Про реактор - 1
Оригинал взят у argr в Про реактор - 1
29 октября 2009 года. Руководитель Федерального космического агентства России (Роскосмос) Анатолий Перминов на заседании Комиссии при президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики рассказал об инновационном проекте, который позволит поднять отечественную ракетно-космическую технику на принципиально новый уровень. Речь идет о создании «транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Проект направлен на «решение перспективных задач развития космонавтики XXI века и, как ожидается, поможет в реализации масштабных программ по изучению и освоению космического пространства, включая обеспечение пилотируемой экспедиции на Марс, осуществление межпланетных перелетов, создание и эксплуатацию станций на других планетах».
Пилотируемая экспедиция на Марс, станции на других планетах - с чего это Перминов так размечтался в кризисный 2009-й год? Столь смелые прожекты далеко за пределами современной космонавтики. Не, ну спутник-там запустить - это пожалуйста. Пущай летают, пока на небе место есть. Раз в 5-10 лет можно отправить автоматическую станцию к Юпитеру или убогий марсоход, не способный выбраться из песочницы. Толку от них мало, но и вреда - тоже не много. МКС еще есть, с космическими туристами, и непонятно чем отличающимися от них «настоящими космонавтами». Но на что-то дальше низкой орбиты, или тяжелее небольшого научного автомата - точно никакой турист денег не наскребет, и никакой бюджет миллиардов не выделит. Если бы даже на поверхности Луны лежали золотые слитки - возить их на Землю было бы слишком дорого.
Однако меня не на шутку взволновало заявление о разработке этого реактора. Дело в том, что такой реактор - тот самый прорыв, способный доставить космонавта на Марс за приемлемые деньги, способный снабжать базу на Луне, которая, со временем, может выйти на финансовую окупаемость! Довести этот проект до реализации, и наши представления о космонавтике могут перевернуться, масштабы и роль космических полетов серьезно вырастут.
Что же это за чудодейственный реактор, и чем он настолько хорош? Начну рассказ издалека.
Основы астродинамики
Как все мы знаем, если ракету вывести за пределы атмосферы и разогнать до 1-й космической скорости (около 8 километров в секунду), она выйдет на орбиту. Ракете надо подняться хотя бы на 150 километров - ниже остатки атмосферы слишком сильно замедляют движение. На высоте около 1000 километров начинается радиационный пояс, пребывание в нем очень быстро сожжет электронику. Поэтому большинство космических аппаратов располагается на высотах между 150 и 1000 километров от Земли. Можно запустить спутник так, чтобы он вращался от северного полюса к южному. Спутник вращается по орбите с периодом в пару часов (период будет меняться в зависимости от высоты орбиты), одновременно Земля поворачивается вокруг своей оси. На каждом обороте спутник будет пролетать над новым участком земной поверхности. Если, скажем, поставить на такой спутник хорошую камеру, он сможет со временем заснять всю земную поверхность. Видели на гуглокартах вертикальные полосы? Они как раз получаются в результате работы спутников, летящих вдоль линии между северным и южным полюсами.
Если запустить спутник так, чтобы он летел с запада на восток, то при старте скорость суточного вращения Земной поверхности прибавится к скорости ракеты, и она сможет вывести на орбиту больший груз. В результате такого запуска орбита будет проходить над экватором или под каким-то углом к нему. Этот угол называют наклонением.
Наибольший вес ракета может забросить на орбиту такого наклонения, которое совпадает с широтой, на которой находится космодром. Байконур, например, находится на широте 46 градусов, однако пуск с него на такие орбиты невозможен, так как отработанные ступени будут падать в нежелательных местах. Чаще всего с Байконура запускают на орбиты с наклонением 51,6 градуса. Именно по такой орбите летает МКС. Если нарисовать над какими точками на поверхностью Земли пролетает МКС, получатся такие вот змейки
МКС болтается на высоте 337-351 км. Некоторые самолеты поднимаются до 35 километров, поэтому снимки с МКС (особенно с длинным фокусом) похожи на кадры с самолетов. Но используются и более высокие орбиты. Например, спутники Навстар и Глонасс вращаются на круговых орбитах высотой 19-20 тысяч километров. Это уже выше верхней границы радиационных поясов. Тело на этой орбите совершает 2 оборота за сутки. Плоскости орбит навигационных спутников выбраны так, чтобы из каждой точки Земли было видно побольше аппаратов.
