Цель: Космос!

alex_anpilogov — 26.04.2015

Почему, статья называется именно так?
Почему автор так долго распинался касательно вывода грузов на околоземную орбиту, а потом просто берёт — и заявляет просто и непритязательно: «Цель — космос!»?
Где долгие рассказы о полётах на Луну, о лунной базе, о колониях на астероидах, о длительной подготовке к полёту на Марс?

Начнём с того, что выбравшись на орбиту Земли, вы уже решили не просто часть задачи, а выполнили уже львиную часть работы.
Смысл данного утверждения хорошо продемонстрирован в давнем разговоре двух американских фантастов — Джерри Пурнелла (автора «Мошки») и мэтра американской фантастики, Роберта Хайнлайна.
По воспоминаниям самого Пурнелла, обсуждая с Хайнлайном вопрос колонизации космоса, они вышли на момент достаточного условия для таковой:

«В том рассказе Хайнлайна, что мы обсуждали, значительные грузы с Земли уже без проблем выводили на орбиту. "Ага, - сказал я, - Я вижу вашу проблему. Если вы можете вытащить корабль на орбиту, вы уже на полпути к Луне."
"Нет, - ответил мне Роберт. - если вы можете вытащить свой корабль на орбиту, то вы уже на полпути куда угодно.»


Да, это именно так.
В тот момент, когда вы вышли на орбиту Земли, избавившись от назойливого влияния земной атмосферы и постоянно обманываете земную силу тяжести, осуществляя бесконечное «падение» на околоземной орбите, вы уже на полпути куда угодно.
Например, наиболее экономичным способом добраться от Земли до Марса (да и вообще до любого внеземного тела) будет так называемая гомановская траектория. Орбита, а точнее, линия Гомана между двумя планетами гарантировано использует минимальное возможное приращение ващей характеристической скорости (ещё именуемой Δv). Так, для перемещения с Земли на Марс по такой траектории необходимое приращение Δv составит около 5 590 м/с, в зависимости от взаимного положения планет.

Обратите внимание, что Δv для выхода на орбиту Земли, с учётом всех аэродинамических и гравитационных потерь современных способов вывода составляет около 11 000 м/с, а запуск космического корабля от Земли к Марсу, с учётом разгона и торможения, будет вам стоить всего лишь 5 590 м/с, то есть — вдвое меньше!

Однако, гомановская траектория, весьма удобная, например, для полётов к Луне, когда срок всей экспедиции исчисляется двумя неделями, уже при полёте к Марсу приводит к тому, что полёт надо осуществлять минимум три года!
Достаточно много времени можно сэкономить при обратном гравитационном манёвре возле Венеры, но даже в этом случае срок всей экспедиции составит почти два года:





Смысл обратного пролёта Венеры понятен из вот этого анимированного пояснения, которое показывает, как небесное тело может дополнительно ускорится в гравитационном поле крупного небесного тела:



Приращение скорости, которое можно получить в гравитационном поле Венеры, сравнимо с Δv, необходимым для запуска космического корабля с Земли на Марс и составляет без малого до 7 300 м/c и позволяет, за счёт «пересадки» возле Венеры превратить орбиту «падения» к Солнцу в орбиту, ведущую назад к нашей Земле.
Но больше по пути к Марсу и на пути от него подходящих небесных тел нет — и поэтому сократить сильнее сроки полёта к Красной Планете в рамках использования эллиптических гомановских траекторий уже не получается.

Связано это с тем, что гомановская эллиптическая орбита, хоть и позволяет нам очень сильно экономить необходимое для осуществления полёта приращение характеристической скорости (то самое Δv), но не позволяет добиться минимального времени полёта — космический корабль на эллиптической гомановской орбите оказывается заложником небесной механики, двигаясь со скоростями, сравнимыми с орбитальной скоростью планет «отправления» и «назначения» и «пересадки».
То есть, летая по гомановским орбитам, вы будете постоянно иметь сроки перемещения даже между объектами Солнечной системы, исчисляемые годами и десятилетиями.

