alboros (alboros) wrote in marstraktor,
alboros
alboros
marstraktor

Для чего нам в окрестностях Земли нужна Луна и база на её поверхности?

Часть1



В предыдущем обзоре вариантов развертывания гравитационно-кинетической КТС (и системы космической обороны на её основе) мы обещали рассмотреть перспективы применения КА с космическими воздушно-реактивными двигателями (ВРД) И.А. Меркулова. Так вот – ещё не время. Космический ВРД хорош для планет-гигантов, а у нас задача начать проект поближе к Земле. И здесь выясняется, что на пути к газовым гигантам пока нет ничего лучше рогозинской лунной базы. Ну, разумеется, с важными поправками – база будет хороша и полезна только как площадка для новых видов космического  транспорта. Обычные ракеты здесь бесполезны. А поскольку на сегодняшний день нет ничего лучше КТС, черпающего энергию из гравитационных полей планет и Солнца, то продолжим ранее начатое рассмотрение нашего проекта. Разберемся, как Луна поможет нам добраться до Юпитера и создать надежную систему защиты власть имущих от грозящей им с неба астероидно-кометной опасности.

По отношению к Земле Луна представляет собой подобие горного озера. Что бы воспользоваться его энергией надо только преодолеть барьер из ограждающих его стен, а затем оно самотеком пойдет в долину. Если высоту условных стенок принять за 100 метров, то высоту водопада тогда надо приять равной 2100 метрам. Таково соотношение затраты энергии на переброску вещества через гравитационный барьер Луны и энергии полученной при сбросе вещества на Землю.

Ничего принципиально нового, по сравнению с ранее изложенными вариантами извлечения энергии из гравитационных полей Марса, Юпитера и Сатурна. Но в деталях будут отличия. Итак смотрим что нам надо для вскрытия запасов энергии системы Земля-Луна. Во-первых, нужна площадка на поверхности Луны, с которой могут стартовать и на которую могут прилуняться космические аппараты. На этой площадке должны быть емкости для хранения запасов лунной воды и ракетного кислородно-водородного топлива. Должны быть на этой базе и средства извлечения воды из реголита, а также переработки воды в ракетное топливо и в гидрогель, используемый в производстве корда для кинетических двигателей. Во-вторых, нужны космические аппараты (КА), которые помимо обычных ракетных двигателей оснащены прямоточными кинето-реактивными двигателями либо используют гибриды обоих видов двигателей. В третьих, нужны наземные производственные мощности и стартовые площадки, а так же многое другое, что предполагается по умолчанию.



Транспортная система работает следующим образом. Первоначально, с лунной базы запускается КА за счет использования вспомогательного ракетного бустера. Это КА под номером один (КА-1). КА использует ракетное топливо произведенное на Луне. Полезный груз КА – катушка с кордом из армированного гидрогеля. КА выходит на низкую окололунную круговую орбиту и находится на ней некоторое время в режиме ожидания. В необходимый момент КА включает водородно-кислородные ракетные двигатели и получает разгонный импульс величиной до 736 м/с. Суммарная скорость – до 2416 м/с. При такой скорости КА способен покинуть и Луну и сферу действия Земли. Эта величина скорости берется как предельная, для того что бы можно было оценить технические параметры используемого КА. На практике КА не требуется выводить в межпланетное пространство.

