К вопросу о цилиндрах О'Нейла

[avshap]

Розовые хрустальные мечты это, конечно, хорошо.
Но чугунная жопа реальности прочнее.

Свистнул из гибнущей педивикии форума Балансера:

ПостороннийВ>Итак, основа конструкции - решетка из балок, с примерным шагом 10 метров, на которую крепится основная обшивка из чего-то вроде профилированных плиток-ячеек стандартных форм и размеров.

Беда, коль пироги возьмется печь сапожник, а сапоги тачать - пирожник...((с)И.Крылов).
Виноват тот, кто учил вас, что горшки обжигать - это просто ((с)А. и Б.Стругацкие).
Прошу не обижаться, каждой профессии надо учиться.

Начнем, помолясь.

1. Кольца жесткости называются шпангоуты.

2. Продольные ребра называются стрингеры.

3. Шпангоутов будет не 10, а 11.

4. Вы правильно сделали, что начали с выбора силовой схемы. Так вот, она называется силовой, потому что исходит из восприятия действующих сил. Первое, на что рассчитываем конструкцию - на действие внутреннего давления, ибо других нагрузок нет. Для внешнего цилиндра, изготавливаемого из сплава АМг6М:
delta = p*R*k/sigmaB = 1*4000*1,3/3200 = 1.7 см.
По сварным швам: delta1 = delta/0.85 = 2.0 см. Ширина усиленной зоны под сварной шов около 10 толщин, т.е. по 20 см с каждой стороны.
Учитывая, что панели 10х10 м никто не прокатает на Земле, нет такой ширины прокатных станов в природе, очевидно, панели будут свариваться из полос шириной 2...3 м. Так что на утолщения под сварку смело можно положить 15% площади, или принять приведенную (среднюю) толщину 1.76 см. Далее. Толщина, полученная из расчета, является минимально необходимой. Фактически толщины по листу идут с допуском, поэтому в расчет прочности берется минимальная толщина, а в расчет веса - максимальная. Кроме того, несовпадение кромок свариваемых листов по высоте (из-за некоторой деформации листов при доставке и из-за разброса формы при прокате) дает сниже. Таким образом, считайте, что оболочка имеет толщину 2,0 см (Это я не учитываю, что при таких толщинах проката прочностные характеристики должны быть похуже малость).

5. Шпангоуты и стрингеры для такой конструкции не нужны вообще с точки зрения силовой схемы (в рамках рассматриваемой схемы нагружения - только внутренним давлением). Вместо этого логичнее сделать перегородки - диафрагмы, - вместо шпангоутов, и продольные стенки, раз уж мы хотим выгородить отсеки, в радиальных плоскостях.

6. Так назывемые «соединения» между шпангоутами внешней и внутренней оболочек не нужны, их роль будут играть диафрагмы и продольные стенки.

7. Теперь про торцы. Во-первых, площадь круга - pi*R*R, а не pi*R*R/2. Во-вторых, плоскую пластину в виде днища в бочке, у Вас вышибет с треском при очень маленьком давлении. Днище нужно делать или полусферическим, что даст его толщину 0.5 от толщины цилиндра, или эллипсоидное. Посмотрите, все герметичные отсеки у космических аппаратов сделаны так. Если же днище будет иметь радиус больше, чем цилиндр (то есть более плоское, чем полусфера), то в месте стыка днища с цилиндром надо делать распорный шпангоут. Так что на первых порах можно принять полусферу. Площадь полусферы = 2*pi*R*R.

8. Посчитаем. Все в сантиметрах. Объем оболочки V = 2*pi*R*L*delta+2*2*pi*R*R*delta*0.5 = 2*3.14*4000*10000*2.0+2*2*3.14*4000*4000*1.0*0.5 = 603 200 000 см3. (Округляем в 4-м знаке). Масса = V*gamma = 603200000*0.0027 = 1 628 600 кг = 1 630 т. Здесь 0.0027 кг/см3 - плотность АМг6М.
Итак, масса внешней оболочки из условий прочности на действие внутреннего давления 1 атмосфера - 1 630 тонн.

