Лунная реактивная катапульта с минимальным расходом ракетного топлива
Всё для лунной базы! Всё для успеха колонистов!
Лунная база второго этапа может быть оснащена описываемым ниже вариантом лунной катапульты. Здесь вместо известной системы электромагнитного разгона грузовых контейнеров применяется более простая новаторская ракетная система. Её основу образует трубопровод на поверхности Луны, в котором, при выбросе грузов с Луны в космос, осуществляется разгон и торможение многоразовых ракетных бустеров с сохранением внутри трубопровода газов реактивной струи. Отработанное рабочее тело собирается, регенерируется и повторно используется.
В случае использования кислородно-водородного топлива, продукты сгорания в виде паров воды и/или ледяного осадка на стенках трубы собираются и перерабатываются электролизным способом в ракетное кислородно-водородное топливо для повторного использования.
Возможен вариант ракетной трубопроводной катапульты на основе бустеров с твердофазным ядерным ракетным двигателем (ТФЯРД) с водородом в качестве рабочего тела. В этом случае не требуется переработка отработанных газов ракетного двигателя - необходимо только аккумуляция разряженной водородной среды внутри трубопровода, сжатие и охлаждение для получения жидкого водорода, пригодного для использования в ядерном бустере. Здесь может использоваться низкотемпературный ядерный реактор (с большим ресурсом работы) в виду того, что в для эффективного разгона в лунных условиях достаточно использовать водородный двигатель с невысоким удельным импульсом: 4000-6000 м/с.
Давление внутри трубопровода может составлять на разных участках от 1/1000 до 1/10000 бар. Бустеры оснащены теплозащитой и тормозными экранами, которые обеспечивают их торможение и остановку после сброса грузового контейнера на участке максимального разгона. Контейнеры сбрасываются в средней части трубопровода при достижении скорости 1700-2400 м/с. При использовании бустеров с высоким удельным импульсом вместо торможения на основе взаимодействия с газовой средой трубопровода, как вариант может использоваться торможение за счет работы ракетных двигателей.
Трубопровод может быть выполнен полностью герметичным, без открытых участков для выброса грузовых контейнеров. Это возможно в результате использования магнитной сцепки между бустером, движущимся внутри трубопровода и грузовым контейнером, размещенным снаружи трубопровода. Здесь используется магнитное поле, проникающее через стенку трубопровода и связывающее таким образом магнитные системы подвеса бустера и грузового контейнера в процессе разгона.
В качестве бустеров могут использоваться аналоги ракет «V2», «Викинг» или «Аэроби-Хи». Разумеется, более надежными будут бустеры с газовытеснительной системой подачи топлива. При относительно умеренных средних ускорениях порядка 80 м/с2, разгонные участки для достижения скорости 1700 м/с равны 18 км, а для скорости 2400 м/с равны 36 км. Вместе с участками торможения полная длина трубопровода составит 36 и 72 км соответственно. В предыдущих статьях давался расчет масс трубопроводов из различных материалов с толщиной стенки 0,25 мм (для защиты от метеоритной эрозии трубопровод засыпается реголитом). Для километрового участка такого трубопровода из алюминиевого сплава, при диаметре 1,5 метра, его масса будет равна 3 тоннам. Соответственно, масса путевой структуры катапульты будет равна 108 и 216 тоннам. К этому следует приплюсовать массу системы регенерации топлива, для неядерного варианта, где при мощности электролизеров в 1 МВт из воды будет производиться 1000 тонн ракетного топлива каждый год. Здесь дополнительная масса не должна превысить 10-20 тонн даже с учетом массы фотоэлектрических преобразователей.
Для лунной базы так сказать полуторного этапа, реально использование более простой системы взлетно-посадочной трубопроводной путевой структуры. Например, для вывода грузового контейнера на низкую окололунную орбиту может использоваться стартовый участок протяженностью только 18 км с массой 54 т. В этом случае, почти все «выхлопные газы» ракетного двигателя улавливаются и повторно используются. Тот же короткий трубопровод может использоваться для приема посадочных модулей, что потребует незначительно увеличения массы трубопровода из-за создания дополнительной открытой путевой структуры, к открытой поверхности которой модуль, оборудованный электродинамическим подвесом, первоначально прижимается вспомогательными ракетными двигателями: с этого участка модуль затем через разрывную мембрану шлюза входит в трубопровод и тормозится в нем при помощи своего ракетного двигателя. Отработанные газы сохраняются, аккумулируются и после переработки повторно используются при старте этого же взлетно-посадочного модуля. В результате применения такой взлетно-посадочной системы масса грузов, доставляемых на Луну, увеличивается в несколько раз.
