КА-накопитель - утилизатор запасов потенциальной энергии гравитационных полей
Продолжим рассмотрение темы о КА-накопителях (лунных и земных сырьевых материалов) как транспортных средств, способных использовать запасы энергии, аккумулированной в гравитационных полях Земли и Луны. Речь идет о создании своего рода гравитационной катапульты, которая использует активный пертурбационный маневр, называемый так же маневром Оберта (Oberth maneuver). Тема актуальная, так как от даровой энергии еще никто не отказывался.
Предыдущие статьи по теме гравитационных катапульт:
« Лунная гравитационная катапульта - необходимый инструмент для колонизации Марса и других планет»;
« Год 2057 - гравитационные электростанции ледяных лун планет-гигантов / Year 2057 - gravitational power plants on icy moons of the giant planets».
Схемы в этих статьях не полностью отображают обсуждаемую технологию. Поэтому новые плакаты (четыре штуки) помогут лицам с конкретно-предметным мышлением продвинуться в понимании сути заявляемой концепции (КА-накопитель как утилизатор запасов потенциальной энергии гравитационных полей). А лица с абстрактным мышлением просто получат эстетическое удовольствие от лицезрения процесса материализации идеи. Поскольку, тема уже раскрыта в предшествующих публикациях, то в настоящей статье можно ограничиться демонстрацией схем-плакатов и комментариями к ним.
Смотрим схему 1.1.
На плакате показана Земля и Луна. На орбите вокруг Луны находится система космических аппаратов-накопителей (КАН). На той же орбите в паре с КАН находятся разгонные блоки или бустеры. Груз бустеров - порции лунного вещества. Назначение бустеров - совершение манера Оберта для преобразования потенциальной энергии лунного вещества в кинетическую энергию.
Под номером 1 показан первый шаг работы транспортно-энергетической системы. Бустер, пристыкованный к КАН, первоначально имеет скорость около 1,7 км/с, такую же, как у КАН. Бустер заправлен ракетным топливом, которое произведено из лунного вещества, воды или реголита. Полезный груз бустера - порция лунного реголита. При помощи реактивного двигателя бустер получает приращение скорости около 0,7-0,8 км/с и переходит с окололунной круговой орбиты на околоземную вытянутую эллиптическую орбиту.
Шаг номер 2. Бустер поднимается в апогей орбиты. Высота апогея подбирается с таким расчетом, что бы общее время движения бустера по траектории, которая обозначена номерами 1, 2, 3, 4 и далее по новой траектории 4 и 5, обеспечивало прибытие бустера обратно к Луне. Это значит, что возможны такие эллиптические орбиты, на которых бустер может совершать несколько оборотов, дожидаясь удобного расположения Луны, такого, что после совершения пертурбационного маневра траектория полета бустера шла по касательной к траектории полета группы КАН вокруг Луны.
Шаг номер 3. Бустер движется по нисходящей ветви эллиптической орбиты, увеличивая скорость по мере приближения к перигею.
Шаг номер 4. Бустер достигает перигея. На этом участке его скорость достигает максимального значения: почти 11 км/с. После достижения заданной скорости, реактивные двигатели включаются и сообщают бустеру приращения скорости величиной 2 км/с. Это и есть активный пертурбационный маневр или маневр Оберта. Результирующая скорость бустера поднимается до 13 км/с. Смысл использования этого маневра в том, что после разгона в перигее, капсулы возвращаются на Луну со скоростью намного большей, чем скорость их отлета с окололунной орбиты. И даже после расхода части своей массы на топливо для разгона в перигее, кинетическая энергия бустера превышает его кинетическую энергию на этапе отлета с окололунной орбиты.
Здесь следует указать на возможность применения, по меньшей мере, еще двух способов разгона бустера в перигее. Первый - это использование космического прямоточного воздушно-реактивного двигателя Меркулова. Второй - это использование принципа пращи.
Применение ПВРД Меркулова удобно тем, что его «топливом», точнее рабочим телом, может быть любое инертное тело, например, лунная вода, что избавляет от сложностей изготовления обычного ракетного топлива из лунной воды. Но, неудобством, правда не очень большим, является необходимость разгона бустера с таким ПВРД в атмосфере на высоте 80-90 км.
