolódó földi és űrbe telepített rendszerek fejlesztése és üzemeltetése egyedi környezeti kihívásokat és szempontokat vet fel. Ez a fejezet a MOLN földi indítórendszereinek környezeti hatásait, a hasznos teherrel kapcsolatos műveleteket és a hosszú távú fenntarthatósági erőfeszítéseket vizsgálja az űrben. Megvitatja az ökológiai hatások minimalizálására irányuló enyhítő intézkedéseket, biztosítva, hogy a MOLN hozzájáruljon a fenntartható űrtevékenységekhez és a felelős környezetvédelmi gondoskodáshoz a Földön.

11.3.1 Földi indítás környezetvédelmi aggályai

Az indítási szakasz az űrműveletek egyik leginkább környezeti szempontból káros szakasza. A hagyományos vegyi rakéták számos környezeti hatást fejtenek ki, beleértve a kibocsátást, a zajszennyezést, valamint a helyi szárazföldi és vízi hatásokat. Az alternatív technológiák, például az elektromágneses és a lekötésalapú indítórendszerek fejlődésével azonban a környezeti lábnyom jelentősen csökkenthető.

11.3.1.1. Hagyományos rakétameghajtás vs. elektromágneses indítórendszerek

• Kémiai rakéták: A hagyományos rakéták hajtóanyag égést használnak, CO2, vízgőz és egyéb szennyező anyagok kibocsátásával. Minden indítás akár 300 tonna CO2-t és különféle egyéb vegyületeket is generálhat, amelyek befolyásolják az ózonréteget. Ezenkívül a szilárd rakétamotorok alumínium-oxid részecskéket bocsátanak ki, amelyek hozzájárulnak a poláris sztratoszférikus felhők (PSC-k) kialakulásához, amelyek az ózonréteg károsodásához kapcsolódnak.
• Elektromágneses indítórendszerek (ELS): Az elektromágneses hordozórakéták, mint például a MOLN által használt railgunok vagy tekercspisztolyok, elektromos áramot használnak a hasznos terhek felgyorsítására vegyi hajtóanyagok nélkül. Ezek a rendszerek nagyrészt elkerülik a hagyományos rakétákhoz kapcsolódó kibocsátásokat. Energiafogyasztásuk PELSP_{\text{ELS}}PELS a  következőképpen becsülhető: PELS=12mpayloadvlaunch2/η effP_{\text{ELS}} = \frac{1}{2} m_{\text{payload}} v_{\text{launch}}^2 / \eta_{\text{eff}}PELS=21mpayloadvlaunch2/ηeff ahol:
• mpayloadm_{\text{payload}}mpayload a hasznos teher tömege.
• vlaunchv_{\text{launch}}vlaunch az indításhoz szükséges sebesség (általában 7-9 km/s körül  a LEO behelyezéséhez).
• ηeff\eta_{\text{eff}}ηeff az elektromágneses rendszer hatékonysága (gyakran 60-90% között).

A megújuló energiaforrások, például a nap-, szél- vagy vízenergia használata az ELS működtetéséhez tovább csökkentheti a környezeti hatást azáltal, hogy megszünteti az üvegházhatású gázok kibocsátását az indítás során.

11.3.1.2. Földhasználat és az élőhelyek megbolygatása

A hagyományos indítóhelyek gyakran nagy földterületeket igényelnek, ami megzavarhatja a helyi ökoszisztémákat, a növényzetet és a vadon élő állatok élőhelyeit. A felszíni maglev gyorsítók vagy elektromágneses indítótornyok azonban kisebb helyigényűek, és integrálhatók a meglévő ipari területekbe, minimalizálva az élőhelyek megzavarását. Ezenkívül ezeknek a rendszereknek nincs szükségük nagy üzemanyag-tároló és -feldolgozó létesítményekre.

11.3.2 Légköri és sztratoszférikus hatások

A kilövések környezeti hatásai nem korlátozódnak a felszínre; Jelentős hatások történnek a légkörben és a sztratoszférában is. Figyelembe kell venni a nagy magasságú kibocsátásokat és azok hosszú távú hatásait, különösen akkor, ha magasabb pályára bocsátják, mint például a geostacionárius Föld körüli pálya (GEO).

