Gif
.
Рассмотрим характеристики системы по доставке лунного сырья на борт орбитального накопителя вещества микропорциями по 10 граммов. Оценки орбитального движения приблизительные (более точные есть на сайте). Порции метаются потоком (очередью) по 200 штук (это удобно по ряду причин, которые здесь не рассматриваются). Скорость в зоне захвата - 850 м/с. Средняя скорость КА-накопителя до захвата - 1700 м/с. После захвата - 1680 м/с. Потери скорости компенсируются работой ЭРД с уд. имп., например, 17000 м/с. Через полоборота скорость восстанавливается и захват повторяется (это упрощенная схема ради удобства рассмотрения).
Масса всей очереди: 0,01 кг х 200 = 2 кг
Импульс: 2 кг х 850 м/с = 85 кг х 20 м/с, т.е. КА-накопитель захватывая порцию груза в 2 кг теряет 20 м/с скорости
КА-накопитель: масса 85 кг, захват двух порций за один оборот - 4 кг/оборот; длительность оборота 6500 сек, за 1 год 4855 оборотов; масса захваченного вещества - 4855 оборотов/год х 4 кг/оборот = 19 420 кг/год.
Импульс: 2 кг х 850 м/с = 0,1 кг х 17000 м/с, т.е. для компенсации торможения КА-накопителя тратится 0,1 кг на каждую порцию груза в 2 кг.
Расход рабочего тела в ЭРД - 5% от массы захваченной порции вещества. За вычетом потерь на ЭРД итоговая масса грузов равна 18 449 кг за год или, округленно 18,5 тонн.
Отношение массы накопителя к массе аккумулированного груза за 1 год: 18,5 т / 0,085 т = 217,6. За 5 лет работы, отношение масс равно 1088. Нетрудно посчитать, как амортизация системы скажется на ценобразовании транспортных услуг.
Метатель имеет более высокое отношение к массе грузов, доставленных на КА-накопитель, т.к. на один метатель может приходится 5-10 и больше орбитальных КА-накопителей (коллекторов). Масса метателя с лунным ровером - 250 кг. разумеется, потребуется дополнительное оборудование для сбора реголита, его гранулирования и/или прессования в удобные для использования буллеты, а так же переработки части сырья на месте, в целях отделения самородного железно-никелевого (с примесью кобальта) сплава и прессования металического концентрата в буллеты по 10 граммов штука.
Эти компоненты системы "Орбитрон" вывести на орбиту вокруг Луны, и высадить на её поверхность, понятное дело, достаточно просто - нет нужды в использовании ракет-гигантов. Очевидно, что компоненты этой относительно простой транспортной системы, позволяющей нам вычистить рудные запасы хозяйки медной горы Селены, могут изготовливаться небольшими частными компаниями, а для доставки покупаться услуги государственных или тех же частных, хотя и крупных извозчиков.
Апробация метательного устройства и приемной части орбитальной ловушки буллетов, может быть проведена за умеренные средства - соответствующую смету мы скоро представим в ходе запуска краудфандинга в России и в США. Для сбора средства среди американских жертвователей на прогресс астронавтики требуются резиденты США, что обеспечивается нашей группой поддержки :-)
Инфо от советских разработчиков покорителей Луны:
В настоящее время в печати достаточно широко обсуждается вопрос о целесообразности создания на околоземных орбитах крупных энергетических спутников, оснащенных оборудованием для преобразования солнечной энергии в электрическую с последующей передачей ее на Землю (в виде энергии микроволнового излучения). Решение этой технической проблемы возможно очень надолго освободит человечество от энергетического кризиса и облегчит охрану среды обитания людей от загрязнения. Эти на первый взгляд далекие от лунной тематики проекты оказались неожиданно введены в круг проблем, связанных с освоением Луны.