Применение принципа пращи - это использование тросовой связки из пары аппаратов, заранее раскрученных перед приходом в перигей. Окружная скорость такой связки, при существующих конструкционных материалах, может достигать 1,5-2 км/с. Такая связка, при разрыве в перигее, когда один аппарат, а точнее простой контейнер (или даже только содержимое контейнера - лунная пыль) отлетает назад, обеспечивает разгон второго аппарата в противоположную сторону, т.е. вперед с нужным приращением скорости до 2 км/с. Применение принципа пращи удобно тем, что здесь используется обычный необработанный лунный реголит, что также избавляет от сложностей изготовления обычного ракетного топлива из лунного вещества. Такая же связка может применяться и для старта от Луны в сторону Земли. В этом варианте окружная скорость не превысит 0,8 км/с.
Шаг номер 5. Бустер выводится на траекторию, пересекающуюся с орбитой системы лунных КАН. При подлете к одному из КА-накопителей, со скоростью 7,46 км/с, бустер корректирует свое положение, выбрасывает группу фрагментов груза по ходу своего движения, затем отходит в сторону, что бы исключить столкновение с лунным КАН. Груз поступает в КА-накопитель со стороны кормы с относительной скоростью 5,78 км/с и передает импульс движения КА-накопителю. Полученный импульс движения обеспечивает аппарату-накопителю возможность захвата с поверхности Луны порции груза в 3,44 раза большей, чем порция, поступившая от бустера. Таким образом, каждая 1 тонна реголита, поступившая в КАН от бустера после совершения им маневра Оберта, передает КА-накопителю энергию достаточную для захвата с поверхности Луны еще 3,44 тонн реголита. Тепловая энергия, выделяющаяся в камере аккумуляции грузов КАН (при их ударном торможении), используется для выработки электроэнергии (при помощи турбогенераторов) и непосредственного обеспечения теплом производственных процессов.
Добавление в камеру углеводородов (метана и т.п.), может использоваться для производства кислорода из реголита (в момент его высокотемпературного нагрева) и получения неокисленных кремния и металлов (кроме алюминия): водород и углерод вступают с реакцию с кислородом окислов и образуют воду с углекислым газом, которые потом известными методами разлагаются на исходные компоненты. Кислород отделяется, накапливается и используется как компонент ракетного топлива, а водород и углерод снова используются для обработки реголита.
Шаг номер 6. Пустой бустер, без топлива и груза, пролетает мимо КА-накопителя и уходит в межпланетное пространство. Альтернативным вариантом будет коррекция полета бустера таким образом, что после сброса груза в КА-накопитель, он падает на Луну, в заранее отведенную зону, например, на склон стенки лунного кратера. Дополнительным вариантом здесь будет использование бустера, который не полностью освобожден от груза: такой бустер выгодно использовать в качестве инструмента горнопроходческих работ для создания выемок и штолен. Скорость бустера при падении равна почти 7,5 км/с, и при ударе о поверхность на каждую 1 тонну груза (простого реголита) выделяется энергия равная 6,7 тонн тринитротолуола. Предполагается, что используется уже освоенная технология производства ракетных двигателей и корпусов бустеров из лунных металлов по технологии 3D-печати.
Переходим к схеме 1.2.
На плакате показана работа лунного КА-накопителя в двух основных случаях: получение порции груза от бустера после совершения им маневра Оберта; захват порции лунного вещества, подаваемого с поверхности Луны.
Шаг номер 1. Бустер приближается к лунному КА-накопителю. Шаг 2. Бустер корректирует положение для точной подачи груза в КАН.
Шаг 3. Бустер отходит в сторону для исключения столкновения с КАН. Далее он уходит в межпланетное пространство или падает на поверхность Луны.
Шаг 4. Груз поступает в КА-накопитель. КАН получает импульс движения, который будет использован в последующих операциях.
Шаг 5. КАН под действие импульса переходит с круговой на эллиптическую орбиту.
Шаг 6. С поверхности Луны поднимется порция лунного сырья и распределяется вдоль траектории полета КАН за несколько секунд перед его прохождение этого участка.
Шаг 7. КАН поглощает вещество, находящееся на его пути и получает тормозной импульс.
Шаг 8. Импульс торможения переводит КАН с эллиптической орбиты на первоначальную круговую. Цикл завершен.
Смотрим схему 2.1.
На плакате изображен процесс передачи лунного сырья на околоземные КА-накопители.
Шаг 1. Бустер, заправленный лунным ракетным топливом и загруженный лунным сырьём, стартует с окололунной орбиты и переходит на околоземную эллиптическую орбиту.
Шаг 2. Бустер движется по восходящей ветви эллиптической орбиты.
