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/ Space & Astronomy / Space and Astronomy (October 1993).iso / mac / TEXT / SPACEDIG / V11_2 / V11_206.TXT < prev    next >
Internet Message Format  |  1991-07-08  |  31KB

  1. Return-path: <ota+space.mail-errors@andrew.cmu.edu>
  2. X-Andrew-Authenticated-as: 7997;andrew.cmu.edu;Ted Anderson
  3. Received: from beak.andrew.cmu.edu via trymail for +dist+/afs/andrew.cmu.edu/usr11/tm2b/space/space.dl@andrew.cmu.edu (->+dist+/afs/andrew.cmu.edu/usr11/tm2b/space/space.dl) (->ota+space.digests)
  4.           ID </afs/andrew.cmu.edu/usr1/ota/Mailbox/wa63JUW00VcJ82bU4L>;
  5.           Tue,  3 Apr 90 01:32:17 -0400 (EDT)
  6. Message-ID: <4a63Izq00VcJM2Zk5o@andrew.cmu.edu>
  7. Reply-To: space+@Andrew.CMU.EDU
  8. From: space-request+@Andrew.CMU.EDU
  9. To: space+@Andrew.CMU.EDU
  10. Date: Tue,  3 Apr 90 01:31:45 -0400 (EDT)
  11. Subject: SPACE Digest V11 #206
  12.  
  13. SPACE Digest                                     Volume 11 : Issue 206
  14.  
  15. Today's Topics:
  16.           Space-tech excerpt:  Launch Loops
  17. ----------------------------------------------------------------------
  18.  
  19. Date: Mon, 2 Apr 1990 20:18-EDT 
  20. From: Marc.Ringuette@DAISY.LEARNING.CS.CMU.EDU
  21. Subject: Space-tech excerpt:  Launch Loops
  22.  
  23. This is some condensed discussion from the space-tech mailing list, about the
  24. Launch Loop concept championed by Keith Lofstrom, and a variation of it we
  25. called the Hula Hoop.  Beware, it's 660 lines long!
  26.  
  27. \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
  28.  \\\ Marc Ringuette \\\ Carnegie Mellon University, Comp. Sci. Dept. \\\
  29.   \\\ mnr@cs.cmu.edu \\\ Pittsburgh, PA 15213.  Phone 412-268-3728(w) \\\
  30.    \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
  31.  
  32.  
  33. Space-tech excerpt:  Launch Loops   [660 lines, Feb. '90]
  34.  
  35. ------------------------------
  36.  
  37. From: Marc.Ringuette@DAISY.LEARNING.CS.CMU.EDU
  38.  
  39. I'm sure many of you have heard of Keith Lofstrom's concept of the Launch
  40. Loop.  I think it's incredibly cool, and I'll take a crack at describing
  41. what the principle of it is.
  42.  
  43.  
  44. 1. Kinetic Structures
  45. =====================
  46. The physical basis of the concept is something which I call a kinetic
  47. structure.  I'll explain it by example.
  48.  
  49. Shoot a stream of water from a garden hose up in the air.  It forms an arc.
  50. There is no need for material strength in the water:  there's no tension or
  51. compression going on, but rather just the water's free-fall motion along the
  52. path prescribed by gravity.
  53.  
  54. Imagine shooting a stream of water into a very high arc: it could go higher
  55. than you could build the tallest skyscraper, since it's not limited by
  56. the strengths of construction materials.  Now imagine balancing a pie plate
  57. on top of the arc of water, so that it is supported by deflecting the water
  58. downwards slightly.  The plate is suspended there, higher than you might
  59. have thought possible, by the force from the continuing deflection of the
  60. stream of water.
  61.  
  62.  
  63. 2. The Launch Loop
  64. ==================
  65. If you replace the stream of water with a segmented ribbon of iron, achieve
  66. the deflection of the stream by using magnets, and have two 'stations'
  67. suspended by the ribbon rather than a single pie plate, you have Lofstrom's
  68. launch loop.  It is a structure about 2000km long and 80km high.  The loop of
  69. iron runs along the earth's surface in one direction, is deflected upwards
  70. by magnets at an earth station, back parallel to the earth's surface by a
  71. station 80km high, downwards by another station, and back along the earth's
  72. surface.
  73.  
