Лунная реактивная катапульта с минимальным расходом ракетного топлива (2)
Первая часть статьи размещена здесь.
Почему реактивная катапульта вместо электромагнитной активной? И почему лучше с ЯРД?
А потому, что системы прямого преобразования тепла в кинетическую энергию всегда лучше систем с многозвенным способом получения механического движения из исходной тепловой энергии. Электромагнитная пушка требует источников энергии и привод с удельной массой до 10 кг/кВт, тогда как реактивный двигатель обеспечивает доли килограмма на киловатт. И потом, реактивная катапульта не расходует рабочее тело, так же как и электромагнитная пушка. А катапульта с ЯРД вообще не требует электроэнергии.
Почему катапульта с холодным (низкотемпературным) ТФЯРД?
А потому, что при линейном снижении температуры твердофазного реактивного двигателя его рабочий ресурс увеличивается геометрически. Для "холодного" ТФЯРД на водороде с удельным импульсом 2200-3300 м/с можно ожидать рабочий ресурс длительностью больше одного года.
При 117ºС (390 К) среднеквадратичная скорость молекул водорода будет 2200 м/с.
При 607ºС (880 К) среднеквадратичная скорость молекул водорода будет 3300 м/с.
При 1357ºС скорость молекул будет 4500 м/с.
Таким образом, бустер, работающий в трубопроводе с "холодным" твердофазным ЯРД имеет все условия для надежной работы в течении года и больше.
Можно, конечно, рассматривать и турбореактивный ядерный двигатель на водороде, но пока представляется, что ракетный движок с вытеснительной подачей водорода будет проще и надежнее.
Поскольку здесь отсутствуют потери рабочего тела, то для увеличения рабочего ресурса ТФЯРД водород может быть заменен на гелий или на смесь гелия с водородом. Этим можно уменьшить эрозионное действие "горячего" водорода на конструкционные элементы реактора.
При 607ºС (880 К) среднеквадратичная скорость молекул гелия равна 2345 м/с.
При 950ºС (1223 К) среднеквадратичная скорость молекул гелия равна 2763 м/с.
Соответственно, удельный импульс ТФЯРД (кпд = 80%) с гелием в качестве рабочего тела, будет равен 1876 м/с и 2211 м/с, что достаточно для разгона одноступенчатого бустера до 1680 м/с - первой космической скорости на Луне. Двухступенчатый вариант обеспечит выброс порции груза со второй космической скоростью - 2380 м/с. Благодаря низкой температуре и инертности гелия обеспечивается нормальный рабочий ресурс ТФЯРД, гарантирующий низкую себестоимость транспортных операций.
Бустер, работающий в трубопроводе с "холодным" твердофазным ЯРД имеет все условия для надежной работы в течении года и больше". Фактически холодный ТФЯРД - это почти типовой реактор, который нагревает водород вместо воды или других видов рабочих тел.
Например, малый ресурс горячего водородного РД-0410 определяется износом конструкционных материалов т.к. слишком тяжелые условия работы для них в типовом ТФЯРД. А здесь условия щадящие, почти гуманные. Малый ресурс "горячих" ТФЯРД определяется не быстрым расходом ядерного топлива, но прежде всего износом конструкционных материалов.
Грузы, запускаемые с Луны реактивной катапультой с холодным водородно-гелиевый ТФЯРД можно использовать для запуска КА с Земли, в том числе и в сторону Луны. Если реактивная катапульта запускает каждые полминуты грузы квантом в 1 тонну, то Земли на НОО можно вывести не менее 1 тонны полезных грузов на каждую тонну грузов с Луны. Итого, 500 тыс. тонн ежегодно. Но, никто не мешает запускать и меньшие партии в первое время. При этом холодный водородно-гелиевый ТФЯРД не нуждается в частой перезагрузке ядерного топлива.