В результате КА покидает окололунную орбиту и выходит на околоземную эллиптическую орбиту с предельно низкой высотой в перигее, например, 120-150 км. Низкая перигейная высота задается не сразу, т.к. на новой орбите КА может так же находится в режиме ожидания. В перигее ракетный двигатель включается еще раз и КА сообщается разгонный импульс величиной 2000 м/с. С учетом уже имеющейся скорости, КА получает суммарную скорость около 13000 м/с при затратах характеристической скорости в 2736 м/с.  Запуск КА с околоземной орбиты производится с таким расчетом, что бы он вернулся на Луну.
При старте с околоземной орбиты со скоростью 13000 м/с КА на расстоянии одного радиуса лунной орбиты будет иметь скорость 6930 м/с. С учетом орбитальной скорости Луны и ускорения в гравитационном поле КА при падении на лунную поверхность будет иметь скорость 7464 м/с. При падении траектория полета КА проходит по касательной к поверхности Луны. Под точкой траектории максимально приближенной к лунной поверхности размещается стартовая площадка лунной базы. КА-1, приближаясь к стартовой площадке, используя соответствующее бортовое оборудование, производит вытяжение корда. Корд вытягивается вдоль траектории полета КА. Особенности вытяжения и использования корда уже неоднократно рассматривались, поэтому здесь не будем вдаваться в подробности. Таким образом, КА-1, возвращающийся обратно на Луну, после облета Земли с запасом лунного вещества, при затратах 2739 м/с характеристической скорости, создает в пространстве над базой «струю» из лунного вещества, скорость которой теперь 7464 м/с. Получен прирост энергии. Эта «струя» обладает таким запасом кинетической энергии, что способна при упругом столкновении разогнать какое-либо тело до первой космической скорости на Луне (1680 м/с) с массой превышающей массу КА-1. В данном случае в качестве такого ускоряемого «струей» тела используется КА-2.

Запуск КА-2 выглядит следующим образом. Аппарат, используя ракетные двигатели поднимается на высоту около 100 метров в точку, находящуюся на траектории пролета КА-1 над базой, а точнее пролета созданной им разгонной «струи», и зависает в этой точке на несколько секунд, ожидая столкновения с разгонной «струей». Во время зависания производится дополнительная корректировка положения КА-2 относительно пропеллентного потока вещества.



При столкновении «струя» гидрогеля поступает через сопло прямоточного двигателя в газонаполненную камеру двигателя, тормозится, передает часть импульса и испаряется в камере, а затем в виде потока газа выбрасывается в обратном направлении, создавая дополнительную тягу. Струя входит в двигатель через встречный газовый поток, идущий из сопла что исключает механический контакт. При указанной скорости «струи» каждый 1 кг массы корда из гидрогеля ускоряет 7,81 кг массы стартующего КА-2.

Примем, для удобства рассмотрения, что стартовая масса КА-1 равна 1000 кг. При использовании кислородно-водородного топлива с удельным импульсом 4500 м/с на получение характеристической скорости 2736 м/с конечная масса КА-1 составит 544 кг. При возможной массе конструкции КА-1 в 80 кг, масса полезного груза составит 464 кг. Полезный груз – это катушка с кордом из армированного гидрогеля (или любого другого материала полученного из лунного сырья и удобного для применения в качестве пропелентной «струи»). Разгонная струя, имея скорость около 7,5 тыс. м/с, разгоняет КА-2 до скорости 1680 м/с. Масса КА-2 равна 2159 кг, т.е. прирост массы почти 116%.

После выполнения своей миссии, КА-1 может больше не использоваться. Он либо продолжает свой полет и уходит в межпланетное пространство либо в результате коррекции траектории после вытяжения корда разбивается о лунную поверхность на специально отведенном за пределами базы участке, например, на склоне кратерного вала. Возможно и многократное использование КА – для этого они затормаживаются встречными пропеллентными потоками, которые создаются вспомогательными КА, обращающимися по встречным орбитам. Для аппарата массой 80 кг требуется тормозная «струя» с массой около 24 кг.

КА-2, совершает такой же маневр как и КА-1. Возвращаясь, КА-2 выводит в космос КА-3. Масса КА-3 так же увеличена на 116%. Соответственно, КА-3 обеспечивает запуск КА-4, затем следуют номера 5, 6, 7 и т.д. Процесс наращивания массы запасов кинетического «топлива» на окололунной и околоземной орбитах продолжается до тех пора, пока не будет достигнута запланированная масса грузов и оборудования, величина которой определяется задачами развертывания системы космической обороны.