Дело в том, что рассматриваемые энергетические комплексы удобно расположить в окрестностях Луны, в так называемых «треугольных точках либрации». Искусственный спутник Земли, находящийся вблизи одной из этих точек, имеет чрезвычайно устойчивое орбитальное движение. Кроме того, доставка с Луны конструкционных материалов, составляющих основную массу спутника, или сырья для их производства требует в 20 раз меньших затрат энергии, чем доставка их с Земли. Итоговая оценка приводит к заключению, что строительство подобных систем может быть рентабельным только при условии доставки сырья с поверхности Луны.
На рис. 11 показана схема одного из вариантов транспортировки грузов с Луны на энергетический спутник. Специальный механизм, работающий на электроэнергии, разгоняет контейнеры с грузом до скорости 2,33-2,34 км/с, достаточной для выхода из сферы притяжения Луны. Затем контейнеры совершают полет по баллистической траектории и попадают в улавливающее устройство, представляющее собой конус диаметром у основания 100 м. Конус-«улавливатель» должен иметь бортовую двигательную установку для поддержания нужного положения на орбите, а также для транспортировки контейнеров с грузом к спутнику.
Если рассматривать лунный грунт как сырье для переработки, то легко можно убедиться, что наиболее просто выделить из него металлическое железо. Частицы, которые можно отделить с помощью слабых магнитных полей, составляют 0,15-0,2 % от общего веса грунта. Они содержат около 5 % никеля и 0,2 % кобальта. Для полного выделения железа, алюминия, кремния, магния и, возможно, титана, хрома, марганца, а также кислорода, который образуется в качестве побочного продукта, необходимо использовать обычный металлургический процесс.
Одна из возможных схем такого процесса представлена на рис. 12. Начинается все с измельчения грунта до максимального размера частиц 200 мкм (для этого могут использоваться вибрационные мельницы). Далее он газовым потоком направляется в печь обжига, причем по пути к печи в грунт добавляется ферросилиций, измельченный до частиц размером 50 мкм. Ферросилиций необходим для восстановления железа, но, кроме того, сам является промежуточным продуктом на других, следующих, стадиях металлургического процесса.
При температуре 1300 °C кремний диффундирует из частиц ферросилиция и при этом будет восстанавливаться железо. Продуктом этого процесса является силикатный расплав со взвешенными в нем частицами железа. После охлаждения и измельчения этой смеси железо извлекается с помощью магнитной сепарации, а низкожелезистый силикат поступает в главный реактор.
Рис. 12. Один из вариантов технологической схемы получения конструкционных металлов из лунного грунта. Среди технологических устройств в нее входят: печь для отгонки алюминия от расплава температурой 2300 °C (II, печь для отгонки кальция, магния, алюминия, кремния и окиси углерода (III), реактор восстановления металлов углеродом (IV). Используются следующие процессы: выделение железа (2), сплавление железа и кремния при температуре 1500 °C (3), отгонка магния при температуре 1200 °C (4), конденсация и фильтрование (5), электролиз воды (6), разделение твердых и газообразных продуктов электролиза (7), диффузия железа из силикатов (I). Необходима также печь-центрифуга для разделения железа и шлаков (1)
В главном реакторе, а его можно представить в виде печи, вращающейся вокруг продольной оси (для гравитационного разделения образовавшегося сплава металлов, шлака и газов), происходит термическое восстановление металлов. После добавления в силикат, поступивший в реактор, углерода и при нагреве смеси до 2300 °C происходят химические реакции восстановительного типа, протекающие с выделением тепла.
На этом этапе металлургического процесса образовавшийся сплав кремния с алюминием отделяется от шлака и газообразных продуктов, поступает в дистиллятор, где алюминий и кремний разделяются. Окись углерода, пары кальция, магния и частично алюминия и кремния подвергаются дальнейшему разделению. Окись углерода, например, может соединиться с водородом и образовать воду, метан и некоторые другие углеводороды. Эта реакция давно используется в промышленности и хорошо изучена. В качестве катализатора может применяться окись железа. Метан, а также водород сушатся в конденсаторе для отделения воды. Вода электролизом разлагается на кислород и водород. Кислород выделяется в готовый продукт, а водород возвращается в реактор.
