А что может нам сулить более резкий выход за границы возможного, когда мы решимся на использование в своих пусковых системах некоторых непроверенных в реальности компонентов, но принцип действия которых мы, в общем-то, досконально представляем, исходя из существующих наработок по технологиям, материалам и испытанным компонентам?
Что будет для нас возможным и реализуемым на практике, решись мы на качественный скачок в деле вывода грузов и людей на околоземную орбиту?
Во-первых, предуведомляю сразу — предложенные варианты стартовой системы не единственно возможные. Задача тотального удешевления запуска грузов с Терры принципиально решается массой способов, каждый из которых так или иначе решает всё те же четыре задачи, которые я уже упоминал в прошлой части: обеспечение начальной тяги, преодоление сопротивления и компенсация трения об атмосферу, обеспечение приемлемого ускорения на этапе вывода и сведение приемлемого баланса реактивной массы на предыдущие три задачи.
Во-вторых, давайте ещё раз посмотрим на картинку тех потерь на преодоление гравитационного противодействия Земли и трения о земную атмосферу, которые наглядно изложены в примере старта ракеты «Сатурн V» с поверхности Терры на траекторию полёта к Луне.
Как видите, гравитационные потери наиболее существенны для первых ступеней ракетны-носителя, которые осуществляют вывод ракеты через самые плотные слои атмосферы практически вертикально. Так, для первой ступени «Сатурна V» гравитационная помеха (потеря конечной скорости) составляет 1220 м/с из общего приращения в 3660 м/c (33% или же треть от набранного ступенью импульса!), для второй ступени эта потеря составляет уже 335 м/c от 4725 м/c (всего лишь 7%), а для третьей ступени — и того меньше, всего 122 м/c от 4120 м/c (3%).
Кроме самой неприятной, гравитационной помехи, на начальном участке вывода ракеты на околоземную орбиту также присутствуют достаточно небольшие, но неприятные затраты на аэродинамическое сопротивление. Они составляют всего 46 м/c, но тут не стоит обольщаться: сила сопротивление воздуха растёт от квадрата скорости, что накладывает свои ограничения на разгон ракеты в плотных слоях атмосферы.
Ну и третий вид помехи — расходы на управление, которые для случая «Сатурна V» составляют 183 м/c связан с тем, что на участке перехода от вертикального к горизонтальному полёту ракета теряет часть набранного импульса за счёт изменения направления движения, когда двигатели ракеты работают под углом к уже набранному вектору скорости.
Если свести все потери ракеты воедино, то мы получим следующую картинку: самую большую роль в потерях играет гравитационная помеха, которая составляет около 13% от общего приращения скорости. При этом львиная доля этой помехи — 72% (или 10% от общего набранной скорости) составляет гравитационная помеха, полученная на этапе начального вывода ракеты за пределы плотной атмосферы Земли.
Вторым существенным фактором выступают расходы на управление. Их доля в общем балансе потерь составляет около 1,5%.
Аэродинамическая же помеха вносит в общий баланс потерь очень незначительную цифру, на уровне 0,4% от общего приращения скорости.
Графически старт ракеты с поверхности Земли можно выразить в виде простого рисунка:
Как видите, задача ракеты максимально быстро «проткнуть» наиболее плотные слои атмосферы Земли по вертикали, а потом
— развернуть вектор скорости практически на 90°, параллельно линии горизонта, чтобы набрать компоненту скорости, перпендикулярную к местной вертикали.
Кроме того, надо учитывать и тот факт, что даже малейшее движение ракеты параллельно поверхности Земли даёт ей уже небольшой, но существенный «бонус» — за счёт шарообразности нашей планеты прямолинейное движение ракеты по инерции приводит к тому, что поверхность Земли как бы «уходит вниз» под ракетой, позволяя ей даже немного «падать» на себя, при этом, за счёт этого эффекта — даже набирая абсолютную высоту при факторе работающих двигателей.
