Юпитер - ключ к Солнечной системе?
Оригинал взят у alboros в ДЛЯ ЧЕГО НАМ НУЖНЫ БАЗЫ В ОКРЕСТНОСТЯХ ЮПИТЕРА?
Продолжаем рассмотрение темы о пользе кинето-реактивного прямоточника для развития космонавтики.
Напомню, что прямоточный кинетический движок имеет две версии работы. В одном варианте, он как парусный корабль ловит попутный ветер в виде гиперзвукового потока инопланетного вещества и выходит с Земли на орбиту. В другом варианте, он как продвинутый парусник может идти против ветра, то есть может разгоняться взаимодействуя со встречным потоком вещества, направляемого ему на встречу с инопланетных, астероидных и лунной баз.
Работа по созданию потоков рабочего тела для разгона кораблей с кинето-реактивными двигателями минимальна - если в качестве сырьевой базы использовать астероиды из группы астероидов сближающимися с Землей, то при затратах импульса от 50 до 500 м/с, со многих астероидных баз в сторону Земли могут посылаться грузовые аппараты, которые у Земли, на высотах в диапазоне 100-200 км, будут иметь скорость 12000 м/с. На этой скорости груз используется для образования пропеллентных (разгонных) потоков, разгоняющих суборбитальные аппараты до 8000-9000 м/с. Выход энергии в околоземном пространстве от 500 до 50 тыс. раз превышает затраты на отправку рабочего тела на астероидных базах. По сути дела здесь для нужд космонавтики используется запасы механической энергии небесных тел. Используются почти даром, с минимальными издержками, что удешевит и упростит космические путешествия и колонизацию Солнечной системы. Если пользоваться историческими аналогиями, то космонавтика, заменяя термохимические ракеты на корабли с кинетическими прямоточниками вступает в период аналогичный важному периоду развития мореходства: переходу от гребных судов к парусному флоту (привет галерным рабам!).
Использование механической энергии спутниковых систем планет-гигантов открывает новые возможности в достижении высоких скоростей межпланетных кораблей. Чем больше масса планеты, тем большую скорость можно придать космическим аппаратам, разгон которых осуществляется пропеллентными потоками, генерируемых автоматическими базами на спутниках планет-гигантов. Юпитер здесь вне конкуренции: вторая космическая скорость у его условной поверхности достигает почти 60 км/с.
Космический аппарат, использующий для разгона встречный поток вещества от его спутников, при отношении начальной массы к конечной массе порядка 10, способен разогнаться в перицентре почти до 200 км/с. Многоступенчатый бустер способен достичь еще больших скоростей.
Конкретно разгон осуществляется так: корабль отправляется со станции, расположенной на сильно вытянутой эллиптической орбите, с таким расчетом, что бы он в перицентре орбиты встретился с тросом из рабочего вещества (для его прямоточного двигателя), который доставляется другим кораблем, летящим на встречу, отправляемым с аналогичной орбитальной станции, обращающейся по ретроградной орбите. На участке разгона корабля, относительная скорость входа троса в прямоточный двигатель на первом этапе разгона достигает 119 км/с. В конце разгона относительная скорость увеличивается т.к. возрастает и скорость корабля. Предварительные расчеты показывают, что при конечной массе корабля 10-9 процентов от начальной и КПД равном 0,87, скорость корабля в перицентре достигнет 183-191 км/с. При выходе из сферы действия Юпитера, скорость уменьшится, но её величина будет по прежнему оставаться настолько значительной, что открывается путь скоростных перелетов к другим планетам-гигантам, к поясу Койпера и далее к облаку Оорта. Число известных объектов пояса Койпера превысило тысячу, и предполагается, что есть ещё более 70 000 объектов с диаметром более 100 км. Каждому государству Земли уже сегодня можно выделить пяток таких планетоподобных объектов.
Забегая вперед, замечу, что проблема торможения корабля с экипажем или с исследовательскими автоматами, на конечной станции, так сказать, решается созданием тормозного трека (группы треков) на его конечном пути. Для чего потребуются соответствующие орбитальные станции возле карликовых планет и небесных тел пояса Койпера. До создания станций, использующих сырье этих тел, возможна более сложная схема торможения, которая предполагает использование двух-трех кораблей, имеющих различия по скорости при полете по общей траектории. Вспомогательный корабль, летящий впереди основного с меньшей скоростью, использует кинетическую энергию троса (второго корабля), который его догоняет для ещё большего торможения. После достижения нужного замедления, корабль из бортовых запасов формирует другой трос, который теперь используется для торможения второго корабля. Таким образом, за короткое время могут быть доставлены первые станции торможения. Эти станции опираются на местные ресурсы и потому более просты и эффективны.
Понятно, что от Юпитера с гиперкосмическими скоростями корабли можно отправлять не только во внешний дальний космос, но и во внутреннюю область Солнечной системы, к Марсу, Земле, Венере, Меркурию. Если корабли несут материал для формирования разгонных треков, то для запуска кораблей с Земли и других внутренних планет могут использоваться пропеллентные потоки, имеющие скорость порядка 100 км/с. Эти потоки могут быть как догоняющими планеты, так и встречными. Для Меркурия, таким образом, значение относительной скорости встречного потока может превышать 150 км/с [что обеспечит разгон меркурианского корабля до 200-250 км/с]. Заметим попутно, что при таких параметрах, в прямоточном двигателе, могут создаваться условия для термоядерной реакции, что в последующем может быть использовано для повышения тяги прямоточных двигателей, при соответствующей доработки их конструкции.
