В общем тоннаже грузов, доставляемых на МКС, значительная часть приходится на массу топлива, необходимого для периодической коррекции орбиты. Использование для этих целей «подручных материалов» могло бы существенно сократить потребность в топливе, а значит, расходы на его доставку.
Рассмотрим в этой связи ставшую рутиной транспортную операцию по доставке топлива на МКС, начиная с момента, когда к ней пристыковался очередной «Прогресс», загруженный топливом «под завязку». Масса топлива в его баках - около двух с половиной тонн, из которых двести килограмм будет потрачено на утопление корабля «в заданном районе Тихого океана», а 2300 – перекачают в баки МКС. В двигателе с удельным импульсом RУД=291с, они превратятся в 2300 кг рабочего тела с кинетической энергией 2600 кВт-часов.
Для сравнения. Масса загруженного всякими ненужностями «Прогресса», - в среднем, около пяти тонн. Что касается энергии, то солнечные батареи станции «Мир» при полной нагрузке могли вырабатывать до 150000 кВт-часов электроэнергии в год, а поток солнечной энергии через 1 м2 поверхности - около 6000 кВт-часов в год.
Резюме: то, что, по крайней мере, в принципе, может стать рабочим телом, на МКС есть, подходящие источники энергии - тоже. Не хватает «лишь» двигателя, который превращал бы отслуживший своё «Прогресс» в рабочее тело и придавал бы ему какую-то скорость.
Из множества вариантов рассмотрим, как наиболее для нас привычный, двигатель, в котором рабочим телом является газ, ускоряемый в реактивном сопле. Предположим, что рабочим телом является алюминий, давление паров которого перед соплом:
Анализ результатов расчёта.
1. В случае полной утилизации материала и грузов транспортного корабля, тратить химическое топливо на его утопление нет необходимости, и его можно использовать для коррекции орбиты. Поэтому импульс, создаваемый при сжигании этих 200 кг топлива, следует прибавить к импульсу, создаваемого исследуемым двигателем. С учётом этого, при утилизации пяти тонн алюминиевых отходов, суммарный импульс составит 4,52·105 кг·с. или 67,7% от импульса силы, получаемого при сжигании 2300 кг топлива. Этого было бы достаточно для поддержания постоянной высоты орбиты станции, размером с «Мир» в течение 100 суток. Следует отметить, что непрерывно поддерживать постоянную высоту орбиты станции энергетически выгоднее, нежели периодически позволять ей терять высоту, спускаясь в более плотные слои атмосферы, а потом возвращать назад с помощью кратковременных корректирующих импульсов. Поэтому время, в течении которого поддерживается высота орбиты станции за счёт топлива, привезённого одним «Прогрессом» и за счёт утилизации последнего, примерно одинаковы. Таким образом, потребность в доставляемом с Земли химическом топливе для коррекции орбиты сокращается вдвое.
2. Необходимое для работы исследованного двигателя тепло может быть получено с помощью солнечного нагревателя на базе параболического зеркала. Зеркало площадью 4 м2, обеспечивает потребную величину тепловой мощности, при условии, что мощность потерь через стенки двигателя не превысит 2,3 кВт.
3. Вопрос о возможности увеличения скорости истечения, а значит – и суммарного импульса за счёт применения расширяющегося сопла нуждается в отдельном изучении.
4. Равным образом нуждается в отдельном исследовании вопрос о использовании в качестве рабочего тела прочих веществ, входящих в состав «Прогресса» и его груза. В то время как утилизация изделий из пластмасс и твёрдых отходов жизнедеятельности экипажа, по-видимому, не вызовет особых затруднений, утилизация в рассмотренном двигателе железа и меди потребует более мощной теплоизоляции, способной работать при температурах до 2200°С.
О возможности дальнейшего ускорения струи паров металлов в электрическом поле.
В электрическом отношении струя, вытекающая из сопла исследуемого двигателя, представляет собой смесь ионов и электронов, с небольшой примесью нейтральных атомов. Разделив потоки электронов и ионов, их можно раздельно ускорить, а затем направить так, чтобы на некотором удалении от двигателя вновь получить нейтральную струю. Для рассчитанного выше двигателя, мощность, необходимая для ускорения струи в 10 раз составит 38,3 кВт. При этом тяга двигателя также возрастёт в 10 раз. Для целей коррекции орбиты МКС такая тяга представляется чрезмерной. Уменьшить её до 1 Н можно, снизив в 10 раз расход паров металла в струе. При этом соответственно уменьшатся тепловая мощность двигателя и мощность, затрачиваемая на ускорение струи. При этом нагрузка на солнечные батареи станции уменьшится до уровня, представляющегося вполне приемлемым.
При постоянной тяге электрического реактивного двигателя, затраты мощности обратно пропорциональны величине расхода рабочего тела. В случае использования в этом качестве космических отходов, стоимость рабочего тела, включая стоимость доставки на низкую орбиту, близка к нулю. В этой связи целесообразно пойти на увеличение расхода рабочего тела, ради уменьшения электрической мощности, потребляемой от солнечных батарей, а значит их площади, массы и аэродинамического сопротивления. В случае, когда такой двигатель используется для коррекции высоты орбиты, оптимальная скорость истечения струи не превышает 10км/с, что в 15…20 раз меньше обычной скорости истечения у электрических двигателей, работающих на цезии. Это обстоятельство, скорее усложняет решение проблем создание двигателей, работающих на отходах по сравнению с традиционными, нежели упрощает. «Стоит ли овчинка выделки?»
