На гиперкосмической сквозь Солнечную систему (часть1)
На гиперкосмической сквозь Солнечную систему или как нам обойтись без баз на Юпитере для достижения гиперкосмических скоростей.
Понятие гиперкосмическая скорость еще не укоренилось в понятийном аппарате космонавтики. В сети можно найти только единичные случаи употребления термина. Но вскоре, будем надеяться, положение изменится. А как еще лаконично именовать скорости полетов космических аппаратов со скоростями в десятки и сотни километров в секунду?
В предыдущих статьях была показана возможность разгонять космические аппараты (КА) до 200 км/с за счет использования даровой гравитационной энергии Юпитера (по запатентованной, кстати, технологии). Принципиально достижимы и большие скорости, но тогда КА должны иметь отношение М1/М2 значительно больше 10. А так, хоть сегодня, ну или завтра, можно отправлять аппараты с Земли в окрестности Юпитера и там (при М1/М2=11) разгонять их до двух сотен километров в секунду. Если часть аппаратов после разгона направляется обратно к Земле, то их кинетическую энергию можно использовать для запуска простых КА суборбитального типа с Земли к Юпитеру с соответствующим мультипликативным эффектом.
Если после разгона до гиперкосмической скорости в поле Юпитера пару аппаратов направлять на облет Солнца по встречным траекториям, на безопасном расстоянии от поверхности как при полете КА типа Solar Probe (с Vmax = 200 km/s), то после встречи один из КА получит скорость 640 км/с. Такие быстрые КА удобно использовать в качестве автоматических зондов в исследованиях пояса Койпера и облака Оорта. Поскольку, как уже говорилось, предлагаемая схема разгона обеспечивает также и эффективное торможение КА у цели полета, а так же обратное возращение корабля с гиперкосмической скоростью, то становятся возможны также и пилотируемые экспедиции к объектам пояса Койпера.
Если бы в окрестностях Солнечной системы была черная дыра или хотя бы нейтронная звезда, то кинетический прямоточный двигатель мог бы обеспечить разгон КА до субсветовых скоростей, не тратя на это ни грамма ядерного или термоядерного топлива. За удовольствие межзвездных перелетов платит гравитационное поле нейтронной звезды.
Если взять типичную нейтронную звезду с массой равной двум солнечным, то на расстоянии одного радиуса (10-20 км), т.е. почти на поверхности звезды 2-я космическая скорость равна 200 тыс. км/с. На таком малом расстоянии из-за значительных приливных сил удобно запускать только микро-КА. На расстоянии 100 радиусов 2-я космическая скорость составляет только 20 тыс. км/с, но и приливные силы существенно уменьшаются, что позволяет использовать пилотируемые КА*. Здесь тандем КА обеспечивает разгон одного из них до 65 тыс. км/с. А если вспомогательный КА (с рабочим телом для кинетического прямоточника) прогнать возле нейтронной звезды на расстоянии около 10 радиусов и потом подать «струю» рабочего тела в прямоточник встречного пилотируемого КА, то межзвездные экспедиции можно осуществлять со скоростями 200-250 тыс. км/с. Так что, на сегодняшний день, проблема теперь не в возможности достижения субсветовых скоростей, а в обеспечении защиты экипажа от протонного излучения в которое превращается межзвездный водород и космической пыли, способной на такой скорости столкновения испарить корабль с экипажем. Ну и, разумеется, другой проблемой будет изыскание такой звезды в окрестностях Солнечной системы.
В электронной энциклопедии пишут, что к 2012 году открыто около 2000 нейтронных звёзд, порядка 90 % из них являются одиночными. Всего в нашей Галактике может находиться 108-109 нейтронных звёзд, то есть порядка одной на тысячу обычных звёзд. Для нейтронных звёзд характерна высокая скорость движения (порядка 200 км/с), примерно 1 раз в 500 тысяч лет одна из них проходит по дальним окрестностям Солнечной системы - облаку Оорта. Таким образом, нам осталось всего ничего - подождать полмиллиона лет появления вблизи блуждающей нейтронной звезды. Как только она появится в зоне доступности наших КА с кинетическими прямоточниками, то мы её быстро обнаружим т.к. в результате аккреции вещества облака Оорта нейтронная звезда может быть в этом случае видна с Земли в разных спектральных диапазонах, включая оптический, на который приходится около 0,003 % излучаемой энергии (соответствует 10 звёздной величине). И тогда желающие переселиться с опостылевшего Марса на прекрасные планеты других звездных систем смогут реализовать свое желание.
К сожалению, нейтронная гостья заставляет себя долго ждать потому придется обратиться к другим способам использования кинетических прямоточников для достижения гиперкосмических и субсветовых скоростей. Такие способы есть.
Продолжение следует
Примечания
*) На самом деле перегрузки при таком орбитальном способе ускорения КА будут по прежнему огромными и перенести их смогут только "железные дровосеки". Для КА с экипажем необходим линейный путь разгона, который создается подачей треков с орбиты нейтронной звезды.
UPD. Для тех, кто разучился считать или в конец обленился, поясню кратко, как возникает тяга в кинетическом прямоточнике. А дело обстоит просто. Попадая во входной диффузор-аэродинамическое окно, а затем в рабочую камеру, трос (корд, трек) тормозятся и испаряются за счет выделяющейся кинетической энергии. Например, в прямоточнике КА на орбите вокруг Юпитера, каждый 1 кг рабочего тела, поступающего в двигатель, при торможении выделяет столько энергии как 1700 кг тринитротолуола. Так вот, далее, по рецепту И.А.Меркулова в камеру «сгорания» подается еще 1 кг рабочего тела из бортовых запасов КА. После смешения газ, точнее плазма, выбрасывается через сопло. Если кпд движка равен 0,87 процентам, что на самом деле заниженная величина в виду быстротечности процессов, то не трудно оценить удельный импульс кинетического кинето-реактивного двигателя. Входная скорость потока рабочего тела равна 119 км/с (удвоенной 2-й космической на минимальной высоте). Импульс движения на входе равен 1 кг * 119000 м/с (это импульс торможения), а импульс на выходе 2 кг * 78500 м/с. Разница этих величин определяет фактический импульс. Он равен 40500 кг*м/с. В расчете на расход рабочего тела из бортовых запасов удельный импульс тяги двигателя равен 40500 м/с (4133 с). Однако, с учетом того, что КА разгоняется и, соответственно, растет относительная скорость входа трека в двигатель, то растет и удельный импульс тяги. Эту зависимость можно выразить через формулу, наподобие, формулы Циолковского. Те, кто не хочет повторять теоретический подвиг Циолковского, может получить точное значение скорости разгона КА численным методом, например, в таблицах Excel.