То есть, переходя к горизонтальному полёту на достаточно высокой тангенциальной (касательной) скорости относительно поверхности Земли — мы можем обойти строгое правило T/W >1, которое является нам критически важным для обеспечения отрыва от поверхности Земли.
Отсюда, в общем-то, следует и самая напрашивающаяся идея, которую я сознательно довёл до абсолюта в «Трамвае Фаэтона»:
1. Каким-то образом (крылья, реакция опоры, реактивная тяга дополнительных двигателей, аэростатический подъём) скомпенсировать гравитационную помеху на первом, самом важном этапе вывода полезной нагрузки на орбиту Земли.
2. Стартовать сразу же в «правильном направлении», в идеале тангенциально к поверхности Земли в точке старта.
3. Каким-то образом (вакуумная труба, абляционная защита, дополнительный разгон) компенсировать потери на аэродинамическое сопротивление о нижние плотные слои атмосферы и не дать ракете сгореть при неизбежном нагреве конструкции об эти плотные слои.
4. Обеспечить начальную передачу энергии для разгона полезной нагрузки с Земли, для того, чтобы не тратить весьма дорогостоящую реактивную массу на обеспечение разгона ракетного модуля.
Условно говоря — если мы каким-либо образом обеспечим начальный разгон до скорости хотя бы в 6-7М (2300 м/c), то даже ракета массой около 600 тонн обеспечит нам вывод на орбиту полезной нагрузки в 120-130 тонн. Что следует из уже упомянутого расчёта характеристической скорости для для ракеты «Сатурн V» и исходя веса его ступеней.
И самой простой системой, без проблем реализуемой даже сейчас, на текущем уровне развитии техники, материалов и технологии, является так называемая система ракетной рампы, в которой первая часть разгона ракеты с выключенными двигателями выполняется на неподвижных направляющих, к которым подводится внешняя энергия, ускоряющая ракету.
Попробуем прикинуть потребный стартовый отрезок для такого разгона (от 0 м/c до 2300 м/c) при «некомфортном», но переносимом даже тренированным человеком ускорении в 10g. Весь разгон займёт 23 секунды, при этом путь, пройденный ракетным модулем на данной гипотетической системе разгона, составит 26 километров.
Если при этом посчитать столь же гипотетический треугольник, направленный более-менее тангенциально к поверхности Земли, то мы выйдем на некую систему, которая будет одним своим краем опираться на высокую земную гору, а вторым краем — находится на уровне моря, либо же будет заглублена в шахту или же помещена в районе глубокой впадины морского дна, чтобы не возиться с горнопроходческими работами.
Если же вы хотите отправить в космос неподготовленных туристов с ускорением всего в 3g, то время ускорения составит 78 секунд, а пройденный путь увеличится до 89 километров.
Скажу так: как пример, вот эта местность на Земле предлагает массу вариантов горных вершин высотой в 5-6 километров, расположена практически идеально на экваторе и позволяет тут же воспользоваться как близким морским побережьем и прилегающей равниной с высотой в 0-200 метров над уровнем моря), запуская ракеты в направлении на восток, с тем, чтобы максимально использовать ещё и собственное «бесплатное» вращение самой Земли.
Понятное дело, первоначальную часть разгона, особенно, пока скорость не достигла критических значений, когда центробежное ускорение будет сравнимо с ускорением разгона, необязательно делать строго по прямой и с одним и тем же шагом повышения высоты от уровня моря до горной пусковой точки. Например, начальная часть разгонной системы вполне может быть свёрнута в кольцо для компактности систем подвода энергии и экономии капитальных затрат на сооружении рампы:
Насколько же эффективна эта гипотетическая система комбинированного запуска ракет с земли, при которой лишь часть работы выполняется собственно ракетой, а первичный отрыв и подъём в верхние слои атмосферы идёт за счёт начального разгона в рамках наземной разгонной системы?
