Лунная гравитационная катапульта - необходимый инструмент для колонизации Марса и других планет
Есть такая точка зрения: будут недорогие поставки сырья, следовательно, будут и недорогие запасы ракетного топлива на орбите для марсианских экспедиций. А заодно и материалы для эффективных антирадиационных экранов, жизненно важных во время полета. Космический аппарат-накопитель (КАН или КА-накопитель) обеспечивает условия радикального снижения цен на ракетное топливо в орбитальных АЗС. А здесь есть резервы для дальнейшего понижения цен.
Возвращаемся к предыстории концепции КА-накопителя вещества. Американский изобретатель Эдвард Марвик (Edward F. Marwick, US4775120 & US5199671), чей проект был признан прототипом моего варианта КА-накопителя вещества, намеревался использовать кинетическую энергию лунного вещества для вывода на орбиту вещества с Земли. Не нужно никаких супердвигателей - всё обеспечивается грузопотоками с Луны. Схема Марвика изображена на фиг.1.
Фиг. 1
С поверхности Луны, порции реголита и металлов выбрасываются электромагнитными ускорителями (пушками). Далее эти порции ракетными аппаратами точно выводятся на траекторию, ведущую к КА-накопителю, который расположен на низкой околоземной орбите. Порция лунного вещества через приёмное отверстие забрасывается во взрывную камеру, где тормозится в результате столкновения с буферным веществом камеры. Поскольку относительная скорость входа груза с Луны равна почти 3000 м/с (или около 11000 м/с относительно Земли), то образуется избыток импульса, который Марвик использует для уравновешивания тормозного импульса, возникающего при захвате грузов с Земли. Относительная скорость поступления земных порций сырья - 8000 м/с (при нулевом значении относительно Земли). Поэтому на каждые 8 кг лунного вещества, толкающего КА-накопитель в корму, с Земли практически даром, с энергетической точки зрения, захватывается 3 кг земного сырья (8 кг х 3 км/с = 3 кг х 8 км/с).
В нашем проекте, масса КА-накопителя невелика, по сравнению с планами Марвика. Если он полагал необходимым для эффективной работы иметь на орбите Земли КА-накопитель с массой до 40 тыс. тонн (!), то у нас, все реально - масса КА-накопителя может быть от 1 тонны до 20 тонн (обеспечение малой массы КАН - это предмет изобретения). Поэтому, есть смысл рассмотреть вариант с использованием почти даровой кинетической энергии потока лунных грузов для аккумулирования вещества, забрасываемого с Земли. Может оказаться, что суммарная масса системы, включая лунную часть, будет соизмерима или даже меньше варианта системы с ЭРД и бортовой КСЭС.
Для использования даровой энергии грузов, поступающих с Луны, КА-накопитель необходимо модернизировать - оснастить вторым грузоприемником, разместив его на корме космического аппарата. Если этого не делать, то КА-накопитель периодически придется разворачивать на 180 градусов. Вид КА-накопителя с двумя приемными устройствами грузов показан на фиг.2.
Фиг. 2
Для отправки грузов с Луны в нашем варианте нет необходимости в использовании громоздкой электромагнитной пушки на Луне. Все может быть значительно проще, дешевле и эффективнее. Вместо лунной пушки на окололунную орбиту выводится КА-накопитель, так же двустороннего действия. Этот КА поочередно захватывает порции вещества подаваемые со стороны Луны и со стороны Земли. Однако, как далее будет показано, эти грузы не земного происхождения.
Со стороны Земли грузы поступают со скоростью 7464 м/с относительно поверхности Луны. Скорость лунного КА-накопителя на орбите равна 1680 м/с. Поэтому, в камеру накопителя грузы поступают с относительной скоростью 5784 м/с. Импульс от этих грузов разгоняет КА и придает ему запас кинетической энергии, достаточный, что бы без существенных изменений орбиты захватить груз с Луны, масса которого в 3,44 раза больше массы груза, поступившего со стороны Земли. Такая вот дармовщина получатся.
Энергетическая дармовщина, впрочем, не совсем полная. Кое-что надо вкладывать в работу системы. Впрочем, эти вложения по силам современной технике. Речь идет об использовании эффекта активного гравитационного маневра в перигее околоземной орбиты. На этом участке, космический аппарат, например, запущенный со стороны Луны, в случае включения ракетного двигателя, может получить приращение скорости, которое даст избыток энергии по сравнению с затратами на первоначальный запуск аппарата со стороны Луны.
