ТОРМОЗА ДЛЯ КОСМИЧЕСКИХ ЭКСПРЕССОВ
В помощь зарубежному Элону Маски и отечественным теоретикам космонавтики
При рассмотрении авангардных проектов космических транспортных систем (КТС) обычно основное внимание уделяется способам сообщения транспортным космическим аппаратам (КА) соответствующих скоростей. Однако, как давно выяснилось, вопрос возвращения КА и соответственно, эффективного торможения, не менее важен: без ответа на него невозможно решить проблему многократного использования КТС.
Атмосфера Земли дает возможность эффективно тормозить КА, но далеко не все. Например, орбитальные ступени РН пока не удается спасть для повторного использования таким способом: масса аэродинамического экрана оказывается слишком велика, что бы включать его в состав многоступенчатой ракеты. Работы по созданию новых облегченных видов теплозащиты пока не дали результатов, поэтому поиск альтернативных решений приветствуется.
Ранее в блоге был рассмотрен проект «Орбитрон». Здесь решается задача эффективного ускорения КА с использованием орбитальной эстакады или орбитальной путевой структуры в виде трубчатого монорельса. Масса монорельса не велика за счет использования прогрессивных конструкционных материалов, таких как аэрогель из углеродных нанотрубок, так что масса участка длиной 10 тыс. км может быть равна всего 300 тонн. При использовании обычных материалов, таких как алюминий или его сплавы с бериллием, масса такого же участка равна 2000 тонн.
«Орбитрон» может быть выполнен в форме кольца, состоящего из нескольких автономных участков, что обеспечивает его устойчивость на орбите. На кольцевой трассе «Орбитрон», благодаря электродинамическому подвесу, обеспечивает опору для ракет в процессе их разгона двигателями малой тяги, т.е. с тягой меньшей веса ракет. Например, РН вес которой равен 10000 Ньютонов, благодаря заатмосферной опоре может разгоняться двигателем с тягой в 1000 Ньютонов, т.е. в 10 раз меньше. Можно иначе сформулировать: обычная ракета способна вывести в 10 раз больший груз (разумеется при увеличенном запасе топлива).
«Орбитрон», благодаря силе трения электродинамического подвеса, обеспечивает разгон КА до орбитальной скорости. Торможение «Орбитрона» в этом варианте компенсируется либо ЭРД, питаемой бортовой КСЭС, либо водородно-кислородным ЖРД, питаемым лунным топливом (расход топлива 1 кг на 1 кг груза, выводимого с Земли).
Эта же сила торможения электродинамического подвеса может использоваться для торможение КА от космических скоростей до нулевых значений. В этом случае КА должен совершать посадку на монорельс во встречном направлении. Относительная скорость КА и монорельса здесь находится в интервале от 16 до 19 км/с. Расход топлива бортового ЖРД «Орбитрона» при выполнении операции торможения составляет от 1,7 до 2,4 кг на 1 кг массы тормозимого КА или разгонного блока РН. Соответственно, спасаемые разгонные блоки должны быть оснащены собственной системой подвеса, например, на основе редкоземельных магнитов или криогенных (на жидком водороде) контуров. Масса таких бортовых систем подвеса и торможения составляет порядка 1 процента от массы конструкции ракетного блока.
При использовании «Орбитрона» эллиптической орбитой, перигей которой проходит на высоте 120-150 км, возвращаемый на Землю ракетный блок, может иметь тепловую защиту облегченного типа, в отличие от той, которая необходима при полном гашении космической скорости в атмосфере. В результате обеспечивается многократное использование орбитальных ракетных блоков многоступенчатых РН, которые запускают грузы самостоятельно, без использования «Орбитрона».
Очевидно, что предлагаемая система торможения орбитальных ракетных ступеней (и других возвращаемых аппаратов) может обеспечиваться ракетным топливом, поставляемым с Земли, а не с Луны. Например, разгонный блок с начальной массой около 100 тонн, после выработки топлива и выхода на орбиту имеет сухую массу около 8 тонн. Для его торможения от 8 км/с до 0 км/с требуется бортовая система электромагнитного торможения массой около 100 кг и 13,6 тонн ракетного топлива для ЖРД «Орбитрона» (которое, разумеется, доставляет другой ракетой). В последующем будет использоваться топливо, поставляемое с Луны.