Проект "Плутон" - набор готовых решений для лунной реактивной катапульты
Для лунной реактивной катапульты с водородно-гелиевым ТФЯРД имеется прошедший испытания готовый ядерный двигатель образца 1961 года. Это первый в мире «атомный» прямоточный реактивный двигатель Tory-IIA. Есть так же Tory-IIC, который успешно прошел пятиминутные испытания спустя три года. Рабочий ресурс при использовании воздуха в качестве рабочего тела составляет больше 100 часов. 500-МВт реактор под названием «Тори» проектировался очень горячим, с рабочей температурой более 1600ºС (2500 F или 1863 К). При такой температуре среднеквадратичная скорость молекул водорода равна 4823 м/с, а молекул гелия - 3410 м/с. Соответственно, при кпд преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию реактивной струи равном 80%, удельный импульс водородного ТФЯРД равен 3860 м/с, а гелиевого 2730 м/с. С таким уд. имп. вторая космическая скорость одноступенчатого лунного бустера обеспечивается при расходе рабочего тела равного приблизительно 50 и 60 процентам стартовой массы.
Проект закрыт 1 Июля 1964 года, спустя семь с половиной лет после начала. Общая стоимость составила $260 миллионов ещё не обесцененных долларов того времени. В пике над ним работало 350 человек в лаборатории и ещё 100 на полигоне 401. Цена летающего реактора - 50 миллионов долларов за штуку. В современных долларах - это где-то 200 млн. долл.за штуку. Плюс относительно легкая путевая структура на Луне (трубопровод, засыпанный реголитом), с системой откачки газа, криогенного оборудования, и стационарного источника энергии с капельно-струйным холодильником и складом.
Альтернативные транспортные средства эвакуации экипажа на основе ракетной катапульты и грунтомётов
Ракетная катапульта решает проблему минимизации расхода ракетного топлива на возвращении экипажа лунной базы. При старте в улавливающем газы реактивной струи трубопроводе, устраняется необходимость завоза топлива на базу. Отработанные газы, состоящие из воды, углекислого газа, азота и в ряде случаев водорода, откачиваются из трубопровода и перерабатываются (в основном) в высококипящее ракетное топливо, которым заправляются лунные взлетно-посадочные модули.
Экономический и массовый эффект здесь многократный, однако за него надо платить доставкой на Луну частей трубопровода. При допустимых ускорениях порядка 80 м/с2, разгонные участки для достижения скорости 1700 м/с равны 18 км, а для скорости 2400 м/с равны 36 км. При использовании двух или трехслойной гофрированной стенки, с толщиной каждого слоя около 0,1 мм, с использование несущих свойств грунта, в который погружена труба, масса трубы из сплавов алюминия будет порядка 3 тонн на 1 км при внутреннем диаметре 1,5-2 метра. Соответственно, масса путевой структуры катапульты будет равна 54 и 108 тоннам. Оценки приблизительные и реальная масса может варьироваться. За счет использования колец полученных на базе из местного сырья методом базальтового литья, массу завозимых с Земли частей трубопровода можно многократно сократить.
В таком пусковом трубопроводе можно запускать модули с двумя-тремя астронавтами, при использовании модулей с сечением 0,7 метров х 1,5 метров (зазоры необходимы для пропуска разряженной остаточной газовой среды трубопровода).
Следующим этапом может стать использование трубопровода для посадки пилотируемых и грузовых модулей. В этом случае на базу начинает поступать рабочее тело для ракетных двигателей в избытке, что позволяет помимо астронавтов вывозить с базы различные грузы. Есть вариант создания посадочной путевой структуры массой порядка 10 тонн (!). Такое устройство может быть доставлено на базу несколькими пусками (об этом будет отдельная заметка).
Вместе с тем, не менее перспективной может быть технология торможения модулей за счет потоков лунной пыли, создаваемой цепочкой грунтомётов в виде протяженного облака на участке торможения модулей (при этом используется запас заранее просеянного реголита). В этом случае, посадочные модули должны быть оборудованы одноразовыми тормозными экранами, например, на основе стали, вольфрама или обедненного урана. Запас ракетного топлива для взлета на посадочных модулях так же отсутствует, т.к. заправка предусмотрена на базе. При взлете используется трубопровод и заправляемое рабочее тело улавливается и после регенерации возвращается в топливохранилище. Таким образом, масса грузов, доставляемая на лунную базу может быть многократно увеличена за счет сокращения запасов топлива, необходимых для посадки и взлёта с Луны.