  74.  
  75.          A --------->------------->------------->--------------- B
  76.           /                                                     \
  77.          /                                                       \
  78.         /                                                         \
  79.       C ---------<----------<------------<--------------<---------- D
  80. ===============================Earth====================================
  81.  
  82.    The Launch Loop.  A and B are stations, 80 km high.  C and D are
  83.    deflector stations, 2000 km apart, on the ground.  The segmented
  84.    iron ribbon moves at 14 km/s.  The horizontal sections, and the
  85.    earth, are actually convex, not straight as shown.
  86.  
  87. The whole loop of iron segments whizzes along at 14 km/s inside a vacuum
  88. sheath.  The stations at A and B are held up by the force generated by
  89. magnetically deflecting the ribbon downwards; they are anchored to the
  90. ground by cables, which are needed for stability and to counteract the
  91. horizontal forces.
  92.  
  93.  
  94. 3. Say What?
  95. ============
  96. I should head off your initial skepticism.  This is no joke.  The guy has
  97. worked out details of how you deflect the ribbon, what materials are
  98. required, how to anchor the stations, and all the other details.  The idea
  99. has been reviewed by a lot of people, so if you think you see a glaring flaw,
  100. it's probably because I haven't conveyed the idea properly.  The paper I
  101. have, AIAA-85-1368 (from an AIAA conference in 1985), has lots of numbers 
  102. for everything.
  103.  
  104. Some details that I should mention: 
  105.  
  106.   - the iron ribbon consists of 200cm x 5cm x 1cm segments, which are
  107.     slotted to fit into each other.
  108.  
  109.   - the ribbon undergoes no stress whatsoever; it is just a passive holder
  110.     of kinetic energy.
  111.  
  112.   - starting up the launch loop is a difficult task, involving spinning
  113.     up the ribbon while it is floating on the surface of the ocean. 
  114.  
  115.  
  116. 4. Using the Launch Loop
  117. ========================
  118. Once you have spun up this thing, what do you do with it?  The stations
  119. themselves are useful things: they're outside the atmosphere, yet they
  120. are anchored to the surface by cables.  You could put an observatory on
  121. one of them, and commute to it up and down the 80km cable.
  122.  
  123. But the main use of the loop is to launch vehicles, weighing about 5 tons,
  124. including passenger vehicles.  The idea is that the vehicle sits on the top
  125. section of track, and uses magnetic coupling with the moving ribbon to
  126. accelerate along the 2000km top portion until the desired velocity is
  127. reached (which could be orbital velocity or escape velocity).  So to get 
  128. into orbit, you winch yourself up a cable to station A, hop in a car, get
  129. accelerated up to orbital velocity on the cable, and let go.
  130.  
  131. Because the loop is so massive, accelerating a vehicle doesn't decrease its
  132. velocity much; the velocity is added back in by the ground-based magnets.
  133. The result is that ground-based electrical power has been used to send a
  134. payload into orbit.
  135.  
  136.  
  137. 5. Practical Objections
  138. =======================
  139. Lofstrom talks of the project as if it might be real, and even gives some
  140. guesses as to construction costs ($2 billion total).  My evaluation of this
  141. whole thing is:  incredibly cool physical concept, incredibly impractical
  142. engineering problem.  Particularly, the ocean-based leg of the system is a
  143. 2000-km-long vacuum sheath which must be flawless.  Spinning up the thing
  144. involves getting the entire 4000-km-long loop going perfectly on the first
  145. try, dealing with weather and all sorts of unpleasantness, and gradually
  146. lifting the stations up to their correct positions.
  147.  
  148.  
  149. 6. My preferred version: the hula hoop
  150. ======================================
  151. I think the ground-based section of this thing is the worst part.  So I
  152. propose having the loop go all the way around the earth, in low orbit.
  153. The ribbon will be moving faster than orbital velocity, so that it can be
  154. deflected by the stations to hold them up.  I'd say there should be about
  155. 60 stations spaced around the equator, each of them fastened by cables to
  156. the ground.  The ribbon moves in a shape somewhere between a 60-sided
  157. polygon and a circle.  In between stations, it flies in free fall.  It's
  158. still a really complex device, but at least it isn't in the weather.
  159.  
