На ретроградную орбиту вокруг Солнца через Юпитер
Продолжение темы " Гравитационно-кинетическая КТС для космической обороны Земли". Так сказать, вторая часть.
Резюмируем то, что было в предыдущей части с дополнениями к ней и в предшествующих статьях. Всего было рассмотрено несколько схем извлечения механической энергии из небесных тел Солнечной системы для доставки грузов, людей и аппаратов с Земли в космос.
Рассматривались различные способы использования энергии Юпитера. Общим для всех способов является то, что полученная энергия аккумулируется в итоге в потоке вещества, «струе» или в тросе, движущегося вдоль самого себя, который используется в качестве толкача для ускорения КА от 0 км/с до 8-11 км/с и больше.
КА, напомню, стартует с Земли при помощи суборбитальной одноступенчатой ракеты или ракетоплана. Характеристическая скорость ракеты здесь 2-3 км/с, вместо 9-11 км/с классических многоступенчатых ракет. Поэтому, доля полезного груза суборбитальной РН может быть 35-40 % по сравнению с 1,5-3 процентами многоступенчатых РН. В результате, стоимость доставки грузов на низкую околоземную орбиту сокращается до 1-5% от современной стоимости.
Результат замечательный (хотя вызывает завистливое раздражение некоторых конструкторов), но требует также использования недорогих способов создания «струй» или потоков рабочего тела, которыми разгоняются КА до космических скоростей. Вот в этом аспекте рассматривались упомянутые разные способы использования Юпитера. В частности, в последней публикации рассматривался вариант приращения скорости КА (с рабочим телом для создания разгонной «струи») за счет пертурбационного маневра относительно Юпитера. Этот способ хорош тем, что здесь нет нужды создавать на спутниках Юпитера базу по производству рабочего тела для разгонного троса и ракетного топлива для КА.
В этой статьей рассмотрим маневрирования КА относительно Юпитера с использованием ракетных двигателей, результатом которого становится переход КА на ретроградную орбиту спутника Солнца. На такой орбите КА движется навстречу Земле, а так же планетам земной группы и астероидам. Кинетическая энергия рабочего тела таких ретроградных КА максимальна и поэтому наиболее эффективно может использоваться не только для запусков КА с Земли, но и для возвращения пилотируемых кораблей с Марса и Меркурия. Например, применительно к Земле, относительная скорость разгонной «струи» на высоте 200 км будет 69,237 км/с, что обеспечивает высокий удельный импульс прямоточного кинето-реактивного двигателя - до 138 км/с при старте с Земли. Напомним, что такие скорости истечения реактивной струи - до 30-50 км/с и тяги, достаточной для относительно быстрых межпланетных полётов пока может обеспечить только гипотетический газофазный ядерный реактивный двигатель (ГФЯРД). Поэтому, в виду того, что сложности использования таких разгонных «струй» в кинето-реактивных двигателях несравненно меньше сложностей создания ГФЯРД, большое значение имеют работы по прямоточным двигателям и способам подачи в них «струй» рабочего тела за счет запасов механической энергии небесных тел.
Рассмотрим принципиальную схему вывода КА на солнечную ретроградную орбиту. Первым шагом, здесь будет сообщение КА скорости в 14,093 км/с (на высоте 200 км). Это обеспечивает полет КА по гомановской траектории к Юпитеру. На границе сферы действия Земли скорость будет 8,792 км/с.
Через 997,5 суток КА достигнет с.д. Юпитера. Гелиоцентрическая скорость КА в этом месте равна 7,415 км/с при 13,07 км/с средней скорости Юпитера. КА направляется к Юпитеру по траектории наибольшего сближения с планетой. В перицентре скорость КА достигнет 59,768 км/с. На этом участке включаются ракетные двигатели КА, которые сообщают ему дополнительную скорость величиной 3,428 км/с и его скорость в перицентре повышается до 62,928 км/с. В результате, при выходе из с.д. Юпитера скорость КА равна 20,485 км/с. Вектор скорости направлен в сторону противоположную движению Юпитера по орбите, поэтому за вычетом скорости Юпитера в 13,14 км/с КА получит гелиоцентрическую скорость 7,415 км/с. Таким образом, КА переходит на ретроградную орбиту вокруг Солнца со скоростью в апогелии равной 7,415 км/с и скоростью в перигелии 38,575 км/с.