Рассмотрим это на конкретном примере работы лунного КА-накопителя вещества. В составе КАН находится грузовой бустер. Его скорость на окололунной орбите 1680 м/с. Если бустер получает разгонный импульс величиной до 736 м/с, то его результирующая скорость составит 2416 м/с. При такой скорости бустер способен покинуть и Луну и сферу действия Земли. Эта величина скорости берется как предельная, для того что бы можно было оценить технические параметры используемого бустера. На практике бустер не требуется выводить в межпланетное пространство.
В результате бустер 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 бустер может находится в режиме ожидания). Скорость в перигее порядка 11000 м/с.
В перигее ракетный двигатель включается еще раз и бустеру сообщается разгонный импульс величиной 2000 м/с. Это и есть активный гравитационный маневр. С учетом уже имеющейся скорости, бустер получает суммарную скорость около 13000 м/с, при затратах характеристической скорости в 2736 м/с. Запуск бустера с околоземной орбиты производится с таким расчетом, что бы он вернулся на Луну.
При старте с околоземной орбиты со скоростью 13000 м/с бустер на расстоянии одного радиуса лунной орбиты будет иметь скорость 6930 м/с. С учетом орбитальной скорости Луны и ускорения в гравитационном поле бустер при падении на лунную поверхность будет иметь скорость 7464 м/с. Однако, аппарат не падает на Луну, а направляется корректирующими двигателями в сторону орбитального накопителя. На подходящем удалении, груз несомый бустером, представляющий собой свернутый корд, разворачивают в виде трека длиной 3000-10000 м (и при необходимости на большую величину). С учетом разницы скоростей, груз поступает в КАН со скоростью 5784 м/с. Импульс движения КАН возрастет и если теперь на пути КАН поместить порцию груза с Луны, то масса такого груза равна 344 кг на каждые 100 кг груза, толкающего КАН со стороны кормы.
Итак, есть существенное приращения энергии и массы, т.е. система из пары КА-накопителей может обеспечить саму себя необходимой для работы энергией. Источник этой энергии - запас механической энергии вещества Луны в гравитационном поле Земли. Мы нашли эффективный и промышленно реализуемый способ утилизации этой энергии.
Рассмотрим теперь баланс расхода и поступления энергии и вещества. Допустим, что масса бустера, который стартует с орбиты лунного КА-накопителя, равна 100 кг (из них 10 кг - масса конструкции). КА использует ракетное топливо, произведенное на Луне. Ракетные двигатели бустера водородно-кислородные. Полезный груз бустера - катушка с кордом из армированного гидрогеля. Разгонный импульс, который двигатели сообщаю бустеры не превышает 736 м/с. К этому импульсу добавляется второй, который сообщается бустеру в перигее околоземной орбиты. Прирост скорости равен 2000 м/с. Итого, затраты характеристической скорости равны 2736 м/с. Если удельный импульс двигателей равен 4500 м/с, то расход топлива составит 45,5 кг, а конечная масса - 54,5 кг.
Допустим, для удобства расчетов, что бустер изготовлен из металлов, произведенных из лунного реголита (при помощи 3D-принтеров). Топливо, как выше указано, тоже произведено из лунного сырья. Тогда тормозной импульс, возникающий при захвате КА-накопителем порции лунного сырья равной по массе конструкции бустера, равен 100 кг х 1680 м/с. А разгонный импульс, сообщаемый КА-накопителю грузом бустера после облета Земли, равен 44,5 кг х 5784 м/с. На первом этапе импульс равен 16800 кг•м/с, а на втором 257388 кг•м/с. Вторая величина больше первой в 1,532 раза. Это значит, что теперь КА-накопитель может вместо 100 кг, захватить 153 кг лунного сырья. Разница в 53 кг - это та масса вещества, которая может быть направлена к Земле в орбитальные АЗС в виде ракетного топлива, необходимого для межпланетных перелетов, а так же в виде металлов, необходимых для орбитальных автоматических мастерских, оснащенных 3D-принтерами. Однако, кроме 53 кг захваченных с Луны, есть еще заброшенная бустером в накопитель порция массой 44,5 кг, что дает итоговый прирост массы в размере 97,5 кг. Эту массу сырья можно использовать на нужды аппаратов, запускаемых с Земли, для чего и нужен КА-накопитель лунных грузов на околоземной орбите.