  160. To spin up this structure, you could start with the stations in low orbit,
  161. and gradually decelerate them to a standstill as the ribbon is spun up and
  162. starts to support them.
  163.  
  164. I notice that Lofstrom references some articles in the L-5 news and JBIS
  165. which discuss this idea.
  166.  
  167. ------------------------------
  168.  
  169. From: Tom Neff <tneff%bfmny0@uunet.UU.NET>
  170.  
  171. I thought the point of the Launch Loop was that it could be powered from,
  172. and launch payloads from, the ground.  The Hula Hoop might be easier to
  173. construct, but how do you power it and how does it get anything launched?
  174.  
  175. ------------------------------
  176.  
  177. From: Marc.Ringuette@DAISY.LEARNING.CS.CMU.EDU
  178.  
  179. This isn't a problem:  the ~60 stations are all _stationary_ with respect
  180. to the ground, approximately 100km up, and are anchored by cables.  You can
  181. run power lines and elevators up the cables.  
  182.  
  183. ------------------------------
  184.  
  185. From: dietz@cs.rochester.edu (Paul Dietz)
  186.  
  187. One of my complaints with the launch loop is what happens when it
  188. fails.  Should the loop break anywhere, or should the airtight jacket
  189. spring a leak, all the levitated sections fall back to earth,
  190. spread over thousands of kilometers.
  191.  
  192. IMHO, the launch loop idea is more feasible on the moon.
  193. The levitation magnets can be anchored to the lunar surface, and
  194. can be externally powered.  The loop provides a nice way to
  195. store energy over the lunar night.  And, the required loop
  196. velocity is lower, if all you want to do is get to lunar orbit.
  197.  
  198. Some work at Argonne National Labs has been inspired by the
  199. launch loop.  A fellow there named Hull and some coworkers have
  200. looked into magnetically levitated rings for energy storage here
  201. on earth.  The concept is nice, since (for fixed centripetal
  202. acceleration) the energy stored scales as R^2, and the energy
  203. stored per ring + magnet mass scales as R.
  204.  
  205. Hull found a nifty *passively* stable attractive magnetic
  206. levitation scheme (Lofstrom used active stabilization).  The
  207. idea works like this.  Let o and + denote cables carrying currents
  208. into and out of the page, and let - represent the iron loop.
  209. Then, there are two positions where the magnetic field of the
  210. currents support the loop against gravity:
  211.  
  212.     +     o        +     o
  213.        -
  214.                -
  215.  
  216. In the first position, the loop is stable against vertical perturbations
  217. but unstable against lateral perturbations.  In the second, the opposite
  218. is the case.
  219.  
  220. Hull noticed that if you alternate sections of the two types, then
  221. the net effect, if the loop is moving in the right range of speeds,
  222. is to make it stable in *both* directions.  This is the principle of
  223. Strong Focusing, which is vital to the operation of modern particle
  224. accelerators (where alternating gradient quadrupole magnets focus
  225. particle beams).
  226.  
  227. ------------------------------
  228.  
  229. From: Marc.Ringuette@DAISY.LEARNING.CS.CMU.EDU
  230.  
  231. I guess I'd be more interested in launch loops on the moon if I actually
  232. cared about being able to launch things from the moon.  But it seems like
  233. a tidy little mass driver would be a better bet there in any case.
  234. ==
  235. Paul correctly points out a really big drawback of the design, namely the
  236. fact that the thing has to work flawlessly, all the time, or the whole thing
  237. falls down.  Any system which must be in continuous operation is far, far
  238. less practical than a system which just goes BANG and is done.
  239.  
  240. ------------------------------
  241.  
  242. From: Jordin Kare <jtk@mordor.s1.gov>
  243.  
  244.     The "full orbit" launch loop has been proposed several
  245. times.  I (re)invented it in about 1980, but later found a
  246. fairly detailed analysis, I think by Hans Moravec.  
  247. It is simpler than the Lofstrom loop, but takes much more material,
  248. and would be much more subject to cutting by LEO debris/meteorites.
  249. Stabilizing it is also nontrivial, although not necessarily more
  250. difficult than for the Lofstrom loop.  There are serious problems
  251. starting the thing up.  However, the big problem is getting 
  252. the mass up there in orbit to begin with -- at least the
  253. Lofstrom Loop gets built on the ground.
  254.  