11.3.2.1. Üvegházhatású gázok és részecskék kibocsátása

A kémiai rakéták vízgőz- és CO2-kibocsátást okoznak, amelyek felhalmozódnak a felső légkörben, hozzájárulva a melegítő hatásokhoz és potenciálisan befolyásolva a felhőképződést. A szénhidrogén alapú üzemanyagokból származó korom részecskék különösen aggasztóak, mivel hosszú tartózkodási idővel rendelkeznek a sztratoszférában és erős sugárzási kényszertulajdonságokkal rendelkeznek, ami helyi felmelegedéshez és az ózonréteg változásához vezet.

A MOLN által használt elektromágneses és lekötésalapú indítórendszerek esetében ezek a kibocsátások lényegében semmissé válnak. Az égés helyett az elektromos energiára való támaszkodásuk jelentősen csökkenti  a közvetlen légköri szennyezést.

11.3.2.2. Szónikus szórókeretek és zajszennyezés

A hasznos terhek indítása és visszatérése intenzív hangrobbanásokat és zajszennyezést okoz, ami hatással van a vadon élő állatokra és az emberi településekre a kilövőhelyek közelében. A LpL_{\text{p}}Lp hangnyomásszint csúcsértéke a következő képlettel közelíthető meg:

Lp=20log10(pmaxpref)L_{\text{p}} = 20 \log_{10} \left( \frac{p_{\text{max}}}{p_{\text{ref}}} \right)Lp=20log10(prefpmax)

hol:

• pmaxp_{\text{max}}pmax a hanghullám csúcsnyomása.
• prefp_{\text{ref}}pref a referencia hangnyomás (általában 20 μPa20 \, \mu \text{Pa}20μPa levegőben).

Az elektromágneses hordozórakéták általában csendesebbek, mivel hiányzik belőlük a vegyi rakéták robbanásveszélyes gyújtási fázisa, csökkentve a helyi közösségekre és a vadon élő állatokra gyakorolt hatást.

11.3.3. Világűrrel kapcsolatos műveletek és hosszú távú fenntarthatóság

Amint a hasznos teher pályára áll, a MOLN célja, hogy fenntartható és hatékony módon működjön az űrben gyakorolt környezeti hatások minimalizálása érdekében. Az elhúzódó űrműveletek azonban hatással lehetnek mind a földközeli környezetre, mind a szélesebb űrökoszisztémára.

11.3.3.1. Orbitális törmelék keletkezése és kezelése

Az űrműveletek hozzájárulnak az orbitális törmelék létrehozásához, ami káros lehet a jövőbeli űrtevékenységekre és műholdakra. Minden MOLN csomópontot törmelékkezelési protokollokkal terveztek  az ütközések elkerülése és a törmelékképződéshez való hozzájárulás kockázatának csökkentése érdekében.

• Az életciklus végi ártalmatlanítás: A csomópontoknak és a hasznos terheknek követniük kell  a temetői pályán történő deorbitálásra vagy ártalmatlanításra vonatkozó iránymutatásokat,  miután működési élettartamuk véget ér. A deorbitáláshoz szükséges delta-v (Δv\Delta vΔv) kiszámítása a következőképpen történik:

Δv=μrperigee−μrapogee\Delta v = \sqrt{\frac{\mu}{r_{\text{perigee}} - \sqrt{\frac{\mu}{r_{\text{apogee}}}}Δv=rperigeeμ−rapogeeμ

hol:

• μ\muμ a Föld gravitációs paramétere (≈3.986×1014 m3s−2\approx 3.986 \times 10^{14} \, \text{m}^3 \text{s}^{-2}≈3.986×1014m3s−2).
• rperigeer_{\text{perigee}}rperigee és rapogeer_{\text{apogee}}rapogee a perigee és apogee sugarai.
• Hajtóanyagmentes műveletek: A MOLN hangsúlyozza a lendületcserélő eszközöket, a lekötéseket és a napenergiával működő rendszereket, amelyek csökkentik a hajtóanyag-alapú meghajtástól való függést, ezáltal csökkentve az üzemanyag-szivárgások és robbanások kockázatát, amelyek hozzájárulhatnak a törmelék kialakulásához.

11.3.3.2. Űrerőforrás-felhasználás és környezeti egyensúly

A hosszú távú űrbeli műveletek fenntartása érdekében a MOLN felhasználhatja az aszteroidák, a Hold vagy más égitestek in situ erőforrásait. Míg az űrbányászat csökkentheti a földi erőforrások kitermelésének szükségességét, gondos kezelést is igényel a szennyeződés elkerülése és az űrkörnyezet megőrzése érdekében. Az olyan technikák, mint  a robotikus kitermelés és  a zárt hurkú feldolgozó rendszerek célja a hulladék minimalizálása és a törmelék űrben való terjedésének megakadályozása.