Рассмотренный в качестве примера металлургический процесс вполне пригоден для условий Луны с точки зрения энергопотребления, необходимого для данного оборудования, и практической его отработанности. Для своей реализации он требует минимума веществ, доставляемых с Земли, и дает хороший выход продукции на единицу массы оборудования. Веществами «нелунного» происхождения в технологическом цикле будут только углерод и водород, которые практически не расходуются, а используются в замкнутом цикле.
Кроме получения из лунного грунта металлов и других химических веществ, можно представить и иные возможности по переработке этого грунта в конструкционные материалы, такие, как стекло. Сырьем для производства стекла может служить плагиоклаз материкового реголита, представляющий собой почти чистый CaAl2Si2O8 с 0,5 % NaO2 и составляющим доли процента FeO. По сравнению с земным стекло из лунного грунта должно быть прочнее и выдерживать более длительные механические нагрузки без разрушения, так как из-за отсутствия воды в породах Луны, поверхность стекла должна иметь меньше дефектов, снижающих его прочность.
Используя лунный грунт, можно осуществлять и такой процесс, как базальтовое литье, широко применяемое при изготовлении пустотелого кирпича, строительных блоков, труб диаметром 3-10 см и длиной 1-1,5 м, отличающихся высокой стойкостью к кислотам и щелочам. Прочность продуктов этого литья из лунных пород может достигать при сжатии 10000-12000 кг/кв. см, а при растяжении -500- 1100 кг/кв. см.
Для изготовления конструкционных элементов с низкой теплопроводностью, а также фильтров могут использоваться спеченные материалы. По совокупности характеристик наиболее благоприятные условия для спекания частиц лунного грунта - нагрев их до температур 800-900 °C с выдержкой в печи от нескольких секунд до десятков минут и последующее быстрое охлаждение со скоростью 0,1-5 °C/мин.
Приблизительные расчеты показывают, что в некоторых случаях переработку лунного вещества в конструкционные материалы рентабельнее проводить в космическом пространстве, а не на Луне. При организации технологического цикла на поверхности Луны не всегда можно обеспечить непрерывное, освещение солнечными лучами устройств, преобразующих свет в электричество, в то время как в космическом пространстве это не представляет собой сложную проблему. Если учесть, что на транспортировку груза с лунной поверхности в космос требуется энергии в 5 раз меньше, чем на его переработку, то окончательная энергетическая стоимость производства в космическом пространстве получается в 8 раз меньшей, чем на Луне.
Вполне вероятно, что энергетические спутники будущего, о которых говорилось выше, более правильно себе представлять как некоторые промышленно-энергетические комплексы с большими производственными возможностями.
UPD 03/03/2016
Возможно, некоторые пытливые умы, пожелали бы выяснить, какова мощность ЭРД такого малогабаритного орбитального накопителя лунного вещества. Поможем им этом.
За половину оборота вокрург Луны коллектор расходует через ЭРД около 0,1 кг рабочего тела на создание тяги для компенсации потери части своей скорости. При скорости реактивной струи равной 17000 м/с и КПД ЭРД равного 50%, затраты энергии составят 28,9 МДж. Эта энергия расходуется за время, равное половине оборота коллектора - 3250 сек, что определяет мощность ЭРД - 28 900 000 Дж /3250 = 8 892 Вт или 8,9 кВт. В железе это означает, что масса двигателя должна быть в диапазоне 10-30 кг.
Двигатели надо питать электроэнергией. Какова же масса требуемого источника? Если ориентироваться на тонкопленочные батерии фотоэлектрических преобразователей с удельной мощностью 2-5 кВт/кг, то без сопутствующего оборудования масса источников должна быть в пределах 3,6 - 9 кг.
Такие дела. Начинаем делать опытный экземпляр?
UPD 05/03/2016
Вторая часть лунной транспортной системы - это метатель микропорций грузов. При скорости метания в пределах 800-1000 м/с предпочтительны центробежные метатели (могут использоваться и электромагнитные ускорители, но с тем же супермаховичным накопителем энергии). Аналог цетробежного метателя КТС "Орбитрон" построен и испытан - это пулемет DREAD, система даже с избыточной сложностью, чем требуется.