  255.     Jordin Kare
  256.  
  257. ------------------------------
  258.  
  259. From: Lou Adornato <lfa@vielle.cray.com>
  260.  
  261. I think a surface based loop would be a better plan for lunar colonization 
  262. because of the lower materials and construction demands.  Keep in mind that the
  263. size and speed of a lunar loop would be a lot lower than for a terrestrial
  264. loop.  Also, for a lunar loop you wouldn't need a vacuum sheath, and there 
  265. wouldn't be any concerns about weather.
  266.  
  267. There are several advantages of the loop over a mass driver.  According to 
  268. Lofstrom, the accelerations of a terrestrial (and possibly a lunar) mass driver
  269. would be so high that it could only be used for inanimate payloads.  Also, 
  270. there would be a lot of problems providing the required peak energy demands.  A
  271. loop would have a fairly constant energy demand, and the peak acceleration to 
  272. escape velocity (at least to get to an L point or the moon) would be 3g's, and
  273. (if my understanding of the the math is correct), about 0.5g for a lunar loop. 
  274. From what I understand of the design of this monster, if higher acclerations 
  275. are allowed, the loop can be made smaller.
  276.  
  277. ------------------------------
  278.  
  279. From: "Edward V. Wright" <ewright@convex.com>
  280.  
  281. The Kevlar slingshot promises to be cheaper than the
  282. mass driver for launching lunar payloads.
  283.  
  284. The Kevlar slingshot is just what it sounds like -- a Kevlar sling attached
  285. to a mechanical arm.  Attach a payload to the end of the sling.  Spin the
  286. sling until the tip reaches orbital velocity, then release the payload.
  287.  
  288. The idea is almost absurdly simple, but apparently will work on the Moon.
  289. The idea was developed by Dr. Jerry Pournelle and Dr. Marvin Minsky and was
  290. mentioned by Pournelle in one of his columns.  I think they gave a paper on
  291. this somewhere, but I don't have exact references. 
  292.  
  293. ------------------------------
  294.  
  295. From: Bob Munck <munck@mwunix.mitre.org>
  296.  
  297. The Hula Hoop (loop entirely around the earth, I assume moving faster
  298. than orbital velocity) has the obvious drawback of weighing on the order
  299. of 150,000 tons (for a 1x5 cm loop) and needing to be in orbit before
  300. it's usable.  If we could put that much up, we probably wouldn't really
  301. need it.  How about a 2.7 cm diameter Kevlar cable with a 1 cm iron
  302. core, breaking strength about the same as the Launch Loop (about 300T?)? 
  303. That's down to a "mere" 50,000T in LEO.  Does it really need that kind
  304. of strength?  Would 50T be enough (cable weighs 8,000T)?  That's down
  305. under 100 shuttle missions, a distinct possibility.  The iron core could
  306. be discontinuous, say 1 cm pellets at 2 cm intervals.
  307.  
  308. OK, where have I wandered?  A 40,000 km Kevlar hoop (i cm diameter) with
  309. a (possibly discontinuous) iron core (j cm diameter) around the earth at
  310. k km altitude, traveling at x m/s.  Stations at y km intervals capable
  311. of accelerating the hoop by magnetic coupling to the iron with power
  312. coming up a (superconducting) cable from the ground.  Some of the
  313. stations would have an elevator capable of lifting an z ton payload and
  314. hanging it on the hoop, which would accelerate it up to orbital (or
  315. more) velocity.
  316.  
  317. I like it.  Possible values: i=1.5, j=0.6, k=75, x=15, y=2000, z=5. 
  318. Starting up is fairly easy (but k might be low) and the broken cable
  319. mode flings cable outwards and drops stations straight down, relatively
  320. safe.  What factors have I missed?  How stable is it with wind and
  321. random payloads on the spokes?
  322.  
  323.                                     -- Bob Munck
  324.  
  325. ------------------------------
  326.  
  327. From: Bob Munck <munck@community-chest.mitre.org>
  328.  
  329. Come on, folks, help me out.  In a previous message I rambled on about
  330. a Kevlar/iron hoop around the Equator in LEO (or lower) spinning faster
  331. than orbital velocity.  Stationary facilities would "ride" it
  332. magnetically (hence the iron component) with Kevlar tethers down to
  333. ground level bringing up electricity to keep the hoop spinning and
  334. payloads on the order of 5T.  The payloads would couple (also
  335. magnetically) to the Hoop and, letting go of the station, be accelerated
  336. to orbital velocity and beyond.
