А вот теперь давайте определим, а сможем ли мы какой-либо массивный объект докатить до Луны? А почему только до Луны? Давайте сразу — до Марса. Для этого традиционно применяется схема полета, известная как «орбита Гофмана».
Итак, для выхода аппарата на расчетную траекторию полета к Марсу ему необходимо достигнуть скорости не менее 11,6 км/с, то есть чуть больше второй космической скорости, что позволяет выйти за пределы гравитации Земли. Условно примем, что на орбите в зоне строительства аппарат имеет скорость 8 км/с. Для выхода на трассу полета нужно достичь скорости 12 км/с. То есть, при старте с орбиты Земли нам нужно увеличить скорость на 12 – 8 = 4 км/с.
Далее можно катиться по инерции, в поле тяготения Солнца на встречу с Марсом. А когда станция попадет в зону действия притяжения Марса, скорость будет необходимо погасить. Значение первой космической скорости вблизи Марса 3,55 км/с, условимся, что нужно выйти на орбитальную скорость у Марса около 4-5 км/с. Тогда, как показывают расчеты ИКИ РАН требуется погасить скорость примерно на 1 – 1,5 км/с (разумеется, не считая затрат на коррекции движения, орбитальное маневрирование и пр.).
А в качестве такого «аппарата» мы возьмем орбитальную станцию с искусственной гравитацией массой грубо 1500 тн (подробнее см сообщение от 7/10 и 11/10). И тем самым, раскроем интригу — «а доедет ли это колесо до Марса?».
Понятно, что всякие ионные двигатели нам не помогут, разве что только на микрокоррекции движения. Поэтому придется использовать буксиры с химическими двигателями и именно буксиры, так как самой станции, после установки на орбите, мощные двигатели не нужны. И какие есть варианты?
Однако, все эти двигатели для нас не подходят. Они слишком слабы, чтобы достигнуть Марса. Нужен двигатель намного мощнее, например РД-170 с тягой свыше 800 тн. А, может быть, даже и не один!
Очень рекомендую прочитать подробную и очень познавательную статью об этом легендарном двигателе.
Теперь Вам понятно, насколько это сложное и дорогое изделие и, что важно, использовать его ОДНОРАЗОВО, совсем не разумно. А значит, необходимо его устанавливать именно на буксирах и использовать многократно. Тогда, как минимум, модель РД-170 надо доработать для работы в вакууме и многоразовому использованию. Это предусматривает емкость для азота, чтобы продуть камеры сгорания после выключения. Азот также понадобится для заполнения топливных баков, чтобы не создавать лишнее разряжение. Хорошо, было бы перевести топливо с керосина на метан — а где вы на Марсе найдете керосин?
Есть ещё маленький, но важный вопрос: а как рассчитывать трассу полета и маневры, если мы не знаем точно массу аппарата? Ну, массу станции (примерно 1500 тн) мы знаем. Примерно — здесь ключевое слово. Массу буксиров и топливом, тоже ПРИМЕРНО. Для транспортировки на станции установили страховочные тросы, чтобы колесо не изгибалось, усилили стыковочные узлы и т.д. И сколько это всё весит? А как вообще взвешивать в космосе? Тогда необходимо, перед каждым маневром, выполнить точное определение массы. Ну, например, запустить небольшой твердотопливный двигатель с известным уровнем тяги на 1-2 секунды и по акселерометрам оценить массу нашей конструкции. И делать это придется несколько раз, так как даже после первого маневра точно установить расход топлива и, соответственно, остаток массы не получится.
Итак, условно примем:
· масса станции, со снаряжением и буксирами (без топлива) = 1500 тн;
· тяга одного двигателя РД-170 в вакууме составит 806 тн кг или 7904 кН;
· расход компонентов топлива 2 393 кг/с или 2,4 тн/с;
· максимальное ускорение, которое мы можем позволить для транспортировки станции примерно 1G, чтобы не деформировать саму конструкцию, условно примем 10 м/с2.
Предпоследний показатель (расход топлива) весьма любопытен, так как если использовать емкости для компонентов топлива по 10 тн, то двигатель их расходует за 10/2,3 = 4,3 секунды!
