Какая польза от буксира с ядерным источником энергии на орбите вокруг Луны?
Какая польза от электрореактивного буксира с ядерным источником энергии на постоянной орбите вокруг Луны?
В статье « Экранизация проекта по использованию лунного ракетного топлива для вывода грузов с Земли и Марса» рассмотрен вариант использования транспортно-энергетического модуля мегаватной мощности на орбите вокруг Марса. Здесь модуль используется в качестве толкача орбитального аппарата-накопителя вещества из марсианской атмосферы. Использование его в таком качестве более выгодно, чем в качестве межпланетного буксира, ведь в качестве платформы системы по использованию внешних ресурсов, модуль обеспечивает получение сырья для производства ракетного топлива: за 10 лет эксплуатации масса сырья составит 6 260 тонн при собственной массе модуля около 20 тонн и массы в 20 тонн системы накопления углекислого газа и его переработки в ракетное топливо. Большую часть сырья и топлива можно доставлять на орбиту вокруг Земли и использовать для уменьшения затрат на космические полеты.
Такой же модуль с системой накопления атмосферных веществ реально использовать на орбите вокруг Титана, спутника Сатурна. Атмосфера Титана состоит в основном из азота, но на больших высотах концентрация метана и аргона многократно увеличивается, что делает выгодным использование орбитального накопителя. Первая космическая скорость у Титана меньше орбитальной скорости Марса, поэтому за 10 лет работы, электроядерный модуль обеспечит накопление 22 660 тонн азота, метана и аргона. Это сырье так же можно использовать для вывода грузов с Земли (о чем была серия статей в блоге). Однако, Титан слишком далеко находится от нас и поэтому в ближайшем будущем было бы хорошо найти какую-нибудь другую более близкую луну.
Самой близкой к нам луной является наша собственная Луна. Атмосферы на ней нет, поэтому, на первый взгляд, здесь невозможно использовать орбитальный аппарат-накопитель. Впрочем, пылевая атмосфера на Луне замечена - под действием электростатических сил, проявляющихся при воздействии солнечной радиации на реголит, вокруг Луны образуется пылевая оболочка, переменной толщины. К сожалению, плотность этого пылевого облака невысока. Поэтому, в данном случае, естественные пылевые облака придется заменить на искусственные. И практика показала, что такая замены достаточно проста и эффективна: сбросы на поверхность Луны космических аппаратов-ударников приводили к образованию достаточно плотных пылевых выбросов.
Для решения нашей задачи нет необходимости в обстреле Луны кинетическими ударниками. Локальные пылевые образования с требуемыми характеристиками можно создать намного проще, например, используя такие известные устройства как грунтомёты. На Земле такие устройства используют для тушения пожаров: грунт срезается круговой фрезой и метается на расстояние в десятки метров в очаг пожара.
Грунтомет - агрегат, содержащий корпус, привод, направляющий кожух и роторный режущий рабочий орган и предназначенный для работы на песчаных и суперпесчаных грунтах без каменистых включений. Есть варианты с почвенной фрезой, которая позволяет преодолевать без поломок ножей толстые (свыше 6 см) корни и камни.
Рабочий орган фрезерует грунт в поперечном направлении к движению трактора и мечет его на расстояние до 35 м полосой шириной от 5 до 20 м (рис. 5). Грунтомет приводится в действие от вала отбора мощности трактора через карданный вал. Трактор дополнительно оборудован толкателем бульдозерного типа. Дальность метания грунта регулируется перемещением направляющего кожуха с помощью гидроцилиндра.
Вот типичные параметры метателя грунта.
Масса грунтомета (без трактора), кг - 2250
Габаритные размеры (без трактора), мм: 8,36
длина - 1470
ширина - 1740
высота - 1760
Диаметр рабочего органа, мм - 750
Частота вращения рабочего органа, с-1 - 10,7
Разумеется, в условиях работы на Луне, показатели меняются: сила тяжести в шесть раз меньше; воздуха не тормозит поток грунта, масса агрегата может быть уменьшена в 3 раза за счет легких сплавов, скорость фрезы может быть увеличена за счет уменьшения объема метаемого грунта и повышения мощности двигателя и т.п. Существуют и малогабаритные ручные грунтомёты с массой в 50 кг мощностью около 5 кВт, соответственно, их модифицированные варианты так же найдут применение на Луне.
Типичная скорость выброса грунта в земном варианте достигает 24 м/с. Лунный грунтомет с такой же скоростью метания обеспечит выброс реголита на высоту до 86 м и в длину до 343 м. Если скорость фрезы лунного грунтомета повысить до 81 м/с, то при выбросе реголита под углом в 45 градусов достигается высота 1000 м и длина 4000 м. При скорости метания 228 м/с поток лунной пыли поднимется на высоту 8 км, а его длина достигнет 32 км. Если же максимальную скорость метания частиц лунного грунта с 228 м/с поднять до 404 м/с, то с грунтомет сформирует поток лунной пыли в форме облака, высота которого достигнет 25 км, а длина 101 км (в действительности длина будет больше из-за сферичности поверхности). Разумеется, фреза и направляющий кожух такого ультраскоростного грунтомета будет изнашиваться быстрее, чем обычно, но проблема обеспечения длительного ресурса работы решается путем регулярного автоматического наплавления и/или плазменного напыления новых слоёв металла на изношенные поверхностей фрезы и кожуха. Таким образом, имеющийся технический уровень позволяет обеспечить орбитальный лунный накопитель вещества аналогом атмосферы в виде пылевого облака, вытянутого о ходу полета КА-накопителя, которое формируется непосредственно перед пролетом аппарата на время, достаточное для аккумуляции некоторой части его вещества.
