حلقة الإطلاق

عندما يكون الجهاز في حالة سكون، يكون على مستوى سطح الأرض. ثم يُسرّع الدوّار حتى يصل إلى سرعته القصوى. ومع ازدياد سرعة الدوّار، ينحني ليشكّل قوسًا. ويُحافظ على ارتفاع الجهاز بفعل قوة الدوّار، الذي يحاول اتباع مسار مكافئ. وتُجبره مثبتات الأرض على السير بموازاة الأرض عند بلوغه ارتفاع 80 كيلومترًا. وبمجرد رفعه، يحتاج الجهاز إلى طاقة مستمرة للتغلب على الطاقة المُبددة. كما ستكون هناك حاجة إلى طاقة إضافية لتشغيل أي مركبات تُطلق. ^{[ 2 ]}

لإطلاق المركبة، تُرفع بواسطة كابل معلق من رصيف التحميل في المحطة الغربية على ارتفاع 80  كيلومترًا، ثم توضع على المسار. يُولّد الحمل مجالًا مغناطيسيًا يُحدث تيارات دوامية في الدوّار سريع الحركة. يؤدي ذلك إلى رفع الحمل بعيدًا عن الكابل، بالإضافة إلى سحبه بتسارع 3g ( 30  م/ث²). بعد ذلك، يبقى الحمل على الدوّار حتى يصل إلى السرعة المدارية المطلوبة ، ثم يغادر المسار. ^{[ 2 ]}

إذا لزم مدار مستقر أو دائري، فبمجرد وصول الحمولة إلى أعلى نقطة في مسارها، يلزم وجود محرك صاروخي على متنها ("محرك دفع") أو وسيلة أخرى لتحويل المسار إلى مدار أرضي مناسب. ^{[ 2 ]}

تتميز تقنية التيارات الدوامية بصغر حجمها وخفة وزنها وقوتها، إلا أنها غير فعالة. فمع كل عملية إطلاق، ترتفع درجة حرارة الدوار بمقدار 80 كلفن نتيجة لتبديد الطاقة. وإذا كانت عمليات الإطلاق متقاربة جدًا، فقد تصل درجة حرارة الدوار إلى 770  درجة مئوية (1043 كلفن)، وعندها يفقد الدوار الحديدي خصائصه المغناطيسية الحديدية ، ويفقد احتواءه. ^{[ 2 ]}

تتلاشى المدارات المغلقة ذات نقطة الحضيض البالغة 80  كم بسرعة كبيرة وتعود للدخول، ولكن بالإضافة إلى هذه المدارات، فإن حلقة الإطلاق في حد ذاتها ستكون قادرة أيضًا على حقن الحمولات مباشرة في مدارات الهروب ، ومسارات المساعدة الجاذبية التي تمر عبر القمر ، وغيرها من المدارات غير المغلقة مثل تلك القريبة من نقاط طروادة .

للوصول إلى مدارات دائرية باستخدام حلقة إطلاق، يلزم إطلاق محرك دفع صغير نسبيًا مع الحمولة، والذي سينطلق عند نقطة الأوج ليُحوّل المدار إلى مدار دائري. للوصول إلى مدار أرضي متزامن (GEO) ، يتطلب ذلك تغييرًا في السرعة (دلتا-في) يبلغ حوالي 1.6  كم/ث، بينما يتطلب الوصول إلى مدار أرضي منخفض (LEO) على ارتفاع 500  كم تغييرًا في السرعة (دلتا-في) يبلغ 120  م/ث فقط. تحتاج الصواريخ التقليدية إلى تغييرات في السرعة (دلتا-في) تبلغ حوالي 14 و10  كم/ث للوصول إلى مدار أرضي متزامن (GEO) ومدار أرضي منخفض (LEO) على التوالي. ^{[ 2 ]}

تُوضع حلقات الإطلاق في تصميم لوفستروم بالقرب من خط الاستواء ^{[ 2 ]} ، ولا يمكنها الوصول مباشرةً إلا إلى المدارات الاستوائية. مع ذلك، يمكن الوصول إلى مستويات مدارية أخرى عبر تغييرات مستوى المدار على ارتفاعات عالية، أو اضطرابات القمر، أو تقنيات الديناميكا الهوائية.

تُحدَّد قدرة إطلاق الصواريخ في حلقة الإطلاق في نهاية المطاف بدرجة حرارة الدوار ومعدل تبريده إلى 80 عملية إطلاق في الساعة، ولكن ذلك يتطلب محطة طاقة بقدرة 17 جيجاواط ؛ بينما تكفي محطة طاقة بقدرة 500 ميجاواط لـ 35 عملية إطلاق يوميًا. ^{[ 2 ]}

لكي يكون نظام الإطلاق الحلقي مجدياً اقتصادياً، فإنه يتطلب عملاء لديهم متطلبات إطلاق حمولة كبيرة بما فيه الكفاية.