В рамках вот этого доклада было посчитано, что достаточно скромный ракетный рамповый ускоритель, который разгонит ракету хотя бы до 270 м/c и поднимет пусковую точку на высоту в 3 000 метров, а не до 2300 м/c и 5-6 километров, что можно обеспечить в реальных земных условиях, как показал я — обеспечит рост полезной нагрузки «обычной» ракеты на 80% по сравнению с вертикальным стартом со стартового стола.
То есть, наш условный «Протон М», разогнанный на такой рампе, выведет на низкую околоземную орбиту не 20 тонн, а целых 36!
Стандартными подходами передачи наземной энергии на снаряд для таких ускорителей могут служить различные электромагнитные принципы: электромагнитная пушка Гаусса, рельсотрон, линейный электрический двигатель или же магнитная левитация («Маглев»).
Для уменьшения сопротивления воздуха и снятия проблемы интенсивного нагрева ракеты о нижние слои атмосферы — для пусковой рампы можно использовать вакуумированные тоннели, хотя скорости в 300-2300 м/c и время разгона в 20-80 секунд позволяют обойтись и упрощённой схемой обычной (даже не абляционной или керамической) тепловой защиты.
Нынешняя стоимость системы промышленной системы «Маглев» составляет от 7 до 14 миллионов долларов за километр, стоимость ежегодного обслуживания составляет всего около 1% от общей суммы капитальных затрат, поскольку там почти нет движущихся или вращающихся частей.
Следовательно, общая стоимость такой ракетной рампы может составить, в зависимости от выбранного для разгона ускорения и, соответственно, её длины — всего лишь от 180 миллионов до 1,2 миллиарда долларов, что сравнимо со сметной стоимостью... космодрома «Восточный».
Теперь — о самом интересном. В зависимости от пожеланий по набору начальной скорости на пусковой рампе, наши расходы на разгон ракетного снаряда составят при его массе в 600 тонн (две верхние ступени «Сатурна V») составят от 15,8 ГДж (230 м/c) до 1587 ГДж (2300 м/c).
Если мы примем КПД электрических систем преобразования в районе 90%, это выведет нас на необходимые затраты энергии в пределе от 17,6 ГДж до 1760 ГДж, в зависимости от наших пожеланий по конечной скорости снаряда (от 230 до 2300 м/с).
Требуемое время ускорения (в зависимости от выбранной стартовой перегрузки) задаёт и возможные значения предельной электрической мощности, которую надо подвести к системе. При разгоне за 23 секунды (10g) она составит 76 ГВт, а при разгоне за более комфортные 78 секунд (3g) — всего лишь 22,5 ГВт для ракеты массой в 600 тонн («Протон М» или две верхние ступени «Сатурн V») и конечной скорости на выходе из ракетной рампы в 2300 м/c.
Данное значение (22,5 ГВт) уже сравнимо с свободными мощностями электроэнергетики, которые в крупной стране можно всегда считать свободными в моменты ночных минимумов потребления электроэнергии.
Снижение требований по начальной ускоряемой массе и конечной скорости ещё больше уменьшает требования по общей энергии и потребной мгновенной мощности (для скорости в 230 м/c — в десять раз).
Ну и, на закуску, последний факт. Максимально посчитанная нами энергия (1760 ГДж) для ракеты в 600 тонн, которая потенциально может вытолкнуть на орбиту, при начальном разгоне на ракетной рампе до 2300 м/c груз около 100 тонн, соответствует 489 000 кВт-часов электроэнергии.
Один киловатт-час сегодня, в принципе, можно купить на оптовом рынке по цене в 5 центов.
Однако, не будем мелочиться: мы хоть и покупаем много, но в очень специфическом варианте — с резким «набросом» нагрузки и со столь же резким её «съёмом». Пусть будет 10 центов за кВт-час.
Итого мы получим расходов в... 48 900 долларов за запуск в космос 600-тонной ракеты, которая может доставить на орбиту не 20 тонн (как «Протон-М» или сходная с ним по классу ракета), а целых 100 тонн груза!