Заметим, что если приращение скорости КА в перицентре Юпитера составит только 1,419 км/с, то КА на выходе из с.д. Юпитера имел бы скорость равную 13,07 км/с и равную нулю относительно Солнца. В таком варианте, КА начал бы вертикальное падение на Солнце. Этот случай рассматривался в предыдущих публикациях т.к. он может использоваться для генерации разгонных «струй» КА, стартующих с Земли или планет земной группы.
В рассматриваемом случае практические значимыми будут скорости вылета КА из с.д. Юпитера в диапазоне от 0 до 7,145 км/с относительно Солнца. Дело в том, что при возвращении КА расположение Земли, Марса, неоптимальное. Это предполагает использование разнообразных эллиптических орбит. Есть и другие причины для вывода КА на разнообразные ретроградные эллиптические орбиты, о которых поговорим отдельно. Если же стремиться, попасть в Землю с наибольшей скоростью КА, то запуска КА к Юпитеру должен производиться не с Земли, а из точки на орбите Земли, удаленной от Земли почти на половину длины окружности орбиты. Дело в том, что полет «туда и обратно» продолжается 1995 суток, что без 13,9 суток равно 5,5 годам, а попадание в Землю зеркально-симметричным ретроградным КА требует целого числа лет полета. Для того, что бы избежать старта КА с промежуточной орбиты, следует использовать эллипс, который имеет перигелий меньший 1 а.е., при котором КА огибает Солнце и выходит снизу на встречу Земле.
Подведем предварительные итоги. Можно запустить КА к Юпитеру и в результате сообщения относительно небольшой характеристической скорости (14,09 км/с + 1,419…3,428 км/с) вывести КА на ретроградные эллиптические орбиты. В результате для запусков с Земли могут использоваться КА с прямоточно-кинетическими двигателя (с догоняющим типом потока) у которых удельный импульс достигает 139 км/с! Для Венеры и Меркурия импульс будет еще больше. На входе в гравитационно-кинетическую систему вкладываем импульс движения 15,51-17,52 км/с, а на выходе получаем импульс двигателя КА в 7,9-8,9 раз превышающий вложение. Поскольку, здесь допускается получение процентов на проценты, то предлагаемая система перспективна в качестве основы безъядерной кинетической системы защиты Земли от космических угроз.
Продолжение следует
Резюмируем то, что было в предыдущей части с дополнениями к ней и в предшествующих статьях. Всего было рассмотрено несколько схем извлечения механической энергии из небесных тел Солнечной системы для доставки грузов, людей и аппаратов с Земли в космос.
Рассматривались различные способы использования энергии Юпитера. Общим для всех способов является то, что полученная энергия аккумулируется в итоге в потоке вещества, «струе» или в тросе, движущегося вдоль самого себя, который используется в качестве толкача для ускорения КА от 0 км/с до 8-11 км/с и больше.
КА, напомню, стартует с Земли при помощи суборбитальной одноступенчатой ракеты или ракетоплана. Характеристическая скорость ракеты здесь 2-3 км/с, вместо 9-11 км/с классических многоступенчатых ракет. Поэтому, доля полезного груза суборбитальной РН может быть 35-40 % по сравнению с 1,5-3 процентами многоступенчатых РН. В результате, стоимость доставки грузов на низкую околоземную орбиту сокращается до 1-5% от современной стоимости.
Результат замечательный (хотя вызывает завистливое раздражение некоторых конструкторов), но требует также использования недорогих способов создания «струй» или потоков рабочего тела, которыми разгоняются КА до космических скоростей. Вот в этом аспекте рассматривались упомянутые разные способы использования Юпитера. В частности, в последней публикации рассматривался вариант приращения скорости КА (с рабочим телом для создания разгонной «струи») за счет пертурбационного маневра относительно Юпитера. Этот способ хорош тем, что здесь нет нужды создавать на спутниках Юпитера базу по производству рабочего тела для разгонного троса и ракетного топлива для КА.