9. Дальше. Внешняя оболочка герметична? Вроде, да. А внутренняя? Если я Вас правильно понял, то вакуумироваться будут только пеналы. Тогда не очень рационально делать второй цилиндр. Достаточно поставить диафрагмы, про которые я говорил, и продольными стенками нарезать полученные объемы на служебные помещения. Но! При вакуумировании пенала его оболочка будет нагружаться ВНЕШНИМ давлением из герметичных отсеков. Вот тут-то и нужен силовой подкрепляющий набор. Вафельные конструкции таких габаритов не сделать, придется переходить на сотовые конструкции. Это я к тому, что обычный силовой набор - шпангоуты и стрингеры пришлось бы делать очень частыми, чтобы оболочка не проваливалась внутри клеток. Поэтому общую устойчивость будут обеспечивать диафрагмы, о которых разговор будет далее, а для местной придется делать сотовую оболочку панели, что с учетом обеспечения герметичности, задачка еще та. Тем не менее, толщина трехслойной сотовой панели будет сантиметров 10-20, но ее масса в пересчете на гладкую алюминиевую панель, должна быть около 2 см (т.е. масса сотовой трехслойной панели будет такая же, как у гладкой алюминиевой оболочки толщиной 2 см; в натуре гладкая была бы толщиной около 4 см). Днища ориентировочно примем такой же массы на единицу площади. Таким образом, масса трех цилиндров составит (формулы выше, цифры я привел) 1 985 тонн.

10. Теперь перейдем к диафрагмам и стенкам. Мы считаем, что все пространство между внешней оболочкой и пеналами находится под давлением 1 атм. В этом случае стенки и диафрагмы не нагружены перепадом давления вообще, и их толщина выбирается из конструктивных соображений. Но! При попадании метеорита (а при тех сроках, что мы задумали, на это нельзя не закладываться) один из отсеков может потерять герметичность. Чтобы не пропала вся станция, надо делать отсеки герметичными автономно (как на подводных лодках), а стенки должны выдерживать перепад в 1 атмосферу. Вот это задачка из задачек. Плоская панель 10 на 10 м (пусть даже 10 на 5) должна иметь толщину 11 см из условий прочности (я опять же беру АМг6М, из других материалов равнопрочная конструкция будет тяжелей). Прогиб панели в центре при этом будет 60 см! Если опять же перейти на трехслойные панели, можно получить выигрыш по массе более двух раз. Примем эквивалентную толщину 5 см АМг6М. Средний размер панели примем 100м х 8м, всего 25 радиальных панелей - стены, и 25 таких же панелей - полы. Итого, масса=(25+25)*10000*800*5*0,0027 = 5 400 тонн.
Лучше бы их делать не плоскими, а сегментами сфер, но тогда помещения не будут занимать весь объем.

11. Площадь каждой диафрагмы определится, как pi*R*R-3*pi*r*r, то есть площадь сечения цилиндра минус три площади сечения пеналов. Эквивалентная толщина диафрагм - те же 5 см. Масса 11 диафрагм:
(pi*4000*4000-3*pi*1500*1500)*5*0,0027*11 = 4 315 тонн

12. Задачка номер два. Технология изготовления. При сварке обычно принято зажимать свариваемые кромки, ибо местное температурное расширение свариваемого материала с последующим охлаждением сильно коробит всю конструкцию. Для такого монстра придется делать стапельное кольцо, выдвигаемое на 10 м из уже сваренной конструкции. Это кольцо должно быть достаточно жестким, ну, спицы там всякие иметь, или вообще быть зашито стенкой-диафрагмой. Посчитать его массу я не берусь на промокашке, надо придумывать конструэму, как она будет работать, а потом прикидывать веса. Навскидку, масса технологического кольца-стапеля (вернее, пары колец, связанных осью) будет в размере пары тысяч тонн, включая сварочный агрегат и ядерный источник энергии для сварки. Когда основная конструкция будет сварена, кольцо может играть роль одного (или двух) из торцевых шпангоутов.

13. Задачка номер три. Для входа в пеналы и выхода надо делать герметичные люки тем же диаметром, что и пеналы. Предположим, откидывается все днище пенала. Так вот, механизмы открытия и закрытия, а также создания уплотнения на таком диаметре - это масса, которую я не берусь оценить даже. Не знаю, нет такого опыта. Для пояснения: диаметр пенала при наддутии на 1 атм увеличится на 3..6 см. Такое “дыхание” надо чем-то компенсировать, правда? Но примем для расчета, что механизмы открытия и уплотнения весят 0,5 от веса люка, на три люка это будет 230 тонн.

