Технополис завтра
Самое важное. Самое полезное. Самое интересное...
Новости Интересное

Запрещённый приём

12.04.2015

Оригинал взят у alex_anpilogov

В прошлой части моего рассказа о сегодняшнем штурме далёкого космоса человечеством — всеми вместе и каждой страной по отдельности, меня спросили, в общем-то, об очевидном: «Если уж лететь в космос по-взрослому, то почему мы так зацикленны на этих ракетах на химическом топливе?»

Ну и, подспудно, понятное дело, прозвучало: «А нет ли у нас в запасе неких альтернатив, которыми мы можем как-то скомпенсировать дороговизну и маломощность наших пороховых и керосиновых шутих?»

Рассказываю. Можем. Но только усилия для большинства этих проектов потребуются именно что от «всех вместе», но никак не от каждого по отдельности, в рамках его собственного «лунного посадочного модуля, с преферансом и поэтессами».

Но каждый из этих проектов сулит нам доступность космоса на уровне полёта на современном аэробусе из Москвы в Нью-Йорк.

Да, дорого и непросто. Но отнюдь не невозможно.

В чём смысл проблемы гравитационного колодца Земли — я уже детально разбирал в одной из статей прошлого журнала.

Вкратце, если ещё раз вынести сюда суть проблемы, то при старте с поверхности Земли космическому кораблю надо решить сразу четыре задачи (ограничения по задаче №3 для пилотируемого и непилотируемого старта различны, хотя для вывода людей на околоземную орбиту они, в общем-то, гораздо строже).

Вот суть этих четырёх ограничений:

1) обеспечить достаточную тягу основных двигателей ракеты, для того, чтобы она хотя бы оторвалась от Земли и поборола постоянно действующую на него гравитационную помеху;
2) не разрушить конструкцию ракеты интенсивным трением о нижние слои земной атмосферы;
3) не угробить экипаж ракеты или груз чрезмерным начальным ускорением, которое позволяет хоть как-то минимизировать время действия на ракету гравитационной и атмосферной помехи;
4) ну и хоть как-то обеспечить минимально возможный расход реактивной массы на решение задач по пунктам 1-3.

Из существующих и доведенных до сколь-либо вменяемого технического и инженерного состояния систем этим условиям соответствуют ракеты на химическом топливе, в которых горючее и окислитель в рамках химической реакции реально «сгорают», обеспечивая резкое повышение температуры в камере сгорания ракетного двигателя и столь же катастрофическое расширение образовавшихся в результате химической реакции продуктов сгорания.

Поскольку камера сгорания открыта в ракетном двигателе в сторону сопла, дальше процесс уже понятен: расширяющиеся нагретые газы, ведомые градиентом давления, попадают в сопло ракетного двигателя и с помощью специально подобранной формы стенок ракетного сопла — формируют реактивную струю, которая и движет ракету в направлении, противоположном установленным соплам.

При этом, как понятно из описания, горючее и окислитель кроме выполнения функции «резервуаров энергии» ещё и выступают компонентами для создания так называемой реактивной массы — тех самых нагретых газов, которые при выходе через сопло двигателя формируют реактивную струю ракетного двигателя.

При этом, в общем-то источник нагрева реактивной массы, которым в обычных, привычных нам ракетах высвобождающаяся химическая энергия горючего и окислителя, в целом для концепции реактивного (и его частного случая — ракетного двигателя) совершенно не важен.

Нам лишь надо каким-то удобным для нас способом передать свободную энергию реактивной массе, а потом превратить её из теплового движения молекул реактивной массы в упорядоченное, кинетическое движение.

При этом, в общем-то, совершенно непринципиально, чем вы нагрели реактивную массу — сжиганием керосина в кислороде или же простым нагревом совершенно инертного гелия, например, в активной зоне ядерного реактора.
Именно по такому пути попробовали пойти в 1960-х годах американцы, когда они просто взяли — и стали устанавливать в основание реактивного сопла ракетного двигателя небольшой ядерный реактор.


