ИСКУССТВЕННЫЕ ВНЕШНИЕ РЕСУРСЫ:
Технологии для освоения планет Солнечной системы и ближайших звёздных систем.
Технологии для освоения ближнего Космоса:
Способы безракетной доставки грузов на околоземную орбиту;
Устройства и технологии для орбитальной инфраструктуры;
Транспортная система для Луны и безатмосферных планет;
Двигательные системы для межпланетных перелётов;
Новые типы двигателей с удельным импульсом 10-100 км/с;
Получение энергии для двигателей с внешним топливом;
Гравитационные электростанции в Солнечной системе;
Технология получения и использования Луца.
Двигательные системы и энергетическая инфраструктура для полётов к соседним звёздным системам со скоростью 0,5 с.
Как добраться до звёзд, и зачем.
Аннотация.
В главах 1 и 2 собраны идеи и концепции (как заимствованные у других авторов и из открытых источников, так и оригинальные), которые, по мнению автора, могут представлять интерес в ближайшие 5-10 лет для освоения околоземного пространства. (идеи крайне простые и понятные: стратосферный лифт, орбитальная заправочная станция, лунный парашют...)
В 3 главе разработана уникальная авторская концепция, позволяющая создать несколько новых типов двигателей на внешнем топливе (кинетические и термокинетические), которые могут иметь очень большой удельный импульс - от десятков километров в секунду до межзвёздных скоростей, а также показан способ получения и доставки внешнего топлива и энергии для таких двигателей, в том числе на астрономические расстояния.
В 4 главе показан эффективный способ получения топлива и энергии для термокинетических двигателей и энергетических установок, что позволит не только получить достаточное количество энергии и вещества для космических полётов и освоения планет Солнечной системы, но и поставлять энергию на Землю; автор предлагает добывать Луц* в системе Юпитера.
*"луц" - это просто короткое название, которое мы позаимствовали у Кира Булычёва, и используем в тексте как сокращение многобуквенной фразы: "поток носителей кинетической энергии, представляющих собой микро снаряды из льда или иного материала, летящие со скоростью более 20 километров в секунду". (или короче, "высокоскоростные носители кинетической энергии"). Но это долго писать... Луц - это просто и сразу понятно. Это именно то волшебное вещество, которое позволит наконец начать освоение космоса. И в которое жители Плюка переработали океаны своей планеты... ((то есть, это не какое-то особое вещество, а просто состояние движения обычного вещества с большой скоростью)).
В 5 главе показан способ получения Луца с более высокими энергетическими показателями и скоростью движения 500-1000 километров в секунду за счёт использования гравитационного потенциала Солнца, что позволит отправлять аппараты за пределы Солнечной системы, а также создать гибридные Луце-ядерные энергетические установки и двигательные системы, имеющие массо-габаритные параметры на 1-2 порядка лучше, чем у взрывных и магнитных ядерных и термоядерных установок.
В 6-8 главах будут описаны звездолёты с искусственным внешним топливом для полётов со скорость 0,3-0,5 с и инфраструктура для их разгона.
ВВЕДЕНИЕ. Что такое "Искусственные внешние ресурсы".
Ракета без топлива и реактор без урана.
Нет ничего необычного в том, чтобы использовать внешние ресурсы для движения. Например, воздушно-реактивный двигатель получает из внешней среды окислитель и 97% рабочего тела; парусный корабль или воздушный змей вообще получают всю энергию извне...
Обычно, правда, когда говорят "внешние ресурсы", то сразу мысленно подменяют это понятие на "естественные внешние ресурсы", и дальше начинают думать, а где же их взять. А поскольку естественные ресурсы редко бывают в таком виде и такой концентрации, как нам нужно, то приходится придумывать сложные способы и большие устройства для их извлечения из внешней среды, сбора, концентрации, подготовки для использования...
95% массы турбореактивного двигателя занимают воздухозаборники и турбины, которые служат только для того, чтобы сделать воздух пригодным для сжигания топлива. Вот если бы самолёт сразу летел вдоль струи предварительно сжатого воздуха, которую для него кто-то заранее подготовил, то его двигатель мог бы быть в 10 раз легче, а удельный импульс вдвое больше. В какой-то мере к этому приближаются прямоточные двигатели, где воздух сжимается хоть и за счёт кинетической энергии самолёта, но без участия сложных агрегатов. Можно пойти ещё дальше, и на гиперзвуковых скоростях, особенно в разреженном воздухе, обойтись даже без воздухозаборника, сжимая струю воздуха за счёт распыления и детонации кольцевого слоя топливно-воздушной смеси перед самолётом. (Это будут "предварительно кондиционированные естественные внешние ресурсы", но нас сейчас интересует немного другое).
А зачем вообще что-то сжимать, ещё тратить энергию. Просто набросаем перед самолётом цепочку маленьких топливных капсул, содержащих сразу всё необходимое... Тогда удельный импульс станет равен бесконечности (ведь расход топлива равен 0), и при отсутствии воздуха это тоже будет работать, даже ещё лучше. Правда, это уже не самолёт...
Здесь могут быть разные варианты, с подвижным и неподвижным топливом, в виде отдельных капсул, снарядов, или непрерывного шнура или стержня, для разных скоростей - от 3-4 км/с до 20 и более. Всё это называется просто: "ИСКУССТВЕННЫЕ ВНЕШНИЕ РЕСУРСЫ".
***
Конечно, такая масштабная концепция, которая изложена в 3-6 главах, не могла появиться на совершенно пустом месте. У меня, конечно же, были предшественники; я лишь карлик, тайком забравшийся на плечи гигантов, или муравей, заползший без разрешения на спину слона; но всё же я смог подняться немного выше, и заглянуть дальше. Обезьяна залезла ещё на одну ветку, хотя путь прогресса бесконечен...
Концепцию внешних ресурсов люди использовали множество раз в различных областях техники (когда обезьяна лезет на ветку дерева, это тоже использование внешних ресурсов).