Можно ли уйти от такой неприятной ситуации? Ведь, как говорится, «не эллипсом Гомана единым!» жив человек.
Да, можно.

Время полёта до любого небесного тела можно сократить, но для этого, конечно же, надо будет чем-то пожертвовать. Для случая межпланетных перелётов в гравитационном поле нашего Солнца надо будет жертвовать Δv, которое нужно будет расходывать уже менее экономно, но добиваясь гораздо более быстрых, уже не элиптических, а гиперболических траекторий полёта между планетами Солнечной системы.

Пытаться перейти на гиперболическую траекторию полёта к Марсу, используя те же самые химические ракеты, которые использовались для старта с Земли — чистой воды безумие.
Гиперболические скорости для Солнечной системы начинаются от цифры в 16 650 м/c (что, с учётом скорости нашей родной планеты, обеспечивает скорость почти в 45 000 м/c относительно Солнца) и простираются вплоть до бесконечности скорости света — все тела, имеющие скорости, выше третьей космической для Солнечной системы, движутся в ней по гиперболическим траекториям, которые обеспечивают гораздо меньшее время перелёта, нежели эллиптические траектории.

Отсюда можно и весьма условно прикинуть необходимую энергетику для полёта по гиперболической траектории: орбитальная скорость Земли на её орбите составляет 29 780 м/c, Марса — 24 130 м/c, следовательно, конечные скорости гиперболического полёта должны соответствовать скоростям планет «отправления» и «назначения».
Если вы хотите лететь от Земли к Марсу по самой медленной гиперболе, то вы должны набрать около Земли 16 650 м/c, а около Марса — сбросить «лишние» 22 300 м/c, что в целом выводит нас на цифру Δv, составляющую почти что 39 км/c.
Конечно, расчёт этот весьма условен и груб, но он показывает нам, что энергетика гиперболического полёта превосходит энергетику химических ракет и доступных им гомановских траекторий как минимум в восемь раз.

Скажу сразу: даже разработки 1960х-1980х годов, проводившиеся в рамках американских и советских программ ЯРД, не обеспечивали полного соответствия требованиям гиперболической траектории: получившийся для них удельный импульс в пределе 850-950 секунд (против 450 секунд для лучших кислород-водородных химических ЖРД) — всё равно был недостаточен, чтобы обеспечить изменение Δv в пределе 39 км/c и выше.
Схема полёта американского космического корабля к Марсу с помощью двигателей NERVA всё равно опиралась на гомановские траектории и на гравитационный манёвр возле Венеры на обратном пути, в силу чего общий срок экспедиции к Марсу составил бы от 460 до 640 суток, в зависимости от времени запуска:



При этом, в общем-то, основная задача перехода от гомановской траектории к гиперболическому полёту с переходом от ЖРД к твердотельного ЯРД так и не была решена: на орбите Земли пришлось бы всё равно собирать громадного «монстра» весом больше 1200 тонн, а срок экспедиции на Марсе составил бы не более 30 суток.
При этом основная задача — сокращение времени межпланетного перелёта, с использованием ЯРД NERVA так и не решалась.

И связано это было в первую очередь с тем, что концепция твердотельного ЯРД не позволяла значительно поднять скорости истечения реактивного тела (и, как следствие, удельный импульс двигателей) — скорость истечения реактивной массы лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, а поднять её уже не позволяло то, что дополнительный нагрев реактивной массы внутри корпуса ЯРД уже разрушал и сам реактор, который не мог нагреться выше 3000 К.

Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования твердотельного ЯРД, являлось разделение процессов получения энергии — и нагрева реактивного тела, которое в этом случае уже лучше было нагревать не путём теплообмена с конструкциями реактора, а с использованием промежуточного носителя энергии — электричества.

В силу этого, начиная с начала 1970х годов усилия конструкторов и инженеров пошли по двум независимым направлениям:
1) разработка максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей
2) разработка максимально компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля

Итогом этого длинного пути разработки и конструирования такой «разнесённой» концепции «источник энергии — двигатель» стала возможность достичь Марса... за 40 дней!



