Эффективный и безопасный запуск в космос.
Движение в космос – неотъемлемая часть нашего настоящего, запуск традиционных ракет – вопрос изученный и очень затратный. Ученые и энтузиасты ставят перед собой более амбициозные задачи: минимально затратные, эффективные, экологичные и безопасные запуски грузов и пассажиров в космос.
Космический фонтан
Если время идет, а материала для космического лифта нет по-прежнему, может быть, вернуться к идее башни? Представим полую башню, которую поддерживает поток металлических гранул, идущий снизу вверх. Мы получим конструкцию под названием «космический фонтан», идея которого возникла в 1980-х г.г. у американских ученых Роберта Л. Форварда, Марвина Мински, Джона Маккарти, Ханса Моравеца, Родерика Хайда и Лоуэлла Вуда. Форвард известен также как писатель-фантаст, но космический фонтан – сооружение, вполне реализуемое при современных технологиях.
Гранулы разгоняются до скорости 14 км/с. На заданной высоте «струя фонтана» отклоняется магнитным дефлектором и летит к земле. Там гранулы собираются магнитным концентратором и снова отправляются вверх. Станция-дефлектор держится на «струе», причем гранулы ее не касаются: магнитное поле создает расстояние между потоком и дефлектором. В нижней части башни поддерживается вакуум.
Грузы поднимаются с потоком или лифтами, встроенными в башню.
Плюсы. В отличие от космического лифта, геостационарная орбита нам не понадобится, достаточно поднять груз на низкую околоземную орбиту – от 300 км.
Вывод грузов в космос – только один вариант применения фонтана, можно рассмотреть и другие:
1. Самая высокая в мире телевизионная башня (Токийское Небесное Дерево) достигает 634 метров. Телебашня-фонтан может подниматься хоть на километр, хоть на 10 километров.
2. Система способна накапливать энергию, следовательно, ее можно использовать для баланса энергосистем.
3. Наиболее очевидное применение – туризм.
Минус. Постоянно требует подпитки энергией.
Надувная башня
Канадская компания Thoth Technology собирается построить 20-километровую башню из армированных надувных секций, с пусковой площадкой наверху. Устойчивость башне придаст система маховиков. Совсем обойтись без ракет не удастся, но даже такое невысокое по космическим меркам сооружение позволит удешевить запуски примерно на 30%.
Удочка с крючком
Skyhook представляет собой спутник, к которому крепится трос с захватом, достигающий верхних слоев атмосферы. К тросу подвешивается груз с гиперзвукового самолета.
Улучшенный вариант – спутник с двумя противоположно направленными тросами, вращающийся в плоскости своей орбиты. Тогда груз забрасывается примерно на длину троса выше орбиты спутника.
В проекте HASTOL, представленном компанией «Боинг» в 2000-2001 г.г., предполагается использование прикрепленного к вращающемуся спутнику 600-километрового троса. Система подхватывает груз с самолета на высоте 100 км, на скорости 3,6 км/с. Трос состоит из двух современных материалов, тем не менее, он весит примерно в 90 раз больше полезной нагрузки.
На втором этапе исследования инженеры выполнили расчеты для высоты перехвата 150 км и скорости перехвата 5,2 км/с. Это позволяет значительно уменьшить вес троса, но понадобится орбитальный самолет.
Плюс. Авторы исследования HASTOL рассматривали доставку грузов к тросу самолетом, но теоретически Skyhook комбинируется с другими способами безракетного запуска.
Минусы. Авторы исследования сделали вывод, что, хотя существенных препятствий к реализации Skyhook нет, требуется совершенствование технологий. В частности, слабым местом остается трос – тяжелый и быстро разрушаемый атомарным кислородом.
Кольцо на экваторе
В 80-е г.г. прошлого века белорусский инженер А.Э. Юницкий выдвинул идею масштабного проекта, названного общепланетным транспортным средством (ОТС).
Это замкнутая в кольцо труба, которая в исходном состоянии лежит на эстакаде, установленной вдоль экватора. Кольцо состоит из сегментов и способно раздвигаться. Внутри него находятся отсеки для груза и пассажиров, а также два внутренних кольца - роторы. Роторы состоят из металлических болванок, соединенных эластичными сегментами. Они заключены в вакуумные тоннели и удерживаются электромагнитами.
Для запуска система подключается к внешнему источнику энергии. Один из роторов раскручивается до первой космической скорости. На кольцо начинает действовать центробежная сила, оно поднимается с опор и раздвигается, достигая низкой орбиты. Тогда первый ротор тормозится и передает энергию второму. Кольцо начинает вращаться, производится выгрузка, потом оно загружается и обратным порядком отправляется к Земле.
Плюсы
1. Грузоподъемность – за один цикл конструкция способна вывести на орбиту 200 тонн груза.
2. Энергия циркулирует внутри системы, поэтому после запуска требуется лишь небольшая периодическая «подзарядка».