Эта же транспортная система может применяться и для посадки и старта пилотируемых модулей, для чего вместо грузовых контейнеров модули оснащаются двухместными кабинами сечением 0,7 х 1,5 метров, и применяется трубопровод диаметром до 2 метров. Ускорение 8-10 g астронавтам придется потерпеть, что возможно без ущерба т.к. время действия ускорения при разгоне до первой космической скорости составит только 21 секунду (для достижения второй космической скорости потребуется потерпеть 30 секунд).
Аналогичную систему можно применить так же в составе лунной орбитальной станции (в том числе в составе орбитального накопителя лунного вещества), однако из-за необходимости обеспечения защиты трубопровода от метеорной эрозии, масса такой системы ускорения модулей будет значительно больше её налунного варианта.
Настоящий проект представлен в концептуальном виде. Графические и другие материалы могут быть даны в ходе последующего обсуждения проекта
Примечания
1. При разгоне и торможении бустеров в трубопроводе возникают пульсирующие давления. В связи с этим стенки трубопровода могут дополнительно укрепляться ребрами жесткости, например, в виде трубок, которые наполнены газом или реголитом, а так же аналогами анкерной системы крепления стенок трубы к окружающему лунному грунту. При толщине стенок поддерживающих трубок 0.1-0.25 мм и несплошном их размещении суммарная масса ребер жесткости будет находится в диапазоне 3-11 тонн.
2. Ракетная катапульта при запуске квантов грузов 100 кг/минуту обеспечивает грузопоток до 50 тыс. тонн в год.
UPD
3. Запуски грузовых контейнеров и пассажирских капсул могут производится в противоположных направлениях на обычные и ретроградные орбиты вокруг Луны. Бустер, стартовав из точки А трубопровода и затормозившись в точке В, после дозаправки топливом или рабочим веществом, стартует в обратном направлении из точки В в точку А. В этом челночном варианте запусков нет необходимости использовать параллельную ветку для возвращения бустера из финишной точки в точку старта т.к. эти точки становятся взаимозаменяемыми. При использовании бустера с водородным ТФЯРД, запуски могут производиться каждую минуту.
4. Твердофазный ЯРД может быть заменен ракетным двигателем, в котором нагрев водорода осуществляется за счет сжигания бериллиевого или алюминиевого горючего в кислороде. Этот тип неядерного ракетного двигателя с водородом в качестве рабочего тела рассматривался в предыдущих статьях и в докладах на королёвских чтениях.
Продолжение (часть вторая) здесь
Перепост на МарсТракторе
Лунная база второго этапа может быть оснащена описываемым ниже вариантом лунной катапульты. Здесь вместо известной системы электромагнитного разгона грузовых контейнеров применяется более простая новаторская ракетная система. Её основу образует трубопровод на поверхности Луны, в котором, при выбросе грузов с Луны в космос, осуществляется разгон и торможение многоразовых ракетных бустеров с сохранением внутри трубопровода газов реактивной струи. Отработанное рабочее тело собирается, регенерируется и повторно используется.
В случае использования кислородно-водородного топлива, продукты сгорания в виде паров воды и/или ледяного осадка на стенках трубы собираются и перерабатываются электролизным способом в ракетное кислородно-водородное топливо для повторного использования.
Возможен вариант ракетной трубопроводной катапульты на основе бустеров с твердофазным ядерным ракетным двигателем (ТФЯРД) с водородом в качестве рабочего тела. В этом случае не требуется переработка отработанных газов ракетного двигателя - необходимо только аккумуляция разряженной водородной среды внутри трубопровода, сжатие и охлаждение для получения жидкого водорода, пригодного для использования в ядерном бустере. Здесь может использоваться низкотемпературный ядерный реактор (с большим ресурсом работы) в виду того, что в для эффективного разгона в лунных условиях достаточно использовать водородный двигатель с невысоким удельным импульсом: 4000-6000 м/с.
Давление внутри трубопровода может составлять на разных участках от 1/1000 до 1/10000 бар. Бустеры оснащены теплозащитой и тормозными экранами, которые обеспечивают их торможение и остановку после сброса грузового контейнера на участке максимального разгона. Контейнеры сбрасываются в средней части трубопровода при достижении скорости 1700-2400 м/с. При использовании бустеров с высоким удельным импульсом вместо торможения на основе взаимодействия с газовой средой трубопровода, как вариант может использоваться торможение за счет работы ракетных двигателей.
Трубопровод может быть выполнен полностью герметичным, без открытых участков для выброса грузовых контейнеров. Это возможно в результате использования магнитной сцепки между бустером, движущимся внутри трубопровода и грузовым контейнером, размещенным снаружи трубопровода. Здесь используется магнитное поле, проникающее через стенку трубопровода и связывающее таким образом магнитные системы подвеса бустера и грузового контейнера в процессе разгона.