Линейка американских ядерных ракетных двигателей — от первого «Киви А» и до предпоследнего, «Феб-2», вскорости после успешного пуска которого программа NERVA и была фактически закрыта.

Американская программа создания ядерного ракетного двигателя (ЯРД) продолжалась с 1952 по 1972 год, успев достичь за 20 лет впечатляющих результатов.

Первые двигатели данной программы, служившие скорее испытательными стендами, не могли бы оторвать от Земли даже свою собственную конструкцию — так, экспериментальный ЯРД «Киви А», развивавший тягу около 2 тонн, весил в сборе более 10 тонн только сам, без веса трубопроводов и бака реактивной массы, которой в случае американских ЯРД выступал жидкий водород.

А вот последние двигатели программы NERVA, в частности, показанный на рисунке «Феб-2» имел соотношение реактивной тяги двигателя (T) к его массе (W) в пределе от 3 до 4, то есть — при определённых условиях эти двигатели даже можно было рассматривать для старта космического аппарата с поверхности Земли.

Максимальная его тяга, которая была протестирована на протяжении около минуты (при полном времени отработки двигателя в 120 минут) составила 113,4 тонны.

Сухая масса стендового образца «Феба-2» составляла 34 тонны, полностью заправленный топливом он весил 178 тонн.

При этом реактивная струя нагретого водорода вырывалась из двигателя при температуре от 2000 до 3000 °C, а сам двигатель вырабатывал в этот момент тепловую мощность до 5 гигаватт (что соответствует тепловой мощности такого немаленького реактора, как ВВЭР-1000).

Удельный импульс двигателя «Феб-2» составил около 850 секунд, что почти что вдвое превышало удельный импульс лучших ЖРД на паре кислород-водород, которые могли похвастаться удельным импульсом в районе 450 секунд.
То есть, при прочих равных условиях, ракета с ЯРД затрачивала бы на то же самое приращение скорости вдвое меньше топлива, нежели ракета с ЖРД!

Например, замена кислородно-водородного ЖРД J-2 на третьей ступени лунной ракеты «Сатурн-V» позволяля бы легко поднять полезную нагрузку на НОО для этой ракеты до цифры в 154 тонны, вместо 118 тонн у стандартного «Сатурна-V»!

И, для поддержания ситуации «луносрача», подчеркну, что рабочий экземпляр «Феба-2», при минимальной доводке и модификации способный заменить J-2 на третьей ступени «Сатурна-V», был готов и испытан уже в 1967 году.
В общем, если хотите написать эпик на тему «а власти-то скрывают» — копайте в сторону проекта NERVA и его скоропалительного закрытия уже в 1972 году.

Вот достаточно обстоятельный американский ролик, который повествует о шагах американской программы разработки ЯРД по состоянию на момент пика её успехов, в районе 1968 года:

А вот похожий ролик, который рассказывает в той же стилистике и о программе создания ЯРД в СССР:

Как видите — многие идеи конструкции ЯРД были похожими у США и СССР, что и неудивительно — сходство поставленных задач определяло и сходство технических и функциональных решений.

Советский проект твердотельного ЯРД был гораздо более скромным, нежели американская программа NERVA и включал в себя только одну реализованную «в уране и в бериллии» модель — экспериментальный ЯРД РД-0410.

Советский ЯРД был гораздо скромнее своего американского «коллеги», создавая тягу всего в 3,6 тонны и весил при этом тоже гораздо меньше — около 2 тонн, но при этом имел более высокий удельный импульс — около 925 секунд.
Мощность советского РД-0410 тоже была небольшой — реактор развивал тепловую мощность «всего лишь» в 196 МВт.

Но вот его массово-габаритное совершенство было уникальным — в такой микроскопический по меркам «Киви», а тем более — «Феба» объём советские инженеры смогли уложить всё то, что американцы смогли сделать лишь на двигателе, в десятки раз более мощном и крупном.

При этом ресурс РД-0410, подтверждённый испытаниями на Семипалатинском ядерном полигоне, проведенными на полной мощности, составил более 4000 секунд (около 70 минут), что превосходило лучшие достижения американцев с графитовыми зонами своих ЯРД более, чем втрое.