Еще дальше, в 36 тысяч километров от Земли, располагаются геостационарные спутники. У них свои особенности. Основная прелесть геостационарной орбиты: период обращения равен земным суткам. Благодаря этому можно расположить спутник так, чтобы он не перемещался относительно поверхности земли и был виден в одной и той же точке неба. То есть спутниковая антенна, будучи однажды прибита к стенке, все время принимает сигнал с одного и того же спутника. Как легко сообразить, такая орбита проходит точно над экватором, иначе космический аппарат будет колебаться к северу и югу. Высота орбиты тоже жестко задана. Выше - спутник будет отставать, ниже - обгонять вращение земли. То есть геостационарная орбита - всего одна. Спутники не должны располагаться на ней слишком часто, иначе антенна будет ловить сигнал с 2 соседних спутников, что отрицательно скажется на качестве ТВ картинки. В общем, ситуация такова, что на единственной геостационарной орбите выделены специальные точки, в которых могут находиться работающие спутники, чтобы не мешать другим спутникам. Эти точки называются точки стояния, их всего 425 штук. В одной точке может находиться несколько спутников, но тогда они должны вещать на разных частотах.
Так как геостационарные спутники летают над экватором, антенны на домах располагаются всегда с южной стороны. Экспедициям на полюсе не видно ни одного геостационарного спутника, а в приполярных областях они наблюдаются слишком низко над горизонтом, что создает плохие условья для приема сигнала. Чтобы приобщить жителей крайнего севера к достижениям культуры, придуманы орбиты типа Молния и Тундра. Период обращения по этим орбитам занимает либо сутки, либо пол суток, однако, в отличие от геостационарной, эти орбиты вытянуты и имеют большое наклонение. Особенность вытянутой эллиптической орбиты: в соответствии с 3-м законом Кеплера на большом удалении от Земли спутник летит медленно - этот участок как раз располагается над севером России, а часть орбиты вблизи Земли - наоборот, проскакивается с большой скоростью над Южной Америкой. Несколько спутников способны обеспечивать беспрерывное вещание. Одна проблема: антенна должна уметь поворачиваться вслед за движением космического аппарата. Нужна сложная система слежения, нельзя просто прибить тарелку к чуму.
Теперь перейдем к грустной части нашего повествования. Ракета Протон-М на стартовой площадке весит 702 тонны. На низкую орбиту высотой в 200 километров и наклонением 51.6 градуса она выводит 22 тонны. Предположим мы запускаем спутник на геостационар. На ракету ставится разгонный блок вроде Бриз-М. Он придает полезному грузу дополнительную скорость и переводит его на геопереходную орбиту - вытянутую траекторию, позволяющую достичь нужной высоты. Для выхода на эту орбиту требуется затратить горючее - 16 тонн из 22 на низкой орбите. Итак, на геопереходной орбите остается только 6 тонн. Чтобы с этой орбиты попасть на геостационарную, требуется еще одно ускорение, для которого опять нужно топливо. В итоге на спутник остается всего около 3 тонн - из 702 тонн общей массы ракеты на Земле.
Вообще маневры в космосе достаются дорогой ценой. Обратите внимание: Протон выводит нагрузку сначала на орбиту с наклонением в 51.6 градуса, а потом переводит его на геостационарную орбиту с наклонением в ноль градусов. Если запустить ракету с экватора сразу на орбиту с нулевым наклонением, то для выведения 6 тонн на переходную орбиту достаточно ракеты Зенит со стартовой массой в 470 тонн. Так запускают спутники с морской платформы в рамках программы «Морской старт».
Куда же девается 18 тонн топлива при переходе от низкой орбиты к геостационарной? Оно требуется для того, чтобы несколько раз поменять величину и направление скорости ракеты. Чтобы посчитать, какую скорость наберет ракета, истратив определенную массу топлива, надо применить вот такую формулу - формулу Циолковского:
Формула говорит о том, что изменение скорости ракеты (обозначенное буквой V) пропорционально скорости истечения газов из сопла двигателя (эта скорость обозначена буквой I), а также логарифму отношения начальной и конечной массы. Разница между конечной и начальной массой - это выброшенное двигателем рабочее тело. Т.е. если масса ракеты с горючим и окислителем равна 27 тонн, а масса пустой - 10 тонн, то она разгонится до такой скорости, с какой из ее сопла истекают горячие газы - чуть больше 3 километров в секунду (27/10 = 2.7, а логарифм числа 2.7 примерно равен единице).