Тем не менее, как правило, используют лишь естественные внешние ресурсы, если они доступны без предварительной подготовки; понятие же кондиционированных, или тем более искусственных внешних ресурсов явно вообще не употребляется, и хотя такие примеры тоже есть, но их даже в наземной технике и транспорте мало (трамвай, троллейбус, пневматический и монорельсовый транспорт, канатные дороги - вот, пожалуй, и всё).
Естественные внешние ресурсы используют чаще, и в земных условиях весьма успешно - например, всё воздухоплавание и авиация основаны на использовании воздушной среды как опоры и источника энергии для движения, а весь наземный и морской транспорт опираются на поверхность планеты Земля, используют её атмосферу, гидросферу и гравитацию.
В земных условиях естественные ресурсы использовать просто, их очень много, они всегда доступны - поверхность планеты, гравитация, грунт, вода, воздух... Но в межпланетном пространстве доступных без подготовки ресурсов намного меньше - это солнечный свет, да ещё гравитационные поля Солнца и движущихся вокруг него планет. То и другое пытаются использовать для движения космических аппаратов и в качестве источника энергии, но относительно успешно пока только использование солнечного света для выработки электроэнергии, и то в небольших масштабах.
Но даже те естественные внешние ресурсы, что есть в Солнечной системе (включая также солнечный ветер и вещество планет и комет), сосредоточены поблизости Солнца. И на расстоянии в десятки миллиардов километров не остаётся ничего, кроме разреженной межзвёздной среды. Проекты улавливания и использования атомов водорода для разгона корабля скорее всего не жизнеспособны; хотя для торможения, наверно, можно попытаться применить очень большой электромагнитный парус (с площадью магнитной воронки более 10 км2 на каждый килограмм массы корабля), но эффективность будет небольшой.
Поскольку природных внешних ресурсов в межпланетном, а тем более межзвёздном, пространстве нет; а без них ракета должна везти "всё с собой", (представьте себе, что Вы едете на курорт на 5 дней, и везёте с собой газовую плиту, платяной шкаф, электростанцию и повариху тётю Дашу...), то естественно задуматься - а нельзя ли как-то создать условия, чтобы всё-таки получать то, что вам нужно, на месте, ну хотя бы энергию и топливо. Везти с собой в ракете не продуктовый магазин, а чековую книжку, и получать всё необходимое в любой точке пространства (ну или хотя бы иметь возможность заказать доставку по предварительной договорённости).
Несмотря на важность этой темы, примеров успешного использования искусственно созданных внешних ресурсов в космическом пространстве пока нет, за исключением быть может китайских опытов по перемещению спутников с помощью тросов, да японского проекта орбитального лифта, который ещё неизвестно будет ли.
Однако существуют две концепции, которые мне кажутся ценными и полезными, и которые я постарался, в меру своих сил, "позаимствовать" и развить, объединив в нечто пригодное для практического использования... Это два кита, на которых можно возвести что-то большее.
***
Первая базовая идея состоит в использовании импульса внешних движущихся тел (летящих металлических шариков, мячиков, пуль, снарядов, струи жидкости, газа, частиц или потока излучения) для передачи импульса разгоняемому космическому аппарату. Это, в общем, логично: передавать импульс телу от другого тела, у которого он уже есть. Футболисты и теннисисты постоянно так делают, и это работает.
Эта концепция пока очень скромно разработана, но отдельные проекты такого рода есть. Из них стоит упомянуть "космический фонтан" и близкую к нему концепцию разгона ракеты летящими металлическими шариками. (есть ещё проект разгона спутников непосредственно световым давлением лазерного луча, но этот вариант не жизнеспособен, разве что для очень малых корректировок скорости, в пределах 1 метра в секунду, по причине ничтожного КПД такого способа передачи импульса. Гораздо лучше вариант нагрева лазером рабочего тела, находящегося на борту ракеты; такой способ, в принципе, позволяет разогнаться даже для межпланетного перелёта, вот только для этого требуется маленькая атомная электростанция, и лазер постоянной гигаваттной мощности, с фокусирующими зеркалами размером в маленький школьный стадион, и всё это надо поднять за пределы атмосферы, хотя бы километров на 20, или разместить на Луне. В принципе, реально, но вряд ли дёшево).
Концепция "космического фонтана" была впервые представлена усилиями нескольких людей (Википедия приводит имена 6 из них: Роберт Л. Форвард, Марвин Мински, Джон Маккарти, Ханс Моравец, Родерик Хайд, и Лоуэлл Вуд). Больше информации о ней можно найти в книге Роберта Л. Форварда �Indistinguishable From Magic�.
Но, правда, исходная концепция предлагала не совсем рациональный способ использования энергии летящих микро-снарядов ("металлических гранул"): при скорости самих гранул более 4 км/с, предлагалось всего лишь удерживать над поверхностью земли (правда на большой высоте, 100 и более километров) неподвижную платформу; для чего, как я думаю, всё же найдутся менее затратные способы.
Но сам принцип эффективен: передать телу импульс от другого тела, у которого он уже есть. Эффективность передачи кинетической энергии при некоторых условиях может достигать 100%.
Я также, как мне кажется, встречал упоминание о том, что какой-то итальянский, (вроде бы) изобретатель (или, возможно, один из выше перечисленных людей, хотя, наверно, это было намного раньше) предложил также использовать аналогичный принцип и для разгона ракеты - то есть стрелять в стальную плиту стальными шариками, передавая летательному аппарату импульс. Принцип хороший, и видимо далеко не новый; правда, впоследствии мне не удалось больше найти упоминаний об этом. Но я именно этот исходный принцип взял за основу концепции, развитой и изложенной в Главе 3 (хотя там многое не совсем так: вместо шариков - газ, вместо стальной плиты магнитное поле, и шарики газ высокотемпературная плазма влетает в сопло ракеты не только сзади, но и спереди...)
Я считаю, что развил эти идеи достаточно далеко от исходного прототипа, и сделал результат настолько эффективным, насколько это вообще возможно, при современном уровне знаний физики. Насколько эффективным может быть результат, и как его достичь, описано в Главе 3.