В качестве бустеров могут использоваться аналоги ракет «V2», «Викинг» или «Аэроби-Хи». Разумеется, более надежными будут бустеры с газовытеснительной системой подачи топлива. При относительно умеренных средних ускорениях порядка 80 м/с2, разгонные участки для достижения скорости 1700 м/с равны 18 км, а для скорости 2400 м/с равны 36 км. Вместе с участками торможения полная длина трубопровода составит 36 и 72 км соответственно. В предыдущих статьях давался расчет масс трубопроводов из различных материалов с толщиной стенки 0,25 мм (для защиты от метеоритной эрозии трубопровод засыпается реголитом). Для километрового участка такого трубопровода из алюминиевого сплава, при диаметре 1,5 метра, его масса будет равна 3 тоннам. Соответственно, масса путевой структуры катапульты будет равна 108 и 216 тоннам. К этому следует приплюсовать массу системы регенерации топлива, для неядерного варианта, где при мощности электролизеров в 1 МВт из воды будет производиться 1000 тонн ракетного топлива каждый год. Здесь дополнительная масса не должна превысить 10-20 тонн даже с учетом массы фотоэлектрических преобразователей.
Для лунной базы так сказать полуторного этапа, реально использование более простой системы взлетно-посадочной трубопроводной путевой структуры. Например, для вывода грузового контейнера на низкую окололунную орбиту может использоваться стартовый участок протяженностью только 18 км с массой 54 т. В этом случае, почти все «выхлопные газы» ракетного двигателя улавливаются и повторно используются. Тот же короткий трубопровод может использоваться для приема посадочных модулей, что потребует незначительно увеличения массы трубопровода из-за создания дополнительной открытой путевой структуры, к открытой поверхности которой модуль, оборудованный электродинамическим подвесом, первоначально прижимается вспомогательными ракетными двигателями: с этого участка модуль затем через разрывную мембрану шлюза входит в трубопровод и тормозится в нем при помощи своего ракетного двигателя. Отработанные газы сохраняются, аккумулируются и после переработки повторно используются при старте этого же взлетно-посадочного модуля. В результате применения такой взлетно-посадочной системы масса грузов, доставляемых на Луну, увеличивается в несколько раз.
Эта же транспортная система может применяться и для посадки и старта пилотируемых модулей, для чего вместо грузовых контейнеров модули оснащаются двухместными кабинами сечением 0,7 х 1,5 метров, и применяется трубопровод диаметром до 2 метров. Ускорение 8-10 g астронавтам придется потерпеть, что возможно без ущерба т.к. время действия ускорения при разгоне до первой космической скорости составит только 21 секунду (для достижения второй космической скорости потребуется потерпеть 30 секунд).
Аналогичную систему можно применить так же в составе лунной орбитальной станции (в том числе в составе орбитального накопителя лунного вещества), однако из-за необходимости обеспечения защиты трубопровода от метеорной эрозии, масса такой системы ускорения модулей будет значительно больше её налунного варианта.
Настоящий проект представлен в концептуальном виде. Графические и другие материалы могут быть даны в ходе последующего обсуждения проекта
Примечания
1. При разгоне и торможении бустеров в трубопроводе возникают пульсирующие давления. В связи с этим стенки трубопровода могут дополнительно укрепляться ребрами жесткости, например, в виде трубок, которые наполнены газом или реголитом, а так же аналогами анкерной системы крепления стенок трубы к окружающему лунному грунту. При толщине стенок поддерживающих трубок 0.1-0.25 мм и несплошном их размещении суммарная масса ребер жесткости будет находится в диапазоне 3-11 тонн.
2. Ракетная катапульта при запуске квантов грузов 100 кг/минуту обеспечивает грузопоток до 50 тыс. тонн в год.
UPD
3. Запуски грузовых контейнеров и пассажирских капсул могут производится в противоположных направлениях на обычные и ретроградные орбиты вокруг Луны. Бустер, стартовав из точки А трубопровода и затормозившись в точке В, после дозаправки топливом или рабочим веществом, стартует в обратном направлении из точки В в точку А. В этом челночном варианте запусков нет необходимости использовать параллельную ветку для возвращения бустера из финишной точки в точку старта т.к. эти точки становятся взаимозаменяемыми. При использовании бустера с водородным ТФЯРД, запуски могут производиться каждую минуту.
4. Твердофазный ЯРД может быть заменен ракетным двигателем, в котором нагрев водорода осуществляется за счет сжигания бериллиевого или алюминиевого горючего в кислороде. Этот тип неядерного ракетного двигателя с водородом в качестве рабочего тела рассматривался в предыдущих статьях и в докладах на королёвских чтениях.
Продолжение (часть вторая) здесь
Перепост на МарсТракторе