Этапы строительства марсианской базы по новой технологии. Часть 1
Производство ракетного топлива и конструкционных материалов в системе Деймос-Марс
В прошлом веке в планах США по полету на Марс рассматривалась схема заправки топливом космического корабля на орбите Марса для его возвращения на Землю. Топливо должно было производиться на орбитальной станции из марсианского «воздуха». Такая схема упрощала отправку экспедиции к Марсу за счет сокращения стартовой массы. Марсианской орбитальной «АЗС» должен быть стать комплекс, содержащий орбитальный коллектор углекислого газа из атмосферы (космический аппарат PROFAC) и химико-технологический модуль, выделяющий кислород из накопленного углекислого газа. В виду невозможности использования солнечных батарей, для энергоснабжения двигательной установки коллектора, облетающего Марс по предельно низкой орбите, КА PROFAC должен был иметь на борту ядерный реактор с электрогенератором. В СССР также разрабатывался аналогичный аппарат, для сбора кислорода из атмосферы Земли. Рабочее название советского коллектора атмосферных газов «Воздушно-космический самолет с накоплением (воздуха)» или «ВКСН».
По принципу работы PROFAC и ВКСН подобны гиперзвуковому самолету с прямоточным двигателем. Орбитальный коллектор летит вблизи линии Кармана, на границе атмосферы и космоса и при помощи гиперзвукового диффузора сжимает и захватывает встречный воздух. На борту из воздуха выделяют кислород, а азот направляется в электроракетную двигательную установку и выбрасывается для создания тяги со скоростью 16-20 км/с. Тяга компенсирует силу торможения КА-накопителя, возникающую при захвате воздуха. Такие системы накопления газов непосредственно из атмосферы во время орбитального полета могут применяться в верхних слоях атмосфер Земли, Марса, Венеры и Титана, спутника Сатурна.
Стерж Деметриадес, автор проекта PROFAC, предлагал и другой вариант заправки корабля на Марсе, в некотором смысле более простой, чем заправка на орбите. Перед отправкой экспедиции на Марс доставляется химико-технологический модуль с небольшой ядерной электростанцией. Модуль накапливает углекислый газ и перерабатывает его в кислород, накапливая его для заправки корабля возвращения. Этот проект в последующем стал основой проекта Mars Direct Роберта Зубрина. С учетом возможного использования марсианской воды для производства ракетного горючего, установка на поверхности Марса представляется более перспективной по сравнению с орбитальной. Вместе с тем, выгодным может быть использование обоих вариантов, как стационарного (напланетного), так и орбитального.
С точки зрения создания постоянной базы на Марсе и последующего ее расширения, применение ядерных энергоустановок будет сдерживающим фактором. Ядерная энергия при наличии альтернатив должна использоваться в последнюю очередь. А такие недорогие и эффективные неядерные источники энергии на Марсе есть.
К таким недорогим, простым, надежным, экологически безопасным и практически неисчерпаемым источникам энергии являются запасы механической энергии в гравитационном поле Марса, в виде естественных спутников Фобоса и Деймоса. Марсианские луны находятся на краю гравитационной ямы Марса. При небольших затратах энергии на сброс части вещества лун на дно гравитационной ямы, может быть получена энергия, многократно превышающая затраченную. В частности эта энергия может быть использована для работы орбитального коллектора атмосферных газов Марса. Выгоды такого безъядерного энергоснабжения велики. Рассмотрим работу орбитального коллектора за счет запасов энергии в гравитационном поле Марса на примере утилизации энергии вещества Деймоса.
Принципиальная схема работы коллектора газов за счет запасов механической энергии.
Ниже приводятся данные для предварительной оценки обсуждаемого проекта технологии извлечения энергии из гравитационной ямы системы Марс-Деймос. На основании этих данных можно оценить эффективность работы орбитального накопителя атмосферных газов, у которого вместо ядерного электрогенератора и ЭРД используется балласт из реголита естественного спутника планеты.
Итак, вот исходные данные для предварительных расчетов.
Гравитационный параметр - 42828 (км3с−2)
Радиус орбиты Деймоса - 23458 км.