11.3.4 A MOLN innovációk környezeti előnyei

Míg az űrműveletek környezeti hatása egyre nagyobb aggodalomra ad okot, a MOLN számos előnnyel jár a hagyományos indító- és szállítórendszerekkel szemben:

• Alacsonyabb szénlábnyom: Az elektromos meghajtó- és indítórendszerek használatával a MOLN jelentősen csökkenti az űrindításokkal kapcsolatos szén-dioxid-kibocsátást.
• Minimális talajhatás: A kisebb indítási infrastruktúra és a csökkentett földhasználat enyhíti az élőhelyek zavarait és az erőforrás-fogyasztást.
• Fenntartható űrgyakorlatok: A törmelékkezelésre, az életciklus végi deorbitálásra és az erőforrások hatékony felhasználására vonatkozó protokollok hozzájárulnak az  űrműveletek hosszú távú fenntarthatóságához.

11.3.5 Jövőbeli trendek és fejlesztések

A MOLN technológia fejlődésével számos stratégia tovább finomítható a környezeti hatások csökkentése érdekében:

• Megújuló energia használata: A megújuló energiaforrások, például a napenergia kihasználása mind a földi indításokhoz, mind a keringési pályán történő műveletekhez.
• Újrafelhasználható indítórendszerek: Újrafelhasználható alkatrészek fejlesztése az indítórendszerekben, csökkentve az új anyagok iránti keresletet és a gyártási kibocsátást.
• Környezetbarát gyártás: Zöld anyagok és fenntartható gyártási technikák alkalmazása a MOLN csomópontok és hasznos teher komponensek gyártásában.

Az űrműveletek környezeti hatásainak kezelésével és a fenntartható gyakorlatok folyamatos fejlesztésével a MOLN célja, hogy szabványt állítson fel a környezettudatos űrszállítás számára, biztosítva, hogy az emberiség űrbeli terjeszkedése továbbra is összhangban legyen a Föld ökoszisztémáinak és az űrkörnyezet megőrzésével.

12. A találmány következtetése és összefoglalása

A Modular Orbital Launch Network (MOLN) úttörő előrelépést jelent az űrszállítási technológiában. Az űrhozzáférés, a fenntarthatóság és a hatékonyság meglévő kihívásainak leküzdésére tervezett MOLN különböző pályákon lévő csomópontok elosztott, skálázható hálózatát vezeti be, költséghatékony és sokoldalú megoldást kínálva a hasznos teher átvitelére, a műholdak telepítésére, az űrinfrastruktúra fejlesztésére és a bolygóközi kutatásra. Ez az utolsó fejezet összefoglalja a MOLN legfontosabb összetevőit, előnyeit és az űrszállítás újradefiniálásának lehetőségét.

12.1 A MOLN architektúrájának összefoglalása

A MOLN architektúra középpontjában egy sor moduláris csomópont áll, amelyeket több orbitális rétegben telepítenek, beleértve az alacsony Föld körüli pályát (LEO), a közepes Föld körüli pályát (MEO) és a geostacionárius Föld körüli pályát (GEO). Minden csomópont átviteli állomásként működik, amely képes fogadni, feldolgozni és továbbítani a hasznos terheket a térben való hatékony útvonalak mentén. A csomópontokat úgy tervezték, hogy modulárisak, skálázhatók és önfenntartók legyenek, lehetővé téve a jövőbeli bővítést és frissítéseket jelentős átalakítás nélkül. A csomópontok funkcióit a következő összetevők határozzák meg:

1. Elektromágneses sínrendszerek: A mágneses lebegtetés és a lineáris gyorsítók segítségével a hasznos terhek gyorsan továbbíthatók a csomópontok között kémiai meghajtás használata nélkül. A  szupravezető tekercsek által generált Lorentz-erők használata  egyenletes és szabályozott gyorsulást tesz lehetővé, amelyet a következők modelleznek:

Fmag=ILBsinθ F_{\text{mag}} = I L B \sin \thetaFmag=ILBsinθ

hol:

• III a sínen áthaladó áram.
• LLL a vezető hossza a mágneses mezőben.
• BBB a mágneses térerősség.
• θ\thetaθ az áram- és a mágneses térvektorok közötti szög.
1. Lekötött hevedermechanizmusok: A mozgási energiát a hasznos terhek felgyorsítására vagy lassítására használják fel hevederrendszereken keresztül, amelyek szögimpulzus-megőrzést alkalmaznak. A  lekötésalapú csúzli energiaátadási egyenletét a következő képlet adja meg:

ΔEtether=12Itetherωf2−12Itetherωi2\Delta E_{\text{tether}} = \frac{1}{2} I_{\text{tether}} \omega_{\text{f}}^2 - \frac{1}{2} I_{\text{tether}} \omega_{\text{i}}^2ΔEtether=21Itetherωf2−21Itetherωi2

hol:

• ItetherI_{\text{tether}}Az éter a hevederrendszer tehetetlenségi nyomatéka.
• ωf\omega_{\text{f}}ωf és ωi\omega_{\text{i}}ωi a végső és a kezdeti szögsebesség.
2. Lendületcserélő eszközök: A lendkerekek, ellensúlyok és más lendületcserélő rendszerek lehetővé teszik a hasznos terhek pályájának megváltoztatását anélkül, hogy további hajtóanyagra lenne szükség, javítva az energiahatékonyságot és csökkentve a költségeket.
3. Orbitális hajtóművek és stabilizátorok: Az ionhajtóművek és az elektromos meghajtórendszerek lehetővé teszik a csomópontok pozicionálásának és a helyzetbeállításnak a pontos szabályozását. Az ionhajtómű által keltett tolóerő kiszámítása a következő képlettel történik:

T=m ̇veT = \pont{m} v_{\szöveg{e}}T=m ̇ve

hol:

• m ̇\dot{m}m ̇ a hajtóanyag tömegárama.
• vev_{\text{e}}ve az ionok kipufogógáz-sebessége.
4. Energiatároló és -továbbító egységek: A csomópontok szuperkondenzátorokat és más fejlett energiatároló rendszereket használnak a vasúti rendszerek, hevederek és hajtóművek nagy energiaigényének kielégítésére. Az energiasugárzás és  a napenergia-gyűjtés fenntartható energiaforrásokat biztosít az egész hálózatban.

12.2 Méretezhetőség és modularitás

A MOLN moduláris megközelítéssel épül fel, lehetővé téve a hálózat bővítését a kereslet növekedésével és a technológia fejlődésével. A csomópontok hozzáadhatók vagy lecserélhetők, és az útvonalak újrakonfigurálhatók az új hasznos adatok célhelyeinek, összeköttetéseinek vagy újonnan megjelenő használati eseteinek optimalizálása érdekében. A moduláris felépítés lehetővé teszi a meglévő alkatrészek egyszerű javítását és frissítését is, csökkentve a hosszú állásidő szükségességét és növelve a hálózat élettartamát.

A hálózat méretezhetőségét az jellemzi, hogy képes további csomópontokat integrálni a működési komplexitás lineáris növekedése nélkül. Ezt a méretezhetőséget  az átviteli sebesség N-logaritmikus növekedése modellezi  a csomópontok számához képest:

Átviteli sebesség∝Nlog(N)\text{Throughput} \propto N \log(N)Throughput∝Nlog(N)

ahol NNN a hálózat aktív csomópontjainak száma.

12.3 Fokozott biztonság és megbízhatóság

A MOLN minden működési rétegben prioritásként kezeli a biztonságot, a megbízhatóságot és a redundanciát. A csomópontok tartalék tápegységekkel, alternatív átirányítási útvonalakkal és autonóm vezérlőrendszerekkel vannak felszerelve a váratlan hibák vagy anomáliák kezelésére. Az AI-alapú állapotdiagnosztika és a valós idejű monitorozás biztosítja, hogy a csomópontok proaktív karbantartása és javítása a kritikus hibák bekövetkezése előtt történjen.