С экономической стороны должен быть перспективен и лунный вариант «Орбитрона». Он эффективно заменит отсутствующую атмосферу. Масса и габариты лунного «Орбитрона» значительно меньше земного аналога, ведь тормозить КА необходимо всего на 2,5-3 км/с. Этот же лунный «Орбитрон» может использоваться и для разгона КА, стартующих с Луны (с ценным грузом «анобтаниума», к примеру) - производство лунного топлива сделает это возможным и целесообразным. Расход лунного топлива на разгон или торможение КА составит от 0,55 до 0,67 кг на 1 кг КА.
Ниже приводится фрагмент анимации принципиальной схемы торможения ракетных блоков от 8000 м/с до 0 м/с. Пара блоков в форме катамарана, оснащенная системой электродинамического подвеса и торможения, при помощи двигателей коррекции сближается с монорельсом «Орбитрона» и прижимается к нему для фиксации захватом. Монорельс движется в сторону противоположную направлению движения катамарана. Их относительная скорость порядка 16 км/с. После фиксации контакта, катамаран блоков попадает на участок усиленного электродинамического торможения и начинает тормозиться со ускорением в несколько g. Длина участка рассчитана на полное гашение скорости и по достижению результата участок торможения заканчивается и пара ракетных блоков падает вертикально вниз. После краткого участка торможения в атмосфере, связка блоков проходит плотные слои атмосферы при помощи парашюта и приводняется. Если она имеет запас топлива, то может приземлятся на сушу при помощи собственных двигателей, так как это происходит в опытах Элона Маска.
Заметим, что на перспективу "Орбитрон" должен быть востребован и для Марса - больно атмосфера у него жидковата для приема серьезных грузов. Полезен он будет марсианским колонистам и как система разгона КА, выводимых с Марса.
Видео схема без парашюта
.
.
При рассмотрении авангардных проектов космических транспортных систем (КТС) обычно основное внимание уделяется способам сообщения транспортным космическим аппаратам (КА) соответствующих скоростей. Однако, как давно выяснилось, вопрос возвращения КА и соответственно, эффективного торможения, не менее важен: без ответа на него невозможно решить проблему многократного использования КТС.
Атмосфера Земли дает возможность эффективно тормозить КА, но далеко не все. Например, орбитальные ступени РН пока не удается спасть для повторного использования таким способом: масса аэродинамического экрана оказывается слишком велика, что бы включать его в состав многоступенчатой ракеты. Работы по созданию новых облегченных видов теплозащиты пока не дали результатов, поэтому поиск альтернативных решений приветствуется.
Ранее в блоге был рассмотрен проект «Орбитрон». Здесь решается задача эффективного ускорения КА с использованием орбитальной эстакады или орбитальной путевой структуры в виде трубчатого монорельса. Масса монорельса не велика за счет использования прогрессивных конструкционных материалов, таких как аэрогель из углеродных нанотрубок, так что масса участка длиной 10 тыс. км может быть равна всего 300 тонн. При использовании обычных материалов, таких как алюминий или его сплавы с бериллием, масса такого же участка равна 2000 тонн.
«Орбитрон» может быть выполнен в форме кольца, состоящего из нескольких автономных участков, что обеспечивает его устойчивость на орбите. На кольцевой трассе «Орбитрон», благодаря электродинамическому подвесу, обеспечивает опору для ракет в процессе их разгона двигателями малой тяги, т.е. с тягой меньшей веса ракет. Например, РН вес которой равен 10000 Ньютонов, благодаря заатмосферной опоре может разгоняться двигателем с тягой в 1000 Ньютонов, т.е. в 10 раз меньше. Можно иначе сформулировать: обычная ракета способна вывести в 10 раз больший груз (разумеется при увеличенном запасе топлива).
«Орбитрон», благодаря силе трения электродинамического подвеса, обеспечивает разгон КА до орбитальной скорости. Торможение «Орбитрона» в этом варианте компенсируется либо ЭРД, питаемой бортовой КСЭС, либо водородно-кислородным ЖРД, питаемым лунным топливом (расход топлива 1 кг на 1 кг груза, выводимого с Земли).
Эта же сила торможения электродинамического подвеса может использоваться для торможение КА от космических скоростей до нулевых значений. В этом случае КА должен совершать посадку на монорельс во встречном направлении. Относительная скорость КА и монорельса здесь находится в интервале от 16 до 19 км/с. Расход топлива бортового ЖРД «Орбитрона» при выполнении операции торможения составляет от 1,7 до 2,4 кг на 1 кг массы тормозимого КА или разгонного блока РН. Соответственно, спасаемые разгонные блоки должны быть оснащены собственной системой подвеса, например, на основе редкоземельных магнитов или криогенных (на жидком водороде) контуров. Масса таких бортовых систем подвеса и торможения составляет порядка 1 процента от массы конструкции ракетного блока.
При использовании «Орбитрона» эллиптической орбитой, перигей которой проходит на высоте 120-150 км, возвращаемый на Землю ракетный блок, может иметь тепловую защиту облегченного типа, в отличие от той, которая необходима при полном гашении космической скорости в атмосфере. В результате обеспечивается многократное использование орбитальных ракетных блоков многоступенчатых РН, которые запускают грузы самостоятельно, без использования «Орбитрона».
Очевидно, что предлагаемая система торможения орбитальных ракетных ступеней (и других возвращаемых аппаратов) может обеспечиваться ракетным топливом, поставляемым с Земли, а не с Луны. Например, разгонный блок с начальной массой около 100 тонн, после выработки топлива и выхода на орбиту имеет сухую массу около 8 тонн. Для его торможения от 8 км/с до 0 км/с требуется бортовая система электромагнитного торможения массой около 100 кг и 13,6 тонн ракетного топлива для ЖРД «Орбитрона» (которое, разумеется, доставляет другой ракетой). В последующем будет использоваться топливо, поставляемое с Луны.
С экономической стороны должен быть перспективен и лунный вариант «Орбитрона». Он эффективно заменит отсутствующую атмосферу. Масса и габариты лунного «Орбитрона» значительно меньше земного аналога, ведь тормозить КА необходимо всего на 2,5-3 км/с. Этот же лунный «Орбитрон» может использоваться и для разгона КА, стартующих с Луны (с ценным грузом «анобтаниума», к примеру) - производство лунного топлива сделает это возможным и целесообразным. Расход лунного топлива на разгон или торможение КА составит от 0,55 до 0,67 кг на 1 кг КА.
Ниже приводится фрагмент анимации принципиальной схемы торможения ракетных блоков от 8000 м/с до 0 м/с. Пара блоков в форме катамарана, оснащенная системой электродинамического подвеса и торможения, при помощи двигателей коррекции сближается с монорельсом «Орбитрона» и прижимается к нему для фиксации захватом. Монорельс движется в сторону противоположную направлению движения катамарана. Их относительная скорость порядка 16 км/с. После фиксации контакта, катамаран блоков попадает на участок усиленного электродинамического торможения и начинает тормозиться со ускорением в несколько g. Длина участка рассчитана на полное гашение скорости и по достижению результата участок торможения заканчивается и пара ракетных блоков падает вертикально вниз. После краткого участка торможения в атмосфере, связка блоков проходит плотные слои атмосферы при помощи парашюта и приводняется. Если она имеет запас топлива, то может приземлятся на сушу при помощи собственных двигателей, так как это происходит в опытах Элона Маска.
Click to viewЗаметим, что на перспективу "Орбитрон" должен быть востребован и для Марса - больно атмосфера у него жидковата для приема серьезных грузов. Полезен он будет марсианским колонистам и как система разгона КА, выводимых с Марса.
Видео схема без парашюта
.
.