Перепост на МарсТракторе
Почему реактивная катапульта вместо электромагнитной активной? И почему лучше с ЯРД?
А потому, что системы прямого преобразования тепла в кинетическую энергию всегда лучше систем с многозвенным способом получения механического движения из исходной тепловой энергии. Электромагнитная пушка требует источников энергии и привод с удельной массой до 10 кг/кВт, тогда как реактивный двигатель обеспечивает доли килограмма на киловатт. И потом, реактивная катапульта не расходует рабочее тело, так же как и электромагнитная пушка. А катапульта с ЯРД вообще не требует электроэнергии.
Почему катапульта с холодным (низкотемпературным) ТФЯРД?
А потому, что при линейном снижении температуры твердофазного реактивного двигателя его рабочий ресурс увеличивается геометрически. Для "холодного" ТФЯРД на водороде с удельным импульсом 2200-3300 м/с можно ожидать рабочий ресурс длительностью больше одного года.
При 117ºС (390 К) среднеквадратичная скорость молекул водорода будет 2200 м/с.
При 607ºС (880 К) среднеквадратичная скорость молекул водорода будет 3300 м/с.
При 1357ºС скорость молекул будет 4500 м/с.
Таким образом, бустер, работающий в трубопроводе с "холодным" твердофазным ЯРД имеет все условия для надежной работы в течении года и больше.
Можно, конечно, рассматривать и турбореактивный ядерный двигатель на водороде, но пока представляется, что ракетный движок с вытеснительной подачей водорода будет проще и надежнее.
Поскольку здесь отсутствуют потери рабочего тела, то для увеличения рабочего ресурса ТФЯРД водород может быть заменен на гелий или на смесь гелия с водородом. Этим можно уменьшить эрозионное действие "горячего" водорода на конструкционные элементы реактора.
При 607ºС (880 К) среднеквадратичная скорость молекул гелия равна 2345 м/с.
При 950ºС (1223 К) среднеквадратичная скорость молекул гелия равна 2763 м/с.
Соответственно, удельный импульс ТФЯРД (кпд = 80%) с гелием в качестве рабочего тела, будет равен 1876 м/с и 2211 м/с, что достаточно для разгона одноступенчатого бустера до 1680 м/с - первой космической скорости на Луне. Двухступенчатый вариант обеспечит выброс порции груза со второй космической скоростью - 2380 м/с. Благодаря низкой температуре и инертности гелия обеспечивается нормальный рабочий ресурс ТФЯРД, гарантирующий низкую себестоимость транспортных операций.
Бустер, работающий в трубопроводе с "холодным" твердофазным ЯРД имеет все условия для надежной работы в течении года и больше". Фактически холодный ТФЯРД - это почти типовой реактор, который нагревает водород вместо воды или других видов рабочих тел.
Например, малый ресурс горячего водородного РД-0410 определяется износом конструкционных материалов т.к. слишком тяжелые условия работы для них в типовом ТФЯРД. А здесь условия щадящие, почти гуманные. Малый ресурс "горячих" ТФЯРД определяется не быстрым расходом ядерного топлива, но прежде всего износом конструкционных материалов.
Грузы, запускаемые с Луны реактивной катапультой с холодным водородно-гелиевый ТФЯРД можно использовать для запуска КА с Земли, в том числе и в сторону Луны. Если реактивная катапульта запускает каждые полминуты грузы квантом в 1 тонну, то Земли на НОО можно вывести не менее 1 тонны полезных грузов на каждую тонну грузов с Луны. Итого, 500 тыс. тонн ежегодно. Но, никто не мешает запускать и меньшие партии в первое время. При этом холодный водородно-гелиевый ТФЯРД не нуждается в частой перезагрузке ядерного топлива.