На практике будут использоваться стандартизированные КА равной массы, поэтому процесс будет выглядеть не как запуск единичных аппаратов, а как запуск групп аппаратов. Например, группа КА-1, численностью 10 штук, обеспечивают запуск второй группы КА-2, численностью 21 штук, а на этой основе производится запуск третьей группы КА-3, численностью 46 штук. В четвертом пуске производится запуск КА-4 численностью 100 штук, в пятом – 217 штук, в шестом – 469 и т.д. Для продолжения процесса необходимо иметь соответствующее расширяющееся лунное производство КА, ракетного топлива и рабочего тела для пропеллентных «струй». В перспективе так и будет. А на первом этапе основные космические аппараты будут поставляться с Земли в готов виде.

Доставка КА на лунную базу, разумеется, осуществляется за счет ресурсов рассматриваемой транспортной системы. Часть лунных КА, проходя перигейный участок орбиты, создает пропеллентные потоки, которые используются для разгона КА, выводимых с Земли. Поскольку масса конструкций КА невелика (в 11,5 раз меньше массы груза и топлива), то расход ресурсов на снабжение базы новыми КА будет незначителен. Для запуска КА с Земли с начальной скоростью 9 тыс. м/с потребуется пропелентный поток лунного вещества с массой равной массе КА. Далее эти КА доставляются на Луну вспомогательными КА за счет запасов ракетного топлива, выработанного на Луне. Аналогичным способом на Луну доставляется дополнительное оборудование необходимое для расширения производства ракетного топлива и рабочего тела пропеллентных потоков. Цена такой транспортировки составляет 1-5% от нынешних цен т.к. для запуска с Земли используются суборбитальные летательные аппараты – грузы необходимо только поднять за пределы атмосферы, а дальнейшее их ускорение производят пропеллентными потоками.



Транспортная система космической обороны, как было выше показано, может наращивать свою мощность и запасы кинетической энергии в геометрической прогрессии. Окололунные орбиты используются здесь как своего рода аккумулятор кинетической энергии для системы защиты Земли от космических угроз. Часть этой растущей мощи и запасов используется для нужд всей космонавтики - астронавты ведь пока на Земле, а не на Луне живут. Другая, большая часть резервируется на случай экстренной нейтрализации космической угрозы, а так же направляется на развитие транспортно-аккумулирующей системы космической обороны на базе других планет, прежде всего таких как Юпитер и Сатурн. Соответствующие этой стадии развития проекты были опубликованы в предыдущих обзорах. Пока, на данный момент нет адекватных по перспективам и простоте исполнения проектов КТС для космической обороны Земли. Большая часть энерго-вещественных ресурсов, до 90% здесь берется из имеющихся источников. Если кто-то предложит нечто более совершенное, то это будет замечательно, но пока таких предложений нет. Гравицапы, ковры-самолеты, наследство добрых джинов-инопланетян – это пока зыбкие мечты, а не твердые инженерные расчеты. И пока одни предаются фантазиям, другим пора взяться за дело.


.
Примечания

1. Выше приведенные данные по приросту массы в КТС Л-З-Л занижены на 40 процентов. В действительности на каждом обороте масса увеличивается почти в 3,5 раза. Расчеты приведены в таблице.
2. Значение скорости в перигее равное 13 км/с не имеет никакого отношения ко дню всех святых. Это оптимальное значение скорости, при котором обеспечивается наибольший прирост массы.
Смотри таблицу.

ТАБЛИЦА
Таблица Л-З-Л
.


Часть 2

Как мы выяснили в первой части статьи, селениты способны соорудить своеобразный Perpetuum Mobile. Ну, не вечный, а только тысячелетний или более того, если экономно тратить энергию, накопленную Луной в гравитационном поле Земли. И в самом деле, система выглядит как классический PM – есть не просит, только обычную лунную воду подливать надо, а энергия растет в геометрической прогрессии – запустили селениты, к примеру, однотонный корабль, а он облетел Землю, разогнался чуток в перигее, и при возвращении к Луне, используя полезную нагрузку в качестве разгонной «струи», разгоняет другой корабль, теперь массой в 3,4 тонны. И если дальше систему раскручивать, то так можно и всю Луну на дрова по бревнышку разобрать. Разумеется, пока в этом практического смысла нет, а вот излишки лунного вещества и кинетической энергии селениты вполне могут с выгодой продавать землянам. Выгода двусторонняя – селенитам нужны готовые продуты и технические изделия что бы индустриализацию на Луне провести, а землянам нужны орбитальные ускорители из потоков лунного вещества, что бы за три цента можно было в космос грузы доставлять. Правда, землянам для полного счастья нужно еще патенты на кинетические прямоточные двигатели приобрести – без этого не смогут они использовать разгонные потоки из лунного вещества для запуска своих космических кораблей. Но и с покупкой патентов проблем не должно быть – деньги у земных банкиров и их карманных правительств еще водятся. В общем, если кому-то что-то еще непонятно в технических деталях, то в коментах где-нибудь в укромном уголке можно ликбез продолжить. А теперь вернемся к рассмотрению ранее запланированных тем.

