Выход из гравитационной ямы: сравнительная энергетическая бухгалтерия

alex_rozoff — 05.09.2019 Мы живем на дне гравитационной ямы глубиной 31 МДж/кг.
Иначе говоря: на уровне поверхности Земли разогнать 1 кг полезного груза до скорости, при которой g - (гравитационное ускорение свободного падения) сравнятся с центростремительным ускорением для окружного движения v^2/R. Это 7.9 м/с (первая космическая скорость). А соответствующая кинетическая энергия Ek=m*V^2/2. Это при m=1 кг, это 31 МДж.
Вообще-то разогнать недостаточно, надо еще поднять выше границв влияния атмосферы (это примерно 400 км), так что добавим еще Ep=m*g*h. это составляет еще 4 МДж.
Итого 35 МДж, чтобы наш полезный груз завертелся на круговой орбите в 400 км над землей.
Смешная энергия - она примерно равна теплоте сгорания 1 литра бензина. Или теплоте сгорания 0.3 кг водорода.

Увы: тот метод, которым мы пользуемся - запуск при помощи ракеты с химическим топливом - имеет чудовищно низкий КПД.
Расчеты приведены тут:"Ланге В. Сколько стоит запуск спутника?"
http://www.physbook.ru/index.php/Kvant._Запуск_спутника
Кроме того, технологически приходится тащить с собой не только топливо, но и окислитель.
В эталонной криогенной ракетной топливной паре топливо: водород, окислитель: кислород, на 1 кг топлива надо тащить 8 кг окислителя. Не забудем, что сама ракета (разгонные ступени) тоже немало весят.
Для некоторых ракет данные приведены тут: "Эксперт раскритиковал ракету "Ангара" и космодром Плесецк: на 1 кг груза нужно 700 кг топлива и окислителя
Подробнее: https://www.newsru.com/russia/21may2012/angara.html"
https://www.newsru.com/russia/21may2012/angara.html
В лучшем случае доля полезного груза в стартовой массе ракеты составляет 3% (это при выводе на низкую орбиту, а при выводе на геостационарную орбиту высотой 35 тысяч км долея полезного груза составит лишь 0.5%).
Такая неприятность... Что же с этим можно сделать:

1. МЕГА-КОНСТРУКЦИИ. Они (теоретически) бывают трех видов: космический лифт, пусковая петля, и электромагнитная катапульта.

1.1. космический лифт.
Космический лифт — концепция гипотетического инженерного сооружения для безракетного запуска грузов в космос. Данная конструкция основана на применении троса, протянутого от поверхности планеты к орбитальной станции, находящейся на ГСО [высота 35 тысяч км]. Трос удерживается одним концом на поверхности планеты (Земли), а другим — в неподвижной относительно планеты точке выше геостационарной орбиты (ГСО) за счёт центробежной силы. По тросу поднимается подъёмник, несущий полезный груз. При подъёме груз будет ускоряться за счёт вращения Земли, что позволит на достаточно большой высоте отправлять его за пределы тяготения Земли. От троса требуется чрезвычайно большая прочность на разрыв в сочетании с низкой плотностью. Углеродные нанотрубки по теоретическим расчётам представляются подходящим материалом. Если допустить пригодность их для изготовления троса, то создание космического лифта является решаемой инженерной задачей.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Космический_лифт

1.2. пусковая петля.
Пусковая петля или петля Лофстрома — опубликованный проект системы кабельного транспорта, предназначенного для вывода грузов на околоземную орбиту. В основе проекта лежит закольцованный шнур (петля), непрерывно движущийся с огромной скоростью (12—14 км/с) внутри вакуумной трубы. Чтобы шнур не соприкасался со стенками трубы, они разделены между собой магнитной подвеской, аналогично тому, как это сделано в магнитоплане. В целом это устройство представляет собой грандиозное сооружение длиной около 2000 км, а сама петля должна подниматься на высоту до 80 км и держаться на ней за счёт импульса вращающегося шнура. Вращение шнура по сути переносит вес всего сооружения на пару магнитных подшипников, которые его поддерживают, по одному на каждом конце.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Пусковая_петля

1.3. электромагнитная катапульта.
Электромагнитная катапульта или ускоритель масс — установка для ускорения объектов с помощью электромагнитных сил. Для летательных аппаратов является альтернативой реактивному двигателю. Принцип действия электромагнитной катапульты основан на ускорении объекта, движущегося по направляющей, с помощью магнитного поля. Скорость объекта при сходе с направляющей зависит от мощности магнитов и длины направляющей. При использовании электромагнитной катапульты для преодоления гравитации планет (например, для выведения искусственных спутников Земли и Луны) длина направляющей может достигать многих сотен километров. Конечная скорость объекта может быть рассчитана по формуле:
v = (2*L*a)^1/2
Где L — длина направляющих, a — ускорение, вызванное магнитным полем.
Например, для ускорения в 4g и длины 100 км получим скорость в 2828 м/с
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитная_катапульта
Примечание: такой скорости более, чем достаточно для запусков с Луны, где:
Первая космическая скорость: 1,678 км/с
Вторая космическая скорость: 2,4 км/с
Но с Земли так не получиться. Дело не только в том, что направляющие катапульты придется делать чудовищной длины, но и в том, что финишный участок катапульты должен выходить за стратосферу, иначе запускаемый аппарат подвергнется слишком мощному трению о воздух.
Примечание: можно было бы отдельно рассмотреть космическую пушку, но у нее слишком много минусов. Детали тут:
https://ru.wikipedia.org/wiki/Космическая_пушка

Общий итог по мега-конструкциям: они прекрасны! И они (будучи построенными) обеспечат очень дешевый выход из гравитационной ямы. Но человечество не имеет опыта строительства ничего даже близко к такому размеру и к такой форме сооружений.


2. ЭКЗОТИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ. Они бывают трех видов: воздушно-реактивный прямоточный гиперзвуковой на химическом топливе (ГПВРД), реактивный ядерный, и нереактивный электромагнитный.

2.1. ГПВРД.
Идея выглядит заманчиво: фактически, это самолет, который не везет с собой окислитель (только топливо) и разгоняясь в стратосфере до первой космической скорости, выходит на орбиту (где лишь незначительно корректирует траекторию с помощью малого ракетного двигателя).
Теория ГПВРД детально разработана
https://ru.wikipedia.org/wiki/Гиперзвуковой_прямоточный_воздушно-реактивный_двигатель
И практически проверена в США до скорости 3.2 км/с (около 10 М)
https://ru.wikipedia.org/wiki/NASA_X-43
Имеется реалистичный проект 1980-х, США, для достижения в стратосфере первой космической скорости 7.9 км/с (около 25 М)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Rockwell_X-30
Но расчеты того времени показали, что аппарат слишком сложен и возможно слишком тяжел, поэтому в 1993-м проект был закрыт.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Rockwell_X-30

2.2. Реактивный ядерный двигатель.
Такой двигатель бывает трех типов. Общим для них является то, что рабочее тело само по себе пассивно (т.е. в нем, в отличие от химических двигателей не идет сгорание). Нагрев в рабочей камере (заменяющей камеру сгорания) происходит за счет ядерной реакции в ТВЭЛах, т.е. рабочая камера представляет собой активную зону реактора, сквозь которую проходит газ - рабочее тело, нагревается, и выбрасывается через сопло, создавая тягу;
Итак три типа:
- ядерный турбореактивный двигатель: действует аналогично турбореактивному химическому двигателю. Забортный воздух проходя через воздухозаборник, перед попаданием в рабочую камеру, сжимается компрессором.
- ядерный прямоточный воздушно-реактивный двигатель (ЯПВРД): в нем поступающий воздух сжимается пассивным конусом (как в обычном ПВРД) и попадает в активную зону реактора. Далее - как предыдущем варианте.
- ядерный ракетный двигатель: тяга создается за счет нагрева рабочего тела, находящегося на борту (в резервуаре с нейтральным газом). Газ подается в рабочую камеру. и далее -как в предыдущих случаях.
Практически возможна интересная схема запуска в космос ядерного самолета, котроый сначала работает в турбореактивном режиме, затем на высокой скорости меняет режим на прямоточный, и затем. уже поднявшись над стратосферой переходит в ракетный режим.
Энергоемкость ядерного топлива не сопоставимо выше, чем у химического. т.е. аппарат получится сравнительно легким, и не перевозящим паразитную массу.
Экспериментально отработано несколько видов таких двигателей.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Плутон_(проект)
https://ru.wikipedia.org/wiki/Supersonic_Low-Altitude_Missile
https://inosmi.ru/military/20180801/242881181.html
https://news.rambler.ru/other/40366611-yadernye-dvigateli-v-krylatyh-raketah-dose/

2.3. Нереактивный электромагнитный двигатель (странная и сомнительная штука).
"В основе конструкции БЭЛА лежит принцип диэлектрического барьерного разряда. Суть этого явления в следующем. Если на два электрода подать высокочастотное переменное напряжение, то воздух между ними ионизируется — образуется плазма. Полученную таким путем плазму профессор Рой предлагает использовать в качестве рабочего тела для своего оригинального двигателя. По всей поверхности «тарелки», выполненной из диэлектрика, будут равномерно распределены пары электродов, ионизирующие тонкий приповерхностный слой воздуха. При взаимодействии магнитного поля с этой плазмой возникают магнитогидродинамические силы (см. врезку). Фактически речь идет о небольших плазменных двигателях, задача которых, взаимодействуя с окружающим воздухом, сформировать в нем вихри. Именно эти вихри и создадут подъемную силу, удерживая БЭЛА в воздухе, и заставят «тарелку» перемещаться в воздушном пространстве. Формированием плазмы в той или иной точке поверхности БЭЛА будет управлять установленная на борту электроника. Таким образом, творение американского физика сможет подняться в небо благодаря аэродинамическим процессам, возникающим в воздухе под направленным воздействием ионизированного газа."
https://www.popmech.ru/technologies/7977-tarelka-professora-roya-beskrylyy-letatelnyy-apparat/#part1

3. ЭКЗОТИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ ДЕШЕВОГО ХИМИЧЕСКОГО ТОПЛИВА.
Если мы имеем дешевый источник энергии - например ядерный реактор на дешевом топливе (вроде природного урана ли тория) или термоядерный реактор на дейтерии, то для нас не проблема путем электролиза получать из воды - топливную пару водород-кислород для обычного химического ракетного двигателя.
Поскольку цена топлива нас не лимитирует мы можем использовать любую качественно спроектированную многоразовую одноступенчатую ракету для доставки на орбиту.
Пример: "Одноступенчатая многоразовая ракета «Зея»"
http://spacelin.ru/proekty/odnostupenchataya-mnogorazovaya-raketa-zeya/

Вот такие дела. Конструктивные замечания и дополнения приветствуются.

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив