Аннотация: Тут собраны идеи простые, по большей части чужие, но в основном полезные, хотя их практической реализации пока что-то не видно. В конце первой части изложена авторская концепция системы вывода груза на орбиту за счёт использования внешнего топлива, не находящегося на борту летательного аппарата.
Идеи простые и дешёвые для реализации, и много. Наверно, они могут дать какую-то прибыль... кому-нибудь, когда-нибудь потом.
Некоторые совсем сырые, другие доведены до уровня количественных оценок, но все гарантировано реальны для осуществления.
Часть 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.
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 сразулетел 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 кондиционированныеестественные 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 сильно 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 следующий раз...