Заметка для тех, кто интересуется перспективами космонавтики «в целом и время от времени» и не очень любит вдаваться в скучные подробности. Выросло из одного обсуждения.
Вместо предисловия
— Вообще–то никто никуда не полетит. — заявила Алиса.
Столпившиеся пионеры замолчали.
— Никто никуда не полетит, — с нажимом повторила девочка из будущего, тряхнув своим каре, — и странно, что вы этого не замечаете. На дворе 1984 год. далее
Часть 1. Низкого технического уровня.
Космос вообще – место неприятное, а земная орбита неприятная вдвойне.
Во первых, Земля не круглая, по вторых неравномерно не круглая. В третьих, если космическая станция летит в тени, то она постепенно охлаждается, на солнце – нагревается. Сжатие растяжение, и так несколько раз в день (15-16 для МКС, цикл 45 минут). В станцию постоянно влетают ионизированные кислород, азот и водород, который вовсе не добавляют прочности сплаву АМГ. Прибавим радиационное старение всего – металлов, пластиков, кремния (1).
Повыше, в районе радиационных поясов – радиации больше, кислорода меньше. К этому всему прибавляем солнечный ветер, старение бортовой техники само по себе изнутри – летающие туда-сюда ионы от разного вида радиации не щадят ни кремний, ни припой, ни изоляцию. Добавляем летающие туда-сюда тяжелые частицы и прочий радиационный пробой электроники.
Салют-6 отработал 5 лет. Салют-7 прожил почти 9 лет, при запланированных 5 (4 года рабочих, 1982-1986, и 1986-1991 в автоматическом режиме). Мир отработал 15 лет, при этом последние годы значимая часть задач экипажа заключалась в ремонте того, что еще можно отремонтировать.
Первые модули МКС вывели на орбиту в 1998 году, и им уже 24 года. Выводы про общее состояние самого корпуса МКС можете сделать самостоятельно.
Интересный миф, который был в ранней космоопере – что микро трещины и пробоины можно заделать неким пластиком. Выпустил в воздух пластиковые шарики 0.5 мм размером, и их к микротрещинам притянуло. Увы, но нет – во первых, станция изнутри плотно опутана проводкой, панелями и теплоизоляцией, во вторых – микротрещины правильней называть нанотрещинами. Они не так велики, это дефект шириной в несколько десятков, может сотен атомов, и утечка через каждую такую трещину незначительна. Просто ей покрыта вся поверхность станции, а снять всю изоляцию, проводку, обои, штукатурку и прошпаклевать будет стоить огромного количества человеко-часов. Робот Федор штукатурить отказался.
Часть 2. В которой чуть больше скучной математики.
Ладно, часть модулей МКС можно списать, но ведь часть новых модулей можно отделить и переправить на другую орбиту? Все так, переправить можно, но.
Широта Байконура - 45°57, Восточного - 51°53, наклонение МКС - 51,63. Почему так – вот статья
Окей, мы хотим переставить четверть массы станции на 1 (один) градус. Текущая масса МКС – 420 тонн, возьмем 100 тонн для ровного счета. Рисуем вектор скорости туда, вектор скорости сюда, 7.8 км/с скорости, синус 1 градуса 0.0175 – нам нужно где-то взять 136 м/с скорости для 100 тонн. Маршевый двигатель 14Д30 для Бриз-М имеет удельный импульс 328,6 с –
а точнее: Маршевый двигатель С5.98 М (14Д30) с турбонасосной системой подачи компонентов топлива с тягой в пустоте 2.0 т (19.62 кН), удельной тягой в пустоте 325.5 сек (3193 Н·с/кг), число включений в полете — до 10. (Удельный импульс - Вакуум: 328,6 с (3223,5 м/с).)
Но это все не так важно, хотя и по этой схеме я потом пересчитаю.
У нас есть химический двигатель, со скоростью истечения рабочего тела 2500 м/с (у выше помянутого 14Д30 – 3200) – которым надо дать импульс 136 м/с * 100 тонн. Простое уравнение – масса топлива (в тоннах) * скорость в двигателе (2500) = 136*100. Делим обе части на скорость – 2500, получаем 136*100/2500 = 5.44 тонны. На каждый градус смены орбиты. Итого один протон (плюс минус, там около 20 тонн НДМГ-АТ) на каждые 4 градуса. Хотим сменить орбиту на 45 градусов – готовим 10 протонов. Может, дешевле новую станцию вывести блоками по 15 тонн?
Может, я считаю неправильно? Окей, формула Циолковского. 121 тонна на старте, 101 тонна на окончании ускорения, 3200 м/с = 3200 * ln (1.2) = 3200*0.18 = 576 м/с с 20 тонн НДМГ + двигатель. Каждый градус обойдется нам в 136 м/с - или 4.2 градуса наклонения на каждый блок.
Можно менять ионным, скажете вы?
И будете правы, возможно! Берем NASA Solar Technology Application Readiness (NSTAR), смотрим на Dawn – ценой 425 килограммов ксенона спутник весом 747 кг (общая масса 1217 кг) может получить дельту вэ в 11 км/с. Уважаемая штука, скорость выхлопа ксенона порядка 30 км/с. Делим – 136*100/30000 = 0.45, всего полтонны ксенона на градус поворота. А надо 45 градусов. А ускорять станцию можно только в 2 точках орбиты, то есть примерно 10% времени, нов вот только .. тяга там 0.09 ньютонов на двигатель. Нам чтог, жалко чтоли, давайте посчитаем сразу 111 двигателей! Каждый ионный двигатель, согласно открытым источникам, обходится в порядка 250 тысяч долларов за штуку, плюс производят их не сотнями штук, но посчитаем! 111 двигателей дадут тягу в 10 ньютонов, то есть разгонят 10 килограмм на 1 м/с за секунду, 10 тонн – на 1/1000, 100 тонн – 1/10.000 метров в секунду за секунду. 1/e(-4) – для разгона на 136 метров /секунду – 1.360.000 секунд, / 86400 секунд в сутках – чуть меньше 16 дней, но. Но время работы на каждом витке – не больше 10% времени, так что какие-то полгода времени, 111 движков – и орбита станции изменится на целый градус. Так что 100 тонн станции на 100 ионных движках дойдет до желаемой полярной орбиты всего за (40/2) - 20 лет. Плюс минус, 20 это будет или 18 - не так важно.
1. Радиационная стойкость изоляционных материалов магнитных систем ускорителей
https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/43317