***
Но есть ещё вторая концепция, прямо не связанная с первой, но дополняющая её, и столь же важная. Вместе они могут создать фундамент для действительно полноценного освоения космоса.
Я предложил эффективный двигатель; но для него, однако, надо много энергии. В принципе, всё не так уж плохо - с помощью электромагнитных пушек всё же можно довести скорость носителей кинетической энергии до 20-30 км/с, и успешно осваивать ближайшие планеты. Но чтобы лететь дальше, и быстрее - энергии надо намного больше.
И вот тут оказывается, что энергию можно вовсе даже не тратить. А даже вовсе наоборот получать, и столько, что больше уже никому никогда не понадобится. Надо только немного подумать:)
Эту идею предложили задолго до меня, 55 лет назад. (Возможно, я даже когда-то в детстве читал эту статью, хотя потом забыл про это; но где-то в подсознании эта идея засела, и потом зудела там следующие 30 лет, превратившись в то, во что она превратилась, в главе 4 и последующих).
54 года назад в журнале Техника-Молодёжи (1970/11, с.56-58) была опубликована статья известного писателя-фантаста Георгия Гуревича "Увлекательная гравитация", где он предлагал проект гравитационной электростанции на лунном веществе: запускаем снаряд с поверхности Луны за 3 МДж энергии, ловим на Земле (или на низкой орбите) - получаем 60 МДж/кг. (На 30% больше, чем при сгорании килограмма бензина).
Как источник энергии для наземных объектов дороговато, но можно использовать в качестве источника внешнего топлива для вывода грузов на околоземную орбиту: если микро снаряды будут догонять ракету с относительной скоростью 11 км/с, то после их испарения в сопле двигателя и вылета газа обратно, получится удельный импульс 19-20 км/с, что очень хорошо. Правда, по мере разгона самой ракеты, относительная скорость снарядов, и соответственно передаваемый ими ракете импульс, будет уменьшаться, но даже при относительной скорости всего 3 км/с (т.е. при достижении ракетой первой космической скорости) удельный импульс составит 5 км/с при испарении пассивного вещества (например гидразина, перекиси или СО2), и до 8 км/с при стрельбе топливными капсулами с кислородно-водородной смесью, что всё ещё лучше, чем показатели обычного химического топлива; причём, это топливо находится не в ракете. Масса ракеты, при разгоне от 0 до 8 км/с, вообще не изменится. Достаточно вначале подбросить ракету вертикально вверх на 100 км (из катапульты или с помощью небольшого возвращаемого твердотопливного ускорителя), и дальше её можно разгонять бесплатно (пока снаряды могут её догнать с относительной скоростью хотя бы 2-3 км/с).
Я, (независимо от Георгия Гуревича и Жюля Верна :) лунный вариант тоже рассматривал, но в основной текст не включил, по причине скромных энергетических показателей (дальше низкой околоземной орбиты так не выйти, хотя можно использовать для отработки технологии на низких скоростях, притом без всяких электромагнитных пушек, а также для вывода на околоземную орбиту заправленных ступеней ракет-носителей для межпланетных полётов. Хотя, вообще, вариант хороший. Умный человек плохого не выдумает ;)
У меня в основном предлагаются варианты "пожирнее" с точки зрения энергии, хотя и сложнее для разработки и реализации. Но начать можно с "Лунного" варианта, он очень хорош тем, что очень прост.
Поражает как точность и краткость подачи идеи Г. Гуревичем (у автора статьи в 2 страницы влезло то, что у меня заняло страниц 30, ну правда с расчётами), так и степень непонимания рецензента, "кандидата наук", который тут же рядом с текстом статьи поторопился написать свой комментарий от редакции, в синей рамочке (какой-то лепет эстоннского академика про то, что "в гравитационном поле дефекта массы наверно нету, и камень наверно не упадёт")...
Автор же чётко сказал: "Луна целиком состоит из первосортного угля" :)
Текст рецензента вклинивается прямо в середине между колонками самой статьи, и немного мешает (отделён синей рамочкой), но отличить легко - по глупому "псевдонаучному" стилю, и выражениям типа "псевдоскалярное поле", "в гравитационном поле масса покоя постоянна" и "дефект массы не может привести к выработке реальной энергии". (он молоток себе на ногу ронял, этот рецензент? Дефект массы отобъёт вам палец даже в том случае, если вы не можете его обнаружить...)
Отсканированный текст статьи приведён ниже временно, для удобства рецензирования на стадии рукописи; надеюсь, что редакция журнала не сочтёт это плагиатом, а наоборот, популяризацией их издания.
((**Иллюстрации и текст из Журнала "Техника-Молодёжи" помещены здесь без согласия правообладателя, в случае печатной публикации данного текста необходимо получить такое согласие, либо изъять их.))
***
...Надеюсь, что теперь, спустя 55 лет после выхода этой статьи, люди всё-таки изучили арифметическое действие умножения, и уже знают, что инвариантом является произведение массы покоя на гравитационный потенциал, а не она сама. И что больше не будет такого дремучего непонимания простейших примеров из школьного учебника со стороны учёных докторов наук.
Не используя искусственные внешние ресурсы к звёздам не добраться.
Двигатель на подаваемом извне топливе и энергии в любом случае будет на порядки опережать по характеристикам любые типы двигателей с автономным запасом топлива, будь это хоть антивещество, и отказаться от использования такой возможности можно только с целью диверсии. (Каждый понимает, что троллейбус может проехать 100 тысяч километров без остановки, а аккумуляторный электромобиль нет).
Что касается использования гравитационной энергии вещества, то это вообще потенциально бесконечный источник энергии, и притом очень легко доступный, в том числе для снабжения межзвёздных кораблей.
Запас гравитационной энергии вещества планет в Солнечной системе, хотя бы по отношению к гравитационному потенциалу фотосферы Солнца, равен световому потоку от Солнца за 30 тысяч лет, и в миллионы раз больше, чем содержат все запасы урана, тория, дейтерия и лития на планете Земля. Этой энергии достаточно, чтобы разогнать Луну до скорости 0,3 с.
