Для чего нам в окрестностях Земли нужна Луна и база на её поверхности?
В предыдущем обзоре вариантов развертывания гравитационно-кинетической КТС (и системы космической обороны на её основе) мы обещали рассмотреть перспективы применения КА с космическими воздушно-реактивными двигателями (ВРД) И.А. Меркулова. Так вот - ещё не время. Космический ВРД хорош для планет-гигантов, а у нас задача начать проект поближе к Земле. И здесь выясняется, что на пути к газовым гигантам пока нет ничего лучше рогозинской лунной базы. Ну, разумеется, с важными поправками - база будет хороша и полезна только как площадка для новых видов космического транспорта. Обычные ракеты здесь бесполезны. А поскольку на сегодняшний день нет ничего лучше КТС, черпающего энергию из гравитационных полей планет и Солнца, то продолжим ранее начатое рассмотрение нашего проекта. Разберемся, как Луна поможет нам добраться до Юпитера и создать надежную систему защиты власть имущих от грозящей им с неба астероидно-кометной опасности.
По отношению к Земле Луна представляет собой подобие горного озера. Что бы воспользоваться его энергией надо только преодолеть барьер из ограждающих его стен, а затем оно самотеком пойдет в долину. Если высоту условных стенок принять за 100 метров, то высоту водопада тогда надо приять равной 2100 метрам. Таково соотношение затраты энергии на переброску вещества через гравитационный барьер Луны и энергии полученной при сбросе вещества на Землю.
Ничего принципиально нового, по сравнению с ранее изложенными вариантами извлечения энергии из гравитационных полей Марса, Юпитера и Сатурна. Но в деталях будут отличия. Итак смотрим что нам надо для вскрытия запасов энергии системы Земля-Луна. Во-первых, нужна площадка на поверхности Луны, с которой могут стартовать и на которую могут прилуняться космические аппараты. На этой площадке должны быть емкости для хранения запасов лунной воды и ракетного кислородно-водородного топлива. Должны быть на этой базе и средства извлечения воды из реголита, а также переработки воды в ракетное топливо и в гидрогель, используемый в производстве корда для кинетических двигателей. Во-вторых, нужны космические аппараты (КА), которые помимо обычных ракетных двигателей оснащены прямоточными кинето-реактивными двигателями либо используют гибриды обоих видов двигателей. В третьих, нужны наземные производственные мощности и стартовые площадки, а так же многое другое, что предполагается по умолчанию.
Транспортная система работает следующим образом. Первоначально, с лунной базы запускается КА за счет использования вспомогательного ракетного бустера. Это КА под номером один (КА-1). КА использует ракетное топливо произведенное на Луне. Полезный груз КА - катушка с кордом из армированного гидрогеля. КА выходит на низкую окололунную круговую орбиту и находится на ней некоторое время в режиме ожидания. В необходимый момент КА включает водородно-кислородные ракетные двигатели и получает разгонный импульс величиной до 736 м/с. Суммарная скорость - до 2416 м/с. При такой скорости КА способен покинуть и Луну и сферу действия Земли. Эта величина скорости берется как предельная, для того что бы можно было оценить технические параметры используемого КА. На практике КА не требуется выводить в межпланетное пространство.
В результате КА покидает окололунную орбиту и выходит на околоземную эллиптическую орбиту с предельно низкой высотой в перигее, например, 120-150 км. Низкая перигейная высота задается не сразу, т.к. на новой орбите КА может так же находится в режиме ожидания. В перигее ракетный двигатель включается еще раз и КА сообщается разгонный импульс величиной 2000 м/с. С учетом уже имеющейся скорости, КА получает суммарную скорость около 13000 м/с при затратах характеристической скорости в 2736 м/с. Запуск КА с околоземной орбиты производится с таким расчетом, что бы он вернулся на Луну.
При старте с околоземной орбиты со скоростью 13000 м/с КА на расстоянии одного радиуса лунной орбиты будет иметь скорость 6930 м/с. С учетом орбитальной скорости Луны и ускорения в гравитационном поле КА при падении на лунную поверхность будет иметь скорость 7464 м/с. При падении траектория полета КА проходит по касательной к поверхности Луны. Под точкой траектории максимально приближенной к лунной поверхности размещается стартовая площадка лунной базы. КА-1, приближаясь к стартовой площадке, используя соответствующее бортовое оборудование, производит вытяжение корда. Корд вытягивается вдоль траектории полета КА. Особенности вытяжения и использования корда уже неоднократно рассматривались, поэтому здесь не будем вдаваться в подробности. Таким образом, КА-1, возвращающийся обратно на Луну, после облета Земли с запасом лунного вещества, при затратах 2739 м/с характеристической скорости, создает в пространстве над базой «струю» из лунного вещества, скорость которой теперь 7464 м/с. Получен прирост энергии. Эта «струя» обладает таким запасом кинетической энергии, что способна при упругом столкновении разогнать какое-либо тело до первой космической скорости на Луне (1680 м/с) с массой превышающей массу КА-1. В данном случае в качестве такого ускоряемого «струей» тела используется КА-2.
Запуск КА-2 выглядит следующим образом. Аппарат, используя ракетные двигатели поднимается на высоту около 100 метров в точку, находящуюся на траектории пролета КА-1 над базой, а точнее пролета созданной им разгонной «струи», и зависает в этой точке на несколько секунд, ожидая столкновения с разгонной «струей». Во время зависания производится дополнительная корректировка положения КА-2 относительно пропеллентного потока вещества.