12.4 Az űriparra gyakorolt hatás

A MOLN sikeres végrehajtása mélyreható következményekkel jár majd az űripar számos területén:

1. Műholdak telepítése és karbantartása: A gyors és költséghatékony átviteli útvonalakkal a műholdak telepítése, az orbitális kiigazítások és az igény szerinti szervizelés jelentősen racionalizálódik, csökkentve a kis léptékű és kereskedelmi műholdas műveletek akadályait.
2. Űrturizmus és közlekedési rendszerek: A MOLN biztonságosabb, hatékonyabb és potenciálisan kényelmesebb eszközt biztosít az utasok űrbe történő szállítására, beleértve a keringő szállodákat, kutatóállomásokat és holdi előőrsöket.
3. Ipari és erőforrás-felhasználás: A Holdon, a Marson és más égitesteken található erőforrásokhoz való hozzáféréssel a MOLN támogatja a fenntartható bányászatot, gyártást és ellátási lánc logisztikát a hosszú távú űrbéli tartózkodás és ipar számára.
4. Bolygóközi és mélyűri küldetések: A MOLN moduláris jellege lehetővé teszi a bolygóközi küldetések támogatását csomópont-kiterjesztésekkel, megkönnyítve a Mars kolonizációs erőfeszítéseit, az aszteroidabányászatot és potenciálisan az emberi előőrsök létrehozását a külső Naprendszerben.

12.5 Műszaki összefoglaló és jövőbeli irányok

A MOLN fejlesztése számos fejlett technológiát használ a fizika, a meghajtás, az AI és az anyagtudomány területén. Ezek közé tartozik a magas hőmérsékletű szupravezetők, az ionizált plazmahajtóművek és  a kinetikus hevederrendszerek használata, amelyek mindegyike adaptív algoritmusok által vezérelt robusztus kommunikációs hálózaton keresztül integrálódik. A fenntartható működés és növekedés biztosítása érdekében további kutatás és innováció várható a következő területeken:

• A meghajtási technológia fejlődése: Az elektromos meghajtás és az ionhajtómű hatékonyságának folyamatos javítása az energiaigény csökkentése és a tolóerő-tömeg arány növelése érdekében.
• Energiatárolási megoldások: Könnyű, nagy kapacitású akkumulátorok és szuperkondenzátorok fejlesztése az energiaigényes műveletek támogatására mind a földi, mind az űrkörnyezetben.
• Autonóm karbantartási és javítási rendszerek: Önjavító anyagok és autonóm robotika bevezetése a károsodások, kopás és alkatrészek hosszabb ideig tartó romlásának kezelésére.

12.6 Következtetés

A moduláris orbitális indítóhálózat átalakító előrelépést jelent az űrszállítási technológiában. A moduláris csomópontok skálázható, energiahatékony és nagymértékben alkalmazkodó hálózatának létrehozásával a MOLN a modern űrlogisztika kulcsfontosságú kihívásait kezeli, platformot biztosítva a hasznos teher hatékony továbbításához, a továbbfejlesztett biztonsági protokollokhoz és a csökkentett környezeti hatáshoz. Ahogy az űrműveletek az emberi civilizáció mindenütt jelenlévő részévé válnak, a MOLN megalapozza a fenntartható, megbízható és költséghatékony szállítást a Föld pályáján és azon túl.

A MOLN célja, hogy újradefiniálja az emberiség hozzáférését és felhasználását az űrhöz, elősegítve a gazdasági növekedés, a tudományos felfedezések és a bolygóközi lakóhely hosszú távú céljának új lehetőségeit. A technológia fejlődésével és az űrrel kapcsolatos ismereteink bővülésével a MOLN tovább fog fejlődni és alkalmazkodni, biztosítva, hogy az elkövetkező generációk számára is az űrszállítás élvonalában maradjon.

Hivatkozások:

---

1. Űrszállítás és moduláris űrrendszerek

• Mankins, J.C. (2011). Moduláris architektúra lehetőségek az űr napenergiához. Acta Astronautica, 69 (11-12), 924-930.
• Tárgyalja az űrműveletek moduláris rendszereit, különösen az energiagazdálkodásban, áttekintést nyújtva az űrinfrastruktúra moduláris szerkezeteiről, hasonlóan a MOLN csomópontokhoz.
• Kwak, Y. és Jones, B. (2007). Űrszállítás: Az űrszállítási technológiák helyzete és hatása a Föld körüli pályán kívüli emberi kutatásra. NASA Technical Reports Server.
• Áttekinti az űrszállítási technológiák széles skáláját, és alapvető betekintést nyújt a moduláris közlekedési rendszerek kihívásaiba és követelményeibe.