يُقدّر لوفستروم أن حلقة إطلاق أولية بتكلفة تقارب 10 مليارات دولار، مع فترة استرداد تبلغ عامًا واحدًا، قادرة على إطلاق 40 ألف طن متري سنويًا، وخفض تكاليف الإطلاق إلى 300 دولار للكيلوغرام. أما بتكلفة 30 مليار دولار، مع قدرة أكبر على توليد الطاقة، فستكون الحلقة قادرة على إطلاق 6 ملايين طن متري سنويًا، وبافتراض فترة استرداد تبلغ خمس سنوات، فإن تكاليف الوصول إلى الفضاء باستخدام حلقة إطلاق قد تصل إلى 3 دولارات للكيلوغرام. ^{[ 5 ]}

بالمقارنة مع مصاعد الفضاء، لا يلزم تطوير مواد جديدة ذات قوة شد عالية، لأن الهيكل يقاوم جاذبية الأرض من خلال دعم وزنه الخاص بالطاقة الحركية للحلقة المتحركة، وليس عن طريق قوة الشد.

من المتوقع أن تُطلق حلقات الإطلاق في قاعدة لوفستروم الصاروخية بمعدلات عالية (عدة عمليات إطلاق في الساعة، بغض النظر عن الأحوال الجوية)، وهي غير ملوثة بطبيعتها. تُنتج الصواريخ ملوثات مثل النترات في عوادمها نتيجة ارتفاع درجة حرارة العادم، وقد تُنتج غازات دفيئة اعتمادًا على نوع الوقود المستخدم. أما حلقات الإطلاق، باعتبارها شكلاً من أشكال الدفع الكهربائي، فيمكن أن تكون نظيفة، ويمكن تشغيلها بالطاقة الحرارية الأرضية، أو النووية، أو طاقة الرياح، أو الشمسية، أو أي مصدر طاقة آخر، حتى المتقطع منها، نظرًا لما يتمتع به النظام من سعة تخزين طاقة هائلة مدمجة.

على عكس مصاعد الفضاء التي تستغرق عدة أيام لعبور أحزمة فان ألين ، يمكن إطلاق ركاب حلقة الإطلاق إلى مدار أرضي منخفض، أسفل هذه الأحزمة، أو عبرها في غضون ساعات قليلة. وهذا يُشابه الوضع الذي واجهه رواد فضاء أبولو، الذين تعرضوا لجرعات إشعاعية تُعادل 0.5% فقط من الجرعة التي يتعرض لها رواد الفضاء في مصاعد الفضاء. ^{[ 6 ]}

على عكس مصاعد الفضاء المعرضة لمخاطر الحطام الفضائي والنيازك على امتداد مسارها، تُوضع حلقات الإطلاق على ارتفاع تكون فيه المدارات غير مستقرة بسبب مقاومة الهواء. ولأن الحطام لا يبقى في الفضاء، فإنه لا يملك سوى فرصة واحدة للاصطدام بالهيكل. وبينما يُتوقع أن تكون فترة انهيار مصاعد الفضاء في حدود سنوات، يُتوقع أن يكون تلف أو انهيار الحلقات بهذه الطريقة نادرًا. إضافةً إلى ذلك، لا تُشكل حلقات الإطلاق نفسها مصدرًا مهمًا للحطام الفضائي، حتى في حالة وقوع حادث. فجميع الحطام المتولد له نقطة حضيض تتقاطع مع الغلاف الجوي أو تكون بسرعة الإفلات.

تم تصميم حلقات الإطلاق لنقل البشر، لتوفير تسارع آمن يبلغ 3 جي والذي يمكن أن تتحمله الغالبية العظمى من الناس بشكل جيد، ^{[ 2 ]} وستكون طريقة أسرع بكثير للوصول إلى الفضاء من مصاعد الفضاء.

ستكون حلقات الإطلاق هادئة أثناء التشغيل، ولن تسبب أي تلوث صوتي، على عكس الصواريخ.

وأخيراً، فإن تكاليف حمولتها المنخفضة تتوافق مع السياحة الفضائية التجارية واسعة النطاق وحتى استعمار الفضاء .

ستحتوي الحلقة المتحركة على كمية هائلة من الطاقة في زخمها الخطي. ورغم أن نظام التعليق المغناطيسي سيكون ذا فائض كبير، بحيث لا يؤثر تعطل أجزاء صغيرة منه تقريبًا، إلا أنه في حال حدوث عطل كبير، فإن الطاقة الموجودة في الحلقة (1.5 × 10^ ¹⁵ جول أو 1.5 بيتاجول) ستقارب إجمالي الطاقة المنبعثة من انفجار قنبلة نووية ( ما يعادل 350 كيلوطن من مادة تي إن تي )، مع العلم أنها لن تُصدر إشعاعًا نوويًا.

