КАК НАМ ОРГАНИЗОВАТЬ ВЫВОЗ АНОБТАНИУМА С МАРСА НА ЗЕМЛЮ? (2)

[alboros]

Как нам организовать вывоз анобтаниума с Марса на Землю? Часть вторая.

Не инженер да не войдет.
Для гуманитариев здесь будет скучно.

Тормозная трасса для корабля с беженцами переселенцами, запускаемого от Земли к Марсу по параболической траектории, имеет массу меньше 30 процентов массы корабля, что делает выгодным такой способ торможения по сравнению с торможением ракетным двигателем. Радиус кривизны тормозного трека из вещества Фобоса равен 9377,2 км. При движении корабля по этому пути с начальной скоростью 20,9 км/с (в действительности на этой высоте скорость будет меньше указанной), центробежное ускорение в 4,75 раз превысит ускорение земного тяготения (предполагается, что центростремительная сила первоначально, т.е. в первые 10 секунд, создается бортовым ракетным двигателем, а затем прямоточным, за счет вещества трека). Если допустить, что линейное, вдоль трека, торможение корабля даёт перегрузку в 1,5 g, то результирующий вектор перегрузки не превысит 5 g, а затем будет убывать по мере торможения корабля и уменьшения центробежного ускорения. Для переселенцев-энтузиастов это терпимая величина.

В случае использования вещества Фобоса, имеется некоторая сложность - дугу тормозного трека необходимо разместить в плоскости орбиты Марса, по которой идет траектория полета корабля, т.к. орбита Фобоса имеет наклон к этой плоскости около 25 градусов. Создание тормозного пути в нужной плоскости - решаемая проблема, но ресурсозатратная. В плане экономии ресурсов, создание аналогичного тормозного участка из вещества Деймоса более привлекательно. Радиус кривизны такого трека 23458 км.  При движении корабля по этому пути с начальной скоростью 20,9 км/с, центробежное ускорение в 1,9 раз превысит ускорение земного тяготения. При допущении, что линейное торможение корабля даёт перегрузку в 3,5 g, то результирующий вектор перегрузки не превысит 4 g, что значительно лучше, чем в варианте с треком из вещества Фобоса.

Ситуация с торможением корабля при быстром перелете становится еще проще если вместо 70 суток перелета, экипаж и пассажиры будут экспонироваться под космической радиацией 150 суток. В том случае вместо 16,7 км/с отлет с орбиты Земли потребует всего 12 км/с, а скорость прибытия к Марсу вместо 20,9 км/с понизится до 8,7 км/с. В любом случае это лучше длительного перелета в течение 259 суток по экономной траектории Гомана, когда ракете нужно сообщить начальную скорость 11,59 км/сек (с посадочной скоростью всего в 5,7 км/с).
Тормозные треки можно разместить также в точках либрации L1 и L2, при наличии экономных способов транспортировки туда вещества спутников Марса. В этих зонах треки не имеют изгибов и величина торможения может быть максимальной. Нужное направление и натяжение тросов здесь не сложно создать микроракетными двигателями на концах тросов.

Вместе с тем, наиболее эффективным торможение кораблей будет на низких орбитах. При скорости подлета в 8,7 км/с участки торможения целесообразно создавать на круговых орбитах в диапазоне высот 500-1000 км. Впрочем, если корабли имеют корпуса с аэродинамическим качеством, таким что обеспечивается принудительное удержание корабля в атмосфере при торможении, то реализация 150-ти суточного перелета не потребует использования тормозных треков, т.к. в данном случае перегрузки не превысят 4 g.

Грузовые корабли, в отличие от пассажирских, могут прибывать на Марс по полуэллиптическим траекториям Гомана с длительным временем перелета,  и в виду низкой скорости прибытия не нуждаются в искусственных тормозных участках, т.к. могут использовать естественную тормозную среду - марсианскую атмосферу.

Большая часть беспилотных кораблей не совершает посадку на Марс, а производит частичное торможение в атмосфере (уменьшая скорость с 5,7 км/с до 5 км/с) и выходит на сильно вытянутую эллиптическую орбиту ожидания. Разгрузка и загрузка таких кораблей осуществляется межорбитальными аппаратами, база которых расположена на Деймосе. Плоскость орбиты Деймоса наклонена по отношению к плоскости орбиты межпланетных грузовиков. Поэтому, межорбитальные грузовики стартуют с базы на Деймосе с приращением скорости на 0,555 км/с, переходят на вытянутую эллиптическую орбиту и в апоцентре с незначительными затратами топлива производят изменение наклона орбиты и высоты перицентра. Третий корректирующий импульс, величиной около 0,03 км/с, сообщается в перицентре, что приводит к переходу межорбитальных грузовиков на общую орбиту с грузовиками межпланетными, и последующей стыковкой аппаратов. После обмена грузами, межорбитальные аппараты возвращаются на Деймос, в порядке обратном выше изложенному, а межпланетные грузовики дожидаются стартового окна и отправляются к Земле.  Для старта к Земле необходимое приращение скорости кораблей составляет всего 0,7 км/с (предполагается, что используется то выгодное положение планет, при котором нет нужды в коррекции траектории корабля из-за разности в наклонах орбит).