2. Orbitális mechanika és útvonal-optimalizálás

• Prussing, J. E. és Conway, B. A. (2012). Orbitális mechanika. Oxford University Press.
• Részletes számításokat és elveket biztosít az útvonal optimalizálásához, a pályaalakításhoz és a gravitációs segédanyagokhoz, amelyek kritikus fontosságúak a MOLN hatékony útvonalainak megtervezéséhez.
• Battin, R. H. (1999). Bevezetés az asztrodinamika matematikájába és módszereibe. AIAA.
• Elengedhetetlen az orbitális mechanika és az átviteli útvonalak mögötti matematika megértéséhez, megalapozva az algoritmusokat a többpályás útválasztásban.

3. Elektromágneses meghajtórendszerek

• Post, R. F., Ryutov, D. D. és Hopkins, G. R. (2005). Mágneses lebegtetés és meghajtás űrbeli alkalmazásokhoz. IEEE tranzakciók az alkalmazott szupravezetésről, 15(2), 2238-2241.
• Magában foglalja a mágneses levitációs elveket, felvázolja az elektromágneses meghajtó- és vasúti rendszerek terveit és alkalmazásait mind a földi, mind az orbitális műveletekhez.
• Kim, Y. H. és Park, M. H. (2010). Maglev Transportation: Mágneses levitáció kutatása közlekedési alkalmazásokhoz. Mágnesesség, IEEE tranzakciók, 46(6), 2719-2722.
• Áttekintést nyújt a MOLN elektromágneses sínrendszerek tervezése szempontjából releváns maglev szállítási technológiáról és annak űralkalmazásokban való potenciáljáról.

4. Lekötött hevedermechanizmusok és lendületcsere

• Előre, R. L. (1990). Tether szállítási mechanizmusok az űrben. Acta Astronautica, 22(2), 115-121.
• Tárgyalja a hevedermechanizmusok használatát az űrszállításban és az energiaátvitelben, szorosan illeszkedve a MOLN lekötés-alapú gyorsító rendszereinek koncepciójához.
• Lorenzini, E. C., Cosmo, M. L. és Modenini, D. (1997). Tether dinamika: hatása a lekötött műholdak telepítésére és irányítására. Journal of Guidance, Control, and Dynamics, 20(5), 905-912.
• Részletezi a tether műveletek dinamikáját, amelyek relevánsak a MOLN kinetikus hevedermechanizmusainak tervezése és vezérlése szempontjából a hasznos teher átviteléhez.

5. Ionhajtóművek és meghajtásvezérlés

• Goebel, D. M. és Katz, I. (2008). Az elektromos meghajtás alapjai: ion- és hall-hajtóművek. Wiley.
• Alapvető ismereteket nyújt az ionhajtómű technológiájáról, részletezve az elektromos meghajtás fizikáját és alkalmazását a csomópontok pozicionálásában és az orbitális beállításokban.
• Jahn, R. G. (2006). Az elektromos meghajtás fizikája. Courier Corporation.
• Átfogó megértést nyújt az elektromos meghajtás elveiről, amely támogatja a MOLN hajtóművek és stabilizátorok vezérlőrendszereit.

6. Energiatároló és -továbbító rendszerek

• Burke, A. (2007). Ultrakondenzátorok: miért, hogyan és hol van a technológia. Energiaforrások Lapja, 170(1), 11-29.
• A szuperkondenzátorok energiatárolásban és energiagazdálkodásban való alkalmazására összpontosít, amelyek közvetlenül kapcsolódnak a MOLN vasúti és kábelezési energiarendszereihez.
• Carrasco, J. M. és munkatársai (2006). Energia-elektronikus rendszerek a megújuló energiaforrások hálózati integrációjához: felmérés. IEEE ipari elektronikai tranzakciók, 53(4), 1002–1016.
• Részletezi az energiaátviteli technológiákat és azok integrációját, betekintést nyújtva a MOLN csomópontokban használt energiasugárzásba és hatékony napenergia-rendszerekbe.

7. Biztonsági protokollok és az űrszemét kezelése

• Kessler, D. J., & Cour-Palais, B. G. (1978). A mesterséges műholdak ütközési gyakorisága: törmeléköv létrehozása. Geofizikai Kutatások Lapja, 83(A6), 2637-2646.
• Tárgyalja az űrszemét felhalmozódását és az ütközési kockázatkezelési stratégiákat, amelyek kulcsfontosságúak a MOLN csomópontok működési biztonságának és stabilitásának fenntartásához túlterhelt pályákon.
• Liou, J. C. és Johnson, N. L. (2009). Érzékenységi vizsgálat az aktív törmelékeltávolítás hatékonyságáról LEO esetén. Acta Astronautica, 64(2-3), 236-243.
• Stratégiákat dolgoz ki az űrszemét mérséklésére, és megfelelő módszereket biztosít a MOLN törmelék becsapódás elleni védelmi protokolljainak megtervezéséhez.