  337.  
  338. The Hoop and tethers are all on the order of 5 sq cm: the Hoop must
  339. withstand whatever strain is generated by its higher-than-orbital speed,
  340. its mass, and the weight of the stations; the tethers must support their
  341. own weight and the payloads.  I *think* that the total is within reason
  342. for us to boost into orbit -- a hundred or so Shuttle launches or a lot
  343. of little mass driver shots.
  344.  
  345. Start-up is easy: assemble in LEO at orbital velocity, spin it up a bit
  346. with strap-on rockets, fly up a couple of stations and reel down their
  347. tethers.  If the Hoop snaps, it throws itself all over the Solar System
  348. and drops the stations straight down. (Humm.  It might shotgun all our
  349. comsats.)
  350.  
  351. WHAT'S WRONG WITH THIS IDEA?  Does the Hoop have to be spinning so fast
  352. that it can't possibly hold together?  (I haven't the foggiest how to
  353. calculate the strain on such a Hoop for a given velocity.)  Is it
  354. unstable?  Are the tethers beyond our current strength-of-materials
  355. capabilities?  Am I orders of magnitude off on the launch mass
  356. requirement?  Is the whole idea of holding up the stationary facilities
  357. crazy? (But isn't that what a Lofstrom Loop does?).  HELP!!
  358.  
  359.                                   -- Bob Munck, MITRE McLean
  360.  
  361. ps. I'm struck by the thought of standing on the Hoop in a 1g field with
  362. my head toward Earth, going around every 45 minutes.  Hence the
  363. "Ringworld."
  364.  
  365. ------------------------------
  366.  
  367. From: Marc.Ringuette@DAISY.LEARNING.CS.CMU.EDU
  368.  
  369. Bob - At first, I thought you were misguided -- the Launch Loop as proposed
  370. was meant not to require any tension in the loop at all -- but now I'm
  371. starting to like this!  I think we're looking at a new form for the hula
  372. hoop: use tension to hold the structure together, rather than deflector
  373. stations.  Magnetic deflection is only used to hold up the launch station,
  374. and magnetic coupling is still used to launch payloads and re-accelerate the
  375. ribbon.  It requires much smaller deflectors than the original scheme, and
  376. may have better reliability, since the loop can 'idle' with no deflectors
  377. operating and there's the prospect of passive or mostly-passive operation.
  378.  
  379. To sum up the idea: put a Kevlar ring in low orbit, then spin it to create
  380. tension.  Float a station on it as for the Lofstrom Loop, and launch vehicles
  381. using magnetic coupling with iron pellets in the cable.
  382.  
  383. The tensile strength works out OK -- even with standard Kevlar like you'd use
  384. to anchor an oil rig, you can spin it to 1 km/s above orbital velocity, which
  385. is probably enough.  We still need to work out the dynamic properties of the
  386. system, even if roughly, to see if we can hold up a station and succeed in
  387. launching vehicles, while staying within tension bounds and remaining
  388. dynamically stable.
  389.  
  390.  
  391. Here are my calculations for the tensile strength question:
  392.  
  393. The tension on a spinning loop (disregarding gravity) is
  394.  
  395.                 2
  396.                  M v
  397.        F    =  --------
  398.         t       2 pi r
  399.  
  400. =================
  401.  
  402. What's the maximum spin velocity (in excess of orbital velocity) of a loop 
  403. with these parameters? ....
  404.  
  405.        X = tensile strength of cable
  406.        Y = density of cable 
  407.        c = cross-sectional area of cable
  408.        r = radius of loop
  409.        M = total mass of cable                           2
  410.        G(r) = gravitational acceleration at radius r = Vo / r
  411.        Vo = orbital velocity at radius r
  412.  
  413.               2                           2    2
  414.                M   | v         |     2 pi r c Y (v - Vo )         2    2
  415.        F    = ---- |--- - G(r) |  = --------------------- = c Y (v - Vo )
  416.         t     2 pi | r         |     2 pi r
  417.  