14. Масса воздуха в цилиндре составит (pi*40*40*100+pi*4/3*40*40*40)*1,13=870 тонн.

15. Масса воздуха в пенале составит (pi*15*15*100+pi*4/3*15*15*15)*1,13=96 тонн. Если для каждого пенала производить 100-кратную разгерметизацию, то необходимо иметь запас воздуха 96*3*100=28 800 тонн. Либо иметь мощные насосы и резервуары для откачки воздуха, что тоже надо оценивать.

16. Итого, силовая масса такой конструэмы составит: 1630+1985+5400+4315+230+870 = 14 430 тонн + 2 000 тонн монтажно-сварочное кольцо = 16 430 тонн.

17. На силовую массу надо приплюсовать конструктивную добавку: кронштейнЫ. двери, люки, лифты, трубопроводы, а также массу оборудования, включая системы жизнеобеспечения, насосы, источники электроэнергии, двигатели ориентации, стыковочные узлы и т.д. Ориентировочно это будет составлять почти 100% силовой конструкции.Накинем еще 14 000 тонн. Добавим топливо, запасы воздуха - ну, скажем, не на 100-кратную смену в пеналах, а на трехкратную смену во всей станции - еще 2 610 тонн, не считая массы баллонов высокого давления.

18. Суммируем: 16 430+14 000+2 610 = 33 000 тонн.

19. Округляем до 35 000 тонн, думаю, что ошибся в меньшую сторону не больше, чем в 2 раза - за счет технологических добавок в изготовлении трехслойных перегородок таких размеров и стыка их в углах.

20. Для выведения на орбиту надо исходить из того, что Энергия может вытащить на 200 км орбиту 100 тонн, но это вес брутто. Для нетто останется в лучшем случае тонн 60. Плюс буксиры для точного сближения и средства удержания всего в куче. Итого: от 550 до 1000 пусков Энергии, чтобы вытащить этот груз на 200 км, а на высоту 1500 км - пусть подскажут спецы - Каррибен, например.

Вот примерно так. Думаю, что плоские перегородки - дурацкое решение, надо делать гроздь сферо-цилиндрических отсеков вокруг Ваших пеналов, которые будут в этом случае работать только на внутреннее давление, и иметь толщину 7 мм, как я ранее писал.

ПостороннийВ> (1) Какова удельная масса Салютовского сплава
2,7 г/см3.

ПостороннийВ> (2) какие брать “для всего достаточные” величины профиля балок
Вопрос сложный. Задача должна оптимизироваться, но не 1см2, а как минимум 200...1000 см2. Все зависит от длины пролета и схемы нагружения. Создание силовой схемы - это искусство.

ПостороннийВ>(3) и толщины стенок?
Ответ выше.

ПостороннийВ>(4) сколько, таким образом, приходится на основную (“пустую”) конструкцию (саму “банку”) в тоннах и в “Энергиях”?
См. Выше

ПостороннийВ>(5) если, при этом, внутренние балки использовать как направляющие рельсы для мех. “руки” типа шаттловской, оборудовав внутренний объем дополнительными рельсами (и стрелками) для доступа ея (“руки”) ко всему объему? - ну, это - риторически...
Это только при наличии конструкторской проработки - эскиза конструкции. Иначе можно промахнуться на порядок в любую сторону.

ПостороннийВ>(6) если строить, примериваясь к реальности, методом «долгостроя», т.е., оборудовав для начала лишь обвязку одного дока-пенала, то со скольких пусков «Энергии» оно начнет работать?
Надо начальную массу около 4000 тонн. Делим на 60 - пусков 70 надо (плюс буксировка на высокую орбиту) - не меньше 100 пусков.

ПостороннийВ>(7) сколько погонных пусков Шаттла в год производят сегодня в среднем Северо-Американские Соединенные Штаты?
Если не ошибаюсь - за первые двадцать лет сделано 108 полетов Шаттла. (Если вру, поправьте, ау!).

ПостороннийВ>(8) - и вообще, так ли страшен черт...? )
Скажем, так. Задача такого масштаба:
а) не получит поддержки ни в одном правительстве из-за непонятного назначения и колоссальных расходов;
б) сегодняшнему уровню машиностроения это не плечу. Подождите лет 100-200, может, что изменится.