Точнее, если принять коэффициент соотношение компонентов топлива: 2.63 (масса окислителя/масса топлива), то двигатель потребляет каждую секунду 1484 кг окислителя и 909 кг топлива.
Тогда, емкость в 100 тн для топлива будет израсходована за 100/0,909 = 119 секунд, а окислителя за 100/1,484 = 67 секунд. Очевидно, что потребуются более вместительные емкости, хотя бы по 1000 тн.
Итак, как мы выяснила ранее, чтобы сойти с орбиты Земли и лечь на трассу Гофмана, нам потребуется увеличение скорости на 4 км/с, а перед Марсом, потребуется торможение на 1,5 км/с.
А можно ли как-то сэкономить на этих маневрах? Оказывается можно!
При сходе с орбиты Земли, возможно использовать гравитационный маневр и использовать тяготение Луны! Подобный расчет выполнил С. В. Каплун.
Этот расчет показывает, что за счет Луны мы можем увеличить скорость на 1680 м/с!!! А это совсем не мало и соответствует экономии больше 2 000 тн топлива!!!
Также возможно использовать гравитационный маневр и возле Марса при торможении. Просто необходимы как бы залететь за Марс и использовать его тяготение для частичного торможения станции. Но я нигде не нашел расчетов и поэтому эту возможность мы оставив в резерве.
Тогда давайте оценим, как возможно это сделать. Предположим, что при старте с орбиты Земли мы используем три буксира с двигателями РД-170 с суммарной тягой 23 712 кН или 2 418 тн. Тогда с использованием гравитационного маневра (прирост скорости 1,5 км/с) мы получим необходимость увеличения скорости только 4 – 1,5 = 2,5 км/с. Далее, два буксира расстыковываются и возвращаются к Земле на малой тяге. А третий, перестыковывается на противоположный терминал станции, подключается к другим топливным бакам и продолжает инерционный полет к Марсу. По достижении расчетной дистанции он выполняет торможение с падением скорости на 1,5 км/с.
Теперь возможно произвести некоторые не сложные, но громоздкие расчеты, чтобы понять динамику такого полета. И начнем с конца, т.е. с маневра торможения у Марса. Если масса станции и запаса топлива составит 1500 + 1000 = 2 500 тн, то один буксир с РД-170 за 382 секунды сможет погасить скорость на 1,5 км/с и израсходует примерно 1000 тн топлива. При этом максимальное ускорение на превысит 5 м/с2.
Теперь, предположим, что при старте с орбиты Земли мы используем три буксира с двигателями РД-170 с суммарной тягой 23 712 кН или 2 418 тн. Тогда с использованием гравитационного маневра (допустим прирост скорости 1,5 км/с) мы получим необходимость прироста скорости только 4 – 1,5 = 2,5 км/с. Путем не сложных, но громоздких вычислений мы получим, что для достижения такой скорости для станции общей массой 1500 + 4000 = 5 500 тн нам потребуется 407 секунд работы трех буксиров и будет израсходовано примерно 3000 тн топлива (разумеется компонентов, т.е. и горючего и окислителя). Максимальное ускорение составит не более 9,2 км/с2.
Примерное время такого полета будет около 150 — 250 суток, в зависимости от конечной скорости.
ИТОГО, чтобы доставить станцию массой 1500 тн к Марсу необходимо три буксира с двигателями РД-170 и 4000 тн топливной смеси.
Много это или мало? Если для земного морского танкера газовоза с метаном — то это пустяк, но для космоса эти 4000 тн надо поднять на орбиту, слить при криогенных температурах в танкеры, заправить буксиры... В общем, работа и дорогая и сложная. Но вполне подъемная, если речь идет о начале колонизации целой планеты! И что — Будем экономить?
Теоретически может быть предложен иной способ. Но пока атомных двигателей нет, и, похоже, в ближайшие 10-20 лет не будет, тогда надо заглушить ядерный реактор на станции, включить режим экономии и аварийного освещения, и в добрый путь на химических моторах.