Скорость истечения газов определяет, насколько эффективно работает двигатель. Эта величина измеряется в метрах в секунду, но в итернетах обычно упоминают удельный импульс. Он получается из скорости, если ее разделить на ускорение свободного падения g (грубо говоря, на 10). Результат при этом выражен в секундах. У ракеты Протон удельный импульс равен 320 секунд (у первой ступени меньше из-за того, что она работает в атмосфере). Это значит, что скорость истечения газов равна 3200 м/с. Это по космическим меркам не так уж много. Например, если бы мы, допустим, вращаясь по низкой орбите, захотели развернуться и полететь в другую сторону, нам бы пришлось изменить нашу скорость на 16 километров в секунду. А если бы мы, вращаясь по орбите с нулевым наклонением (над экватором) захотели сменить наклонение на 90 градусов, чтобы пройти над полюсом, нам надо будет ускориться на 11 километров в секунду. Так как скорость истечения фиксирована, для крупных маневров приходится увеличивать отношение конечной и начальной масс - то есть брать больше топлива. Если потребное приращение скорости превышает скорость истечения газов из сопла, масса топлива должна быть в разы больше массы полезной нагрузки.
Поэтому в реальности никто не совершает таких маневров, как разворот на орбите. Однако для межпланетных путешествий тоже требуются интенсивные маневры. Предположим, мы хотим долететь до Луны, приземлиться на нее, стартовать и вернуться к Земле. Так, как летали американцы на своих Аполлонах. Посчитаем приросты скорости, которые надо для этого сделать.
Американцам пришлось пойти на кучу уловок, чтобы сделать полет возможным. Корабль был разбит на отсеки. Каждый из отсеков выполняет свою задачу, а потом отстыковывается и выбрасывается, чтобы не тратить топливо в дальнейших маневрах. На Землю садилась только небольшая капсула с астронавтами массой 5 с половиной тонн (как большой джип). Эта капсула не способна обеспечивать жизнь 3 человек в космосе, поэтому практически весь полет она была пристыкована к служебному отсеку, который перед самой Землей отбрасывался и улетал в пространство вместе с кучей ценного оборудования на борту. Посадить его на Землю было невозможно - потребовалась бы дополнительная масса теплозащиты. Оставить на орбите Земли для последующих полетов тоже нельзя - для этого его пришлось бы затормозить на 3 км/с, что требует огромного количества топлива.
Для посадки на Луну использовался отдельный лунный модуль, который, опять же, состоял из 2 ступеней: взлетной и посадочной. Прилунялись обе, а вот улетала - только одна. Посадочные ступени так и стоят на тех местах, где были оставлены. Пока лунный модуль с двумя астронавтами летал к поверхности ночного светила, остальной корабль, состоящий из возвращаемой капсулы и агрегатно-приборного блока, ждал на лунной орбите с третьим астронавтом на борту. Астронавты использовали взлетную ступень, чтобы добраться до корабля, но к Земле она не летела. После того, как погулявшие по Луне астронавты возвращались на основной корабль, взлетная ступень лунного модуля была уже не нужна - ей сообщали небольшой импульс и сбрасывали на лунную поверхность, чтобы посмотреть, как бахнет.
Лунная ракета Сатурн-5 на старте весила почти 3 тысячи тонн. На низкую околоземную орбиту она поднимала 140 тонн - это сам корабль и третья ступень с остатками топлива. Сейчас таких ракет уже не делают.
Вторая часть
Третья часть
29 октября 2009 года. Руководитель Федерального космического агентства России (Роскосмос) Анатолий Перминов на заседании Комиссии при президенте РФ по модернизации и технологическому развитию экономики рассказал об инновационном проекте, который позволит поднять отечественную ракетно-космическую технику на принципиально новый уровень. Речь идет о создании «транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса. Проект направлен на «решение перспективных задач развития космонавтики XXI века и, как ожидается, поможет в реализации масштабных программ по изучению и освоению космического пространства, включая обеспечение пилотируемой экспедиции на Марс, осуществление межпланетных перелетов, создание и эксплуатацию станций на других планетах».