Рассмотрим характеристики системы по доставке лунного сырья на борт орбитального накопителя вещества микропорциями по 10 граммов. Оценки орбитального движения приблизительные (более точные есть на сайте). Порции метаются потоком (очередью) по 200 штук (это удобно по ряду причин, которые здесь не рассматриваются). Скорость в зоне захвата - 850 м/с. Средняя скорость КА-накопителя до захвата - 1700 м/с. После захвата - 1680 м/с. Потери скорости компенсируются работой ЭРД с уд. имп., например, 17000 м/с. Через полоборота скорость восстанавливается и захват повторяется (это упрощенная схема ради удобства рассмотрения).
Масса всей очереди: 0,01 кг х 200 = 2 кг
Импульс: 2 кг х 850 м/с = 85 кг х 20 м/с, т.е. КА-накопитель захватывая порцию груза в 2 кг теряет 20 м/с скорости
КА-накопитель: масса 85 кг, захват двух порций за один оборот - 4 кг/оборот; длительность оборота 6500 сек, за 1 год 4855 оборотов; масса захваченного вещества - 4855 оборотов/год х 4 кг/оборот = 19 420 кг/год.
Импульс: 2 кг х 850 м/с = 0,1 кг х 17000 м/с, т.е. для компенсации торможения КА-накопителя тратится 0,1 кг на каждую порцию груза в 2 кг.
Расход рабочего тела в ЭРД - 5% от массы захваченной порции вещества. За вычетом потерь на ЭРД итоговая масса грузов равна 18 449 кг за год или, округленно 18,5 тонн.
Отношение массы накопителя к массе аккумулированного груза за 1 год: 18,5 т / 0,085 т = 217,6. За 5 лет работы, отношение масс равно 1088. Нетрудно посчитать, как амортизация системы скажется на ценобразовании транспортных услуг.
Метатель имеет более высокое отношение к массе грузов, доставленных на КА-накопитель, т.к. на один метатель может приходится 5-10 и больше орбитальных КА-накопителей (коллекторов). Масса метателя с лунным ровером - 250 кг. разумеется, потребуется дополнительное оборудование для сбора реголита, его гранулирования и/или прессования в удобные для использования буллеты, а так же переработки части сырья на месте, в целях отделения самородного железно-никелевого (с примесью кобальта) сплава и прессования металического концентрата в буллеты по 10 граммов штука.
Эти компоненты системы "Орбитрон" вывести на орбиту вокруг Луны, и высадить на её поверхность, понятное дело, достаточно просто - нет нужды в использовании ракет-гигантов. Очевидно, что компоненты этой относительно простой транспортной системы, позволяющей нам вычистить рудные запасы хозяйки медной горы Селены, могут изготовливаться небольшими частными компаниями, а для доставки покупаться услуги государственных или тех же частных, хотя и крупных извозчиков.
Апробация метательного устройства и приемной части орбитальной ловушки буллетов, может быть проведена за умеренные средства - соответствующую смету мы скоро представим в ходе запуска краудфандинга в России и в США. Для сбора средства среди американских жертвователей на прогресс астронавтики требуются резиденты США, что обеспечивается нашей группой поддержки :-)
Инфо от советских разработчиков покорителей Луны:
В настоящее время в печати достаточно широко обсуждается вопрос о целесообразности создания на околоземных орбитах крупных энергетических спутников, оснащенных оборудованием для преобразования солнечной энергии в электрическую с последующей передачей ее на Землю (в виде энергии микроволнового излучения). Решение этой технической проблемы возможно очень надолго освободит человечество от энергетического кризиса и облегчит охрану среды обитания людей от загрязнения. Эти на первый взгляд далекие от лунной тематики проекты оказались неожиданно введены в круг проблем, связанных с освоением Луны.
Дело в том, что рассматриваемые энергетические комплексы удобно расположить в окрестностях Луны, в так называемых «треугольных точках либрации». Искусственный спутник Земли, находящийся вблизи одной из этих точек, имеет чрезвычайно устойчивое орбитальное движение. Кроме того, доставка с Луны конструкционных материалов, составляющих основную массу спутника, или сырья для их производства требует в 20 раз меньших затрат энергии, чем доставка их с Земли. Итоговая оценка приводит к заключению, что строительство подобных систем может быть рентабельным только при условии доставки сырья с поверхности Луны.