В предыдущем обзоре вариантов развертывания гравитационно-кинетической КТС (и системы космической обороны на её основе) мы обещали рассмотреть перспективы применения КА с космическими воздушно-реактивными двигателями (ВРД) И.А. Меркулова.



Ну, так вот, напомню некоторым, что космический воздушно-реактивный двигатель И.А.Меркулова – это все тот же прямоточный кинетический реактивный двигатель, который стал прототипом моего запатентованного прямоточного кинето-реактивного двигателя. Основное отличие двигателей в том, что КА с двигателем Меркулова в качестве рабочего тела используют атмосферный воздух, а КА с двигателем Майбороды используют заранее приготовленное в виде корда рабочее тело, что позволяет разгонять КА за пределами атмосферы со всеми вытекающими из этого выгодами. Использование корда вместо воздуха минимум в 4 раза увеличивает удельную энергоемкость рабочего тела, а так же снимает проблему «теплового барьера» при разгоне КА. Перечень выгод и преимуществ большой, поэтому пока ограничимся двумя пунктами.

Внеатмосферный прямоточный двигатель конечно эффективнее атмосферного, однако это не отменяет использование двигателя Меркулова в качестве одного из элементов эффективной КТС для космической обороны планеты. Вот краткая справка. Меркуловым А.И., разработан способ применения прямоточных реактивных двигателей в качестве космических воздушно-реактивных двигателей для разгона космических летательных аппаратов в верхних слоях атмосферы до скорости V=15-18 км/с (50-60 М) с целью осуществления межпланетных перелетов или для других целей, например сокращения времени перелета в околоземном пространстве [в т.ч. для укоренной в два раза доставки ядерных зарядов на другой континент – А.М.] (Известия Академии Наук СССР, ЭНЕРГЕТИКА И ТРАНСПОРТ, 1965. Проблема космических воздушно-реактивных двигателей, И.А.Меркулов, с.159-172).

В отличие от известных в то время воздушно-реактивных двигателей, двигатель Меркулова не нуждался в химических источниках энергии, так как мог полностью обеспечиваться запасом кинетической энергии инертного рабочего тела в том случае, если работа двигателя совершалась при скорости КА начиная с 30-40 М. Рассмотрим это на примере работы двигателя КА, летящего в верхних слоях атмосферы со скоростью 11 км/с. Космический ВРД Меркулова основан на полном торможении входящего воздуха – после диффузора воздушный поток затормаживается до дозвуковой скорости и практически вся кинетическая энергия переходит в тепловую. Часть энергии безвозвратно теряется в диффузоре, но как показал И.А.Меркулов, при росте скорости воздушного потока удельные потери энергии сокращаются и снижаются до приемлемых уже при 8 тыс. м/с. Поток воздуха, при скорости входа 11 тыс. м/с на каждый 1 кг при торможении выделяет в камере «сгорания» 60,5 МДж тепла. Потери составляют 7,865 МДж. В камеру из бортовых  запасов КА подается дополнительное рабочее тело (дополнительная масса), например, водород. Если пропорция 1 к 1, то в итоге 52,635 МДж тепловой энергии распределяются на 2 кг рабочего тела, которые истекают из сопла со скоростью 7255 м/с.