Средняя орбитальная скорость Деймоса - 1,351 км/с.
Скорость коллектора на эллиптической орбите в апоцентре на высоте 23458 км - 0,688 км/с (на 0,663 км/с меньше скорости Деймоса).
Скорость коллектора на эллиптической орбите в перицентре на высоте 3489,5 км - 4,623 км/с.
Скорость коллектора на круговой орбите с высотой 100 км - 3,503 км/с.
Скорость коллектора на круговой орбите с высотой 500 км - 3,318 км/с.
Значения скорости вычисляются по формуле: V = [K(2/r - 1/a)]1/2,
где К -гравитационный параметр, r - расстояние, а - большая полуось.
Процедура извлечения потенциальной энергии вещества Деймоса осуществляется следующим образом.
На Деймосе организуется автоматическая база, которая служит для сбора реголита и загрузки его в коллекторы, в качестве балласта. Загруженные реголитом коллекторы получают тормозной импульс и переходят с круговой орбиты Деймоса на эллиптическую, с параметрами указанными выше. Тормозной импульс может сообщаться разными способами, о которых будет сказано отдельно.
Первоначальная скорость коллектора такая же, как у Деймоса - 1,351 км/с. Тормозной импульс равен 0,664 км/с. В результате коллектор переходит на эллиптическую орбиту, уходит к Марсу и в перицентре, на высоте 100 км от поверхности планеты, набирает скорость в 4,623 км/с, что всего на 0,332 км/с меньше скорости 2-й космической скорости. В перицентре, где плотность атмосферы относительно большая, коллектор захватывает и аккумулирует атмосферные газы. Покидая перицентр, коллектор имеет меньшую скорость в результате расхода части кинетической энергии на захват марсианского «воздуха».
Совершив серию облетов по эллипсам с убывающей высотой, коллектор в итоге выходит на низкую круговою орбиту, с высотой около 100 км и скоростью 3,503 км/с. На орбите с такой высотой коллектор долго не может существовать и поэтому, завершающим этапом будет перевод коллектора на долговременную круговую орбиту высотой 500 км.
Для перехода на эту орбиту используется сброс балласта через двигатели-грунтомёты (старая разработка специалистов НАСА для буксировки астероидов). От балласта надо все равно избавляться, поэтому такой способ оптимальный (при этом часть балласта сохраняется). На высоте 100 км, грунт после потери скорости на dV равную 300 м/с, сходит с круговой орбиты и сгорает в атмосфере. Благодаря потенциальной энергии вещества Деймоса, которая после сброса в гравитационную яму, преобразовалась в кинетическую и была израсходована на аккумуляции углекислого газа, размен реголита на газ произошел в пропорции приблизительно 3,125 к 1, то есть на каждые 100 т песка-балласта аккумулировано 32 т газа (плюс остаток балласта, который тоже имеет ценность как сырье для получения кислорода, металлов, кремния и углерода).
На долговременной круговой орбите находится химико-технологический модуль в паре со станцией-хранилищем углекислого газа и ракетного топлива, полученного из СО2. Периодически, в периоды возникновения стартовых окон, запасы станции отправляются КА-танкерами к Земле. При круговой скорости станции в 3,503 км/с, для полета к Земле по экономной траектории Гомана требуется начальная скорость 5,7 км/с. Добрав менее 2,5 км/с, танкер может покинуть орбиту Марса и долететь до Земли.
После выгрузки «добычи» на станцию переработки и накопления пустой коллектор стартует и возвращается на Деймос. Здесь его балластные контейнеры вновь загружаются реголитом и процесс повторяется.
Оценка баланса масс процесса накопления углекислого газа за счет энергии балласта из вещества Деймоса.
Нырок коллектора от станции на Деймосе в атмосферу Марса требует тормозной импульс равный 664 м/с для схода с круговой орбиты. Если для получения тормозного импульса применяются ракетные двигатели с порошковым горючим в виде углерода и окислителем из кислорода (с избытком горючего для понижения средней молекулярной массы за счет угарного газа), удельный импульс которых предположительно равен 2000 м/с, то тогда расход топлива на старт составит 28 процентов. Такой расход массы очень невыгоден, поэтому ракетный запуск должен быть заменен другим более экономным способом. В качестве альтернативы подходит запуск коллектора при помощи тросовой центрифуги-пращи. Установка, жестко закрепленная на грунте Деймоса, приводимая в действие электродвигателем, способна без расхода вещества метать некрупные коллекторы (массой 1 т каждый) с требуемой скоростью 664 м/с (В ИКИ и НАСА разработаны варанты тросовых катапульт с dV равны 2000 м/с).