Так есть ли у нас сегодня межпланетные двигатели и энергетические установки для них, чтобы сделать такие смелые перемещения по Солнечной системе уже не мечтой, но обычной реальностью?

Во-первых, конечно, о двигателях.
Основной надеждой на быстрые полёты в Солнечной системе сегодня является двигатель VASIMR — Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом).
Уже из самого названия двигателя можно понять, что основным преимуществом его конструкции является возможность изменения удельного импульса, а принцип его работы основан на удержании высокотемпературной плазмы в магнитном поле.

Вот упрощённая схема этого двигателя:



Как видите, последовательность действий для создания тяги в двигателе VASIMR состоит из пяти этапов:
Шаг 1 — впрыск нейтрального, холодного газа в двигатель;
Шаг 2 — превращение холодного газа в низкотемпературную плазму с использованием высокочастотных антенн;
Шаг 3 — конфигурация низкотемпературной плазмы внутри двигателя с помощью сильного магнитного поля
Шаг 4 — возбуждение плазмы с помощью дальнейшего её нагрева в ускорителе до температуры в 1 000 000 К;
Шаг 5 — использование электромагнитов для создания магнитного сопла, которое конвертирует полученную тепловую энергию плазмы в кинетическую энергию реактивной струи.

Как видите, уже начиная с третьего шага, всё ещё холодная, низкотемпературная плазма оказывается заключена внутри двигателя в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счёт своей высокой температуры, которую она получает, начиная со следующего, четвёртого шага.

Именно этот принцип магнитного удержания плазмы выгодно отличает VASIMR от обычных ионных двигателей, которым на сегодняшний день принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: именно ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space 1 на 4 300 м/c. потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона.
Однако, в ионных двигателях электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает ресурс двигателя — сегодня лучшие образцы ионных двигателей проработали в космосе не больше трёх лет.


Работающий ионный двигатель. В реактивной струе ионизированного газа хорошо виден сетчатый анод.

Кроме того, такая конструкция с погружёнными в плазму электродами, которая используется в ионном двигателе, ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-50 км/c, что гораздо лучше твердотельного ЯРД (9-10 км/c) и ЖРД (4,5 км/c), но значительно уступает возможностям VASIMR, который может обеспечивать скорость истечения рабочего тела в диапазоне от 30 до 300 км/c.

Американский астронавт и учёный Франклин Чанг-Диаз возле своего детища — двигателя VASIMR, помещённого в вакуумную камеру.

Именно эта способность VASIMR к изменению скорости истечения рабочего тела является и его второй уникальной особенностью. Возможность регулировать эту скорость в пределах 30-300 км/c (и, одновременно, меняя удельный импульс от достижимых для ионных двигателей 3000 до невообразимых 30 000 секунд) позволяет VASIMR одновременно менять и тягу двигателя от наименьшей при высоких скоростях истечения рабочего тела до наибольшей — при самых низких скоростях.

Так, для VASIMR мощностью в 6 МВт расчётная тяга на скорости истечения в 30 км/c составит около 400 Н (40 килограмм), а для скорости истечения в 300 м/c она уменьшится до 40 Н (4 килограмм)
Учитывая, что масса самого VASIMR такой мощности составит уже несколько тонн, конечно же, такие небольшие значения тяги не позволяют использовать VASIMR для старта космического корабля с Земли, но вот постоянная работа на протяжении минимум 100 часов на разгоне и 100 часов на торможении даже при такой скромной тяге вполне делает задачу полёта к Марсу за 40 дней достижимой реальностью, поскольку удельный импульс VASIMR как минимум в 30 раз превосходит удельным импульс твердотельного ЯРД и в 10 раз — импульс лучших ионных двигателей.
Вариант же «низкой передачи», с высокой тягой и низким удельным импульсом вполне пригоден для быстрых коррекций орбиты космического корабля, когда вам невозможно ждать по 100 часов для обеспечения коррекции вашей скорости.