على الرغم من أن هذه كمية كبيرة من الطاقة، فمن غير المرجح أن تُلحق ضرراً كبيراً بالبنية نظراً لحجمها الهائل، ولأن معظم الطاقة ستُفرغ عمداً في مواقع محددة مسبقاً عند اكتشاف العطل. قد يلزم اتخاذ إجراءات لإنزال الكابل من  ارتفاع 80 كيلومتراً بأقل قدر من الضرر، كاستخدام المظلات مثلاً.

لذلك، ولأسباب تتعلق بالسلامة والديناميكا الفلكية ، من المقرر تركيب حلقات الإطلاق فوق محيط بالقرب من خط الاستواء، بعيدًا عن المناطق السكنية.

يتطلب التصميم المنشور لحلقة الإطلاق التحكم الإلكتروني في الرفع المغناطيسي لتقليل تبديد الطاقة وتثبيت الكابل الذي يكون غير مخمد بشكل كافٍ.

تتمثل نقطتا عدم الاستقرار الرئيسيتان في أقسام الدوران والكابل.

تُعدّ أقسام الدوران غير مستقرة، إذ أن ابتعاد الدوّار عن المغناطيسات يُقلّل من قوة الجذب المغناطيسي، بينما يُزيد اقترابه منها. وفي كلتا الحالتين، يحدث عدم استقرار. ^{[ 2 ]} تُحلّ هذه المشكلة عادةً باستخدام أنظمة التحكم المؤازر الحالية التي تُغيّر قوة المغناطيسات. ورغم أن موثوقية نظام التحكم المؤازر تُشكّل مشكلة محتملة، إلا أنه عند السرعات العالية للدوّار، يجب أن تتعطل أقسام متتالية كثيرة حتى يفقد الدوّار قدرته على الاحتواء. ^{[ 2 ]}

تُعاني أقسام الكابل أيضًا من هذه المشكلة المحتملة، على الرغم من أن القوى المؤثرة عليها أقل بكثير. ^{[ 2 ]} ومع ذلك، ثمة عدم استقرار إضافي يتمثل في احتمال تعرض الكابل/الغلاف/الدوار لأنماط متعرجة (شبيهة بسلسلة لاريات ) تتزايد سعتها بلا حدود. ويعتقد لوفستروم أنه يمكن التحكم في هذا النوع من عدم الاستقرار في الوقت الفعلي بواسطة آليات مؤازرة، على الرغم من أن ذلك لم يُجرَّب من قبل.

تشير أعمال ألكسندر بولونكين إلى أن مشروع لوفستروم يعاني من العديد من المشاكل العالقة، وأنه بعيد كل البعد عن التكنولوجيا الحالية. ^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} فعلى سبيل المثال، يحتوي مشروع لوفستروم على فواصل تمدد بين صفائح حديدية بسمك 1.5 متر. وقد تختلف سرعاتها (بفعل الجاذبية والاحتكاك)، ويزعم بولونكين أنها قد تنحشر داخل الأنبوب؛ كما أن القوة والاحتكاك في أقسام الدوران الأرضية التي يبلغ قطرها 28 كيلومترًا هائلة. في عام 2008، ^{[ 10 ]} اقترح بولونكين كابلًا بسيطًا دوارًا مغلق الحلقة لإطلاق المركبة الفضائية بطريقة تتناسب مع التكنولوجيا الحالية. 

مشروع آخر، هو كابل الفضاء ، وهو تصميم أصغر حجماً من ابتكار جون كنابمان، مُخصّص لدعم إطلاق الصواريخ التقليدية والسياحة شبه المدارية. يستخدم تصميم كابل الفضاء مسامير منفصلة بدلاً من دوّار متصل، كما هو الحال في تصميم حلقة الإطلاق. وقد أثبت كنابمان رياضياً إمكانية السيطرة على عدم استقرار التعرّج. ^{[ 11 ] [ 12 ]}

يُعدّ نظام الإطلاق " سكاي هوك" مفهومًا آخر لأنظمة الإطلاق. قد يكون "سكاي هوك" دوّارًا أو ثابتًا. يتدلى "سكاي هوك" الثابت من مدار أرضي منخفض إلى ما فوق الغلاف الجوي للأرض مباشرةً (حيث لا يكون كابل "سكاي هوك" متصلًا بالأرض). ^{[ 13 ]} أما "سكاي هوك" الدوّار، فيُغيّر هذا التصميم لتقليل سرعة الطرف السفلي؛ إذ يدور الكابل بأكمله حول مركز ثقله. وتكمن ميزة هذا التصميم في تقليل سرعة مركبة الإطلاق المتجهة إلى الطرف السفلي لـ"سكاي هوك" الدوّار بشكل أكبر، مما يسمح بحمل حمولة أكبر وتكلفة إطلاق أقل. أما عيباه فهما: قصر الوقت المتاح لمركبة الإطلاق الواصلة للالتحام بالطرف السفلي لـ"سكاي هوك" الدوّار (حوالي 3 إلى 5 ثوانٍ)، وعدم وجود خيارات فيما يتعلق بمدار الوجهة.