Поток рабочего тела от юпитерианских станций можно направить в зону ниже меркурианской орбиты, например, в перигелий орбиты корабля (типа Solar Probe с Vmax=200 km/s), движущегося на встречу потоку. В этом случае возможно достижение относительной скорости поглощения пропеллентного потока порядка 300-400 км/с что обеспечивает условия для разгона корабля до 500-600 км/с даже без использования термоядерной энергии.
Конечно, до кинето-термоядерных прямоточников еще далеко, да и нет пока особой необходимости в них по причине реальной достижимости гиперкосмических скоростей более простым способом использования прямоточных двигателей. Используя пропеллентные потоки, подаваемые к Земле с разных сторон от станций Юпитера, Сатурна, Урана, Нептуна, простые суборбитальные аппараты могут стартовать с Земли и уходить в дальний космос со скоростями выхода из сферы действия Земли 30-100 км/с. Колонизация всеми любимого Марса тогда не проблема - перелет сокращается до 9-30 суток . Солнечная система станет полностью доступна для освоения. Не надо ждать героев-изобретателей с чудо-проектами гравицап. Довольно мечтать. Пора слазить с печи и начинать осваивать космос. Все условия для этого уже есть. Вы хотите такого настоящего?
UPD. Анимация для ленивых юзеров
Click to viewОригинал взят у alboros в ДЛЯ ЧЕГО НАМ НУЖНЫ БАЗЫ В ОКРЕСТНОСТЯХ ЮПИТЕРА? (2)
Итак, в предыдущей статье мы выясняли, что при создании сети автоматических станций в окрестностях Юпитера, которые используют воду и другое сырье, забираемые со спутников Юпитера, при использовании прямоточных кинетических двигателей, открывается возможность разгонять одноступенчатые космические корабли (автоматические и пилотируемые) до скорости почти в 200 км/с. Эту скорость аппараты получают на участке близком к перицентру (первоначально эллиптической) орбиты вокруг Юпитера. При выходе из сферы действия планеты-гиганта скорость снижается, но незначительно. Например, если в перицентре скорость составляет 191 км/с, то на выходе из сферы действия она равна 181,5 км/с. Очевидно, что потери незначительные.
Эти корабли, разгоняемые до гиперкосмической скорости, можно отправлять в любую сторону: как к внешним планетам Солнечной системы, так и к внутренним, к Марсу, Земле, Венере, Меркурию. Вариант с отправкой к Земле наиболее актуален, поскольку эти аппараты могут использоваться в качестве носителей рабочего тела (из сырья спутников Юпитера) для кораблей (с прямоточными кинетическими двигателями), запускаемых с Земли. А это означает многократное снижение затрат на выход в космос и реальный прогресс космонавтики.
К Земле, грузовые аппараты могут подходить с разных направлений. Они могут догонять планету, идти к ней на встречу, «падать» вертикально в сторону Солнца, по линии условного радиуса земной орбиты т.е. перпендикулярно к вектору орбитальной скорости Земли. С учетом того, что угол, в который укладываются эти возможные траектории полета кораблей от Юпитера к Земле, невелик, то для упрощения можно принять то значение скорости, которое получают аппараты при полете по прямой на Солнце мимо Земли. Средняя орбитальная скорость Юпитера равна 13,07 км/с. Поэтому, результирующий вектор скорости, для корабля покидающего Юпитер в указанном направлении, составит 181,3 км/с.
Двигаясь в сторону Солнца, корабль будет наращивать свою и без того немалую скорость, но ради упрощения можно пренебречь этим приращением.
При вертикальном движении, с учетом средней орбитальной скорости Земли в 29,78 км/с, вектор относительной скорости грузового корабля будет равен 183,46 км/с на сфере действия Земли. Дальнейшее движение космического грузовика к Земле будет идти с нарастанием скорости, но не существенным, которым поэтому можно пренебречь и принять что на высоте порядка 100 км скорость корабля будет не меньше прежней (~183,5 км/с).
Встречный полет корабля с учетом орбитальной скорости Земли повышает относительную скорость, делая её равной 210,8 км/с. Полет корабля по траектории догоняющей Землю, уменьшает относительную скорость, снижая её значение до 151,25 км/с.
Разумеется это предельные значения скоростей встречи юпитерианских кораблей с нашей планетой. На практике, поток грузовых аппаратов может идти под разными углами и участок пересечения их траекторий с орбитой Земли может составлять до 2/3 орбиты. С учетом потока грузовых кораблей от других планет-гигантов, космическая навигация кораблей с прямоточниками в струях внеземного вещества может быть круглогодичной.