Из грунтометов со скоростью метания равной 404 м/с вдоль траектории полета орбитального накопителя лунной пыли можно сформировать кольцевую цепь станций. При средней длине окружности Луны в 10917 км потребуется всего 108 грунтометов. Разумеется, указанная численность достигается постепенно, по мере развертывания системы. Кроме того, предложенный способ подачи вещества с Луны в орбитальный накопитель не единственная - есть и другие схемы, которые рассмотрим отдельно.
Рассмотрим теперь параметры лунного орбитального накопителя на основе электрореактивного буксира с ядерным источником энергии.
Его данные приведены в таблице "Технические характеристики".
Приведенный на схеме вариант буксира нуждается в упрощении. В частности, нет необходимости в ЭРД с удельным импульсом порядка 70 км/с. Для решения рассматриваемой задачи нужны ЭРД с удельным импульсом 3,36 км/с. В качестве рабочего тела ЭРД используется кислород, извлеченный из реголита на борту станции или вода, забрасываемая в накопитель в виде измельченного льда (из соответствующих месторождений) или в виде переохлажденной струи. При мощности ЭРД равной 0,94 МВт при 50% кпд, орбитальный накопитель в течение года будет поглощать 5255 тонн вещества в виде реголита и/или лунной воды со скоростью поступления 1680 м/с, половина которого расходуется в виде рабочего тела в ЭРД со скоростью истечения 3360 м/с, а другая половина накапливается в виде сырья и перерабатывается в компоненты ракетного топлива.
Поступление лунной пыли в приемное устройство КА-накопителя при заданных параметрах равно 0,1665 кг/с. Ежесекундный расход 0,08326 кг/с. За 10 лет работы объем захваченного вещества составит 26 275 т. Эта масса в 1295 раз превышает массу буксира. С учетом массы аккумулирующего и перерабатывающего блоков пропорция будет раза в два меньше.
В варианте из 108 грунтометов, расположенных по кольцу вокруг Луны, время перелета между ними составляет около 1 минуты. КА-накопитель, пролетая сквозь пылевое облако от станции до станции в среднем захватывает около 10 кг лунной пыли. Погонная плотность пылевого облака, поступающего в накопитель, равна 100 граммам на 1 км. Разумеется, масса пыли, выброшенная единичным грунтометом будет в десятки раз больше, если пылевая струя будет формироваться традиционным способом. Однако, если пыль предварительно подвергалась грануляции, то поток лунного вещества может представлять собой последовательность стандартизированных частиц, с массой 0,1 или 1 грамм каждая, то за счет более высокой точности масса выбрасываемая единичным грунтометом может быть уменьшена до 10-100 кг. Время работы грунтомета для формирования струи длиной 101 км, равно 177 секундам. Соответственно, его полезная мощность будет находиться в диапазоне от 4,6 до 46 кВт. Эта мощность может обеспечиваться механическим накопителем, например, маховичного типа, так как большую часть времени грунтомет не работает. В течение года в сумме он работает всего 238 часов. Для зарядки маховичного накопителя потребуется источник электроэнергии мощностью от 0,14 до 1,4 кВт.
Другим возможным вариантом подачи реголита в КА-накопитель может быть его подача целостными порциями, в виде сферической формы комков из прессованной и оплавленной снаружи пыли. Здесь монолитная порция реголита должна метаться вертикально в верх (на высоту в диапазоне от 1 км до 25 км) с повышенной точностью, что бы в момент прохождения КА-накопителя с несущественным отклонением от оптимального положения быть захваченной приемным устройством. В этом случае, приемное устройство должно содержать взрывную камеру, в которой происходит гашение скорости снаряда из реголита, путем его столкновения с буферной массой в центре камеры. Схему приёма грузов, близкую к описываемой, разработал еще в прошлом веке американский изобретатель Эдвард Марвик. С учетом параметров действующих взрывных камер, масса взрывной камеры КА-накопителя для захвата 10-ти килограммовой порции лунного сырья, должна быть равна 3-4 тоннам, а масса буферного вещества должна составить около 1 тонны [примечание: в тротиловом эквиваленте кинетическая энергия 10 кг реголита, ударяющего в буферную массу приемной или "взрывной" камеры, равна 3,3 кг ТНТ].
В цифры массы, аккумулируемой орбитальным накопителем следует внести поправку на возможное бездействие грунтометов в период лунных ночей. Если энергоснабжение грунтометов или метателей монолитных порций реголита осуществляется от солнечных батарей, то масса накоплений сократится до 13 тыс. тонн. Вместе с тем, масса КА-накопителя также сократится, т.к. в периоды прекращения подачи сырья с Луны, ядерный электрогенератор может использоваться для обеспечения процесса переработки сырья в ракетное топливо, а в варианте в постоянной подачей сырья, требуется дополнительный источник электроэнергии.
UPD 1.
Click to viewАнтон Войцеховский о большой и малых взрывных камерах ОИВТ РАН.
Большая взрывная камера
Внутренний диаметр - 12 м
Масса - 470 т
Масса с подставкой - 850 т
Материал - сталь бронированная
Толщина стенок - 100 мм
Масса взрывного заряда - 1000 кг ТНТ (или 3000 кг порции лунного реголита, захватываемого КА-накопителем на скорости 1680 м/с)
UPD 2 - готовится
Продолжение по запросам читателей.
Перепост в МарсТракеторе