  418.                               2       2
  419.        F     =  X c  =  c Y (v    - Vo )
  420.     t              max
  421.      max
  422.  
  423.                       2
  424.        V     =  SQRT( X / Y  + V  )
  425.         max                     o  
  426.  
  427. =================
  428.  
  429. For Kevlar 29 as used for oil rigs, 
  430.  
  431.     tensile strength = X = 2.76E9 N/m/m
  432.              density = Y = 1.44E3 kg/m/m/m
  433.  
  434.     V    = 120 m/s  (in excess of orbital velocity of ~ 8.3 km/s for LEO)
  435.      max
  436.  
  437. This isn't too useful, but with 10-50x stronger materials, this increases
  438. to 1-3 km/s, which should be enough to hold up a deflector station and
  439. accelerate vehicles.
  440.  
  441. ==============
  442.  
  443. This design has the advantage that we need only one station, plus some
  444. guy cables spaced around the equator.
  445.  
  446. ------------------------------
  447.  
  448. From: John Sahr <johns@VEGA.FAC.CS.CMU.EDU>
  449.  
  450. Some commentary on the calculations by Marc.
  451.  
  452. Summary: the Kevlar Hula hoop is likely to be very unstable if it is
  453. "anchored" and the loop travels at "reasonable" speeds.  The loop must
  454. spin at "unreasonable" speed in order to become stable.
  455.  
  456. For a lineal density of 1 kg/m and tension of 100T, we can calculate the
  457. speed of the transverse waves along the loop, namely
  458.  
  459. v = sqrt(T/rho),  ( rho = M/(2 pi r) )
  460.   = 1 km/sec.
  461.  
  462. Thus, an observer on a stationary earth would observe perturbations
  463. travelling along the loop at speeds of 9.3 and 7.3 km/sec, both in the
  464. same direction of the loop.  Factoring in the earth's rotation, and
  465. assuming prograde spinning of the loop in the equatorial plane, the
  466. velocities of the waves observed from the earth's surface would be 7.7
  467. and 5.7 km/sec, still in the direction of the loop.  
  468.  
  469. This is a real problem, as any "stationary" perturbations (anchoring
  470. cables, suspended stations, advertising signs, and other whatnot) will
  471. be generating waves along the loop, only downstream, and none
  472. upstream.  This situation is analogous to the operation of certain
  473. microwave tubes which rely upon "fast" and "slow" waves to amplify
  474. perturbations in the electron beam density.  The difference is that
  475. this is a periodic problem (it is a loop, after all), and it is
  476. possible that there is a stable, noncircular, and probably
  477. (mathematically) nonlinear solution involving rather large amplitude
  478. perturbations of the loop (I'll have to think about it).
  479.  
  480. A way to combat this problem is to find a way to increase the velocity
  481. of waves along the loop, so that one of the waves can travel
  482. "upstream."  This can be done by increasing the T/rho ratio by a
  483. factor of about 35.  From an equation above, T == F_t is proportional
  484. to the mass density, and we can write
  485.  
  486. T/rho = F_t/(M/(2 pi r)) = v^2/r - G
  487.  
  488. In other words, the only way to increase the wave speed is to increase
  489. loop speed.  In fact, because of that pesky G, v_wave can never exceed
  490. the speed of the loop.  However, the Earth is spinning with an
  491. equatorial speed of about 1600 km/hour = 450 m/s = V_e.  So, the
  492. slowest loop speed V_s that will satisfy the stability condition
  493. satisfies
  494.  
  495. V_w + V_e >= V_s;  where V_w^2 = (V_s^2 - rG).
  496.  
  497. Solving this for the minimum possible loop speed gives
  498.  
  499.             V_e^2 + rG
  500. V_s(min) = ------------ = 75 km/sec
  501.               2 V_e
  502.  
  503. The loop must make a complete orbit every 9 minutes or less.  This is
  504. a rather large velocity; it could be reduced substantially by either
  505. letting the stations drift prograde, or by spinning the Earth up so
  506. that its day was shorter, say 4 hours instead of the current 24.
  507.  
  508. In the absence of a stable nonlinear large amplitude solution, or an
  509. ambitious dynamic active correction of perturbations, or a loop
  510. material which is very good at damping out transverse motions, this
  511. strikes me as a pretty fundamental limitation to this idea.
  512.  