Если бы область применения таких двигателей ограничивалась бы одной лишь коррекцией высоты орбиты единственной орбитальной станции, то, думается, нет. Вполне можно было бы ограничиться «обычным» ускорением паров металлов в реактивном сопле. Да, электрический ускоритель позволил бы «держать» на веществе одного Прогресса «орбиту станции не три с лишним месяца, а три года, но за такой срок к станции прибыли бы ещё до десятка «Прогрессов», которые некуда было бы девать, кроме как «в заданный район Тихого океана».
Но есть и другие задачи, решить которые могли бы «космические буксиры» с двигателями, работающими на космических отходах. Особенно много таких отходов скопилось в ближайших окрестностях геостационарной орбиты: отслужившие своё спутники, которые увели в сторону от стационарной орбиты и последние ступени ракет, которые их на эту орбиту привезли. Сегодня многие сотни тонн этого металлолома летают вблизи геостационарной орбиты и, несомненно, время от времени, сталкиваются. Есть серьёзные основания для опасений, что обломки, образующиеся в результате этих столкновений, могут выйти на орбиты, пересекающие геостационарную орбиту и повредить действующие спутники. Так что задача наведения порядка в ближайших окрестностях геостационарной орбиты всё равно неизбежно встанет в повестку дня. И наилучшим её решением, думается, было бы комплексное.
Представим себе космическую мастерскую для ремонта и обслуживания стационарных спутников связи – пилотируемую орбитальную станцию на низкой экваториальной орбите. При ней – дюжина космических буксиров – аппаратов, оснащённых мощными солнечными батареями, ионными двигателями, работающими на космическом металлоломе, средствами для подготовки его к использованию в качестве рабочего тела и прочим необходимым оборудованием. Буксиры организуют регулярное сообщение между геостационарной и низкой экваториальной орбитами, доставляя со стационарной орбиты на орбитальную станцию спутники, где их ремонтируют, модернизируют, заправляют топливом, и возвращая обратно отремонтированными, заправленными и модернизированными. Новые спутники выводят на низкую экваториальную орбиту, стыкуют с орбитальной станцией, проводят последнюю проверку, и передают на попечение буксира. Поскольку для доставки спутника на низкую орбиту нужен в 5…8 раз менее мощный носитель, нежели для доставки того же спутника на геостационарную орбиту, то стоимость запуска существенно снижается.
Для конечных потребителей, т.е. для владельцев спутников, стоимость которых нередко исчисляется в сотнях миллионов долларов, это дело может быть весьма выгодным. Как впрочем, и для владельцев космической «ремонтной мастерской». Конечно, снизятся объёмы сбыта у производителей ракет и спутников, но не бывает так, чтобы всем было хорошо. Кроме того, снижение стоимости запуска даёт шанс ракетной промышленности «наверстать своё» за счёт участия в реализации таких идей и космических проектов, которые доселе считали неприемлемо дорогими именно из-за высокой стоимости вывода.
Один из них – система из трёх космических заправочных станций (КЗС) с несколькими сотнями тонн химического топлива в каждой: на низкой экваториальной, геостационарной и на окололунной орбите. На низкую орбиту топливо доставляют «Протоны» с несколько увеличенной ёмкостью баков последней ступени, одновременно являющейся и транспортным кораблём. Всё, топливо, которое не было израсходовано в процессе вывода на орбиту и стыковки с КЗС, перекачивается в баки последней, а всё, остальное, попавшее на орбиту, становится рабочим телом для ионных двигателей космических буксиров. Далее, по мере необходимости, топливо перекачивают в транспортные ёмкости, которые «обычным» путём буксируют на геостационарную КЗС.
А оттуда до Луны – уже «рукой подать», если мерить не в километрах, а в килограммах топлива. Чтобы уйти в зону, где притяжение Луны больше, нежели Земли, достаточно одного импульса, который увеличит скорость на 1 км/с. Для сравнения: чтобы с низкой орбиты перейти на стационарную, нужны два импульса, в сумме дающие почти вчетверо большую прибавку скорости. Кстати, если везти всё топливо с собой, то энергетически заметно выгоднее было бы стартовать с низкой орбиты на вытянутую, охватывающую Луну, без захода на геостационарную орбиту. Но на геостационарной орбите есть запасы бесплатного рабочего тела и это меняет дело.
Подобным образом можно и нужно доставлять на окололунную орбиту всё, что допускает транспортировку «малой скоростью»: лунную орбитальную станцию без экипажа, модули для посадки на Луну и взлёта с неё, оборудование для Луной базы, запасные корабли для возвращения с лунной орбиты на Землю, пилотируемые корабли без экипажа, для полётов на Марс и многое другое. При этом стоимость доставки всего этого на окололунную орбиту будет лишь немногим больше стоимости вывода этих грузов на низкую орбиту.
Ну а полёт космонавтов на Луну или Марс тогда будет осуществляться с пересадкой: но лунную орбитальную станцию - на «Союзах», где их будут ожидать заправленные и проверенные корабли для посадки на Луну или полёта на Марс.
Таким образом, использование «космического металлолома» в качестве рабочего тела ионных двигателей «космических буксиров», позволяет создать универсальную транспортную систему, способную удовлетворить все потребности в межорбитальных перевозках, а также пилотируемые полёты на Луну и Марс.