Сухая масса коллекторов около 10 процентов от полной массы, после заполнения балластных контейнеров реголитом Деймоса. Кинетическая энергия коллектора в перигее обеспечивает аккумуляцию углекислого газа на величину равную 32 процентам полной массы. По отношению к сухой массе прирост массы достигает, таким образом, 320 процентов только за один рейс.
Переход коллектора, загруженного СО2, с орбиты высотой 100 км на орбиту высотой 500 км требует прироста скорости в 185 м/с и расхода 46% полной массы коллекторов случае использования двигателей-грунтометов со скоростью выброса реголита 300 м/с. Первоначальная масса коллектора 1000 кг, после завершения аккумуляции газа - 1320 кг. Масса реголита - 900 кг. Масса реголита, израсходованного в качестве рабочего тела - 460 кг (1000*0,46). Остаток реголита - 440 кг (900-460). Итого, в сумме с массой накопленного газа прирост полезного груза на сухую массу коллектора (100 кг) составляет 760 процентов (320+440) за один рейс.
Вместе с тем, для возвращения коллектора на Деймос, требуется топливо массой 137 кг. Если топливо (углерод+кислород) обеспечивает удельный импульс 2000 м/с, то этой массы достаточно для получения требуемой характеристической скорости двух импульсного перелета равной 1724 м/с (1061+663). В результате итоговый прирост массы составит 623 процентов (760-137).
На каждую операцию заполнения коллектора может уходить разное время. Необходимо время для сброса теплоты от захваченного газа. Для повышения экономичности работы это время необходимо сокращать. Примем для примера, что заполнение коллектора осуществляется за четыре погружения. Суммарное время на четыре витка (с убывающим апоцентром) составит 23,22 часа (13,9+5,6+2,7+1,74). Плюс время разгрузки на орбитальной станции переработки и хранения и время перелета к станции (~2 часа) с орбиты высотой 100 км на орбиту высотой 500 км. С учетом времени возвращения на Деймос требуется еще 6,6 часов. Итого, потребуется порядка 40 часов. Добавляя время на загрузку реголитом на Деймосе и профилактическое обслуживание перед новым полетом, получаем порядка 48 часов или двое земных суток. Резервируя время на неучтенные факторы подготовки к рейсу, получим, что полеты коллекторов осуществляются каждые 3-4 дня.
Соответственно, за возможную в течение года сотню рейсов масса полезных грузов, доставленных на станцию переработки и хранения грузов, составит порядка 6 т на коллектор, сухая масса которого составляет 0,1 т. Таким образом, флотилия коллекторов из 50 аппаратов общей массой 5 т, которая может быть доставлена несколькими пусками имеющихся ракет-носителей, за год обеспечит накопление 300 т грузов - компонентов ракетного топлива и конструкционных материалов. За период между окнами стартов к Земле, масса накопленных грузов составит 650 т ((300:12)*26).
Энергетика.
Предварительно, мощность источников энергии на переработку углекислого газа и реголита для грузопотока на перерабатывающую станцию в 760 т в год можно оценить в 760 кВт. С учетом периодического затенения низкоорбитальной станции Марсом, потребуются тонкопленочные фотоэлектрические преобразователи мощностью 1500 кВт общей массой 1500 кг. С учетом деградации фотовольтаники должен быть избыток мощности порядка 25-50 процентов.
Возможную мощность катапульты центробежного типа на Деймосе, можно оценить исходя из 100 запусков в год, принимая, что длительность раскрутки троса с коллектором на конце равна 1/100 года при массе коллектора 1000 кг и скорости метания равной 663 м/с. При этих параметрах полезная мощность катапульты равна 0,7 кВт. Это очень малая величина, что говорит о значительном ресурсе на повышение частоты запусков при использовании более мощных источников энергии и электропривода катапульты. При мощности катапульты порядка 100 кВт масса количество пусков увеличивается в 143 раза, что создает хорошую перспективу для развития базы, так как увеличит производство ракетного топлива до 60 тыс. т в год.