Я, конечно, не предлагаю прямо взять и потратить всё вещество всех планет для получения энергии. Нам же на них потом жить :)
Да и это очень, очень много.
Нам достаточно будет миллионной доли этого количества энергии (скажем, 1% массы Европы), чтобы освоить пару десятков ближайших звёздных систем; (1% массы Европы позволит разогнать до 0,5с 10 триллионов тонн звездолётов... вам зачем столько?); а уже в ближайших звёздных системах найдутся источники гравитационной энергии куда как калорийнее: например, система Сириуса, в 6,5 световых годах от нас, содержит, как говорят, белый карлик (с гравитационным потенциалом в 1000 раз большим, чем у Солнца), и 2 звезды-донора Солнечного типа. Это позволит разогнать до субсветовой скорости сто Юпитеров... ... ...
Вселенная готова дать нам бесконечное количество ресурсов и энергии для жизни и развития, даром, надо только протянуть руку и взять. Я знаю немногое, и могу предложить только то, про что написал здесь. В будущем появятся другие концепции, по сравнению с которыми всё это покажется доисторическим "паром и углём". (Неужели они правда летали со скоростью в половину световой... так долго...)
Всем приятного чтения :)
Реакция официальной науки на эту концепцию, как и на многие до этого, предсказуема: "это неправильно"..."это неправильно"..."это не правильно"... через 50 лет: "...это уже всем давно известно".
Я не надеюсь, что именно моя попытка популяризовать эту идею будет успешной; но, может быть, ещё через 50 лет кто-то это прочитает, и сделает новую попытку дать человечеству энергию по цене 0,1 цента за киловатт и космические запуски по 1 доллару за килограмм, на воде, взятой из речки. Обычно для внедрения чего-то принципиально нового в науку или технику надо от 3 до 10 попыток в течении 100-200 лет: в какой-то момент коллективный иммунитет привилегированного сообщества пользователей знаний даст сбой, и новая идея проникнет в общее информационное пространство, став доступной для всех. Потом найдётся кто-то, кто сможет получить прибыль, и вот тогда мы и узнаем, кто из официальных учёных станет автором этого всего ("он, вроде, упоминал об этом или чём-то похожем в частной беседе; это приравнивается к публикации").
Хотя, хотелось бы всё-таки побыстрее, ожидать ещё пол века до первого межзвёздного полёта долго. Нам бы хоть на Уран...
Путь к звёздам долог... особенно, если идти с привязанным к ноге ядром.
Глава 1 - атмосфера и ближний космос
Глава 2 - околоземное пространство и Луна
Глава 3 - двигательные системы для межпланетных перелётов
Глава 4 - гравитационные электростанции в Солнечной системе
Глава 5 - Солнечно-кинетическая и ядерно-кинетическая энергетика
Глава 6 - Ядерные и лазерные системы разгона
Глава 7 - 0,5С.
Технологии для освоения ближнего Космоса
Вначале идеи совсем простые и дешёвые для реализации. Они должны послужить для проникновения в ближнее околоземное пространство и базой для развёртывания основных концепций, которые изложены в главах 3-4.
Глава I. Атмосфера и ближний космос.
1. Промышленный дрон с очень длинным проводом, и соответственно большой высотой подъёма, 5-10 км (а если очень постараться, то и до 20-25). Время подъёма не ограничено.
Слабое место обычных аккумуляторных дронов - это аккумулятор, который занимает половину веса (и цены), и позволяет максимально продержаться в воздухе 1-2 часа, с дальностью горизонтального полёта менее 100 км, и максимальной высотой подъёма не более 5.
Промышленные дроны (получающие энергию по проводу) лишены таких ограничений по энергии и времени полёта; но при питающем напряжении до 100 Вольт, длина обычного алюминиевого провода не может превышать 50-100 метров. При длине провода 100 м, его вес становится равным весу самого дрона, и любой дальнейший рост мощности винта уйдёт на удержание в воздухе провода, без увеличения его максимальной длины.
Простым решением является повысить питающее напряжение, что позволит уменьшить ток в проводе и его толщину, но тогда надо на самом дроне обратно понижать напряжение до нужного для двигателей. Кроме того, очень длинный провод надо как-то поддерживать в воздухе в промежуточных точках, и компенсировать ветровую нагрузку.
Это приводит к концепции цепочки небольших дронов, размещённых через определённые промежутки (50-100м) на одном высоковольтном проводе, и связанных как последовательно соединённые потребители тока. В простейшем случае можно было бы просто соединить последовательно все обмотки всех двигателей; но чтобы иметь возможность произвольно регулировать тягу каждого винта, нужны более сложные схемы отбора энергии из общего провода. При питающем напряжении 20-30 кВ можно разместить в цепочке около 100 дронов и достичь высоты 5-10 км.
Тонким местом здесь может быть защита от атмосферного электричества, так что имеет смысл контролировать потенциал внешней атмосферы на всём протяжении провода; с другой стороны, эту проблему можно использовать в качестве дополнительного источника энергии.
На конце такой цепочки может располагаться довольно большой потребитель энергии - большой дрон или целая система воздушных винтов с грузоподъёмностью в десятки-сотни килограммов, и это всё может находиться довольно высоко в атмосфере почти бесконечно долго.
При мощности каждого двигателя в 2-3 кВт, грузоподъёмности одного (четырёхвинтового) дрона в 10 кг, и массе всей системы 500 кг, её стоимость составит порядка 100 тысяч долларов, а расход энергии в полёте 1 МВт, то есть 100 долларов в час, при ресурсе в сотни часов. Вполне доступные расценки для туристов и астрономов, дешевле и мобильнее аэростата.
Кроме того, такую систему можно использовать в высотном и горном строительстве, в качестве транспорта на небольшое расстояние и для быстрой доставки лёгких грузов в горах или труднодоступной местности.