Напомним, что для использования кинетической энергии груза юпитерианских кораблей, стартующими с Земли кораблями, груз должен быть развернут в виде трека, образованного, например, тонким тросом из полиэтилена или полиэтиленовой трубкой с водой (гидрогелем). В этом случае, гиперзвуковая струя внеземного вещества может использоваться кинетическим прямоточным двигателем для разгона кораблей, стартующих с Земли. Трос должен разворачиваться заблаговременно, таким образом чтобы создавать разгонный трек для корабля, поднявшегося на высоту 120-200 км. Длина троса при этом может быть больше 1-2 тыс. км. При необходимости организуется цепочка тросов, с которой стартующий с Земли аппарат взаимодействует последовательно.
Что дает использование струй вещества, поставляемых с Юпитера? Ранее мы показывали простую схему использования струй (потоков, треков или тросов), подаваемых с Луны и астероидов. В общем, на первом этапе освоения лунных ресурсов, лунная схема решает все задачи по обеспечению прогресса космонавтики. Но когда будет освоен ближний космос, неизбежно настанет черед планет-гигантов. В данном случае, нет пока речи о массовой колонизации окрестностей Юпитера и его больших собратьев, но зато обеспечивается использование его ресурсов для более интенсивного освоения внутренних планет Солнечной системы - потоки вещества с Юпитера существенно упрощают запуски кораблей с Земли и, самое главное, если потребуется, дают возможность перемещать грузы между планетами земной группы со скоростями в сотни километров в секунду.
А теперь рассмотрим какие особенности получают корабли с прямоточными кинетическими двигателями.
1. Вариант с догоняющим (попутным) разгонным (пропеллентным) потоком.
Космический корабль с массой, например, 100 тонн, поднимается суборбитальным ракетопланом на высоту 120-150 км. Стартовая масса системы около 300 тонн. В расчетной точке встречи со струей (потоком) вещества в форме троса из углеводородов, корабль зависает при помощи ракетных двигателей на 5-10 секунд, и окончательно корректирует (при необходимости) своё положение относительно точки встречи с началом троса. Процесс разгона тросом корабля показан и описан в видео 1. Так вот, при разгоне корабля до скорости 8 км/с масса троса, толкающего корабль будет равна всего 2 тоннам (при собственной массе корабля в 100 тонн). Это при средней относительной скорости троса равной 200 км/с. Расход кораблем рабочего тела из бортовых запасов почти нулевой.
Возможны варианты, при подаче в прямоточный двигатель дополнительной массы в прямоточную камеру из бортовых запасов корабля, например, воды, масса троса сокращается до 1 тонны.
Если 100 тонный корабль надо разогнать до 20 км/с, то масса разгонного троса составит 5 тонн. Если требуется получить скорость 40 км/с, то потребуется трос массой около 10 тонн. Не нравится? Острожно скрежещите зубами - импланты нынче дороги!
Здесь дан приблизительный расчет, но более точные цифры не на много расходятся с выше приведенными.
2. Вариант со встречным разгонным (пропеллентным) потоком, имеющего скорость 200 км/с.
Разгон 100 тонного корабля до 8 км/с требует расхода бортовых запасов водорода, аммиака или воды в количестве только 12 процентов стартовой массы. А расход вещества троса составит тоже 12 тонн. Процесс разгона корабля встречным тросом показан и описан в видео 2.
Если расход рабочего тела из запасов корабля составит половину его стартовой массы, что весьма неплохо, то его скорость в конце разгона достигнет почти 50 км/с. При расходе в двигателе 90 процентов стартовой массы, скорость корабля достигнет 220 км/с. Тоже не нравится? Ну, тогда занимайте очередь к стоматологу!
Многоступенчатый вариант такого корабля, по сути дела с навесными баками, при одном прямоточнике, может обеспечить разгон до скорости 320 км/с при конечной массе корабля 5 процентов от стартовой.
Чуть более сложная многоступенчатая схема, обеспечивающая конечную массу в 2 процента от стартовой, обеспечивает разгон корабля до 500 км/с. Если нужно еще больше, то задумайтесь о разработке прямоточного двигателя, который использует термоядерную реакцию, так как при скорости входящего потока (троса), начиная со 100-200 км/с, в камере прямоточного двигателя возникают условия для термоядерного синтеза.
UPD. По поводу исследования внешних планет Солнечной системы.
Разгон космического корабля до скромной здесь средней скорости перемещения по Солнечной системе в 173 км/с, означает, что одна астрономическая единица будет проходиться за 10 суток. Таким образом, на достижение Юпитера требуется 42 дня, Сатурна - 86 суток, Урана - 182 дня, Нептуна - 291 день. На достижение и прохождение пояса Койпера требуется от 291 дня до 540 суток. Полетели?
(возможно здесь допишу еще несколько строк)
Видео для тех ворчунов, которые полагают, что режим работы кинетического прямоточника слишком тяжел. Американские проектировщики ядерного корабля показываю, что это не так. Бывают еще худшие условия.
Один из возможных вариантов запуска корабля с прямоточным кинетическим двигателем с догоняющим потоком.
видео 1
видео 2
Другие анимации для опоздавших. Плейлист из четырех фильмов, но можно смотреть только первые два ("видео 1" и "видео 2").