Кроме того, как вы уже поняли, VASIMR, превосходя лучшие «классические» ионные двигатели, имеющие сегодня тягу в пределе 20—250 мН как минимум в 1000 раз по тяге, столь же прожорлив и в вопросе энергоснабжения.
Так, разрабатываемый сейчас для коррекции и подъёма орбиты МКС VASIMR-двигатель VF-200 будет иметь тягу около 5 Н (0,5 кг) и удельный импульс на уровне 5000 секунд (скорость истечения 50 км/c). В качестве рабочего тела будет использоваться инертный газ аргон.
Удельная мощность оценивается сегодня в 1 кг/кВт,  весить VF-200 будет около 300 кг, потребляя при этом около 300 кВт мощности.

Испытания VF-200 в космосе, в реальных условиях МКС позволят накопить массу фактических данных о реальной работе этого типа двигателя в космосе. Пока что на Земле испытания проводились короткими пусками, как для первой модели VF-100, так и для прототипа двигателя VF-200:



Даже установка VF-200 на МКС уже покажет массу вопросов, связанных с энергообеспечением такого двигателя: максимальная мощность энергосистемы МКС, завязанной на её солнечные батареи, составляет 110 кВт, что, при мощности VASIMR в 300 кВт в любом случае заставит дополнительно устанавливать на станции системы генерации электрической мощности или аккумулирования энергии солнечных батарей для обеспечения запуска VASIMR.

Ещё более значительные запросы на энергию будут у двигателя VASIMR, который подходит по размеру, тяге и удельному импульсу для обеспечения работы космического буксира, и осуществления быстрого полёта на Луну или на Марс (Как вы помните — если вы уже выбрались на околоземную орбиту, то вы уже на полпути куда угодно).

Так, для обеспечения потребностей в космической буксировке грузов на космический буксир, который сможет переместить 7 тонн груза с низкой земной орбиты на низкую лунную орбиту примерно за шесть месяцев полета потребуется тот же VF-200, но уже с ресурсом не часы, а тысячи и тысячи часов.
Если же мы хотим достичь Луны за короткий промежуок времени, сопоставимый с полётом миссий «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы 5 двигателей VF-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии, получаемой от солнечных батарей.
Однако, для того, чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна V», S-IVB, сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, подобный буксир потратил бы только 8 тонн аргона, что позволяет при колонизации Луны отказаться от использования тяжёлых ракет на химическом топливе и выводить полезную нагрузку и реактивную массу (аргон) для самого космического буксира с помощью обычных ракет средней грузоподъёмности (20-30 тонн на НОО).


Лунный околоземный буксир с двигателем VASIMR в представлении художника компании Ad Astra Rockets.
Обратите внимание на размер поля солнечных батарей.

Время полета буксира может быть сокращено за счёт полета с меньшим грузом или используя большее количество аргона в двигателях при меньшем удельном импульсе и большем расходе топлива. Например, пустой буксир при возвращении к Земле должен покрывать это расстояние за 23 дня при оптимальном удельном импульсе 5000 секунд или же за 14 дней при удельном импульсе 3000 секунд.

Другим вариантом развития орбитального околоземного буксира, понятное дело, является увеличение количества или мощности двигателей VASIMR, с целью экономии расхода рабочего тела и времени в полёте к пункту назначения и обратно.
И тут уже ограничивающим фактором выступает энергоснабжение нашего буксира.

Плясать надо от солнечной постоянной на орбите Земли и от КПД самих батарей. Солнечная постоянная на орбите Земли составляет 1 366 Вт/м², а КПД современных фотоэлементов (беру самые надёжные кремниевые) — около 23%. Таким образом, уже даже для 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь уже около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной в 71 метр.
Хотим мощности двигателей в 3 МВт — площадь солнечных панелей составит уже 10 000 м², что будет уже представлять из себя квадрат в 100x100 метров.
И так далее, пока вместе с орбитальным буксиром нам не потребуется тягать целую солнечную электростанцию (попутно её обслуживая и затрачивая и на её разгон и торможение немало небесплатной реактивной массы).

