Лассо, лазерная пушка и фонтан — как вы желаете попасть на орбиту?

Закончив в прошлой части с «пушечными схемами», рассмотрим ещё несколько схем по выводу грузов на околоземную орбиту.

Скажу сразу: в этой статье не будет столь любимого многими орбитального лифта. И не потому, что концепция мне не нравится, или потому, что даже углеродные нанотрубки и графен пока не добрались до заветного предела в 60-120 ГПа прочности на разрыв, которая необходима для целей создания космического лифта.

И не потому, что нанотрубки пока имеют размер в 200 мкм, а листы графена — десятки сантиметров, при необходимой длине космического лифта в 36 000 километров.

Просто идею космического лифта и так объездили и обсудили уже все, кому не лень, а в этот блог вы обычно заходите, чтобы узнать «что-нибудь новенькое».

Вот о «новеньком» мы и поговорим. Ещё бы! Концепции, изложенные в этой статье, 1972, 1980 и 1985 года выпуска!
При том, что в первый раз слова «космический лифт» прозвучали из уст Константина Циолковского ещё в 1895-м году...

Начнём, так и быть, со схемы уже более чем сорокалетней давности, носящей название «лазерный вывод полезной нагрузки на орбиту». Если вы, грешным делом подумали, что речь идёт о некоей реинкарнации фотонного звездолёта или же солнечного паруса — то это не так.

Обеспечить то самое магическое значение T/W > 1 (отношение тяги двигателей к собственному весу ракеты) схема солнечного паруса или же фотонной ракеты просто неспособна. Конечно же, в разумных пределах на размер конструкции солнечного паруса или же на мощность фотонного пучка.

Скажу только, что на 1Н (около 100 грамм) тяги фотонной ракеты нам надо 300 МВт электрической (световой) мощности. Что, в общем-то, сразу же ставит крест на любом проекте вывода полезной нагрузки на околоземную орбиту просто за счёт светового давления лазеров на некий отражатель на борту ракеты.

Принцип «лазерного вывода» основан на ином: в качестве рабочего тела используется достаточно стандартное вещество (например, тот же водород, обеспечивающий хорошую скорость истечения в зависимости от своей температуры), а лазерная установка, установленная для экономии веса, понятное дело, на Земле — лишь обеспечивает накачку ракеты нужными количествами энергии на нагрев рабочего тела до высоких температур.

Для этого, понятное дело, ракета снабжается достаточно крупным теплообменником, в который легко попасть с Земли и внутри которого и происходит нагрев рабочего тела.

Обычные температуры, которые легко обеспечить таким теплообменником, лежат в пределе от 1000-2000 °C и позволяют достичь на водородном рабочем теле удельного импульса в 600-800 секунд, что уже сравнимо со значениями прямоточного ЯРД и, как минимум, в полтора раза превосходит удельный импульс хорошего ЖРД (поскольку тут ракете уже совершенно лишним становится тянуть с собой на орбиту ещё и достаточно тяжёлый окислитель — кислород).

Другим вариантом лазерного вывода является отказ от теплообменника и непрямого нагрева рабочего тела, который так или иначе, но предъявляет массу конструктивных требований к ракете и всё равно ограничивает температуру рабочего тела цифрой не выше 2500 °C (теплообменник просто не выдержит большего — в силу ограничений по теплостойкости материалов), является плазменный нагрев рабочего тела для реактивной массы.

В этом случае, кроме теплообменника, который предварительно нагревает жидкий водород из бортовых баков до высоких температур, часть лазеров производят дополнительный перегрев водородного газа до состояния плазмы. Плазма, в отличии от нейтрального нагретого газа, является уже смесью ионов и электронов, в силу чего её можно поместить в магнитную ловушку и обеспечить её изоляцию от конструкций двигателя. Это позволяет ещё дополнительно к теплообменнику поднять температуру реактивной струи и добраться до удельного импульса в 1000 секунд.

И, наконец, наиболее высокий удельный импульс может обеспечить не просто последовательный нагрев рабочего тела в сложной системе, а прямое абляционное испарение рабочего тела с поверхности ракеты. В этом случае лучи наземных лазеров не нагревают рабочее тело внутри теплообменника — а просто испаряют его с задней поверхности ракеты:

Абляционный нагрев, в общем-то, позволяет получать ещё более высокие температуры реактивной струи, по сравнению с нагревом рабочего тела в теплообменнике или плазменным нагревом, и значительно упрощает конструкции, выводя общую систему на значения удельно импульса в пределе от 4000 до 5000 секунд.

Ну и, в общем-то, сама идея лазерной передачи энергии по направленному лучу позволяет «накачивать» энергией для реактивного движения практически любые системы.

Так, лазерный массив при желании может передать нужную порцию энергии и станции на околоземной орбите, которая сможет впоследствии с помощью ЭРД или ионных двигателей с высоким удельным импульсом и при минимальном расходе рабочего тела скорректировать свою орбиту, как принципиально может и обеспечивать зарядку аккумуляторных батарей мощных кораблей, которые впоследствии смогут лететь к Луне или даже к Марсу.
Всё определяется, в общем-то, исключительно расстояниями до объекта — и установленной на Земле мощностью лазерных установок.

Например, для случая вывода на околоземную орбиту, каждый килограмм полезной нагрузки потребует всего лишь мегаватта мощности лазера, который будет задействован на протяжении 10-15 минут активного участка вывода на орбиту.

При этом, за счёт высокого удельного импульса, вся система может быть одноступенчатой (концепция «одна ступень — на орбиту», SSTO) и многоразовой.

Пока, конечно, все идеи лазерного вывода ещё болтаются в «коротких штанишках» зарождающейся технологии, но первые «летающие лазерные чайники» на пульсирующих лазерах уже взлетают в проводимых опытах на высоту до 100 метров:

Второй идеей, которую я хочу разобрать в этой статье, является концепция так называемого «космического фонтана», который позволяет уйти от массы недостатков космического лифта (#мусорнаш, #спутникидолой, #экваторнашдом, #сукастроитьсверху).

Основное отличие космического фонтана от космического лифта — он не ставит перед собой задачи «дотянуться до геостационара», а просто создаёт своей конструкцией башню, которая проходит через плотные слои атмосферы и достигает нижней границы космоса.

Понятное дело, создать такую космическую башню в виде статической конструкции просто невозможно: её основание просто сколлапсирует от неимоверной тяжести верхних этажей.

Поэтому для космического фонтана была выбрана структура полой башни, которая поддерживается в рабочем, вертикальном положении с помощью создания внутри неё направленного потока мелких частиц (гранул), которыми она полностью заполнена и которые и поднимают полую конструкцию башни за пределы верхних слоёв атмосферы за счёт своего начального импульса.

Конструкция космического фонтана при этом получается высокотехнологичной и колоссальной копией надувных фигур с детских праздников и ярмарок, которых по английски называют sky dancers:

Понятное дело, позволить 100-километровой конструкции просто болтаться в космосе никто не позволит, в силу чего в целом структура космического фонтана выглядит вот таким образом:

Нижняя часть структуры представляет собой громадный ускоритель гранул (и, одновременно, полезной нагрузки, которая этими гранулами переносится). Вся работа по ускорению частиц проделывается именно тут, понятное дело, с помощью наиболее дешёвых и эффективных способов передачи электрической энергии в кинетическую.

Поток частиц из фонтана ускоряется до скорости в 14 км/с, что позволяет ему, даже с учётом всех гравитационных потерь и потерь на трение и управление (изменение направления потока) долететь до космической высоты, принеся туда полезную нагрузку и имея достаточный импульс, чтобы передать его верхней станции башни.

Нижняя часть фонтана вакуумируется, для того, чтобы в нижних слоях атмосферы гранулы и переносимая ими полезная нагрузка просто не сгорели от сопротивления воздуха.

Ну и, понятное дело, верхняя часть конструкции башни имеет дополнительные магнитные концентраторы, которые дополнительно направляют поток частиц, которые должны точно попадать на верхнюю станцию фонтана.

Что выгодно отличает космический фонтан от космического лифта?

Он не требует экзотических материалов, таких как углеродные нанотрубки или графен: задачу построения полой башни, поддерживаемой гранулами, можно решить и с помощью доступных нам материалов.

Космический фонтан может начат к постройке с поверхности Земли, а не путём сборки от геостационарной орбиты, как это требуется в случае с космическим лифтом.

Космический фонтан можно строить в любой точке Земли, а не только на экваторе. Ну и, в силу своей достаточно небольшой высоты, космический фонтан никак не мешает полётам спутников — и застрахован от попадания в него космического мусора.

Проблема космического фонтана, как и любой активной структуры, понятна — его поддержание в развёрнутом, активном состоянии требует достаточно большого, постоянного расхода подводимой к нему энергии.

Однако, в силу того, что падающие частицы сохраняют большую часть энергии, после того, как отразятся от верхнего дефлектора, они, падают вниз и, набрав скорость при падении, снова передают её потоку частиц.

Поскольку большинство столкновений понимается, как упругие — потребная для поддержания фонтана мощность может быть и не столь высока.

В общем, работы и прикидки по космическому фонтану идут и в этом направлении ситуацию копают.

Ну и наконец, последняя идея.

Пусковая петля или петля Лофстрома.

В отличие от космического фонтана, в стартовой петле происходит разгон громадного по длине (5600 километров) тонкого (около 5 см в диаметре) замкнутого ротора.

Начальный разгон ротора производится на Земле, на оконечных, кольцевых станциях, отстоящих друг от друга на расстояние около 2000 километров.

Понятное дело, как и в случае с космическим фонтаном, на таких скоростях движения всю трубу, в которой расположен ротор, приходится вакуумировать, чтобы избежать излишнего нагрева высокоскоростного ротора об окружающую атмосферу.

В состоянии покоя пусковая петля будет находиться на уровне земли. Затем ротор начнёт ускоряться линейным двигателем, который будет потреблять несколько сот мегаватт мощности. При нарастании скорости ротор будет искривляться и приобретать форму дуги. Оболочка вынудит его принять форму более крутой кривой, нежели обычная баллистическая кривая. В свою очередь, ротор будет передавать центробежную силу на оболочку, поддерживая её в поднятом над Землёй состоянии. В итоге пусковая петля примет нужную форму и получит ограничение по максимальной высоте ≈80 км за счёт крепления оболочки ротора к Земле с помощью стабилизирующих тросов. При использовании генератора мощностью около 300 МВт потребуется около двух месяцев для достижения полной скорости пусковой петли и сопровождающего увеличение скорости подъёма петли на высоту 80 километров. После полной раскрутки ротор будет совершать один оборот примерно за пять минут.

Запуск полезной нагрузки в этом случае производится в два этапа. На первом этапе выводимый груз поднимается на пусковую станцию петли, которая зафиксирована на оболочке ротора на высоте в 80 километров над уровнем моря, и размещают на разгонных рельсах, прикреплённых к горизонтальному участку оболочки.

Разгонный блок, прикреплённый к полезной нагрузке, создаёт магнитное поле, благодаря которому в быстро движущемся роторе возникают вихревые токи. Для этого ротор делается из ферромагнитного материала. Они-то и поднимают полезный груз над кабелем и толкают его вперёд с ускорением около 3g (30 м/с²). Полезный груз разгоняется ротором до тех пор, пока не достигнет необходимой орбитальной скорости, после чего он покидает разгонный участок.

Количество запусков с пусковой петли ограничивается только подводимой к ней мощностью и возможностью охлаждения ротора. Проблема в том, что при запуске за счёт вихревых токов ротор успевает значительно нагреться (согласно расчётов, каждый пуск будет нагревать ротор на 80 °C), в результе чего температура ротора может приблизиться к 770 °C , после чего материал ротора потеряет ферромагнитные свойства и дальнейшие пуски с данной петли станут невозможны.

Максимальный темп запусков пусковой петли составляет около 80 запусков за час, и ограничивается в конечном счёте только набранной температурой и временем на охлаждение ротора, но для этого потребуется постоянная мощность порядка 17 ГВт электрической энергии.

Более скромная мощность в 500 МВт будет достаточной для 35 пусков в сутки.

Что, в общем-то, позволит выводить всего лишь... около 100 000 тонн полезной нагрузки в год, в результате чего солнечную электростанцию среднего размера можно будет собирать на околоземной орбите где-то за календарный год.

Осталось лишь понять, как заставить человечество воспользоваться всеми преимуществами, которые сулят ему все эти системы массового вывода грузов в космос.

И какова может быть предложена разумная этапность проведения колонизации ближнего космоса, Луны, Марса, Солнечной системы — да и вообще всего видимого нами космоса.