Шаг 3. Бустер движется нисходящей ветви эллиптической орбиты в сторону Земли.
Шаг 4. В перигее орбиты, когда скорость бустера достигает максимального значения равного 11 км/с, бустер выбрасывает порцию груза и отходит в сторону. Груз с относительной скоростью около 3 км/с поступает в КА-накопитель.
Шаг 5. Бустер, после выполнения задачи, уходит на второй круг движения по эллиптической орбите. При возвращении к Земле его траекторию корректируют таким образом, что он падает на Землю и сгорает в верхних слоях атмосферы. Альтернативным вариантом будет использование бустеров с теплозащитным покрытием или аэродинамическим тормозом, благодаря которым бустер переводится на околоземную орбиту и повторно используется для других целей. Другим вариантом будет возвращение бустера к Луне (после нескольких витков в режиме ожидания), торможения в пределах сферы действия Луны, стыковки с КАН и повторного использования для полетов к околоземным КА-накопителям.
Схема 2.2.
На плакате показана работа околоземного КА-накопителя в двух основных случаях: получение порции груза от лунного бустера; захват порции земного сырья, подаваемого с поверхности Земли суборбитальными ракетами.
Шаг номер 1. Бустер приближается к земному КА-накопителю.
Шаг 2. Бустер корректирует положение для точной подачи груза в КАН.
Шаг 3. Бустер отходит в сторону для исключения столкновения с КАН.
Шаг 4. Груз поступает в КА-накопитель. КАН получает импульс движения, который будет использован в последующих операциях.
Шаг 5. КАН под действие импульса переходит с круговой на эллиптическую орбиту.
Шаг 6. С поверхности Земли суборбитальными ракетами поднимется порция сырья и распределяется вдоль траектории полета КАН за несколько секунд перед его прохождение этого участка.
Шаг 7. КАН поглощает вещество, находящееся на его пути и получает тормозной импульс.
Шаг 8. Импульс торможения переводит КАН с эллиптической орбиты на первоначальную круговую. Цикл завершен.
Рассмотренная схема работы транспортно-энергетической системы применима и к другим планетам. Уже говорилось об эффективности её использования у Юпитера, Сатурна и других планет-гигантов.
Напомним еще раз, в случае реализации такой транспортно-энергетической системы, решаются многие вопросы рентабельности космонавтики. Иначе будет выглядеть и энергетическая и сырьевая безопасность Европы и США: лунное сырьё становится недорогим и доступным - политическим «ястребам» придется положить клювы на полку.
Вопросы есть?
Источник
Предыдущие статьи по теме гравитационных катапульт:
« Лунная гравитационная катапульта - необходимый инструмент для колонизации Марса и других планет»;
« Год 2057 - гравитационные электростанции ледяных лун планет-гигантов / Year 2057 - gravitational power plants on icy moons of the giant planets».
Схемы в этих статьях не полностью отображают обсуждаемую технологию. Поэтому новые плакаты (четыре штуки) помогут лицам с конкретно-предметным мышлением продвинуться в понимании сути заявляемой концепции (КА-накопитель как утилизатор запасов потенциальной энергии гравитационных полей). А лица с абстрактным мышлением просто получат эстетическое удовольствие от лицезрения процесса материализации идеи. Поскольку, тема уже раскрыта в предшествующих публикациях, то в настоящей статье можно ограничиться демонстрацией схем-плакатов и комментариями к ним.
Смотрим схему 1.1.
На плакате показана Земля и Луна. На орбите вокруг Луны находится система космических аппаратов-накопителей (КАН). На той же орбите в паре с КАН находятся разгонные блоки или бустеры. Груз бустеров - порции лунного вещества. Назначение бустеров - совершение манера Оберта для преобразования потенциальной энергии лунного вещества в кинетическую энергию.
Под номером 1 показан первый шаг работы транспортно-энергетической системы. Бустер, пристыкованный к КАН, первоначально имеет скорость около 1,7 км/с, такую же, как у КАН. Бустер заправлен ракетным топливом, которое произведено из лунного вещества, воды или реголита. Полезный груз бустера - порция лунного реголита. При помощи реактивного двигателя бустер получает приращение скорости около 0,7-0,8 км/с и переходит с окололунной круговой орбиты на околоземную вытянутую эллиптическую орбиту.