В околоземный КА-накопитель поступит только часть этого прироста массы - затраты на топливо составляют 45,5%, и на массу конструкции бустера еще 10%. Итого, в околоземный КАН поступает 44,5% лунного вещества или 43,4 кг. Импульс этой порции груза равен 43,4 кг х 3000 м/с. Таким образом, тормозной импульс от захвата земного сырья округленно равен 16,3 кг х 8000 м/с. Всего в околоземный КА-накопитель поступает 59,7 кг вещества лунного и земного происхождения. В течение года КАН совершает более 5 тыс. оборотов вокруг Земли, поэтому за 1 год масса аккумулированного сырья составит 299 тонн.
В том случае, когда суборбитальные ракеты, формирующие на пути околоземного КАН дорожку из передаваемого сырья, обеспечивают дополнительный разгон этой массы вещества до 5000 м/с относительно поверхности планеты, то с Земли в КАН может забрасываться до 43,4 кг земного сырья или всего 86,8 кг с учетом доли лунного груза. Вариант с такой суборбитальной скоростью выгоден, в виду того, что он допускает использование недорогих и многоразовых ракет-носителей. Здесь за год масса захваченных грузов составит 434 тонны.
Реализации рассмотренной схемы, предполагает, однако, создание роботизированной добывающей станции на поверхности Луны. Задача станции - сбор реголита, простейшая его обработка в виде гранулирования пыли, и переброска полученных полуфабрикатов в лунный КА-накопитель с небольшой суборбитальной скоростью (см. фиг.3). Такая переброска возможна механическими устройствами, которые аналогичны так называемым грунтометам. Массы и габариты оборудования для такой лунной станции не требует тяжелых ракет-носителей. Имеющиеся РН типа «Протон» способны обеспечить доставку необходимого оборудования.
Фиг. 3
Переработку реголита в ракетное топливо и конструкционные материалы целесообразно осуществлять на борту орбитальной станции - это избавляет от затрат связанных с обеспечением посадки оборудования на Луну. Затраты сокращаются в несколько раз.
Выводы. В нашем распоряжении появились средства, обеспечивающие использование естественных запасов механической энергии гравитационных систем небесных тел. Использование такого ресурса открывает новые возможности в колонизации Солнечной системы. Теперь многие направления космической деятельности способны стать рентабельными промышленными проектами, избавляющими космонавтику от государственных дотаций и обеспечивающих доходность, достойную внимания крупных инвесторов.
Примечания. Приведенные данные по конкретным значениям масс космических аппаратов условны. Реальные устройства могут иметь иные абсолютные и относительные значения масс.
Принципиальные схемы (анимация)
источник
Возвращаемся к предыстории концепции КА-накопителя вещества. Американский изобретатель Эдвард Марвик (Edward F. Marwick, US4775120 & US5199671), чей проект был признан прототипом моего варианта КА-накопителя вещества, намеревался использовать кинетическую энергию лунного вещества для вывода на орбиту вещества с Земли. Не нужно никаких супердвигателей - всё обеспечивается грузопотоками с Луны. Схема Марвика изображена на фиг.1.
Фиг. 1
С поверхности Луны, порции реголита и металлов выбрасываются электромагнитными ускорителями (пушками). Далее эти порции ракетными аппаратами точно выводятся на траекторию, ведущую к КА-накопителю, который расположен на низкой околоземной орбите. Порция лунного вещества через приёмное отверстие забрасывается во взрывную камеру, где тормозится в результате столкновения с буферным веществом камеры. Поскольку относительная скорость входа груза с Луны равна почти 3000 м/с (или около 11000 м/с относительно Земли), то образуется избыток импульса, который Марвик использует для уравновешивания тормозного импульса, возникающего при захвате грузов с Земли. Относительная скорость поступления земных порций сырья - 8000 м/с (при нулевом значении относительно Земли). Поэтому на каждые 8 кг лунного вещества, толкающего КА-накопитель в корму, с Земли практически даром, с энергетической точки зрения, захватывается 3 кг земного сырья (8 кг х 3 км/с = 3 кг х 8 км/с).
В нашем проекте, масса КА-накопителя невелика, по сравнению с планами Марвика. Если он полагал необходимым для эффективной работы иметь на орбите Земли КА-накопитель с массой до 40 тыс. тонн (!), то у нас, все реально - масса КА-накопителя может быть от 1 тонны до 20 тонн (обеспечение малой массы КАН - это предмет изобретения). Поэтому, есть смысл рассмотреть вариант с использованием почти даровой кинетической энергии потока лунных грузов для аккумулирования вещества, забрасываемого с Земли. Может оказаться, что суммарная масса системы, включая лунную часть, будет соизмерима или даже меньше варианта системы с ЭРД и бортовой КСЭС.