  513. note:  Someone should double check the statements I have made. 
  514.  
  515. -john
  516.  
  517. ------------------------------
  518.  
  519. From: Marc.Ringuette@DAISY.LEARNING.CS.CMU.EDU
  520.  
  521. The question remains: how to make the Hula Hoop stable?  John's wave
  522. calculations were very informative, and I will assume that it is necessary 
  523. to damp out any waves that occur.  Then the key to achieving stability is to
  524. have a means of damping out the waves downstream of the perturbation.  
  525.  
  526. A factor in our favor is that the main perturbation, the station, is
  527. stationary, so there can be an anchored damping mechanism downstream from
  528. it, which applies a continuous damping force to the cable.
  529.  
  530. My best idea for dealing with the perturbations caused by the launch vehicle,
  531. which are not stationary, is to use a series of cables to the ground which
  532. actively damp out perturbations by adjusting their downward force.  I have no
  533. idea if this will work.  Can anyone fill in any details, or think of a passive 
  534. way to achieve the damping?
  535.  
  536. =====================
  537.  
  538. Thinking further about it, I conclude that it's important to distinguish
  539. between two separate issues.  One is how to get the hoop to move in a circle:
  540. the idea of a Kevlar cable was introduced in order to achieve the desired
  541. curvature through tension rather than by using a whole lot of deflector
  542. stations.
  543.  
  544. The second issue is how to aim the cable precisely where you want it.  In the
  545. original loop proposals, the ribbon must be aimed at its destination with
  546. incredible precision, since there is no internal strength in the ribbon.
  547. This involves very aggressive active control.  However, when we use a Kevlar
  548. cable, it is tempting to use the strength of the cable to help guide it to
  549. its destination, in order to reduce the control problem.  I believe that it
  550. is these transverse guiding forces which introduce waves, and if we can't
  551. deal with the waves, we can always go back to strict active control a la
  552. Lofstrom.
  553.  
  554. =====================
  555.  
  556. I'm trying to do some clearer thinking about what the shape of the
  557. hoop would look like.  I've been imagining, in my weaker moments, that
  558. we just hang the station from the hoop, and that the hoop bends down
  559. in a 'U' shape.  This is totally wrong!  A 'U' shape would indicate that
  560. the tension of the cable is holding up the station.  But unless we
  561. totally change the concept of the thing, it's magnetic deflection of the
  562. moving cable that provides the necessary force.
  563.  
  564. I think a good mental picture to start from is the following.  Imagine that
  565. the earth is a point mass, and that we want to support two stations 180
  566. degrees apart, using only the iron-pellet type loop.  We can do this by
  567. firing the pellets back and forth in curved paths:
  568.  
  569.        __-------__
  570.      -=__   O   __=-
  571.          -------
  572.  
  573. The faster the pellets are going, the straighter the path.  If they go too
  574. fast, they run into the Earth (which isn't really a point mass after all).
  575.  
  576. ======
  577.  
  578. Now, let's come back to reality.  If we try this two-node solution using
  579. iron pellets around the Earth, we can't fire them very fast at all or their
  580. paths would pass through the Earth.  But if we use the Kevlar hoop, the
  581. tension of the cable can pull it in a more tightly curved path, so it misses
  582. the Earth even at higher velocities.
  583.  
  584. At least, I think this works.  If somebody could work it out in more detail,
  585. it would be a good thing.  And is a two-node setup appropriate, or more,
  586. or less?  A 1-node solution is sort of asymmetrical, but perhaps a setup
  587. with 1 big node and a dozen smaller ones (cables to the ground) or something.
  588.  
  589. But do we agree that any version of this will have the station supported
  590. on a 'peak' of the hoop rather than a 'valley'?  I think this is right.
  591.  
  592. ======
  593.  
  594. Some general reflections:  I'm starting to think that we haven't really
  595. solved any fundamental problems by making the loop out of Kevlar.  My feeling
  596. is that it should be able to operate in a more passive mode than the original
  597. loop, but it doesn't seem to be working out that way.
  598.  
  599. ------------------------------
  600.  
  601. From: John Sahr <johns@VEGA.FAC.CS.CMU.EDU>
  602.  
  603. >How about sixteen spokes anchored to the earth, one every 2500 km?