Захват 1 кг воздуха на скорости 11 тыс. м/с создаёт тормозной импульс 11000 кг∙м/с. Выброс 2 кг смеси воздуха и инертной дополнительной массы вещества со скоростью 7255 м/с создаёт импульс тяги равный 14510 кг∙м/с.  Разница импульсов деленная на добавочную массу из бортовых запасов КА даёт значение удельного импульса космического ВРД: 3510 м/с. Результат скромный, но, во-первых, он изменяется в сторону увеличения значения удельного импульса по мере разгона КА; во-вторых, здесь не используется химическое топливо, которое нужно специально готовить, а может использоваться любое удобное вещество, которое в готовом виде можно получить из естественных запасов на Луне или астероидах.

По мере разгона КА повышается удельный импульс его ВРД. На скорости 15 тыс. м/с, он вырастает до 4786 м/с. Согласно оценкам И.А.Меркулова значение импульса может быть больше (5880 м/с), но мы ограничимся результатами упрощенных расчетов.

Второй пункт не менее важен т.к. прямое использование лунной воды в качестве рабочего тела космического ВРД, без предварительного разложения её на водород и кислород на несколько порядков уменьшает массу оборудования, необходимого для производства лунного ракетного «топлива». Можно обойтись без тяжеловесных электрогенераторов, преобразующих тепловую энергию в электрическую, а так же без не менее тяжеловесного электролизного оборудования трансформирующего электрическую энергию в химическую. Таким образом, двигатель Меркулова обеспечивает предельно короткий путь трансформации потенциальной и кинетической энергий лунного вещества в тепловую, а тепловой в кинетическую энергию КА.

Теперь рассмотрим, что из себя должен представлять селенитский КА с космическим ВРД Меркулова, который предназначен для достижения скорости в перигее земной орбиты 13000, 16000, 18000 и 20000 м/с (11 тыс. км/с КА уже имеет). Если кпд принять равными 0,87, то при суммировании (интегрировании) минимальных приращений скорости, оцениваемых по формуле Циолковского, получаем следующие результаты:
при V= 13 км/с конечная масса КА равна 59% стартовой массы;
при V= 16 км/с конечная масса КА равна 31% стартовой массы;
при V= 18 км/с конечная масса КА равна 21% стартовой массы.
при V= 20 км/с конечная масса КА равна 15% стартовой массы.

Здесь еще следует учесть характеристическую скорость КА, необходимую для его запуска с Луны на геоцентрическую орбиту. Космический ВРД так же будет иметь в несколько раз большую массу, чем аналогичный ракетный двигатель. Однако, за счет использования ВРД с высоким давлением в камере «сгорания», можно добиться уравнивания массы ВРД с массой ракетного двигателя. И.А. Меркулов не исключал такой возможности. Следует так же учесть рост массы конструкции КА из-за необходимости разгона в относительно плотных слоях атмосферы, требующей применения теплозащитных оболочек. В результате, масса конструкции КА с 8% возрастет до 12-14% стартовой массы. Однако, с учетом конечной скорости и одноступенчатости КА с ВРД – это очень хороший результат. Он годится для организации экспедиций к дальним планетами.

Такие же КА с космическими ВРД будут очень эффективны на орбитах вокруг Юпитера и Сатурна. Например, если при облете Юпитера со второй космической скоростью в перицентре (59,5 км/с) космический корабль потратит на рабочее тело для работы ВРД 81% своей первоначальной массы, то в результате он достигнет скорости 101 км/с в перицентре орбиты, а при выходе из сферы действия Юпитера его скорость равна 81,4 км/с. Для достижения такого результата без прямоточного кинетического ВРД требуется полуфантастический газофазный ЯРД со скоростью истечения рабочего тела около 50 км/с. При расходе 85% стартовой массы КА достигнет в перицентре скорости более 108 км/с, а на выходе из сферы действия Юпитера – 91 км/с. Космический корабль, летящий к астероиду со скоростью почти в 100 км/с – это как раз то, что нужно для системы противоастероидной защиты Земли. Однозначно, что если кто-то думает иначе, то он криптоагент андромедян :-) Или есть варианты по идентификации?

Продолжение следует

Tags: Луна7, Сатурн, Юпитер, автор - alboros Майборода, дальний космос, добыча ресурсов в космосе, кометы, нетрадиционные виды транспорта
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Comments allowed for members only

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 3 comments