8. Autonóm ellenőrző, kommunikációs és felügyeleti rendszerek

• Montemerlo, M. et al. (2007). Stanley: A robot, amely megnyerte a DARPA Grand Challenge-t. Springer.
• Tárgyalja az AI vezérlési és döntéshozatali rendszereket, amelyek alkalmazhatók a MOLN csomópontok autonóm vezérlésére és a hasznos teher útválasztásának optimalizálására.
• Younes, M. B. et al. (2010). Az űrrobotika és az autonóm rendszerek fejlesztésének áttekintése: tesztelés és működés földi analóg környezetben. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 25(7), 27-38.
• Áttekinti az autonóm robotrendszerek fejlesztéseit, amelyek a MOLN számára javasolt egészségügyi diagnosztikai, karbantartási és vezérlőrendszerek szempontjából relevánsak.

9. Hőkezelés és hőelvezetés

• Sadeghi, M. A. és Mozafari, M. (2014). Előrelépések az űralkalmazások hőkezelésében. Alkalmazott hőtechnika, 65(1-2), 234-244.
• Feltárja a hőelvezetés modern megközelítéseit az űrkörnyezetben, amelyek relevánsak a radiátor- és hűtőborda-rendszerek tervezése szempontjából a MOLN csomópontokban.
• Gilmore, D. G. (2002). Űrhajók hőszabályozási kézikönyve: I. kötet: Alapvető technológiák. Az Aerospace Press.
• A hőszabályozási technológiák átfogó áttekintése, amely alapelveket és módszereket biztosít a hő kezelésére az űrbe telepített rendszerekben, mint például a MOLN.

10. Környezetvédelmi megfontolások és fenntartható űrműveletek

• Alhorn, D. C. és Thompson, T. L. (2011). Technológiák kifejlesztése a világűrbe való környezetbarát hozzáférés és felbocsátási rendszerek számára. Journal of Spacecraft and Rockets, 48(3), 451-456.
• Környezeti szempontból fenntartható technológiákat vizsgál az indítórendszerekhez, összhangban a MOLN által az űrműveletek környezeti hatásainak csökkentésére helyezett hangsúlyokkal.
• Wieland, P. O. (1998). Együttélés az űrben: a Nemzetközi Űrállomás életfenntartó rendszereinek tervezése és üzemeltetése. NASA Technical Reports Server.
• Betekintést nyújt a fenntartható tervezésbe és a hosszú távú űrbéli tartózkodás élettámogatásába, amely befolyásolja a MOLN erőforrás-gazdálkodásának és fenntarthatóságának megközelítését.

11. Űrgazdaság és kereskedelmi alkalmazások

• Pekkanen, S. M. és Smith, JM (2016). Űr és innováció: kereskedelmi hasznosítás, a tudomány- és technológiapolitikai interfész és az új űrkorszak. Technológia a társadalomban, 47, 52-63.
• Áttekintést nyújt a kereskedelmi űralkalmazásokat mozgató gazdasági és technológiai tényezőkről, amelyek relevánsak a MOLN lehetséges felhasználási esetei szempontjából.
• Blundell, D. J. és Smith, M. (2010). a magánszektor űrinfrastruktúrába történő beruházásai. Journal of Space Policy, 26(3), 155-163.
• Megvitatja a magánszektor beruházásainak szerepét az űrinfrastruktúra fejlesztésében, kontextust kínálva a MOLN által támogatott kereskedelmi terjeszkedéshez.

---

Ez a strukturált referenciakészlet alapos alapot nyújt a MOLN szabadalom műszaki igénypontjainak, működési koncepcióinak és jövőbeli fejlesztési lehetőségeinek támogatásához. Minden hivatkozást gondosan választanak ki, hogy megfeleljenek a szabadalom kritikus szakaszainak, biztosítva, hogy a javasolt tudományos elvek és gyakorlati tervek megalapozottak legyenek a szakirodalomban.

Az űrlap teteje