В этой статьей рассмотрим маневрирования КА относительно Юпитера с использованием ракетных двигателей, результатом которого становится переход КА на ретроградную орбиту спутника Солнца. На такой орбите КА движется навстречу Земле, а так же планетам земной группы и астероидам. Кинетическая энергия рабочего тела таких ретроградных КА максимальна и поэтому наиболее эффективно может использоваться не только для запусков КА с Земли, но и для возвращения пилотируемых кораблей с Марса и Меркурия. Например, применительно к Земле, относительная скорость разгонной «струи» на высоте 200 км будет 69,237 км/с, что обеспечивает высокий удельный импульс прямоточного кинето-реактивного двигателя - до 138 км/с при старте с Земли. Напомним, что такие скорости истечения реактивной струи - до 30-50 км/с и тяги, достаточной для относительно быстрых межпланетных полётов пока может обеспечить только гипотетический газофазный ядерный реактивный двигатель (ГФЯРД). Поэтому, в виду того, что сложности использования таких разгонных «струй» в кинето-реактивных двигателях несравненно меньше сложностей создания ГФЯРД, большое значение имеют работы по прямоточным двигателям и способам подачи в них «струй» рабочего тела за счет запасов механической энергии небесных тел.
Рассмотрим принципиальную схему вывода КА на солнечную ретроградную орбиту. Первым шагом, здесь будет сообщение КА скорости в 14,093 км/с (на высоте 200 км). Это обеспечивает полет КА по гомановской траектории к Юпитеру. На границе сферы действия Земли скорость будет 8,792 км/с.
Через 997,5 суток КА достигнет с.д. Юпитера. Гелиоцентрическая скорость КА в этом месте равна 7,415 км/с при 13,07 км/с средней скорости Юпитера. КА направляется к Юпитеру по траектории наибольшего сближения с планетой. В перицентре скорость КА достигнет 59,768 км/с. На этом участке включаются ракетные двигатели КА, которые сообщают ему дополнительную скорость величиной 3,428 км/с и его скорость в перицентре повышается до 62,928 км/с. В результате, при выходе из с.д. Юпитера скорость КА равна 20,485 км/с. Вектор скорости направлен в сторону противоположную движению Юпитера по орбите, поэтому за вычетом скорости Юпитера в 13,14 км/с КА получит гелиоцентрическую скорость 7,415 км/с. Таким образом, КА переходит на ретроградную орбиту вокруг Солнца со скоростью в апогелии равной 7,415 км/с и скоростью в перигелии 38,575 км/с.
Заметим, что если приращение скорости КА в перицентре Юпитера составит только 1,419 км/с, то КА на выходе из с.д. Юпитера имел бы скорость равную 13,07 км/с и равную нулю относительно Солнца. В таком варианте, КА начал бы вертикальное падение на Солнце. Этот случай рассматривался в предыдущих публикациях т.к. он может использоваться для генерации разгонных «струй» КА, стартующих с Земли или планет земной группы.
В рассматриваемом случае практические значимыми будут скорости вылета КА из с.д. Юпитера в диапазоне от 0 до 7,145 км/с относительно Солнца. Дело в том, что при возвращении КА расположение Земли, Марса, неоптимальное. Это предполагает использование разнообразных эллиптических орбит. Есть и другие причины для вывода КА на разнообразные ретроградные эллиптические орбиты, о которых поговорим отдельно. Если же стремиться, попасть в Землю с наибольшей скоростью КА, то запуска КА к Юпитеру должен производиться не с Земли, а из точки на орбите Земли, удаленной от Земли почти на половину длины окружности орбиты. Дело в том, что полет «туда и обратно» продолжается 1995 суток, что без 13,9 суток равно 5,5 годам, а попадание в Землю зеркально-симметричным ретроградным КА требует целого числа лет полета. Для того, что бы избежать старта КА с промежуточной орбиты, следует использовать эллипс, который имеет перигелий меньший 1 а.е., при котором КА огибает Солнце и выходит снизу на встречу Земле.
Подведем предварительные итоги. Можно запустить КА к Юпитеру и в результате сообщения относительно небольшой характеристической скорости (14,09 км/с + 1,419…3,428 км/с) вывести КА на ретроградные эллиптические орбиты. В результате для запусков с Земли могут использоваться КА с прямоточно-кинетическими двигателя (с догоняющим типом потока) у которых удельный импульс достигает 139 км/с! Для Венеры и Меркурия импульс будет еще больше. На входе в гравитационно-кинетическую систему вкладываем импульс движения 15,51-17,52 км/с, а на выходе получаем импульс двигателя КА в 7,9-8,9 раз превышающий вложение. Поскольку, здесь допускается получение процентов на проценты, то предлагаемая система перспективна в качестве основы безъядерной кинетической системы защиты Земли от космических угроз.
Продолжение следует