Кроме того, высокий удельный импульс советского ЯРД обуславливался тем, что, в отличии от американцев, которые на «Фебе-2» не рисковали постоянно держать температуру в 3000 °C, предпочитая более комфортные условия 2000-2500 °C, советский двигатель по-честному отработал на 3000 °C все 4000 секунд (у американцев подъём температуры на их ЯРД постоянно сопровождался частичным разрушением активной зоны, что и обуславливало низкий удельный импульс их прототипов).

Важно также отметить, что испытания советского ЯРД, в отличии от длительных доводок американских двигателей по программе NERVA, которые даже в конце испытаний продолжали страдать от выноса радиоактивных элементов в реактивную струю двигателя, показали полное отсутствие радиоактивных продуктов из активной зоны реактора в реактивной струе ЯРД.

То есть — выхлоп советского ЯРД был ещё и предельно «чистым».

В общем, если резюмировать в целом тему твердотельных ЯРД, которую независимо друг от друга вели СССР и США по обе стороны «железного занавеса» — то получится, что США показал, что можно создавать двигатели мощные и обладающие соотношением T/W в пределе от 3 до 4, а СССР эти двигатели ещё и заставил работать с уникально большим удельным импульсом и на гораздо более высоких температурах.

То есть, соединив наработки США и СССР — уже к 1990-м годам вполне бы можно было создать работающий твердотельный ЯРД с мощностями, превосходящими испытанные в США и с удельным импульсом, достигнутым в СССР.

Ну а теперь, как и положено... запрещённый приём, поскольку кадр из одноимённого фильма у нас стоит в заглавии статьи.

Встречайте: «Трамвай Фаэтона».

Приведу тут только словестное описание, благо, все расчёты уже провели до меня, а я лишь дополню картинку теми самыми гипотетическими ЯРД, которые получились у нас в результате скрещивания советского и американского опыта их разработки.


В нашем варианте — это не гипотетические, электро-воздушнореактивные двигатели, а твердотельные ЯРД.

Итак, суть «Трамвая Фаэтона».

«Трамвай Фаэтона» — это громадная ЛЭП, которую мы кратковременно поднимаем на высоту около 70 километров, поближе к заветной линии Кармана, где у нас и начинается ближний космос. И с конца этой громадной ЛЭП и уходит в космос наш космический корабль, предварительно разогнавшись на рельсах, идущих вверх и чепая энергию на разгон с самой ЛЭП.

Напомню, линия Кармана расположена на высоте в 100 километров, но уже даже на конце нашего ЛЭП наш разгоняющийся по ней космический корабль может включать свой собственный ЯРД — его энергетики вполне хватит на то, чтобы облегчить нам задачу, решённую в оригинальном анализе у уважаемого antihydrogen.

Допустим, что у нас таки есть такой ЯРД, который американцы уже почти создали для третьей ступени своего лунного носителя «Сатурн V».

Разбиение по всем ступеням «Сатурна V» есть у нас вот тут, в наглядной табличной форме. Стартуем мы, понятное дело, к той же самой Луне, и всего нам надо набрать заветные 10 600 м/с скорости.

Поскольку у нас вместо старого J-2 на водороде и кислороде на третьей ступени стоит ЯРД, то мы можем потратить где-то вдвое меньше топлива (а точнее, для случая ЯРД — реактивной массы) на вывод полезной нагрузки с оконечной станции «Трамвая Фаэтона» на траекторию полёта к Луне.

Плюс к этому, за счёт использования ЯРД мы можем и снизить требования к самому расчёту ЛЭП — на оконечной станции «Трамвая Фаэтона» нам можно иметь не 7900 м/c первой космической скорости, а всего около 6600 м/с (я просто принял данные по фактической скорости в момент разделения второй и третьей ступени «Сатурн V», коль проект ЯРД на третью ступень «Сатурна» американцы уже считали на полном серьёзе, в реальности, возможно, усовершенствованный ЯРД сможет «подхватить» вывод на орбиту и при меньшей скорости.