Click to viewПри столкновении «струя» гидрогеля поступает через сопло прямоточного двигателя в газонаполненную камеру двигателя, тормозится, передает часть импульса и испаряется в камере, а затем в виде потока газа выбрасывается в обратном направлении, создавая дополнительную тягу. Струя входит в двигатель через встречный газовый поток, идущий из сопла что исключает механический контакт. При указанной скорости «струи» каждый 1 кг массы корда из гидрогеля ускоряет 7,81 кг массы стартующего КА-2.
Примем, для удобства рассмотрения, что стартовая масса КА-1 равна 1000 кг. При использовании кислородно-водородного топлива с удельным импульсом 4500 м/с на получение характеристической скорости 2736 м/с конечная масса КА-1 составит 544 кг. При возможной массе конструкции КА-1 в 80 кг, масса полезного груза составит 464 кг. Полезный груз - это катушка с кордом из армированного гидрогеля (или любого другого материала полученного из лунного сырья и удобного для применения в качестве пропелентной «струи»). Разгонная струя, имея скорость около 7,5 тыс. м/с, разгоняет КА-2 до скорости 1680 м/с. Масса КА-2 равна 2159 кг, т.е. прирост массы почти 116%.
После выполнения своей миссии, КА-1 может больше не использоваться. Он либо продолжает свой полет и уходит в межпланетное пространство либо в результате коррекции траектории после вытяжения корда разбивается о лунную поверхность на специально отведенном за пределами базы участке, например, на склоне кратерного вала. Возможно и многократное использование КА - для этого они затормаживаются встречными пропеллентными потоками, которые создаются вспомогательными КА, обращающимися по встречным орбитам. Для аппарата массой 80 кг требуется тормозная «струя» с массой около 24 кг.
КА-2, совершает такой же маневр как и КА-1. Возвращаясь, КА-2 выводит в космос КА-3. Масса КА-3 так же увеличена на 116%. Соответственно, КА-3 обеспечивает запуск КА-4, затем следуют номера 5, 6, 7 и т.д. Процесс наращивания массы запасов кинетического «топлива» на окололунной и околоземной орбитах продолжается до тех пора, пока не будет достигнута запланированная масса грузов и оборудования, величина которой определяется задачами развертывания системы космической обороны.
На практике будут использоваться стандартизированные КА равной массы, поэтому процесс будет выглядеть не как запуск единичных аппаратов, а как запуск групп аппаратов. Например, группа КА-1, численностью 10 штук, обеспечивают запуск второй группы КА-2, численностью 21 штук, а на этой основе производится запуск третьей группы КА-3, численностью 46 штук. В четвертом пуске производится запуск КА-4 численностью 100 штук, в пятом - 217 штук, в шестом - 469 и т.д. Для продолжения процесса необходимо иметь соответствующее расширяющееся лунное производство КА, ракетного топлива и рабочего тела для пропеллентных «струй». В перспективе так и будет. А на первом этапе основные космические аппараты будут поставляться с Земли в готов виде.
Доставка КА на лунную базу, разумеется, осуществляется за счет ресурсов рассматриваемой транспортной системы. Часть лунных КА, проходя перигейный участок орбиты, создает пропеллентные потоки, которые используются для разгона КА, выводимых с Земли. Поскольку масса конструкций КА невелика (в 11,5 раз меньше массы груза и топлива), то расход ресурсов на снабжение базы новыми КА будет незначителен. Для запуска КА с Земли с начальной скоростью 9 тыс. м/с потребуется пропелентный поток лунного вещества с массой равной массе КА. Далее эти КА доставляются на Луну вспомогательными КА за счет запасов ракетного топлива, выработанного на Луне. Аналогичным способом на Луну доставляется дополнительное оборудование необходимое для расширения производства ракетного топлива и рабочего тела пропеллентных потоков. Цена такой транспортировки составляет 1-5% от нынешних цен т.к. для запуска с Земли используются суборбитальные летательные аппараты - грузы необходимо только поднять за пределы атмосферы, а дальнейшее их ускорение производят пропеллентными потоками.
Транспортная система космической обороны, как было выше показано, может наращивать свою мощность и запасы кинетической энергии в геометрической прогрессии. Окололунные орбиты используются здесь как своего рода аккумулятор кинетической энергии для системы защиты Земли от космических угроз. Часть этой растущей мощи и запасов используется для нужд всей космонавтики - астронавты ведь пока на Земле, а не на Луне живут. Другая, большая часть резервируется на случай экстренной нейтрализации космической угрозы, а так же направляется на развитие транспортно-аккумулирующей системы космической обороны на базе других планет, прежде всего таких как Юпитер и Сатурн. Соответствующие этой стадии развития проекты были опубликованы в предыдущих обзорах. Пока, на данный момент нет адекватных по перспективам и простоте исполнения проектов КТС для космической обороны Земли. Большая часть энерго-вещественных ресурсов, до 90% здесь берется из имеющихся источников. Если кто-то предложит нечто более совершенное, то это будет замечательно, но пока таких предложений нет. Гравицапы, ковры-самолеты, наследство добрых джинов-инопланетян - это пока зыбкие мечты, а не твердые инженерные расчеты. И пока одни предаются фантазиям, другим пора взяться за дело.
.
UPD 05/11/2013
1. Выше приведенные данные по приросту массы в КТС Л-З-Л занижены на 40 процентов. В действительности на каждом обороте масса увеличивается почти в 3,5 раза. Расчеты приведены в таблице.
2. Значение скорости в перигее равное 13 км/с не имеет никакого отношения ко дню всех святых. Это оптимальное значение скорости, при котором обеспечивается наибольший прирост массы.
Смотри таблицу.
ТАБЛИЦА
.
Продолжение здесь
Перепост в МарсТрактор