  604. >The mechanism that couples to the Hoop could include some way to pull
  605. >down harder or loosen up on the Hoop over a couple of meters of play
  606. >and with tenth-second response time.  Would that do to damp the
  607. >perturbations?  
  608.  
  609. For a passive support system for this kinetic structure, it is
  610. possible that evenly spaced supports would be about the worst choice.
  611. Because the transverse wave speed is slower than the loop orbit speed,
  612. ordinary standing waves couldn't form; however, since the loop itself
  613. is periodic, the n=8k (n = number of wavelengths, n, k are integers,
  614. for both fast and slow waves) modes would stand between 16 spokes.  A
  615. better solution would be to have aperiodic spacing such that no modes,
  616. or very few, were allowed.  This could be used to filter out the long
  617. wavelength waves.
  618.  
  619. In a linear world, it would be enough to have two supports, such that
  620. the ratio of the two distances between them is irrational.  However,
  621. this cable is going to stretch, have nonlinear restoring forces at
  622. large amplitudes, and will be excited by the spokes them selves.  With
  623. 16 suitably spaced spokes, you might be able to effectively filter out
  624. the waves of wavelength greater than a few hundred kilometers, and one
  625. or two spokes might be able to have damping mechanisms for shorter
  626. wavelengths.
  627.  
  628. I could never recommend building this structure if it wasn't passively
  629. stable.
  630.  
  631. I had an idea for stabilizing the loop, though, whose dynamics I have
  632. not yet had time to work out.  It goes like this.  The problem with
  633. the loop is that transverse waves both travel "downstream," a
  634. "negative energy mode" situation.  It seems to be the case that the
  635. loop must spin terribly fast in order to allow the loop tension to be
  636. large enough to have one wave travel upstream in the frame of a
  637. rotating Earth.  Notice that a retrograde loop would have the same
  638. problem, but in the opposite direction.  Therefore, what would be the
  639. dynamic stability properties of two loops mechanically coupled to each
  640. other, one spinning prograde, one retrograde?  To couple the two
  641. loops, they could be put side by side and connected by rungs like a
  642. ladder (probably won't work), connected like a spiralling ladder (like
  643. DNA, and probably most feasible), or connected concentrically (one
  644. inside the other; best mechanical connection, most esthetically
  645. pleasing: how to spin that inside loop, though?).
  646.  
  647. Each cable separately provides one direction of wave modes; perhaps
  648. the composite structure will have 2 or 4 modes.  I suspect that this
  649. structure might have very good dynamic stiffness.  But it might also
  650. explode into a million tiny pieces.  It may not be necessary for the
  651. retrograde loop to have the same momentum as the prograde loop.  There
  652. are a few other nice properties as well; residual loop-spoke friction
  653. can be canceled (as far as the the spoke is concerned).  It's just an
  654. idea.
  655.  
  656. Even if this doesn't work for a launch loop, it might provide a nice
  657. frame for space structures.
  658.  
  659. ------------------------------
  660.  
  661. From: Bob Gray <bob@castle.edinburgh.ac.uk>
  662.  
  663. Check out:
  664.  
  665. "Orbital rings and Jacob's ladders" by Paul Birch.
  666. Vol 36, Journal of the British Interplanetary Society.
  667. pp 115-128 (1983)
  668.  
  669. The article describes how to bootstrap the system by
  670. starting with a thin cable, and using that to lift the
  671. materials to build the main orbital ring.
  672.  
  673. Eventual cost to orbit was estimated at $0.05/Kg.
  674.  
  675. He then describes how more than one ring can be used to
  676. reach any point on the Earth's surface, and how the ring
  677. could be used in conjunction with a Lunar ring to provide a
  678. very high speed shuttle service from the Earth's surface to
  679. the Lunar surface in a few hours.
  680.  
  681. ------------------------------
  682. [ End of excerpt ]
  683.  
  684.  
  685. [ Space-tech is a mailing list for discussing concepts for space development,
  686.   with emphasis on the technical problems and and how to solve them.  Past
  687.   topics have included EM launchers, orbiting tethers, and Mars missions.
  688.   To join, send mail to space-tech-request@cs.cmu.edu.               ]
  689.  
  690. ------------------------------
  691.  
  692. End of SPACE Digest V11 #206
  693. *******************
  694.