В качестве груза межпланетный корабль получает порцию рабочего тела (для кинетических прямоточников) в виде кассет (катушек, бобин) с тросами, произведенными из реголита на базе Деймоса, а также запас ракетного топлива, тоже произведенного из местного сырья на Деймосе.

На подходе кораблей к Земле, бортовая автоматика производит разворачивание троса, его натяжение и ориентацию по вектору скорости. На высоте 100-150 км эти треки, имеющие скорость более 11,6 км/с, используются по известному методу, в качестве рабочего тела кинетических прямоточных двигателей. Суборбитальные ракеты-носители, поднимают грузовые капсулы с прямоточными двигателями, и позиционируют капсулы на пути движения гиперзвуковых потоков вещества. В результате передачи кинетической энергии от тросов, капсулы приобретают скорость около 9 км/с и выходят на околоземные орбиты. В свою очередь, межпланетные грузовые корабли, после сброса груза, притормаживают в атмосфере до скорости 10,6 км/с и переходят на эллиптические орбиты ожидания.



Каждая 1 тонна рабочего тела, доставленного с Деймоса, обеспечивает вывод с Земли 1 тонны грузов. Для подъема груза с Земли требуется суборбитальная ракета с характеристической скоростью 2 км/с что делает доставку грузов в космос с Земли проще, чем с Луны, для старта с которой необходима характеристическая скорость в 2,7-3 км/с.  Для таких пусков без ограничений могут использоваться ракеты с так называемыми холодными двигателями и вытеснительной системой подачи топлива в двигатели, которые могут иметь ресурс более 1000 пусков и стоимость в 100 раз меньшую, чем ракеты с горячими двигателями и турбонасосной системой подачи топлива. Соответственно стоимость запусков такими ракетами понижается до уровня близкого к стоимости израсходованного ракетного топлива.

Часть капсул с грузом, выведенных на околоземные орбиты, получают разгонный импульс от бортовых ракетных двигателей величиной около 1,6 км/с, переводятся на орбиты ожидания межпланетных грузовиков, стыкуются с ними и производят передачу ракетного топлива и грузов для базы на Деймосе. Затем, межпланетные грузовики (в период возникновения стартового окна) за счет импульса в перигее величиной 1 км/с, который выдается бортовой ракетной установкой, выходят на гомановскую орбиту полета к Марсу. Цикл замыкается.

Другая часть капсул с грузами, используется для обеспечения деятельности в околоземном космическом пространстве, например, для строительства космических солнечных электростанций и промышленных комплексов на Луне. Напомним, что стоимость таких космических стройматериалов будет на порядки ниже нынешних цен.

Рассмотрим отдачу от межпланетных кораблей, доставляющих к Земле вещество марсианского спутника. В качестве примера возьмем группу грузовиков с общей массой 100 т. При использовании ракетного двигателя на высококипящем топливе (с уд. имп. 3340 м/с) для разгона до 0,7 км/с, конечная масса группы составит 81 т. При массе корпусов кораблей в 10 т, суммарная масса полезного груза равна 71 т. С помощью этой массы груза, при пролете возле Земли, на орбиту с Земли выводится 71 т новых грузов: ракетное топливо, конструкционные материалы и агрегаты для космических электростанций.

Из этой массы полезного груза 9,6 т должны составлять межорбитальные аппараты, которые доставляют топливо к межпланетным кораблям, находящимся на орбите ожидания. Это требует дополнительного разгона аппаратов до 1,6 км/с. При тех же параметрах двигателя и массовых пропорций корпуса, масса топлива для межпланетных грузовиков будет равна 5 т. С этим запасом группа межпланетных кораблей, с общей массой конструкции 10 т, добрав скорость в 1 км/с, может вернуться к Марсу, дозаправиться и вновь доставить к Земле порцию рабочего тела (разгонные тросы) массой 71 т, с учетом вычета 9,6 т, каждый оборот эскадра межпланетных кораблей будет обеспечивать вывод с Земли 61,3 т полезных грузов, которые могут использоваться в околоземном пространстве самым различным образом. Таким образом, на каждую 1 т массы конструкции межпланетных грузовиков приходится 6 т грузов, вытягиваемых из гравитационной ямы в околоземный космос каждый полет по маршруту «Земля-Марс-Земля».