Пилотируемая экспедиция на Марс, станции на других планетах - с чего это Перминов так размечтался в кризисный 2009-й год? Столь смелые прожекты далеко за пределами современной космонавтики. Не, ну спутник-там запустить - это пожалуйста. Пущай летают, пока на небе место есть. Раз в 5-10 лет можно отправить автоматическую станцию к Юпитеру или убогий марсоход, не способный выбраться из песочницы. Толку от них мало, но и вреда - тоже не много. МКС еще есть, с космическими туристами, и непонятно чем отличающимися от них «настоящими космонавтами». Но на что-то дальше низкой орбиты, или тяжелее небольшого научного автомата - точно никакой турист денег не наскребет, и никакой бюджет миллиардов не выделит. Если бы даже на поверхности Луны лежали золотые слитки - возить их на Землю было бы слишком дорого.
Однако меня не на шутку взволновало заявление о разработке этого реактора. Дело в том, что такой реактор - тот самый прорыв, способный доставить космонавта на Марс за приемлемые деньги, способный снабжать базу на Луне, которая, со временем, может выйти на финансовую окупаемость! Довести этот проект до реализации, и наши представления о космонавтике могут перевернуться, масштабы и роль космических полетов серьезно вырастут.
Что же это за чудодейственный реактор, и чем он настолько хорош? Начну рассказ издалека.
Основы астродинамики
Как все мы знаем, если ракету вывести за пределы атмосферы и разогнать до 1-й космической скорости (около 8 километров в секунду), она выйдет на орбиту. Ракете надо подняться хотя бы на 150 километров - ниже остатки атмосферы слишком сильно замедляют движение. На высоте около 1000 километров начинается радиационный пояс, пребывание в нем очень быстро сожжет электронику. Поэтому большинство космических аппаратов располагается на высотах между 150 и 1000 километров от Земли. Можно запустить спутник так, чтобы он вращался от северного полюса к южному. Спутник вращается по орбите с периодом в пару часов (период будет меняться в зависимости от высоты орбиты), одновременно Земля поворачивается вокруг своей оси. На каждом обороте спутник будет пролетать над новым участком земной поверхности. Если, скажем, поставить на такой спутник хорошую камеру, он сможет со временем заснять всю земную поверхность. Видели на гуглокартах вертикальные полосы? Они как раз получаются в результате работы спутников, летящих вдоль линии между северным и южным полюсами.
Если запустить спутник так, чтобы он летел с запада на восток, то при старте скорость суточного вращения Земной поверхности прибавится к скорости ракеты, и она сможет вывести на орбиту больший груз. В результате такого запуска орбита будет проходить над экватором или под каким-то углом к нему. Этот угол называют наклонением.
Наибольший вес ракета может забросить на орбиту такого наклонения, которое совпадает с широтой, на которой находится космодром. Байконур, например, находится на широте 46 градусов, однако пуск с него на такие орбиты невозможен, так как отработанные ступени будут падать в нежелательных местах. Чаще всего с Байконура запускают на орбиты с наклонением 51,6 градуса. Именно по такой орбите летает МКС. Если нарисовать над какими точками на поверхностью Земли пролетает МКС, получатся такие вот змейки
МКС болтается на высоте 337-351 км. Некоторые самолеты поднимаются до 35 километров, поэтому снимки с МКС (особенно с длинным фокусом) похожи на кадры с самолетов. Но используются и более высокие орбиты. Например, спутники Навстар и Глонасс вращаются на круговых орбитах высотой 19-20 тысяч километров. Это уже выше верхней границы радиационных поясов. Тело на этой орбите совершает 2 оборота за сутки. Плоскости орбит навигационных спутников выбраны так, чтобы из каждой точки Земли было видно побольше аппаратов.