Проект "Плутон" - набор готовых решений для лунной реактивной катапульты
Для лунной реактивной катапульты с водородно-гелиевым ТФЯРД имеется прошедший испытания готовый ядерный двигатель образца 1961 года. Это первый в мире «атомный» прямоточный реактивный двигатель Tory-IIA. Есть так же Tory-IIC, который успешно прошел пятиминутные испытания спустя три года. Рабочий ресурс при использовании воздуха в качестве рабочего тела составляет больше 100 часов. 500-МВт реактор под названием «Тори» проектировался очень горячим, с рабочей температурой более 1600ºС (2500 F или 1863 К). При такой температуре среднеквадратичная скорость молекул водорода равна 4823 м/с, а молекул гелия - 3410 м/с. Соответственно, при кпд преобразования тепловой энергии в кинетическую энергию реактивной струи равном 80%, удельный импульс водородного ТФЯРД равен 3860 м/с, а гелиевого 2730 м/с. С таким уд. имп. вторая космическая скорость одноступенчатого лунного бустера обеспечивается при расходе рабочего тела равного приблизительно 50 и 60 процентам стартовой массы.
Проект закрыт 1 Июля 1964 года, спустя семь с половиной лет после начала. Общая стоимость составила $260 миллионов ещё не обесцененных долларов того времени. В пике над ним работало 350 человек в лаборатории и ещё 100 на полигоне 401. Цена летающего реактора - 50 миллионов долларов за штуку. В современных долларах - это где-то 200 млн. долл.за штуку. Плюс относительно легкая путевая структура на Луне (трубопровод, засыпанный реголитом), с системой откачки газа, криогенного оборудования, и стационарного источника энергии с капельно-струйным холодильником и складом.
Альтернативные транспортные средства эвакуации экипажа на основе ракетной катапульты и грунтомётов
Ракетная катапульта решает проблему минимизации расхода ракетного топлива на возвращении экипажа лунной базы. При старте в улавливающем газы реактивной струи трубопроводе, устраняется необходимость завоза топлива на базу. Отработанные газы, состоящие из воды, углекислого газа, азота и в ряде случаев водорода, откачиваются из трубопровода и перерабатываются (в основном) в высококипящее ракетное топливо, которым заправляются лунные взлетно-посадочные модули.
Экономический и массовый эффект здесь многократный, однако за него надо платить доставкой на Луну частей трубопровода. При допустимых ускорениях порядка 80 м/с2, разгонные участки для достижения скорости 1700 м/с равны 18 км, а для скорости 2400 м/с равны 36 км. При использовании двух или трехслойной гофрированной стенки, с толщиной каждого слоя около 0,1 мм, с использование несущих свойств грунта, в который погружена труба, масса трубы из сплавов алюминия будет порядка 3 тонн на 1 км при внутреннем диаметре 1,5-2 метра. Соответственно, масса путевой структуры катапульты будет равна 54 и 108 тоннам. Оценки приблизительные и реальная масса может варьироваться. За счет использования колец полученных на базе из местного сырья методом базальтового литья, массу завозимых с Земли частей трубопровода можно многократно сократить.
В таком пусковом трубопроводе можно запускать модули с двумя-тремя астронавтами, при использовании модулей с сечением 0,7 метров х 1,5 метров (зазоры необходимы для пропуска разряженной остаточной газовой среды трубопровода).
Следующим этапом может стать использование трубопровода для посадки пилотируемых и грузовых модулей. В этом случае на базу начинает поступать рабочее тело для ракетных двигателей в избытке, что позволяет помимо астронавтов вывозить с базы различные грузы. Есть вариант создания посадочной путевой структуры массой порядка 10 тонн (!). Такое устройство может быть доставлено на базу несколькими пусками (об этом будет отдельная заметка).
Вместе с тем, не менее перспективной может быть технология торможения модулей за счет потоков лунной пыли, создаваемой цепочкой грунтомётов в виде протяженного облака на участке торможения модулей (при этом используется запас заранее просеянного реголита). В этом случае, посадочные модули должны быть оборудованы одноразовыми тормозными экранами, например, на основе стали, вольфрама или обедненного урана. Запас ракетного топлива для взлета на посадочных модулях так же отсутствует, т.к. заправка предусмотрена на базе. При взлете используется трубопровод и заправляемое рабочее тело улавливается и после регенерации возвращается в топливохранилище. Таким образом, масса грузов, доставляемая на лунную базу может быть многократно увеличена за счет сокращения запасов топлива, необходимых для посадки и взлёта с Луны.
Перепост на МарсТракторе