А ещё можно поднимать в стратосферу ракеты сверхлёгкого класса...
Использовать для рекламы, лазерной связи... и для других мирных целей.
2. Лёгкая стационарная высотная (стратосферная) платформа.
Ничего критически сложного, просто лёгкая рама с несколькими (десятками) небольших воздушных винтов, получающих энергию по обычному проводу с земли, и способная поднимать 1-2 тонны груза на высоту от 5 до 20-25 км (в зависимости от целей и конструкции). По сути, обычный промышленный дрон, только с очень длинным проводом.
При высоте подъёма более 20 км, рама и винты должны быть довольно большими и лёгкими, так что возможно потребуются некоторые нетрадиционные решения, вроде газонаполненных конструкций и активных тросовых систем. Проблемой также может быть охлаждение двигателей в разреженном воздухе.
Есть некоторые нюансы, связанные с тем, как поддерживать в воздухе провод и всем этим управлять, но стоимость разработки не более нескольких сотен тысяч долларов. Может эффективно заменить авиацию и аэростаты для ряда применений, а для некоторых задач даже спутники, при цене подъёма груза в тысячи раз меньшей.
По сути, это уже почти маленький орбитальный лифт... Туристы, астрономы и астрофизики будут счастливы.
3. Тяжёлая стационарная стратосферная платформа (грузоподъёмность более 1000 тонн).
...Всем дроны хороши, кроме грузоподъёмности, особенно в очень разреженном воздухе. Десятки тонн - это рациональный предел для системы с воздушными винтами, после которого надо использовать другие принципы удержания груза над земной поверхностью. Для доставки груза по частям можно использовать "дроновый лифт", но постоянно удерживать груз более нескольких тонн они не смогут. Для некоторых применений - например, размещения большого телескопа или орбитальной катапульты, надо что-то большее. Кроме того, предельная высота подъёма винтового дрона ограничена плотностью воздуха, как и для аэростата.
Очевидным решением является использовать опору на земную поверхность, то есть ту или иную разновидность башни.
Поначалу, лет 20 назад, я рассматривал, со всех сторон, концепцию жёсткой газонаполненной башни большого диаметра, аналог которой в 2012 запатентовало военное министерство Канады; но, как оказалось, концепция эта не лучшая и не самая рациональная для высот 5-50 км.
Слабое место такой башни - горизонтальная ветровая нагрузка. Чтобы противостоять ветровой нагрузке, надо увеличить диаметр башни. Тогда увеличится ветровая нагрузка... В конце концов, такую конструкцию всё же можно сделать достаточно толстой и прочной, но тогда она должна будет иметь огромную толщину (сотни метров) и стоимость, при титанической грузоподъёмности в миллионы тонн, которую невозможно рационально использовать, и боковой ветровой нагрузке в сто тысяч тонн.
Позже я пришёл к выводу, что наилучшим вариантом будет, наоборот, очень тонкая (диаметром десятки сантиметров) мачта, в виде толстостенной трубы из максимально прочного и плотного материала (например из стали). При продольной нагрузке близко к пределу прочности материала, такая труба будет терять устойчивость уже на отрезках длиной в несколько метров, с эффективным временем развития неустойчивости порядка миллисекунд. На первый взгляд, это очень плохо и безнадёжно; но если зарождающиеся неустойчивости отслеживать при отклонениях до 1 мкм, и динамически подавлять за время менее 1 мс, то такая система жизнеспособна, и ничто не мешает довести её высоту до предела прочности материала, что для стали составляет около 20 км, а для композитных материалов 100 км и более.
Отслеживать отклонения от оси в 1 мкм можно несколькими способами, самый эффективный из которых оптический; компенсировать короткие и быстрые неустойчивости высоких порядков - инерционными или газодинамическими устройствами; более длинные и долгопериодические - горизонтальными воздушными винтами и системой тросов с динамической регулировкой усилий, как и ветровую нагрузку.
Такая система будет потреблять довольно много энергии, и неминуемо разрушится при отключении подачи энергии или системы контроля на несколько миллисекунд, как атомный реактор. Тем не менее, это реально сделать, хотя стоимость разработки может быть на уровне десятков-сотен миллионов долларов. Но такая мачта будет во много раз дешевле, чем огромная и толстая газонаполненная, при грузоподъёмности в десятки тысяч тонн и достижимой высоте в десятки километров. Выше 40-50 км, где ветровая нагрузка снижается, можно использовать более простую газонаполненную конструкцию с пассивной жёсткостью.
0. Идея немножко вбок, и возможно практически бесполезная, но зато простая и дешёвая: "стратосферный спутник бедняка".
На высоте 67 км, атмосфера Земли состоит на 70% по объёму из азота, на 10% из кислорода, и на 20% ...из водорода. То есть, при общем давлении в 10 Па, 7 Па приходится на N2, 1 Па на O2, и 2 Па на H2.
Эта смесь не горит из-за очень низкого давления: при термическом возбуждении колебательных уровней молекул, они будут оптически высвечивать всю тепловую энергию газа до того, как произойдёт реакция. (Хотя, возможно, что очень мощным взрывом в стратосфере всё же можно создать кольцевую ударную волну, которая далее будет распространяться и усиливаться в такой среде. Тогда жители Земли смогут в течении нескольких часов наблюдать интересное, и довольно опасное явление; запас водорода в атмосфере составляет десятки миллиардов тонн, и его выгорание может на несколько часов превысить баланс поступления солнечной энергии).
Другой способ сжигать такую смесь - внести в неё катализатор (активные молекулы или пылинки, на которых будет осуществляться встреча молекул водорода с кислородом). В принципе, можно себе представить облако каталитической пыли в стратосфере, которое будет ярко светиться и обогревать и освещать северные города. На эту пыль, к тому же, будут действовать газодинамические силы из-за разности температур и концентрационных потоков молекул, позволяющие, в принципе, даже управлять её движением... Но мы рассмотрим самый простой вариант.