Минусы
Главным недостатком проекта считается неустойчивость кольца. При желании эту проблему можно решить. Например, в проекте «космического моста» часть кольца лежит на эстакаде, часть – выступает в космос. Но кому нужно каждые пару часов перебрасывать в космос 200 тонн? Человечество еще долго не придет к таким масштабам.
Петля Лофстрома
Возьмите какое-нибудь гибкое кольцо, например, канцелярскую резинку. Сложите вдвое и в точках перегиба прижмите к столу, а середину потяните вверх. Теперь представьте, что мы взяли не резинку, а узкую трубку, из которой выкачан воздух, и внутри нее движется ферромагнитный шнур (ротор) на магнитной подвеске.
Конструкцию пусковой петли предложил американский инженер-электротехник Кейт Лофстром в 1981 г. Средняя ее часть – прямая, длиной около 2000 км, находится на высоте около 80 км. Диаметр ротора – 5 см. В начале 2000-километрового участка находится погрузочная станция. Сама петля расположена на экваторе.
Ротор начинают разгонять. Как и в случае с кольцом, конструкция будет подниматься вверх. На высоте 80 км ее удерживают крепления к земле. Когда ротор раскрутится до 14 км/с, петля готова к работе. Транспорт поднимают с земли к погрузочной станции, затем размещают на направляющих рельсах. Он разгоняется за счет вихревых токов.
Стоимость строительства петли – $30 млрд, стоимость вывода груза в космос – около $3/кг, для менее мощной петли – строительство $10 млрд, стоимость вывода – $300/кг.
Плюсы.
1. Большое количество запусков в единицу времени (максимум – 80 в час).
2. Ускорение достигает 3 g, что вполне приемлемо для перевозки пассажиров.
3.Быстрое прохождение транспорта через радиационный пояс, в сравнении с космическим лифтом.
Минусы.
1. Риск того, что в случае аварии высвободится энергия, равная энергии атомного взрыва.
2. Нагрев ротора вихревыми токами.
3. Нестабильность в оборотных петлях.
Лазер
За счет чего уменьшить массу ракеты на жидком топливе? Электроника? Оболочка? А давайте оставим на Земле двигатель…
Рабочее тело (водород) нагревается с Земли лазерным лучом до состояния плазмы, которая удерживается магнитной ловушкой. Чтобы плазма не мешала прохождению луча, применяется импульсный лазер. Легко догадаться, что раз горючее нагревается лазером, ракете не нужно везти с собой окислитель. Это снижает ее массу.
По предварительным расчетам, удельная тяга такого двигателя будет в 2-2,5 раза выше, чем обычного ЖРД (жидкостного ракетного двигателя). Еще больше повысит удельную тягу другой вид топлива – твердый материал, испаряющийся с нижней части ракеты под действием лазера. Подобные эксперименты проводились в США. В 2000 году модель ракеты, низ которой представлял собой параболический рефлектор с топливом из полимерного материала в центре, поднялась на 72 метра за 10,5 с.
Минусы.
1. Неэкологичность.
2. Трудность точного наведения лазера.
Звездный трамвай
Наиболее громкий проект безракетного запуска был запатентован в начале 2000-х. Он называется StarTram – Звездный трамвай.
Проект эксплуатирует давнюю идею предварительного разгона ракеты на Земле с выносом стартовой точки на вершину горы. Камней преткновения у этой идеи немало.
Кроме близкой к экватору горы, потребуется еще сотня километров трассы и энергия, равная примерно половине часовой выработки российских станций. На выходе получаем перегрузку от 10 g, допустимую для большинства грузов, но некомфортную для пассажиров.
Эти проблемы попытался решить Джеймс Р. Пауэлл (James. R. Powell). Его имя давно и прочно ассоциируется с маглевом. StarTram также использует магнитную левитацию. Капсулы с грузом разгоняются в вакуумной трубе до 8,78 км/с и выстреливаются в космос.
Пауэлл разделил проект на два этапа.
Generation 1. Трасса длиной в 130 километров, время разгона – 29 с, высота горы – 6000 м, ускорение – 30 g. Строительство обойдется в $20 млрд. Стоимость доставки груза – $40-50/кг.
Generation 2. Это пассажирский вариант StarTram, с ускорением максимум 3 g. Ускорение, приемлемое для людей и точных приборов, вынуждает значительно удлинить трассу, до 1000 км и больше. Интересно, что верхняя часть трассы висит в воздухе при помощи той же магнитной левитации и стабилизирующих растяжек. Gen 2 будет стоить $60 млрд.
Промежуточный низкоскоростной вариант Gen 1.5 может быть объединен с другими системами, например Skyhook.
Плюс.
Первый этап проекта готов к реализации, необходимо только финансирование.
Минусы.
1. Длина трассы.
2. Потребление энергии в единицу времени. Чтобы избежать скачка нагрузки, Пауэлл предлагает запасать энергию в мощных аккумуляторах. Запуски планируются в ночное время, когда общее потребление падает, но очевидно, что проект требует строительства новых электростанций.