Для использования даровой энергии грузов, поступающих с Луны, КА-накопитель необходимо модернизировать - оснастить вторым грузоприемником, разместив его на корме космического аппарата. Если этого не делать, то КА-накопитель периодически придется разворачивать на 180 градусов. Вид КА-накопителя с двумя приемными устройствами грузов показан на фиг.2.
Фиг. 2
Для отправки грузов с Луны в нашем варианте нет необходимости в использовании громоздкой электромагнитной пушки на Луне. Все может быть значительно проще, дешевле и эффективнее. Вместо лунной пушки на окололунную орбиту выводится КА-накопитель, так же двустороннего действия. Этот КА поочередно захватывает порции вещества подаваемые со стороны Луны и со стороны Земли. Однако, как далее будет показано, эти грузы не земного происхождения.
Со стороны Земли грузы поступают со скоростью 7464 м/с относительно поверхности Луны. Скорость лунного КА-накопителя на орбите равна 1680 м/с. Поэтому, в камеру накопителя грузы поступают с относительной скоростью 5784 м/с. Импульс от этих грузов разгоняет КА и придает ему запас кинетической энергии, достаточный, что бы без существенных изменений орбиты захватить груз с Луны, масса которого в 3,44 раза больше массы груза, поступившего со стороны Земли. Такая вот дармовщина получатся.
Энергетическая дармовщина, впрочем, не совсем полная. Кое-что надо вкладывать в работу системы. Впрочем, эти вложения по силам современной технике. Речь идет об использовании эффекта активного гравитационного маневра в перигее околоземной орбиты. На этом участке, космический аппарат, например, запущенный со стороны Луны, в случае включения ракетного двигателя, может получить приращение скорости, которое даст избыток энергии по сравнению с затратами на первоначальный запуск аппарата со стороны Луны.
Рассмотрим это на конкретном примере работы лунного КА-накопителя вещества. В составе КАН находится грузовой бустер. Его скорость на окололунной орбите 1680 м/с. Если бустер получает разгонный импульс величиной до 736 м/с, то его результирующая скорость составит 2416 м/с. При такой скорости бустер способен покинуть и Луну и сферу действия Земли. Эта величина скорости берется как предельная, для того что бы можно было оценить технические параметры используемого бустера. На практике бустер не требуется выводить в межпланетное пространство.
В результате бустер 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 бустер может находится в режиме ожидания). Скорость в перигее порядка 11000 м/с.
В перигее ракетный двигатель включается еще раз и бустеру сообщается разгонный импульс величиной 2000 м/с. Это и есть активный гравитационный маневр. С учетом уже имеющейся скорости, бустер получает суммарную скорость около 13000 м/с, при затратах характеристической скорости в 2736 м/с. Запуск бустера с околоземной орбиты производится с таким расчетом, что бы он вернулся на Луну.
При старте с околоземной орбиты со скоростью 13000 м/с бустер на расстоянии одного радиуса лунной орбиты будет иметь скорость 6930 м/с. С учетом орбитальной скорости Луны и ускорения в гравитационном поле бустер при падении на лунную поверхность будет иметь скорость 7464 м/с. Однако, аппарат не падает на Луну, а направляется корректирующими двигателями в сторону орбитального накопителя. На подходящем удалении, груз несомый бустером, представляющий собой свернутый корд, разворачивают в виде трека длиной 3000-10000 м (и при необходимости на большую величину). С учетом разницы скоростей, груз поступает в КАН со скоростью 5784 м/с. Импульс движения КАН возрастет и если теперь на пути КАН поместить порцию груза с Луны, то масса такого груза равна 344 кг на каждые 100 кг груза, толкающего КАН со стороны кормы.
Итак, есть существенное приращения энергии и массы, т.е. система из пары КА-накопителей может обеспечить саму себя необходимой для работы энергией. Источник этой энергии - запас механической энергии вещества Луны в гравитационном поле Земли. Мы нашли эффективный и промышленно реализуемый способ утилизации этой энергии.