Еще дальше, в 36 тысяч километров от Земли, располагаются геостационарные спутники. У них свои особенности. Основная прелесть геостационарной орбиты: период обращения равен земным суткам. Благодаря этому можно расположить спутник так, чтобы он не перемещался относительно поверхности земли и был виден в одной и той же точке неба. То есть спутниковая антенна, будучи однажды прибита к стенке, все время принимает сигнал с одного и того же спутника. Как легко сообразить, такая орбита проходит точно над экватором, иначе космический аппарат будет колебаться к северу и югу. Высота орбиты тоже жестко задана. Выше - спутник будет отставать, ниже - обгонять вращение земли. То есть геостационарная орбита - всего одна. Спутники не должны располагаться на ней слишком часто, иначе антенна будет ловить сигнал с 2 соседних спутников, что отрицательно скажется на качестве ТВ картинки. В общем, ситуация такова, что на единственной геостационарной орбите выделены специальные точки, в которых могут находиться работающие спутники, чтобы не мешать другим спутникам. Эти точки называются точки стояния, их всего 425 штук. В одной точке может находиться несколько спутников, но тогда они должны вещать на разных частотах.
Так как геостационарные спутники летают над экватором, антенны на домах располагаются всегда с южной стороны. Экспедициям на полюсе не видно ни одного геостационарного спутника, а в приполярных областях они наблюдаются слишком низко над горизонтом, что создает плохие условья для приема сигнала. Чтобы приобщить жителей крайнего севера к достижениям культуры, придуманы орбиты типа Молния и Тундра. Период обращения по этим орбитам занимает либо сутки, либо пол суток, однако, в отличие от геостационарной, эти орбиты вытянуты и имеют большое наклонение. Особенность вытянутой эллиптической орбиты: в соответствии с 3-м законом Кеплера на большом удалении от Земли спутник летит медленно - этот участок как раз располагается над севером России, а часть орбиты вблизи Земли - наоборот, проскакивается с большой скоростью над Южной Америкой. Несколько спутников способны обеспечивать беспрерывное вещание. Одна проблема: антенна должна уметь поворачиваться вслед за движением космического аппарата. Нужна сложная система слежения, нельзя просто прибить тарелку к чуму.
Теперь перейдем к грустной части нашего повествования. Ракета Протон-М на стартовой площадке весит 702 тонны. На низкую орбиту высотой в 200 километров и наклонением 51.6 градуса она выводит 22 тонны. Предположим мы запускаем спутник на геостационар. На ракету ставится разгонный блок вроде Бриз-М. Он придает полезному грузу дополнительную скорость и переводит его на геопереходную орбиту - вытянутую траекторию, позволяющую достичь нужной высоты. Для выхода на эту орбиту требуется затратить горючее - 16 тонн из 22 на низкой орбите. Итак, на геопереходной орбите остается только 6 тонн. Чтобы с этой орбиты попасть на геостационарную, требуется еще одно ускорение, для которого опять нужно топливо. В итоге на спутник остается всего около 3 тонн - из 702 тонн общей массы ракеты на Земле.
Вообще маневры в космосе достаются дорогой ценой. Обратите внимание: Протон выводит нагрузку сначала на орбиту с наклонением в 51.6 градуса, а потом переводит его на геостационарную орбиту с наклонением в ноль градусов. Если запустить ракету с экватора сразу на орбиту с нулевым наклонением, то для выведения 6 тонн на переходную орбиту достаточно ракеты Зенит со стартовой массой в 470 тонн. Так запускают спутники с морской платформы в рамках программы «Морской старт».
Куда же девается 18 тонн топлива при переходе от низкой орбиты к геостационарной? Оно требуется для того, чтобы несколько раз поменять величину и направление скорости ракеты. Чтобы посчитать, какую скорость наберет ракета, истратив определенную массу топлива, надо применить вот такую формулу - формулу Циолковского:
Формула говорит о том, что изменение скорости ракеты (обозначенное буквой V) пропорционально скорости истечения газов из сопла двигателя (эта скорость обозначена буквой I), а также логарифму отношения начальной и конечной массы. Разница между конечной и начальной массой - это выброшенное двигателем рабочее тело. Т.е. если масса ракеты с горючим и окислителем равна 27 тонн, а масса пустой - 10 тонн, то она разгонится до такой скорости, с какой из ее сопла истекают горячие газы - чуть больше 3 километров в секунду (27/10 = 2.7, а логарифм числа 2.7 примерно равен единице).
Скорость истечения газов определяет, насколько эффективно работает двигатель. Эта величина измеряется в метрах в секунду, но в итернетах обычно упоминают удельный импульс. Он получается из скорости, если ее разделить на ускорение свободного падения g (грубо говоря, на 10). Результат при этом выражен в секундах. У ракеты Протон удельный импульс равен 320 секунд (у первой ступени меньше из-за того, что она работает в атмосфере). Это значит, что скорость истечения газов равна 3200 м/с. Это по космическим меркам не так уж много. Например, если бы мы, допустим, вращаясь по низкой орбите, захотели развернуться и полететь в другую сторону, нам бы пришлось изменить нашу скорость на 16 километров в секунду. А если бы мы, вращаясь по орбите с нулевым наклонением (над экватором) захотели сменить наклонение на 90 градусов, чтобы пройти над полюсом, нам надо будет ускориться на 11 километров в секунду. Так как скорость истечения фиксирована, для крупных маневров приходится увеличивать отношение конечной и начальной масс - то есть брать больше топлива. Если потребное приращение скорости превышает скорость истечения газов из сопла, масса топлива должна быть в разы больше массы полезной нагрузки.
Поэтому в реальности никто не совершает таких маневров, как разворот на орбите. Однако для межпланетных путешествий тоже требуются интенсивные маневры. Предположим, мы хотим долететь до Луны, приземлиться на нее, стартовать и вернуться к Земле. Так, как летали американцы на своих Аполлонах. Посчитаем приросты скорости, которые надо для этого сделать.
- Старт с Земли на околоземную орбиту - 7.9 км/сек.
- Старт с низкой околоземной орбиты к Луне - 3 км/сек.
- Выход на орбиту Луны - торможение на 0.8 км/сек, чтобы не пролететь мимо. Ведь для торможения в космосе тоже надо тратить горючее! После торможения скорость вращения вокруг Луны получится 1.7 км/сек.
- Посадка на поверхность - торможение с орбитальной скорости 1.7 км/сек до нуля.
- Далее в обратном порядке: выход на орбиту Луны - старт с поверхности и разгон до 1.7 км/сек.
- Переход на траекторию полета к Земле - разгон на 0.8 км/сек.
- Торможение у Земли - об атмосферу, без затрат топлива.
Американцам пришлось пойти на кучу уловок, чтобы сделать полет возможным. Корабль был разбит на отсеки. Каждый из отсеков выполняет свою задачу, а потом отстыковывается и выбрасывается, чтобы не тратить топливо в дальнейших маневрах. На Землю садилась только небольшая капсула с астронавтами массой 5 с половиной тонн (как большой джип). Эта капсула не способна обеспечивать жизнь 3 человек в космосе, поэтому практически весь полет она была пристыкована к служебному отсеку, который перед самой Землей отбрасывался и улетал в пространство вместе с кучей ценного оборудования на борту. Посадить его на Землю было невозможно - потребовалась бы дополнительная масса теплозащиты. Оставить на орбите Земли для последующих полетов тоже нельзя - для этого его пришлось бы затормозить на 3 км/с, что требует огромного количества топлива.
Для посадки на Луну использовался отдельный лунный модуль, который, опять же, состоял из 2 ступеней: взлетной и посадочной. Прилунялись обе, а вот улетала - только одна. Посадочные ступени так и стоят на тех местах, где были оставлены. Пока лунный модуль с двумя астронавтами летал к поверхности ночного светила, остальной корабль, состоящий из возвращаемой капсулы и агрегатно-приборного блока, ждал на лунной орбите с третьим астронавтом на борту. Астронавты использовали взлетную ступень, чтобы добраться до корабля, но к Земле она не летела. После того, как погулявшие по Луне астронавты возвращались на основной корабль, взлетная ступень лунного модуля была уже не нужна - ей сообщали небольшой импульс и сбрасывали на лунную поверхность, чтобы посмотреть, как бахнет.
Лунная ракета Сатурн-5 на старте весила почти 3 тысячи тонн. На низкую околоземную орбиту она поднимала 140 тонн - это сам корабль и третья ступень с остатками топлива. Сейчас таких ракет уже не делают.
Вторая часть
Третья часть