ДЛЯ ЧЕГО НАМ НУЖНЫ БАЗЫ В ОКРЕСТНОСТЯХ ЮПИТЕРА? (2)
Продолжение. Начало здесь.
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?
UPD2. Вариант работы кинетического прямоточника на примере использования вещества спутника Юпитера S/2003 J 2.
Средний радиус орбиты - 29 541 000 км.
Средняя скорость на орбите - 2 192 м/с.
Диаметр около 2 км. Масса ~1,5·1013 кг.
На спутнике размещена автоматическая станция, с оборудованием по производству ракетного топлива и разгонного трека (троса) из запасов углеводородов спутника, а также контейнеров и другого вспомогательного оборудования для укладки и транспортировки разгонных тросов.
Корабль с прямоточным двигателем, стартующий с этого спутника практически ничего не затрачивает на старт. Но, для перехода на эллиптическую орбиту, с перицентром на высоте 71500 км, он должен погасить 2,048 км/с (2,192 км/с - 0,144 км/с).
Корабль-грузовик с заготовкой в виде свернутого троса, который должен по ретроградной орбите выйти в перицентре навстречу первому кораблю, должен полностью погасить орбитальную скорость плюс разогнаться в противоположном направлении т.е. приобрести скорость 2,336 км/с (2,192 км/с + 0,144 км/с). В результате оба корабля переходят на эллиптическую орбиту с перицентром на высоте 71500 км и апоцентром на высоте 29 541 000 км, по которой они обращаются на встречу друг к другу. В перицентре они будут иметь скорость относительно условной поверхности Юпитера равную 59,457 км/с, а по отношению к друг к другу 118,914 км/с. В апоцентре соответственно 0,144 км/с и 0,288 км/с.
Массы кораблей почти равны, поэтому можно затраты и выигрыши энергии привести к их суммарной массе и на основании средней скорости в апоцентре и относительной в перицентре. Тогда имеем отношение квадрата 118,914 км/с и квадрата 2,192 км/с, что дает величину энергетического выигрыша в 2943 раза, почти в 3 тысячи раз больше первоначальных затрат.
На практике и эту величину можно многократно увеличить, так как система спутников Юпитера включает в себя тела (в том числе S/2003 J 2), идущие по ретроградным орбитам, что позволяет осуществлять переходы кораблей на эллиптические орбиты за счет кинетической энергии встречного движения вещества спутников, т. е. практически даром.
Примечание. Данные по спутнику Юпитера приблизительны, величина высоты перицентра принята в качестве условного примера.
(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").
Перепост "Юпитер - ключ к Солнечной системе?"
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?
UPD2. Вариант работы кинетического прямоточника на примере использования вещества спутника Юпитера S/2003 J 2.
Средний радиус орбиты - 29 541 000 км.
Средняя скорость на орбите - 2 192 м/с.
Диаметр около 2 км. Масса ~1,5·1013 кг.
На спутнике размещена автоматическая станция, с оборудованием по производству ракетного топлива и разгонного трека (троса) из запасов углеводородов спутника, а также контейнеров и другого вспомогательного оборудования для укладки и транспортировки разгонных тросов.
Корабль с прямоточным двигателем, стартующий с этого спутника практически ничего не затрачивает на старт. Но, для перехода на эллиптическую орбиту, с перицентром на высоте 71500 км, он должен погасить 2,048 км/с (2,192 км/с - 0,144 км/с).
Корабль-грузовик с заготовкой в виде свернутого троса, который должен по ретроградной орбите выйти в перицентре навстречу первому кораблю, должен полностью погасить орбитальную скорость плюс разогнаться в противоположном направлении т.е. приобрести скорость 2,336 км/с (2,192 км/с + 0,144 км/с). В результате оба корабля переходят на эллиптическую орбиту с перицентром на высоте 71500 км и апоцентром на высоте 29 541 000 км, по которой они обращаются на встречу друг к другу. В перицентре они будут иметь скорость относительно условной поверхности Юпитера равную 59,457 км/с, а по отношению к друг к другу 118,914 км/с. В апоцентре соответственно 0,144 км/с и 0,288 км/с.
Массы кораблей почти равны, поэтому можно затраты и выигрыши энергии привести к их суммарной массе и на основании средней скорости в апоцентре и относительной в перицентре. Тогда имеем отношение квадрата 118,914 км/с и квадрата 2,192 км/с, что дает величину энергетического выигрыша в 2943 раза, почти в 3 тысячи раз больше первоначальных затрат.
На практике и эту величину можно многократно увеличить, так как система спутников Юпитера включает в себя тела (в том числе S/2003 J 2), идущие по ретроградным орбитам, что позволяет осуществлять переходы кораблей на эллиптические орбиты за счет кинетической энергии встречного движения вещества спутников, т. е. практически даром.
Примечание. Данные по спутнику Юпитера приблизительны, величина высоты перицентра принята в качестве условного примера.
(возможно здесь допишу еще несколько строк)
Click to viewВидео 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").
Перепост "Юпитер - ключ к Солнечной системе?"