Если этот прирост направить на расширение грузопотока к Марсу и обратно, то его рост будет происходить в геометрической прогрессии.

Для наглядного примера рассмотрим ситуацию, когда на околоземной орбите ожидания находятся корабли, готовящиеся к полету к Марсу. Суммарная масса кораблей 100 т, скорость в перигее 9 км/с. При получении разгонного импульса в 2,6 км/с, корабли уходят к Марсу. Грузом таких кораблей являются они сами, т.е. на марсианскую орбиту они выходят уже пустые, без топлива и груза. Однако, при сухой массе на орбите Марса равной 45,9 т, грузовики могут принять кассеты с тросами и запас ракетного топлива общей массой в 9 раз больший чем масса корпуса. Таким образом перед отправкой с орбиты Марса к Земле, стартовая масса эскадры грузовиков будет равна 459 т.

На околоземную орбиту эскадра доставит 326 т разгонных тросов, с помощью которых с Земли будут выведены дополнительные межпланетные грузовики с запасом топлива на полет к Марсу. Теперь на земной орбите стартовая масса эскадры будет 372 т, а к Марсу эскадра прибудет с финишной массой 171 т. Загрузка и заправка кораблей продукцией с базы на Деймосе увеличит стартовую массу эскадры до 1710 т. В итоге на околоземную орбиту будет доставлен груз в виде разгонных тросов массой 1215 т.

На третьем старте от Земли к Марсу начальная масса эскадры поднимается до 1396 т, а на обратном пути к Земле стартовая масса возрастает до 6364 т, что дает на околоземной орбите 4524 т.

На четвертом старте от Земли к Марсу масса армады у Земли равна 5160 т, а у Марса - 2369 т. После загрузки продукцией с Деймоса стартовая масса грузовиков снова увеличивается в 10 раз и достигает 23690 т. В результате на орбиту Земли доставляется груз в виде разгонных тросов массой 16845 т.

Таковы итоги четырех экспедиций к Марсу при наличие производственной базы на Деймосе и использования кораблей с кинетическими прямоточными двигателями. За четыре оборота масса космических аппаратов на околоземной орбите возросла в 168 раз. Соответственно, за восемь оборотов начальная масса космической техники возрастет в 28375 раз и при заявленной начальной массе в 100 тонн составит 2,8 млн. тонн! Расчеты здесь конечно ориентировочные, но даже при использовании уточненных данных, прогрессивный характер роста сохранится. Кроме того, в случае производства даже небольшой части конструкций и агрегатов кораблей на производственной базе Деймоса, темпы роста резко возрастают.

Рассмотренная модель эксплуатации вещественно-энергетических ресурсов Марса и его спутников выглядит весьма привлекательной, но длительность полетов к Марсу и обратно (11 лет для 8 экспедиций), несколько портит картину. И это обстоятельство является своего рода доказательством необходимости разработки в первую очередь вещественно-энергетических ресурсов системы «Земля-Луна» - время полета к Луне и обратно укладывается в одну неделю вместо 500 дней марсианской экспедиции. Большие чем на Деймосе топливно-энергетические затраты разработки запасов механической энергии Луны не должны смущать, т.к. они полностью перекрываются ростом в результате большего числа оборотов космических грузовиков. Таким образом, путь к марсианским залежам анобтаниума лежит через лунные золото-платиновые копи и честный труд в подлунных лабиринтах.

В следующей статье мы рассмотрим схему использования потенциальной энергии вещества Луны в земном гравитационном поле для недорогого вывода больших масс грузов и техники с Земли в космос.



.

.ю . .  .

Кинетический двигатель.
Цифрами обозначены:
1 - корпус двигателя;
2 - днище камеры
с вспомогательной буферной
массой;
3 - камера двигателя;
4 - система охлаждения;
5 - сопло двигателя;
6 - входящий высокоскоростной
трек вещества с Земли или с Луны

Трек (6) входит в камеру (3) кинетического двигателя, расположенную
в кормовой части запускаемого аппарата. Там он ударяется о днище камеры (2), снабжённое
абляционным покрытием и вспомогательными буферными массами. Удар приводит к испарению
большей части вещества трека и выбросу образовавшихся газов в обратную сторону через
коническое сопло двигателя (5) - мы получаем реактивную струю, разгоняющую аппарат.
Накопление грузов отсутствует - используется, в физико-теоретическом смысле, упругий удар.
Масса камеры снижается до значений, близких к значениям существующих ракетных двигателей.
В результате масса летательного аппарата в абсолютном и в удельном значениях доводится до
величин, позволяющих совершать запуски таких аппаратов с Земли.
ТЕХНИКА_МОЛОДЁЖИ | №934 | июль_2011
.