Возможно (хотя я не утверждаю наверняка), что, если поместить поперёк потока такого газа пористую проволоку или тонкую трубку, диаметром 1 мм, из каталитически активного материала (никеля или других металлов), то за счёт реакций на поверхности и в порах эта проволока будет нагреваться примерно до 1000К. При скорости потока газа 200 м/с, тепловая мощность такой системы может достичь 20-30 кВт/м2.
Если переднюю по потоку газа поверхность такой проволоки теплоизолировать, и сделать в 2-3 раза холоднее задней поверхности, то на горячую проволоку, обтекаемую разреженным газом (с длиной свободного пробега молекул примерно 1 см), будет действовать нескомпенсированная сила динамического давления до 5 Па; это, в принципе, можно использовать для создания тяги, достаточной для полёта дозвукового аппарата массой в несколько килограммов.
При этом, такой аппарат будет иметь бесконечный запас топлива, при тепловой мощности двигателя в десятки киловатт, и может летать до тех пор, пока не выгорит катализатор. Функционально, это спутник; хотя летит низенько и медленно, зато практически даром, и в отличие от ИСЗ может произвольно маневрировать. В принципе, можно сделать и гиперзвуковой вариант с тепловым прямоточным двигателем, но это сложнее и дороже.
Для военных целей, эта разработка не столько опасная для противника, сколько раздражающая: стоит дёшево, а сбить нечем.
4. Безракетная система доставки грузов на околоземную орбиту.
Почему, собственно, мне не нравятся ракеты: они мне нравятся, любые - кроме больших ракет на жидком топливе.
При старте с поверхности Земли, ракета должна быть достаточно большой, и по возможности тяжёлой, чтобы сократить расходы на аэродинамическое сопротивление атмосферы. Это, а также крупные габариты грузов, в особенности для пилотируемых запусков, диктует эффективный размер ракет - около ста тонн для керосиновых, и тысяча тонн для водородного топлива.
Но, чтобы поднять большую ракету, нужны большие двигатели, и что более важно, высокое начальное давление в камерах сгорания, 300-500 атмосфер. Твердотопливные, гибридные и жидкостные ракеты с вытеснительной системой подачи топлива не могут обеспечить начальное давление газов более 100-200 атмосфер, и при стартовой массе более 100 тонн единственным вариантом остаются жидкостные ракеты с насосной подачей топлива под высоким давлением.
Формально, они являются самыми эффективными по удельному импульсу; но всё портит большой и дорогостоящий агрегат - топливный насос, который к тому же наиболее часто является причиной отказов, и делает этот тип ракет самыми дорогими в разработке, и экономически неэффективными при эксплуатации. Сухим весом они стоят как золото.
Кроме того, жидкое топливо в больших тонкостенных баках делает для этих ракет невозможными такие полезные вещи, как миномётный или пушечный старт, что вполне возможно для твердотопливных ракет, и позволяет экономить десятки процентов стартовой массы.
Но, не все грузы, которые надо доставлять на орбиту, большие; для межпланетных полётов основным грузом будет топливо, а для орбитальных станций кислород и вода, и всё это можно расфасовать по 1 килограмму.
Такие грузы дешевле было бы доставлять маленькими твердотопливными ракетами с высотным аэростатным запуском. При этом, удельный импульс криогенного твёрдого топлива может быть на уровне жидкого топлива с такими же компонентами. Несколько лет назад я считал, что именно такая схема - лёгкие дешёвые ракеты с высотным запуском - будет самой эффективной по цене доставки килограмма груза на орбиту.
Но сейчас, как мне кажется, я могу предложить что-то лучшее.
4.1 Почему не пушка.
Если бы не атмосфера, то самый экономичный способ запуска снаряда с поверхности земли - это пушка или катапульта, разгоняющая снаряд, желательно, сразу до первой или даже второй космической скорости.
Это, в принципе, возможно даже с использованием обычной взрывчатки, или тем более криогенной топливной смеси со скоростью истечения газов 4-5 км/с. (Ещё в конце 19 века многокаморная пушка на чёрном порохе разогнала снаряд до 2200 м/с). Если же использовать горячий водород, то можно получить и много большую скорость, примерно в 2,5 раза превышающую максимальную скорость истечения газа.
Проекты таких пушек есть, и при правильном проектировании стоимость такой системы будет не слишком высокой, с учётом окупаемости.
Но, это почти бесполезно из-за большого сопротивления воздуха и тепловых нагрузок при старте. Чтобы преодолеть атмосферу на скорости 6-8 км/с, снаряд должен быть тяжёлым, иметь специальную форму и теплозащиту, и для полезного груза в нём почти не останется места. Применение таких систем возможно, но ограничено узким кругом задач, в том числе из-за большого ускорения при старте.
Тем не менее, для доставки топлива на орбитальную заправочную станцию такая система подошла бы, если бы можно было поднять её повыше - хотя бы на высоту 15-20 километров. Но тут проявляется главный недостаток таких систем, который не заметен, пока пушка находится на земле (а чаще, под землёй): большой вес такой системы, который в 1000 и более раз превышает вес снаряда.
Аэростат или другой воздушный аппарат может поднять максимум несколько тонн; но при такой массе пушки, снаряд будет весить всего сотни граммов. В принципе это тоже можно использовать, например для доставки топлива на орбитальную заправочную станцию. Но возникает мысль - а нельзя ли как-то вообще убрать пушку, и оставить только снаряд и порох.
4.2 Ракета без топлива
Собственно, нет ничего необычного в том, чтобы использовать внешние ресурсы для движения. Например, воздушно-реактивный двигатель получает из внешней среды окислитель и 97% рабочего тела; парусный корабль или воздушный змей вообще получают всю энергию извне...
Обычно, правда, когда говорят "внешние ресурсы", то сразу мысленно подменяют это понятие на "естественные внешние ресурсы", и дальше начинают думать, а где же их взять. А поскольку естественные ресурсы редко бывают в таком виде и такой концентрации, как нам нужно, то приходится придумывать сложные способы и большие устройства для их извлечения из внешней среды, сбора, концентрации, подготовки для использования...