Шаг номер 2. Бустер поднимается в апогей орбиты. Высота апогея подбирается с таким расчетом, что бы общее время движения бустера по траектории, которая обозначена номерами 1, 2, 3, 4 и далее по новой траектории 4 и 5, обеспечивало прибытие бустера обратно к Луне. Это значит, что возможны такие эллиптические орбиты, на которых бустер может совершать несколько оборотов, дожидаясь удобного расположения Луны, такого, что после совершения пертурбационного маневра траектория полета бустера шла по касательной к траектории полета группы КАН вокруг Луны.
Шаг номер 3. Бустер движется по нисходящей ветви эллиптической орбиты, увеличивая скорость по мере приближения к перигею.
Шаг номер 4. Бустер достигает перигея. На этом участке его скорость достигает максимального значения: почти 11 км/с. После достижения заданной скорости, реактивные двигатели включаются и сообщают бустеру приращения скорости величиной 2 км/с. Это и есть активный пертурбационный маневр или маневр Оберта. Результирующая скорость бустера поднимается до 13 км/с. Смысл использования этого маневра в том, что после разгона в перигее, капсулы возвращаются на Луну со скоростью намного большей, чем скорость их отлета с окололунной орбиты. И даже после расхода части своей массы на топливо для разгона в перигее, кинетическая энергия бустера превышает его кинетическую энергию на этапе отлета с окололунной орбиты.
Здесь следует указать на возможность применения, по меньшей мере, еще двух способов разгона бустера в перигее. Первый - это использование космического прямоточного воздушно-реактивного двигателя Меркулова. Второй - это использование принципа пращи.
Применение ПВРД Меркулова удобно тем, что его «топливом», точнее рабочим телом, может быть любое инертное тело, например, лунная вода, что избавляет от сложностей изготовления обычного ракетного топлива из лунной воды. Но, неудобством, правда не очень большим, является необходимость разгона бустера с таким ПВРД в атмосфере на высоте 80-90 км.
Применение принципа пращи - это использование тросовой связки из пары аппаратов, заранее раскрученных перед приходом в перигей. Окружная скорость такой связки, при существующих конструкционных материалах, может достигать 1,5-2 км/с. Такая связка, при разрыве в перигее, когда один аппарат, а точнее простой контейнер (или даже только содержимое контейнера - лунная пыль) отлетает назад, обеспечивает разгон второго аппарата в противоположную сторону, т.е. вперед с нужным приращением скорости до 2 км/с. Применение принципа пращи удобно тем, что здесь используется обычный необработанный лунный реголит, что также избавляет от сложностей изготовления обычного ракетного топлива из лунного вещества. Такая же связка может применяться и для старта от Луны в сторону Земли. В этом варианте окружная скорость не превысит 0,8 км/с.
Шаг номер 5. Бустер выводится на траекторию, пересекающуюся с орбитой системы лунных КАН. При подлете к одному из КА-накопителей, со скоростью 7,46 км/с, бустер корректирует свое положение, выбрасывает группу фрагментов груза по ходу своего движения, затем отходит в сторону, что бы исключить столкновение с лунным КАН. Груз поступает в КА-накопитель со стороны кормы с относительной скоростью 5,78 км/с и передает импульс движения КА-накопителю. Полученный импульс движения обеспечивает аппарату-накопителю возможность захвата с поверхности Луны порции груза в 3,44 раза большей, чем порция, поступившая от бустера. Таким образом, каждая 1 тонна реголита, поступившая в КАН от бустера после совершения им маневра Оберта, передает КА-накопителю энергию достаточную для захвата с поверхности Луны еще 3,44 тонн реголита. Тепловая энергия, выделяющаяся в камере аккумуляции грузов КАН (при их ударном торможении), используется для выработки электроэнергии (при помощи турбогенераторов) и непосредственного обеспечения теплом производственных процессов.
Добавление в камеру углеводородов (метана и т.п.), может использоваться для производства кислорода из реголита (в момент его высокотемпературного нагрева) и получения неокисленных кремния и металлов (кроме алюминия): водород и углерод вступают с реакцию с кислородом окислов и образуют воду с углекислым газом, которые потом известными методами разлагаются на исходные компоненты. Кислород отделяется, накапливается и используется как компонент ракетного топлива, а водород и углерод снова используются для обработки реголита.
Шаг номер 6. Пустой бустер, без топлива и груза, пролетает мимо КА-накопителя и уходит в межпланетное пространство. Альтернативным вариантом будет коррекция полета бустера таким образом, что после сброса груза в КА-накопитель, он падает на Луну, в заранее отведенную зону, например, на склон стенки лунного кратера. Дополнительным вариантом здесь будет использование бустера, который не полностью освобожден от груза: такой бустер выгодно использовать в качестве инструмента горнопроходческих работ для создания выемок и штолен. Скорость бустера при падении равна почти 7,5 км/с, и при ударе о поверхность на каждую 1 тонну груза (простого реголита) выделяется энергия равная 6,7 тонн тринитротолуола. Предполагается, что используется уже освоенная технология производства ракетных двигателей и корпусов бустеров из лунных металлов по технологии 3D-печати.
Переходим к схеме 1.2.
На плакате показана работа лунного КА-накопителя в двух основных случаях: получение порции груза от бустера после совершения им маневра Оберта; захват порции лунного вещества, подаваемого с поверхности Луны.
Шаг номер 1. Бустер приближается к лунному КА-накопителю. Шаг 2. Бустер корректирует положение для точной подачи груза в КАН.
Шаг 3. Бустер отходит в сторону для исключения столкновения с КАН. Далее он уходит в межпланетное пространство или падает на поверхность Луны.
Шаг 4. Груз поступает в КА-накопитель. КАН получает импульс движения, который будет использован в последующих операциях.
Шаг 5. КАН под действие импульса переходит с круговой на эллиптическую орбиту.
Шаг 6. С поверхности Луны поднимется порция лунного сырья и распределяется вдоль траектории полета КАН за несколько секунд перед его прохождение этого участка.
Шаг 7. КАН поглощает вещество, находящееся на его пути и получает тормозной импульс.
Шаг 8. Импульс торможения переводит КАН с эллиптической орбиты на первоначальную круговую. Цикл завершен.
Смотрим схему 2.1.
На плакате изображен процесс передачи лунного сырья на околоземные КА-накопители.
Шаг 1. Бустер, заправленный лунным ракетным топливом и загруженный лунным сырьём, стартует с окололунной орбиты и переходит на околоземную эллиптическую орбиту.
Шаг 2. Бустер движется по восходящей ветви эллиптической орбиты.
Шаг 3. Бустер движется нисходящей ветви эллиптической орбиты в сторону Земли.
Шаг 4. В перигее орбиты, когда скорость бустера достигает максимального значения равного 11 км/с, бустер выбрасывает порцию груза и отходит в сторону. Груз с относительной скоростью около 3 км/с поступает в КА-накопитель.
Шаг 5. Бустер, после выполнения задачи, уходит на второй круг движения по эллиптической орбите. При возвращении к Земле его траекторию корректируют таким образом, что он падает на Землю и сгорает в верхних слоях атмосферы. Альтернативным вариантом будет использование бустеров с теплозащитным покрытием или аэродинамическим тормозом, благодаря которым бустер переводится на околоземную орбиту и повторно используется для других целей. Другим вариантом будет возвращение бустера к Луне (после нескольких витков в режиме ожидания), торможения в пределах сферы действия Луны, стыковки с КАН и повторного использования для полетов к околоземным КА-накопителям.
Схема 2.2.
На плакате показана работа околоземного КА-накопителя в двух основных случаях: получение порции груза от лунного бустера; захват порции земного сырья, подаваемого с поверхности Земли суборбитальными ракетами.
Шаг номер 1. Бустер приближается к земному КА-накопителю.
Шаг 2. Бустер корректирует положение для точной подачи груза в КАН.
Шаг 3. Бустер отходит в сторону для исключения столкновения с КАН.
Шаг 4. Груз поступает в КА-накопитель. КАН получает импульс движения, который будет использован в последующих операциях.
Шаг 5. КАН под действие импульса переходит с круговой на эллиптическую орбиту.
Шаг 6. С поверхности Земли суборбитальными ракетами поднимется порция сырья и распределяется вдоль траектории полета КАН за несколько секунд перед его прохождение этого участка.
Шаг 7. КАН поглощает вещество, находящееся на его пути и получает тормозной импульс.
Шаг 8. Импульс торможения переводит КАН с эллиптической орбиты на первоначальную круговую. Цикл завершен.
Рассмотренная схема работы транспортно-энергетической системы применима и к другим планетам. Уже говорилось об эффективности её использования у Юпитера, Сатурна и других планет-гигантов.
Напомним еще раз, в случае реализации такой транспортно-энергетической системы, решаются многие вопросы рентабельности космонавтики. Иначе будет выглядеть и энергетическая и сырьевая безопасность Европы и США: лунное сырьё становится недорогим и доступным - политическим «ястребам» придется положить клювы на полку.
Вопросы есть?
Источник