Принимая стоимость такой ракеты в 80 миллионов долларов (берём «Протон-М» в качестве живого примера) — мы получаем стоимость запуска килограмма груза на НОО уже не 4000 долларов за килограмм, а всего 800 долларов!
Ладно, 801 долларов, забыл про электроэнергию для запитки ракетной рампы....
В общем, вы уже поняли. Кто хочет оправданий — тот ищет препятствия, кто хочет прогресса — тот ищет возможности.
Что же ещё можно выжать из идеи комбинированного старта на орбиту, начатую нами при рассмотрении ракетной рампы? (Я вообще люблюгибридные системы, как вы помните...)
Во-первых, конечно же, можно продлить разгонную рампу как можно выше от поверхности Земли, чтобы постараться вообще исключить использование ракет на химическом топливе.
Такой проект есть и он называется «Звёздный трамвай» (StarTram).
Понятное дело, на высотах в 6-8 километров горы у нас уже заканчиваются — и дальше нам надо придумывать уже искусственные системы поддержки нашей стартовой рампы.
«Звёздный трамвай», в отличии от ракетной рампы, уже готов полностью уйти от использования химических ракет, практически полностью беря на себя вопрос достижения первой космической скорости.
Исходя из этого — его производительность не ограничена возможностями человечества на производство сложных и дорогостоящих химических ракет (которые сейчас обеспечивают всего от 500 до 1000 тонн полезной нагрузки на НОО за год) а изначально спроектирована на поток в 150 000 тонн грузов на НОО за год — и без использования ракетных ступеней.
При этом «Звёздный трамвай» планируется создавать в два этапа: при этом первый этап (Generation 1) в целом похож на идею ракетной рампы. Единственно, что StarTram сразу же ставит задачу о достижении на выходе из рампового ускорителя конечной скорости, достаточной для выхода полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту (скорость берётся с запасом от первой космической, в районе 8 800 м/c).
Такие амбициозные требования по скорости при ограничении Generation 1 StarTram в качестве стратовой площадки всё тех же высоких гор в пределе 5-6 километров задают и физические ограничения на запуск: ускорение 30g (только грузы, никаких людей), время разгона в 29 секунд и длина рампы в 130 километров (Эквадор по-прежнему подходит, там есть и такие расстояния от моря до высоких гор).
При таких параметрах первому этапу «Звёздного трамвая» надо будет решить две задачи: обеспечить надёжный подвод к конструкции громадной на нынешний момент электрической мощности (до сотен гигаватт электроэнергии) и решить вопрос с надёжной теплозащитой стартующей капсулы (в первый десяток секунд ей будет необходимо двигаться в очень плотной для её скорости в 8 800 м/c атмосфере, поскольку, как вы помните, сила спротивления воздуха растёт по квадрату скорости).
В этот момент времени ракетный корабль будет испытывать противоположное ускорение в 20g, но уже через 5-6 секунд, благодаря своей громадной скорости, пронзит плотные слои атмосферы — и продолжит свой выход на низкую околоземную орбиту по инерции.
Дополнительным вызовом для системы StarTram Generation 1 является создание специальной клапанной системы на конечной площадке ракетной рампы, так как разгон внутри стартовой трубы уже надо производить в вакууме — в силу высокой конечной скорости полезной нагрузки в ещё достаточно плотных слоях атмосферы она может просто перегреться ещё в трубе.
В силу ограничений по возможностям энергосистем современных стран, максимальная масса груза, выводимого на орбиту StarTram Generation 1 составляет «всего лишь» 40 тонн.
В качестве преобразователя электрической энергии в кинетическую энергию полезной нагрузки предлагается использовать линейный двигатель, что даёт нам оценку в стоимости вывода полезной нагрузки на орбиту в 40-50 долларов за килограмм, в том случае, если StarTram будет обеспечивать до 10 пусков 40-тонной нагрузки в день.
Гораздо более амбициозные задачи ставит перед пусковой системой StaTram Generation 2.
Первое и самое существенное отличие Gen 2 от Gen 1 — это расчётное ускорение на пусковой рампе, которое предлагается ограничить цифрой от 2 до 3g, что делает StarTram системой, пригодной транспортировки пассажиров, в том числе — и простых, неподготовленных космических туристов.
При сохранении стоимости вывода килограмма полезной нагрузки в 40 долларов за килограмм это даёт нам оценку в стоимости «туристического билета» в 2800 долларов на человека, что уже сравнимо с современным трансокеанским перелётом, например, из Сингапура в Нью-Йорк.
Для такого небольшого ускорения длина разгонной рампы вырастает до весьма значительной цифры: от 1000 до 1500 километров.
Кроме того, для исключения ударного торможения разогнанного космического корабля «Звёздного трамвая» — верхний конец разгонной рампы надо поднять на высоту, как минимум 22 километров. В этом случае «обратное» аэродинамическое ускорение, вызванное торможением полезной нагрузки об уже достаточно разреженную атмосферу Земли на такой высоте, составит не более 1g, что уже гораздо более предпочтительно, нежели 20g на высоте в 5 километров для первого варианта StarTram.
Исходя из тех же расходов по цене километра «Маглева» что были указаны и раннее, общая стоимость такой конструкции длиной в 1000-1500 километров может составить от 15 до 25 миллиардов долларов.
Однако, основным вызовом для такой конструкции является даже не её достаточно весомая цена (в конечном счёте — человечество тратит на сегодняшние войны и оборонные бюджеты цифру, как минимум на два порядка большую), а инженерный вызов.
В качестве поддерживающей силы для такого герметичного тоннеля, который будет вакуумироваться перед запуском полезной нагрузки и «висеть» на высоте в 20 километров, предлагается... та же самая магнитная левитация.
Согласно расчётам, для поддержки в левитирующем полёте всей системы, через проводящие кабели на Земле должен протекать ток около 280 мегаампер (МА).
Подобной же силы ток, кстати, должен течь и по самой пусковой трубе, чтобы ускорять полезную нагрузку. Авторы просчитали, что на конце трубы им надо подавать ток в 14 МА.
Два этих тока при своем протечении по наземным кабелям и по пусковой трубе неизбежно создадут мощное магнитное поле, которое на высоте в 22 километра составит около 30 Гауссов. (для сравнения — обычный «холодильный» магнитик выдаёт вам возле себя около 50 Гауссов, а неодим-железо-бор — до 2000 Гауссов).
Однако, громадные размеры этого магнитного поля (напомню, от основных сверхпроводящих кабелей на Земле пусковую трубу будет отделять целых 22 километра!) создадут и громадную подъёмную силу, которая составит более 4 тонн на метр конструкции трубы.
Этого будет вполне достаточно не только для того, чтобы уравновесить вес конструкции (около 2 тонн на метр), но и позволит ей натянуть и удерживать саму себя на специальных стабилизирующих тросах, которые зафиксируют её в подвешенном состоянии.
При этом, в общем-то такая левитация тоннеля является практически бесплатной: наземные кабеля можно спокойно «накачать» кольцевым током зараннее, а современный, серийно изготавливаемый сверхпроводящий кабель (ниобий-титан) выдерживает ток до 2 x 105 ампер на см2, что позволяет удерживать левитирующую трубу на высоте в 22 километра всего семью сверхпроводящими кабелями , каждый сечением в 23 см2 , включая и медный стабилизатор.
Для совсем уж параноиков, боящихся магнитных полей (и с целью уменьшения теплопотерь на охлаждение сверхпроводников) — всю систему предлагается прокладывать, как вариант, внутри Антарктического ледового щита, что позволит, кстати, использовать ещё и 1700 метров его поднятия над уровнем моря в качестве природной ледяной горы, в которой прокладку тоннелей можно вести путём обычного вытапливания льда.
Но даже фантастически-передовой StarTram Gen2 выглядит просто-таки обыденностью на фоне следующих проектов доставки грузов на земную орбиту....
Продолжение в вледующей части.
Источник: alex-anpilogov
Свежие комментарии