Ещё более неприятная ситуация с надеждой только на Солнце сложится и при попытке использовать солнечные батареи при путешествиях дальше земной орбиты. Постепенное удаление от Солнца будет постоянно снижать эффективность солнечных батарей межпланетного корабля, если их использовать для питания потребностей VASIMR.
Так, солнечная постоянная в районе Марса составит уже всего лишь 43% от земного значения, что сразу же ещё удвоит требования к площади фотоэлементов.

Альтернативной системой будет являться переход на ядерную энергию.
И тут «космическая ядерная установка мегаваттного класса», о которой так долго говорили большевики, может стать единственным выходом из ситуации.
Я прекрасно понимаю, что в 2009 году говорилось о том, что российский буксир на ЯЭУ полетит в космос уже в 2014 году (а теперь говорят более осторожно — в этом десятилетии), но альтернатив данному подходу не видно и на горизонте:



Всё дело состоит в энергетике «полёта на Марс за 40 дней».

По самым скромным расчётам, для обеспечения такой гиперболической траектории полёта к Марсу, мощность VASIMR-ов, которые бы смогли за 100 часов разогнать и за 100 часов затормозить марсианский космический корабль, составит... около 200 МВт.
Для создания такой мощности даже на орбите Земли потребуются солнечные батареи площадью в 670 000 м² (квадрат со стороной в 820 метров), а на орбите Марса для запитки 200-мегаваттного VASIMR-а потребуется и вообще адское поле в в 1 558 000 м², что заставит корабль буквально тянуть за собой километровые поля солнечных батарей и поддерживающих их ферм и преобразователей.

А вот для атомного реактора это, в принципе, не очень большая мощность — на высокообогащённом уране вес такой установки (конечно, без системы биологической защиты) составит около 100 тонн (базируясь на том, что 500 килограмм веса реакторной конструкции — вполне достижимый предел для генерации 1 МВт электроэнергии в условиях космоса).
Вопрос, скорее, состоит в том, что ЯЭУ подобного класса пока ещё никогда не эксплуатировались в космосе: максимально достигнутая мощность составляла 6,6 кВт и была обеспечена на советской ЯЭУ «Топаз», имевшей тепловую мощность в 150 кВт:

ЯЭУ «Топаз». В 1987 году он успешно проработал на орбите 142 дня.

Такой низкий КПД (всего около 4,5%) у космических ЯЭУ, разрабатывавшихся в СССР связан с тем, что для них использовались термоэмиссионные преобразователи тепловой энергии в электрическую, а не системы, основанные на термодинамических циклах (Ренкина, Брайнона), которые могут обеспечивать КПД в 25-35%.

К сожалению, открытой информации о создаваемой «космической ядерной установке мегаваттного класса» не так уж и много, в силу чего ориентироваться приходится на скупые данные официальных презентаций различных российских космических «лавок», вариант чего, в общем-то, показан на слайде выше.
Потому что в других местах под видом оной рассказывают и вообще о классическом твердотельном ЯРД, испытывавшемся ещё в 1970е-1980е годы.
Однако, работы ведутся и, судя по всему 1 МВт электрической энергии в космосе при массе станции в 20 тонн — это уже близкая к нам реальность.

Ну а от 1 МВт до 12 МВт (и 100 тонной конструкции) — уже и вообще рукой подать.
Как будет «подать рукой до Марса» при достигнутой мощности в 12 МВт.
Ведь полёт к Марсу на VASIMR-е, который мы сможем запитать хотя бы 12 МВт электрической мощности продлится пусть и не 40 дней, но — всего лишь три с половиной месяца!
Согласитесь, разница между месяцами и годами — всё-таки почти в десять раз.

А это — меньше еды, воздуха и воды для космонавтов, меньшая опасность их попадания под солнечные вспышки и меньшее время нахождения вне магнитного поля нашей Земли.



«Ведь, если вы можете вытащить свой корабль на орбиту, то вы уже на полпути куда угодно.»

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив