А зачем вообще что-то сжимать, ещё тратить энергию. Просто набросаем перед самолётом цепочку маленьких топливных капсул, содержащих сразу всё необходимое… Тогда удельный импульс станет равен бесконечности, и при отсутствии воздуха это тоже будет работать, даже ещё лучше. Правда, это уже не самолёт…
Здесь могут быть разные варианты, с подвижным и неподвижным топливом, в виде отдельных капсул, снарядов, или непрерывного шнура или стержня, для разных скоростей – от 3-4 км/с до 20 и более. Всё это называется просто: "искусственные внешние ресурсы".
4.3 В основном варианте, берём ракету с соплом специальной конструкции (это уже не совсем сопло, а скорее похоже на длинную цилиндрическую еловую шишку, состоящую из пакета соосных кольцевых пластинок в виде сферических или параболических сегментов, через боковые промежутки между которыми проходит газ). Собственно, это и не ракета, а одно только сопло и есть, но довольно длинное и странное, 2-3 метра длиной при внешнем диаметре 20 см. Зазор между пластинками 1-1,5 см, в длину их помещается примерно сотня. (Можно сказать и так, что взяли сотню обычных ракетных сопел, вырезали из них середину так, что осталось только внешнее кольцо, с внутренним диаметром 10 см и внешним 20 см, и сложили их в стопку с некоторым зазором между ними).
В центре вдоль оси проходит отверстие в половину диаметра "шишки", через которое свободно входит топливный шнур диаметром 1-2 см. Это может быть просто детонационный шнур из обычного взрывчатого вещества, армированный полимерными волокнами, или композиция из замороженных криогенных компонентов в теплоизолирующей оболочке, или, в более сложном варианте, конструкция из металлических кольцевых сегментов, между которыми находится топливо или даже водородный порох.
В простейшем варианте шнур или стержень длиной 2-3 км можно подвесить вертикально к аэростату, поднимающемуся на высоту 15-20 км, а к нижнему концу шнура прицепить ракету. Если хочется запустить ракету горизонтально или под углом к горизонту, это сложнее, но тоже можно сделать. Проблему поддержания в воздухе, выравнивания и стабилизации топливного шнура до и во время разгона можно решить разными способами.
При горизонтальном или наклонном размещении шнура вдоль прямой или криволинейной траектории может потребоваться довольно сложная система подвески и выравнивания, в том числе с использованием локальных аэродинамических сил при движении относительно воздуха, и несколько сотен небольших дронов с совместным интеллектуальным управлением, но это решаемо, как и проблема выравнивания полёта ракеты вдоль шнура с отклонением от оси менее 1 см и временем реакции на отклонение 1-2 миллисекунды.
При горении топливной смеси, газы вначале распространяются радиально относительно неподвижного шнура, расширяются в 10-20 раз, и приобретают скорость 3-4 км/с. Потом газ достигает внутреннего края кольцевых пластинок, и входит между ними, под углом, который зависит от текущей скорости ракеты; при скорости 4 км/с угол входа будет равен 45
.
Ширина зазора между кольцевыми пластинками с криволинейным профилем уменьшается от центра к периферии, так как уменьшается угол наклона к оси; но, с учётом того, что длина окружности увеличивается, площадь сечения для прохода газа должна быть примерно постоянной, или с небольшим дополнительным расширением, так что скорость газа практически не меняется, но вектор скорости газа отклоняется назад под более острым углом, 15-20
, что и создаёт тягу. При этом КПД преобразования кинетической энергии газа в кинетическую энергию ракеты достаточно высокий, 70-80%, и почти не зависит от скорости в диапазоне 0,5 – 2,5V
, где V
– скорость радиального течения газа относительно неподвижного шнура. (При скорости более 1,5V
КПД такой системы становится больше, чем у обычной ракеты).
Максимальная скорость, которой можно достичь таким способом, ограничена не динамическими факторами, а температурой на отклоняющих пластинках, которая после 1,2V
начинает быстро расти, как квадрат скорости газа относительно ракеты. Для снижения этой температуры лучше использовать криогенное кислородно-водородное топливо с большим избытком водорода, что позволит достичь скорости 8-10 км/с, либо чистый горячий водород, тогда можно разогнать ракету до 20 км/с.
При использовании криогенной топливной смеси, дающей радиальную скорость течения газа 4 км/с, для разгона ракеты весом 100 кг до 8 км/с понадобится 600 кг топливной смеси; то есть ракете будет передано до 70% кинетической энергии газа, или 45-50% всей энергии горения топлива. Обычной ракете для этого нужно на 6% топлива больше…
Но, к сожалению, разработка это не простая, и не дешёвая.
Здесь есть ряд действительно сложных технических проблем.
Во-первых, температура газа при обтекании направляющих пластинок сопла со скоростью 8 км/с может оказаться слишком высокой, даже при использовании смеси, содержащей 20-30% водорода по массе. Есть способы понизить эффективную температуру поверхности пластинок, например, периодическое импульсное охлаждение более холодным разреженным газом (водородом); внутреннее охлаждение за счёт внутреннего или внешнего поступления теплоносителя, испарение и газовая рубашка… но в итоге именно тепловой фактор ограничивает максимальную скорость.
Во-вторых, необходим поворот пластинок при изменении скорости ракеты и начального угла вхождения газа между пластинками. Понятно, что их надо поворачивать в зависимости от относительной скорости ракеты и газа. При радиальном течении газа относительно неподвижного шнура, и изменении скорости ракеты от 0 до 8 км/с, угол течения газа относительно оси ракеты изменится от 90
до 30
, то есть пластинки (разделённые на 10-20 отдельных секторов) надо будет за время разгона наклонить на 60
.
Это можно сделать несколькими способами; проблема несколько упрощается тем, что их надо повернуть все на один и тот же, заранее известный угол, и только 1 раз (или несколько раз с дискретным шагом).
Есть альтернативный способ: можно сам газ направлять не радиально, а под различным углом к оси топливного шнура, который может состоять из металлических сегментов и иметь сопла для выхода газа. В таком варианте есть свои плюсы и минусы; проще задать нужный угол течения газа; больше коэффициент расширения газа, а значит его скорость и КПД; если газ направить вперёд под углом 60-50 градусов к оси, то есть придать ему продольную составляющую скорости 0,5-0,6V
, то снизится скорость встречи газа с пластинками и температура, и можно будет на столько же увеличить максимальную скорость ракеты. Но, с другой стороны, при такой сложной конструкции топливного шнура увеличится его масса, а также появится большая продольная отдача при выходе газа. (Ещё более увеличится масса топливного шнура при использовании водородного пороха, так что его имеет смысл применять только когда достигнут предел скорости для обычного кислородно-водородного топлива).
Более мелкие проблемы:
– Как вообще прикрепить к этому полезный груз (возможно, более эффективной с этой точки зрения будет схема с несколькими параллельными топливными шнурами и двигателями, между которыми располагается большой грузовой контейнер, как у обычного многомоторного самолёта).
– Относительно большой вес двигателя, (что можно решить, прицепив грузовой контейнер побольше, но сделав топливный шнур подлиннее; в принципе, при горизонтальном расположении, он может быть вообще сколь угодно длинным, что также позволит уменьшить ускорение, вплоть до пригодных величин для пилотируемого запуска, при длине шнура 600 км……)
– Большая стоимость двигателя из дорогостоящих материалов, что намекает на возможность его возврата и многоразового использования;
– Топливный шнур, особенно с металлическими элементами, тоже надо сделать многоразовым, с регенерацией компонентов топлива на земле или дозаправкой прямо в воздухе;
– Подъём всего этого в стратосферу, доставка топлива (при многократных запусках с помощью стационарной многоразовой системы), и охлаждение, если топливо криогенное;
– Управление тягой и стабилизация аппарата в полёте (что решается довольно тривиально при нескольких параллельных двигателях и активном управлении поджиганием топлива с разных сторон шнура);
– И ещё какие-то мелочи, в целом на 100-200 человеколет работы.
Но это может снизить стоимость космических запусков до цены топлива, умноженной на 6.