На рис. 11 показана схема одного из вариантов транспортировки грузов с Луны на энергетический спутник. Специальный механизм, работающий на электроэнергии, разгоняет контейнеры с грузом до скорости 2,33-2,34 км/с, достаточной для выхода из сферы притяжения Луны. Затем контейнеры совершают полет по баллистической траектории и попадают в улавливающее устройство, представляющее собой конус диаметром у основания 100 м. Конус-«улавливатель» должен иметь бортовую двигательную установку для поддержания нужного положения на орбите, а также для транспортировки контейнеров с грузом к спутнику.
Если рассматривать лунный грунт как сырье для переработки, то легко можно убедиться, что наиболее просто выделить из него металлическое железо. Частицы, которые можно отделить с помощью слабых магнитных полей, составляют 0,15-0,2 % от общего веса грунта. Они содержат около 5 % никеля и 0,2 % кобальта. Для полного выделения железа, алюминия, кремния, магния и, возможно, титана, хрома, марганца, а также кислорода, который образуется в качестве побочного продукта, необходимо использовать обычный металлургический процесс.
Одна из возможных схем такого процесса представлена на рис. 12. Начинается все с измельчения грунта до максимального размера частиц 200 мкм (для этого могут использоваться вибрационные мельницы). Далее он газовым потоком направляется в печь обжига, причем по пути к печи в грунт добавляется ферросилиций, измельченный до частиц размером 50 мкм. Ферросилиций необходим для восстановления железа, но, кроме того, сам является промежуточным продуктом на других, следующих, стадиях металлургического процесса.
При температуре 1300 °C кремний диффундирует из частиц ферросилиция и при этом будет восстанавливаться железо. Продуктом этого процесса является силикатный расплав со взвешенными в нем частицами железа. После охлаждения и измельчения этой смеси железо извлекается с помощью магнитной сепарации, а низкожелезистый силикат поступает в главный реактор.
Рис. 12. Один из вариантов технологической схемы получения конструкционных металлов из лунного грунта. Среди технологических устройств в нее входят: печь для отгонки алюминия от расплава температурой 2300 °C (II, печь для отгонки кальция, магния, алюминия, кремния и окиси углерода (III), реактор восстановления металлов углеродом (IV). Используются следующие процессы: выделение железа (2), сплавление железа и кремния при температуре 1500 °C (3), отгонка магния при температуре 1200 °C (4), конденсация и фильтрование (5), электролиз воды (6), разделение твердых и газообразных продуктов электролиза (7), диффузия железа из силикатов (I). Необходима также печь-центрифуга для разделения железа и шлаков (1)
В главном реакторе, а его можно представить в виде печи, вращающейся вокруг продольной оси (для гравитационного разделения образовавшегося сплава металлов, шлака и газов), происходит термическое восстановление металлов. После добавления в силикат, поступивший в реактор, углерода и при нагреве смеси до 2300 °C происходят химические реакции восстановительного типа, протекающие с выделением тепла.
На этом этапе металлургического процесса образовавшийся сплав кремния с алюминием отделяется от шлака и газообразных продуктов, поступает в дистиллятор, где алюминий и кремний разделяются. Окись углерода, пары кальция, магния и частично алюминия и кремния подвергаются дальнейшему разделению. Окись углерода, например, может соединиться с водородом и образовать воду, метан и некоторые другие углеводороды. Эта реакция давно используется в промышленности и хорошо изучена. В качестве катализатора может применяться окись железа. Метан, а также водород сушатся в конденсаторе для отделения воды. Вода электролизом разлагается на кислород и водород. Кислород выделяется в готовый продукт, а водород возвращается в реактор.