Энергоснабжение коллекторов во время работы на низких орбитах обеспечивается теплом, выделяемым при торможении захватываемого газа. Тепловая энергия, генерируемая газом, более чем в 129 раз превышает энергию, которая требуется для работы реактивных двигателей-грунтометов при переводе коллектора с орбиты высотой 100 км на орбиту высотой 500 км. Тепловая энергия заторможенного газа - 2 665 000 000 Дж. Энергия для выброса грунта - 20 700 000 Дж. Простейших преобразователей с невысоким кпд достаточно для использования дарового потока энергии и энергоснабжения грунтометных двигателей.
Масштабирование и развитие системы.
Рассмотренная система может эксплуатироваться везде, где есть планеты со спутниками. Спутники Юпитера и Сатурна в этом отношении весьма перспективны. Наша Луна тоже удобна для использования этой схемы, правда, из-за более сильного тяготения Луны по сравнению с тяготением Деймоса, сложность реализации будет выше. Катапульта для доставки реголиты с Луны на станцию загрузки коллекторов, будет сложнее катапульты на Деймосе. Это должно быть устройство стреляющее порциями вещества в виде очередей из фрагментов по 10 граммов каждый. Есть подробное изложение концепции легкой катапульты для Луны. Масса такой катапульты не превышает 1 т.
В составе вещества Фобоса и Деймоса предполагается наличие водородных соединений. Вместе с тем, не исключены поставки воды с поверхности Марса многоразовыми суборбитальными ракетами по ранее опубликованной технологии «Орбитрон» (патенты США, ЕС и СНГ). Перехват порций воды (и в перспективе водорода) производится коллекторами в перицентре орбиты. Эти поставки позволят синтезировать метан в качестве ракетного горючего и полиэтилен в качестве сверхпрочного конструкционного материала. Реализация такой схемы развития системы требует создания промышленной базы на поверхности Марса. Возможно, развитие робототехники обеспечит безлюдное функционирование такого промышленного форпоста.
Востребованность.
Производство ракетного топлива за счет утилизации запасов потенциальной энергии Деймоса в гравитационном поле Марса может показаться не имеющим практического значения для земных потребителей, так как подобную схему можно реализовать в системе Луна-Земля. Однако, поставки углерода и кислорода (в чистом виде и в соединениях) выгодны, так как околоземная система может накапливать только азот и кислород. Использование обоих источников открывает возможность производства в космосе различных пластических масс из соединений углерода и азота. Небольшие добавки водорода полностью решают задачу производства в космосе легких конструкционных материалов.
Кроме того, использование околоземных орбитальных коллекторов воздуха также в качестве коллекторов грузов, поступающих с Марса, позволяет использовать даровую по своей сути кинетическую энергию марсианских грузов. Энергоемкость грузов по доле кинетической энергии многократно превышает долю энергии в химической форме. Превышение шестикратно по отношению к кислородно-водородному топливу.
Недорогие, по сравнению с доставкой с Земли, поставки углерода, в совокупности с их кинетической энергией, форсируют развитие лунных промышленных баз. Благодаря ранее описанной технологии жесткой посадки углеродосодержащих грузов с Марса на Луну (генерирующих окислительно-восстановительные реакции в реголите), решается задача выделения металлов и кремния из реголита.
Продукция марсианской и лунной промышленных баз будет востребована Китаем и Японией, для удешевления реализации планов по строительству спутниковых солнечных электростанций. Солнечная энергетика с элементами космического базирования должна вытеснить традиционную в процессе амортизации последней. При этом, масштабы возмещения составят в среднем 700 млрд. долларов в год, в составе которых будет доля стоимости, созданной на внеземных колониях. В плане перспектив развития альтернативной энергетики у марсианских и лунных колоний хорошие перспективы по окупаемости инвестиций.
Продолжение следует.