Рассмотрим теперь баланс расхода и поступления энергии и вещества. Допустим, что масса бустера, который стартует с орбиты лунного КА-накопителя, равна 100 кг (из них 10 кг - масса конструкции). КА использует ракетное топливо, произведенное на Луне. Ракетные двигатели бустера водородно-кислородные. Полезный груз бустера - катушка с кордом из армированного гидрогеля. Разгонный импульс, который двигатели сообщаю бустеры не превышает 736 м/с. К этому импульсу добавляется второй, который сообщается бустеру в перигее околоземной орбиты. Прирост скорости равен 2000 м/с. Итого, затраты характеристической скорости равны 2736 м/с. Если удельный импульс двигателей равен 4500 м/с, то расход топлива составит 45,5 кг, а конечная масса - 54,5 кг.
Допустим, для удобства расчетов, что бустер изготовлен из металлов, произведенных из лунного реголита (при помощи 3D-принтеров). Топливо, как выше указано, тоже произведено из лунного сырья. Тогда тормозной импульс, возникающий при захвате КА-накопителем порции лунного сырья равной по массе конструкции бустера, равен 100 кг х 1680 м/с. А разгонный импульс, сообщаемый КА-накопителю грузом бустера после облета Земли, равен 44,5 кг х 5784 м/с. На первом этапе импульс равен 16800 кг•м/с, а на втором 257388 кг•м/с. Вторая величина больше первой в 1,532 раза. Это значит, что теперь КА-накопитель может вместо 100 кг, захватить 153 кг лунного сырья. Разница в 53 кг - это та масса вещества, которая может быть направлена к Земле в орбитальные АЗС в виде ракетного топлива, необходимого для межпланетных перелетов, а так же в виде металлов, необходимых для орбитальных автоматических мастерских, оснащенных 3D-принтерами. Однако, кроме 53 кг захваченных с Луны, есть еще заброшенная бустером в накопитель порция массой 44,5 кг, что дает итоговый прирост массы в размере 97,5 кг. Эту массу сырья можно использовать на нужды аппаратов, запускаемых с Земли, для чего и нужен КА-накопитель лунных грузов на околоземной орбите.
В околоземный КА-накопитель поступит только часть этого прироста массы - затраты на топливо составляют 45,5%, и на массу конструкции бустера еще 10%. Итого, в околоземный КАН поступает 44,5% лунного вещества или 43,4 кг. Импульс этой порции груза равен 43,4 кг х 3000 м/с. Таким образом, тормозной импульс от захвата земного сырья округленно равен 16,3 кг х 8000 м/с. Всего в околоземный КА-накопитель поступает 59,7 кг вещества лунного и земного происхождения. В течение года КАН совершает более 5 тыс. оборотов вокруг Земли, поэтому за 1 год масса аккумулированного сырья составит 299 тонн.
В том случае, когда суборбитальные ракеты, формирующие на пути околоземного КАН дорожку из передаваемого сырья, обеспечивают дополнительный разгон этой массы вещества до 5000 м/с относительно поверхности планеты, то с Земли в КАН может забрасываться до 43,4 кг земного сырья или всего 86,8 кг с учетом доли лунного груза. Вариант с такой суборбитальной скоростью выгоден, в виду того, что он допускает использование недорогих и многоразовых ракет-носителей. Здесь за год масса захваченных грузов составит 434 тонны.
Реализации рассмотренной схемы, предполагает, однако, создание роботизированной добывающей станции на поверхности Луны. Задача станции - сбор реголита, простейшая его обработка в виде гранулирования пыли, и переброска полученных полуфабрикатов в лунный КА-накопитель с небольшой суборбитальной скоростью (см. фиг.3). Такая переброска возможна механическими устройствами, которые аналогичны так называемым грунтометам. Массы и габариты оборудования для такой лунной станции не требует тяжелых ракет-носителей. Имеющиеся РН типа «Протон» способны обеспечить доставку необходимого оборудования.
Фиг. 3
Переработку реголита в ракетное топливо и конструкционные материалы целесообразно осуществлять на борту орбитальной станции - это избавляет от затрат связанных с обеспечением посадки оборудования на Луну. Затраты сокращаются в несколько раз.
Выводы. В нашем распоряжении появились средства, обеспечивающие использование естественных запасов механической энергии гравитационных систем небесных тел. Использование такого ресурса открывает новые возможности в колонизации Солнечной системы. Теперь многие направления космической деятельности способны стать рентабельными промышленными проектами, избавляющими космонавтику от государственных дотаций и обеспечивающих доходность, достойную внимания крупных инвесторов.
Примечания. Приведенные данные по конкретным значениям масс космических аппаратов условны. Реальные устройства могут иметь иные абсолютные и относительные значения масс.
Принципиальные схемы (анимация)
Click to viewисточник