95% массы турбореактивного двигателя занимают воздухозаборники и турбины, которые служат только для того, чтобы сделать воздух пригодным для сжигания топлива. Вот если бы самолёт сразу летел вдоль струи предварительно сжатого воздуха, которую для него кто-то заранее подготовил, то его двигатель мог бы быть в 10 раз легче, а удельный импульс вдвое больше. В какой-то мере к этому приближаются прямоточные двигатели, где воздух сжимается хоть и за счёт кинетической энергии самолёта, но без участия сложных агрегатов. Можно пойти ещё дальше, и на гиперзвуковых скоростях, особенно в разреженном воздухе, обойтись даже без воздухозаборника, сжимая струю воздуха за счёт распыления и детонации кольцевого слоя топливно-воздушной смеси перед самолётом. (Это будут "предварительно кондиционированные естественные внешние ресурсы", но нас сейчас интересует немного другое).
А зачем вообще что-то сжимать, ещё тратить энергию. Просто набросаем перед самолётом цепочку маленьких топливных капсул, содержащих сразу всё необходимое... Тогда удельный импульс станет равен бесконечности, и при отсутствии воздуха это тоже будет работать, даже ещё лучше. Правда, это уже не самолёт...
Здесь могут быть разные варианты, с подвижным и неподвижным топливом, в виде отдельных капсул, снарядов, или непрерывного шнура или стержня, для разных скоростей - от 3-4 км/с до 20 и более. Всё это называется просто: "искусственные внешние ресурсы".
4.3 В основном варианте, берём ракету с соплом специальной конструкции (это уже не совсем сопло, а скорее похоже на длинную цилиндрическую еловую шишку, состоящую из пакета соосных кольцевых пластинок в виде сферических или параболических сегментов, через боковые промежутки между которыми проходит газ). Собственно, это и не ракета, а одно только сопло и есть, но довольно длинное и странное, 2-3 метра длиной при внешнем диаметре 20 см. Зазор между пластинками 1-1,5 см, в длину их помещается примерно сотня. (Можно сказать и так, что взяли сотню обычных ракетных сопел, вырезали из них середину так, что осталось только внешнее кольцо, с внутренним диаметром 10 см и внешним 20 см, и сложили их в стопку с некоторым зазором между ними).
В центре вдоль оси проходит отверстие в половину диаметра "шишки", через которое свободно входит топливный шнур диаметром 1-2 см. Это может быть просто детонационный шнур из обычного взрывчатого вещества, армированный полимерными волокнами, или композиция из замороженных криогенных компонентов в теплоизолирующей оболочке, или, в более сложном варианте, конструкция из металлических кольцевых сегментов, между которыми находится топливо или даже водородный порох.
В простейшем варианте шнур или стержень длиной 2-3 км можно подвесить вертикально к аэростату, поднимающемуся на высоту 15-20 км, а к нижнему концу шнура прицепить ракету. Если хочется запустить ракету горизонтально или под углом к горизонту, это сложнее, но тоже можно сделать. Проблему поддержания в воздухе, выравнивания и стабилизации топливного шнура до и во время разгона можно решить разными способами.
При горизонтальном или наклонном размещении шнура вдоль прямой или криволинейной траектории может потребоваться довольно сложная система подвески и выравнивания, в том числе с использованием локальных аэродинамических сил при движении относительно воздуха, и несколько сотен небольших дронов с совместным интеллектуальным управлением, но это решаемо, как и проблема выравнивания полёта ракеты вдоль шнура с отклонением от оси менее 1 см и временем реакции на отклонение 1-2 мс.
При горении топливной смеси, газы вначале распространяются радиально относительно неподвижного шнура, расширяются в 10-20 раз, и приобретают скорость 3-4 км/с. Потом газ достигает внутреннего края кольцевых пластинок, и входит между ними, под углом, который зависит от текущей скорости ракеты; при скорости 4 км/с угол входа будет равен 45о.
Ширина зазора между кольцевыми пластинками с криволинейным профилем уменьшается от центра к периферии, так как уменьшается угол наклона к оси; но, с учётом того, что длина окружности увеличивается, площадь сечения для прохода газа должна быть примерно постоянной, или с небольшим дополнительным расширением, так что скорость газа практически не меняется, но вектор скорости газа отклоняется назад под более острым углом, 15-20о, что и создаёт тягу. При этом КПД преобразования кинетической энергии газа в кинетическую энергию ракеты достаточно высокий, 70-80%, и почти не зависит от скорости в диапазоне 0,5 - 2,5V0, где V0 - скорость радиального течения газа относительно неподвижного шнура. (При скорости более 1,5V0 КПД такой системы становится больше, чем у обычной ракеты).
Максимальная скорость, которой можно достичь таким способом, ограничена не динамическими факторами, а температурой на отклоняющих пластинках, которая после 1,2V0 начинает быстро расти, как квадрат скорости газа относительно ракеты. Для снижения этой температуры лучше использовать криогенное кислородно-водородное топливо с большим избытком водорода, что позволит достичь скорости 8-10 км/с, либо чистый горячий водород, тогда можно разогнать ракету до 20 км/с.
При использовании криогенной топливной смеси, дающей радиальную скорость течения газа 4 км/с, для разгона ракеты весом 100 кг до 8 км/с понадобится 600 кг топливной смеси; то есть ракете будет передано до 70% кинетической энергии газа, или 45-50% всей энергии горения топлива. Обычной ракете для этого нужно на 6% топлива больше...
Но, к сожалению, разработка это не простая, и не дешёвая.
Здесь есть ряд действительно сложных технических проблем.
Во-первых, температура газа при обтекании направляющих пластинок сопла со скоростью 8 км/с может оказаться слишком высокой, даже при использовании смеси, содержащей 20-30% водорода по массе. Есть способы понизить эффективную температуру поверхности пластинок, например, периодическое импульсное охлаждение более холодным разреженным газом (водородом); внутреннее охлаждение за счёт внутреннего или внешнего поступления теплоносителя, испарение и газовая рубашка... но в итоге именно тепловой фактор ограничивает максимальную скорость.