Рассмотренный в качестве примера металлургический процесс вполне пригоден для условий Луны с точки зрения энергопотребления, необходимого для данного оборудования, и практической его отработанности. Для своей реализации он требует минимума веществ, доставляемых с Земли, и дает хороший выход продукции на единицу массы оборудования. Веществами «нелунного» происхождения в технологическом цикле будут только углерод и водород, которые практически не расходуются, а используются в замкнутом цикле.
Кроме получения из лунного грунта металлов и других химических веществ, можно представить и иные возможности по переработке этого грунта в конструкционные материалы, такие, как стекло. Сырьем для производства стекла может служить плагиоклаз материкового реголита, представляющий собой почти чистый CaAl2Si2O8 с 0,5 % NaO2 и составляющим доли процента FeO. По сравнению с земным стекло из лунного грунта должно быть прочнее и выдерживать более длительные механические нагрузки без разрушения, так как из-за отсутствия воды в породах Луны, поверхность стекла должна иметь меньше дефектов, снижающих его прочность.
Используя лунный грунт, можно осуществлять и такой процесс, как базальтовое литье, широко применяемое при изготовлении пустотелого кирпича, строительных блоков, труб диаметром 3-10 см и длиной 1-1,5 м, отличающихся высокой стойкостью к кислотам и щелочам. Прочность продуктов этого литья из лунных пород может достигать при сжатии 10000-12000 кг/кв. см, а при растяжении -500- 1100 кг/кв. см.
Для изготовления конструкционных элементов с низкой теплопроводностью, а также фильтров могут использоваться спеченные материалы. По совокупности характеристик наиболее благоприятные условия для спекания частиц лунного грунта - нагрев их до температур 800-900 °C с выдержкой в печи от нескольких секунд до десятков минут и последующее быстрое охлаждение со скоростью 0,1-5 °C/мин.
Приблизительные расчеты показывают, что в некоторых случаях переработку лунного вещества в конструкционные материалы рентабельнее проводить в космическом пространстве, а не на Луне. При организации технологического цикла на поверхности Луны не всегда можно обеспечить непрерывное, освещение солнечными лучами устройств, преобразующих свет в электричество, в то время как в космическом пространстве это не представляет собой сложную проблему. Если учесть, что на транспортировку груза с лунной поверхности в космос требуется энергии в 5 раз меньше, чем на его переработку, то окончательная энергетическая стоимость производства в космическом пространстве получается в 8 раз меньшей, чем на Луне.
Вполне вероятно, что энергетические спутники будущего, о которых говорилось выше, более правильно себе представлять как некоторые промышленно-энергетические комплексы с большими производственными возможностями.
UPD 03/03/2016
Возможно, некоторые пытливые умы, пожелали бы выяснить, какова мощность ЭРД такого малогабаритного орбитального накопителя лунного вещества. Поможем им этом.
За половину оборота вокрург Луны коллектор расходует через ЭРД около 0,1 кг рабочего тела на создание тяги для компенсации потери части своей скорости. При скорости реактивной струи равной 17000 м/с и КПД ЭРД равного 50%, затраты энергии составят 28,9 МДж. Эта энергия расходуется за время, равное половине оборота коллектора - 3250 сек, что определяет мощность ЭРД - 28 900 000 Дж /3250 = 8 892 Вт или 8,9 кВт. В железе это означает, что масса двигателя должна быть в диапазоне 10-30 кг.
Двигатели надо питать электроэнергией. Какова же масса требуемого источника? Если ориентироваться на тонкопленочные батерии фотоэлектрических преобразователей с удельной мощностью 2-5 кВт/кг, то без сопутствующего оборудования масса источников должна быть в пределах 3,6 - 9 кг.
Такие дела. Начинаем делать опытный экземпляр?
UPD 05/03/2016
Вторая часть лунной транспортной системы - это метатель микропорций грузов. При скорости метания в пределах 800-1000 м/с предпочтительны центробежные метатели (могут использоваться и электромагнитные ускорители, но с тем же супермаховичным накопителем энергии). Аналог цетробежного метателя КТС "Орбитрон" построен и испытан - это пулемет DREAD, система даже с избыточной сложностью, чем требуется.
Click to view