Это даёт нам 220 секунд разгона космического корабля при комфортных для экипажа 3g.

И длину ЛЭП для «Трамвая Фаэтона» в 726 километров, что составляет где-то 3/4 её длины в оригинальном расчёте.

Значит, сверхпроводящего кабеля нам потребуется около 1800 тонн. Кроме того, за каждую секунду в конце разгона нашего «лунного посадочного модуля с преферанссом и поэтессами» надо будет, за счёт нашей хитрости с ЯРД на самом корабле, поднимать уже не 8 километров кабеля, а всего 6.

Что, в общем-то, снижает требования по мощности на подъём такого участка кабеля с 15 до 11,25 ГВт.

Посчитать вес такого участка тоже легко: сам по себе кабель будет весить около 15 тонн, плюс даже мы будем иметь вес нашего лунного модуля и вес самих подъёмных ЯРД — в любом случае пары-тройки ЯРД с параметрами, лишь немного лучшими, чем параметры американского «Феб-2» вполне хватит на подъём кабеля, самих себя и удержание нагрузки разгоняющегося по ЛЭП лунного модуля.

Итого, вдобавок к ЛЭП имеем ещё 240-360 твердотельных ЯРД, которые обеспечивают подъём ЛЭП «Трамвая Фаэтона» на нужную высоту и в нужное для разгона время.

Выглядеть наш гипотетический лунный корабль с ЯРД  будет как гибрид перевернутого фуникулера (едущего над проводом ЛЭП), «Спейс Шаттла» (крылья и их подъёмная сила будет полезна как во время подъёма в верхние слои атмосферы, для того, чтобы не перенапрягать наши ЯРД, которые поднимают ЛЭП, так и на случай, если «лунный посадочный модуль с преферанссом и поэтессами» случайно сорвется с провода), и корабля из «Матрицы» (поскольку для замыкания цепи нам нужно как-то избавляться от зарядов, и это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии, для чего потребуются раскаленные докрасна электроды площадью несколько квадратных метров, из которых в нижних слоях атмосферы будут бить молнии).

Да, понятное дело в таком варианте использования все ЯРД, кроме того, что улетает с кораблём к Луне, являются строго многоразовыми — после использования ЛЭП точно также сажается на землю и готовится к следующему пуску.
Из расходов дополнительных к оригинальному концепту (до момента изобретения электрических воздушно-реактивных двигателей) — рабочее тело (реактивная масса) для таких ЯРД.

Возможно, кстати, на них и не стоит гнаться за запредельными параметрами на водороде — а обойтись более дешёвым в получении и использовании жидким азотом, пусть даже и с потерей удельного импульса для таких поддерживающих ЛЭП твердотельных ЯРД.

В целом же, как и посчитано по ссылке, такой запуск из гравитационного колодца Земли к Луне будет стоить по электроэнергии всего 200 000 долларов, а основные расходы будут положены на создание многоразовой (по настоящему, без дураков) системы вывода грузов на околоземную орбиту — или куда угодно в близкий или дальний космос.

Из плена земного притяжения можно выбраться — и все технологии для этого, в общем-то, есть у человечества в наличии.

И да, кстати. Если мы выводим не людей, а грузы, то никто не мешает «Трамваю Фаэтона» работать и на 10g, что даёт нам 66 секунд на достижение скорости в 6600 м/c, ЛЭП сжимается у нас до 217 километров, а поддерживающих ЯРД нам надо всего около 70 штук.

Как сказал однажды астроном и писатель-фантаст Фред Хойл:  «Космос вовсе не так уж далек. До него всего час езды, если только ваш автомобиль способен ехать вертикально вверх.»

И если вы, конечно, яростно хотите туда попасть.

 
Социальные комментарии Cackle
Loading...
Загрузка...

© 2009 Технополис завтра

Перепечатка  материалов приветствуется, при этом гиперссылка на статью или на главную страницу сайта "Технополис завтра" обязательна. Если же Ваши  правила  строже  этих,  пожалуйста,  пользуйтесь при перепечатке Вашими же правилами.