Во-вторых, необходим поворот пластинок при изменении скорости ракеты и начального угла вхождения газа между пластинками. Понятно, что их надо поворачивать в зависимости от относительной скорости ракеты и газа. При радиальном течении газа относительно неподвижного шнура, и изменении скорости ракеты от 0 до 8 км/с, угол течения газа относительно оси ракеты изменится от 90о до 30о, то есть пластинки (разделённые на 10-20 отдельных секторов) надо будет за время разгона наклонить на 60о.
Это можно сделать несколькими способами; проблема несколько упрощается тем, что их надо повернуть все на один и тот же, заранее известный угол, и только 1 раз (или несколько раз с дискретным шагом).
Есть альтернативный способ: можно сам газ направлять не радиально, а под различным углом к оси топливного шнура, который может состоять из металлических сегментов и иметь сопла для выхода газа. В таком варианте есть свои плюсы и минусы; проще задать нужный угол течения газа; больше коэффициент расширения газа, а значит его скорость и КПД; если газ направить вперёд под углом 60-50 градусов к оси, то есть придать ему продольную составляющую скорости 0,5-0,6 V0, то снизится скорость встречи газа с пластинками и температура, и можно будет на столько же увеличить максимальную скорость ракеты. Но, с другой стороны, при такой сложной конструкции топливного шнура увеличится его масса, а также появится большая продольная отдача при выходе газа. (Ещё более увеличится масса топливного шнура при использовании водородного пороха, так что его имеет смысл применять только когда достигнут предел скорости для обычного кислородно-водородного топлива).
Более мелкие проблемы:
- Как вообще прикрепить к этому полезный груз (возможно, более эффективной с этой точки зрения будет схема с несколькими параллельными топливными шнурами и двигателями, между которыми располагается большой грузовой контейнер, как у обычного многомоторного самолёта).
- Относительно большой вес двигателя, (что можно решить, прицепив грузовой контейнер побольше, но сделав топливный шнур подлиннее; в принципе, при горизонтальном расположении, он может быть вообще сколь угодно длинным, что также позволит уменьшить ускорение, вплоть до пригодных величин для пилотируемого запуска, при длине шнура 600 км......)
- Большая стоимость двигателя из дорогостоящих материалов, что намекает на возможность его возврата и многоразового использования;
- Топливный шнур, особенно с металлическими элементами, тоже надо сделать многоразовым, с регенерацией компонентов топлива на земле или дозаправкой прямо в воздухе;
- Подъём всего этого в стратосферу, доставка топлива (при многократных запусках с помощью стационарной многоразовой системы), и охлаждение, если топливо криогенное;
- Управление тягой и стабилизация аппарата в полёте (что решается довольно тривиально при нескольких параллельных двигателях и активном управлении поджиганием топлива с разных сторон шнура);
- И ещё какие-то мелочи, в целом на 100-200 человеколет работы.
Но это может снизить стоимость космических запусков до цены топлива, умноженной на 6.
Для демонстрации принципиальной возможности такого двигателя можно построить лабораторную установку на сжатом воздухе, которая при скорости газа 400-500 м/с будет разгонять снаряд весом 0,1г до 2-3 км/с; я думаю, это может выглядеть либо как прямая трубка с дырочками длиной в десять метров, либо как метровый обруч из трубки с дырочками на внутренней стороне, по которой скользит лёгкая пластиковая пластинка.
...К сожалению, я уже превысил отпущенный лимит времени, поэтому про лунный парашют и лунный самолёт, графеновую паутину НАСА для торможения спутников в мирных целях, термоядерный двигатель без топлива и другие полезные вещи поговорим в следующих главах...
Глава II. Околоземное пространство и Луна
5. В начале скажу про иностранную разработку, которая меня пугает:
Графеновая "паутина" для торможения низколетящих спутников.
Идея не моя, но очень опасная: НАСА разрабатывает уже несколько лет, а японцы, по-видимому, начали разработку технологии лет 30 назад, но очень удачно прикрыли реальную цель разговорами про "орбитальный лифт". На самом деле, вытянуть "на ниточке" что-либо из земной атмосферы в космос очень трудно, а вот затормозить на пару сотен метров в секунду и стянуть вниз - вполне реально.
Достаточно прицепить к спутнику на низкой орбите длинную тонкую ленточку или пучок нитей, толщиной в 1 нм, при длине в десятки-сотни километров, и общим весом в один грамм, чтобы эффективная площадь взаимодействия с молекулами газа возросла до сотен м2, что приведёт к уменьшению срока жизни спутника на орбите в сотни раз. (Помимо этого, может также генерироваться и значительный электрический потенциал).
Несколько тонн такой гадости на круговой орбите высотой до 300 км может за пару недель уничтожить всю ближайшую к Земле спутниковую группировку. Облако такой "паутины" будет довольно быстро дрейфовать на более низкие орбиты, по пути налипая на всё что движется. Эффективность почти как у космического ядерного взрыва, но безопасно для людей, экологически чисто, можно применить локально и настроить таймер для чистой самоликвидации (время испарения в вакууме).
При большой концентрации что-то подобное может применяться и в верхних слоях атмосферы для перехвата самолётов, гиперзвуковых и даже баллистических ракет на взлётном участке траектории. Правда, чем меньше высота и больше плотность воздуха, тем более толстые, либо более короткие нити придётся использовать, в намного большем количестве по массе, и на высотах меньше 40-50 километров эффективность применения сомнительна. Но отклонить траекторию ракеты на высотах 70-100 км можно.
Перехватить так боеголовку МБР на участке снижения всё-таки почти невозможно, в основном благодаря горячей ударной волне перед ней.
Но при скоростях менее 5 км/с и высотах 70-100 км, в особенности на взлётном участке траектории, любые ракеты и аппараты уязвимы для такого перехвата. Для этого потребуется всего от 1 до 10 кг нитей или сетки на