Для демонстрации принципиальной возможности такого двигателя можно построить лабораторную установку на сжатом воздухе, которая при скорости газа 400-500 м/с будет разгонять снаряд весом 0,1г до 2-3 км/с; я думаю, это может выглядеть либо как прямая трубка с дырочками длиной в десять метров, либо как метровый обруч из трубки с дырочками на внутренней стороне, по которой скользит лёгкая пластиковая пластинка.
…К сожалению, я уже превысил имевшийся лимит времени, поэтому про лунный парашют и лунный самолёт, графеновую паутину НАСА для торможения спутников в мирных целях, термоядерный двигатель без топлива и другие полезные вещи поговорим в следующих главах…
Глава II. Околоземное пространство и Луна
5. В начале скажу про иностранную разработку, которая меня пугает:
Графеновая "паутина" для торможения низколетящих спутников.
Идея не моя, но очень опасная: НАСА разрабатывает уже несколько лет, а японцы, по-видимому, начали разработку технологии лет 30 назад, но очень удачно прикрыли реальную цель разговорами про "орбитальный лифт". На самом деле, вытянуть "на ниточке" что-либо из земной атмосферы в космос очень трудно, а вот затормозить на пару сотен метров в секунду и стянуть вниз – вполне реально.
Достаточно прицепить к спутнику на низкой орбите длинную тонкую ленточку или пучок нитей, толщиной в 1 нм, при длине в десятки-сотни километров, и общим весом в один грамм, чтобы эффективная площадь взаимодействия с молекулами газа возросла до сотен м2, что приведёт к уменьшению срока жизни спутника на орбите в сотни раз. (Помимо этого, может также генерироваться и значительный электрический потенциал).
Несколько тонн такой гадости на круговой орбите высотой до 300 км может за пару недель уничтожить всю ближайшую к Земле спутниковую группировку. Облако такой "паутины" будет довольно быстро дрейфовать на более низкие орбиты, по пути налипая на всё что движется. Эффективность почти как у космического ядерного взрыва, но безопасно для людей, экологически чисто, можно применить локально и настроить таймер для чистой самоликвидации (время испарения в вакууме).
При большой концентрации что-то подобное может применяться и в верхних слоях атмосферы для перехвата самолётов, гиперзвуковых и даже баллистических ракет на взлётном участке траектории. Правда, чем меньше высота и больше плотность воздуха, тем более толстые, либо более короткие нити придётся использовать, в намного большем количестве по массе, и на высотах меньше 40-50 километров эффективность применения сомнительна. Но отклонить траекторию ракеты на высотах 70-100 км можно.
Перехватить так боеголовку МБР на участке снижения всё-таки почти невозможно, в основном благодаря горячей ударной волне перед ней.
Но при скоростях менее 5 км/с и высотах 70-100 км, в особенности на взлётном участке траектории, любые ракеты и аппараты уязвимы для такого перехвата. Для этого потребуется всего от 1 до 10 кг нитей или сетки на кубический километр воздуха, при толщине нитей 10 мкм (для высоты 70 км при прочности материала 10 ГПа). Имея всего 10 тонн такой сетки, можно "закрыть небо" от гиперзвуковых аппаратов и ракет малой дальности над отдельным городом или авианосной группой, или по крайней мере неприемлемо снизить точность наведения; а несколько тысяч тонн позволят сделать небо "липким", или даже "твёрдым", над целым регионом, либо можно создать локальный вертикальный или горизонтальный барьер, при прохождении которого любой аппарат цепляет на себя несколько килограммов нитей длиной до 1 км, которые могут создать силу торможения в несколько тонн. При этом время нахождения таких нитей в стратосфере может измеряться многими сутками, или даже быть бесконечным.
Разрушить такую преграду можно, и даже не трудно, но для этого надо заранее принять соответствующие конструктивные меры. (например, "тупые" боеголовки в этом отношении лучше конических, так как создают более горячую ударную волну). Обнаружить наличие такой преграды дистанционно тоже можно, но это тоже надо предусматривать заранее. В крайнем случае, стратосферный ядерный взрыв может локально решить эту проблему.
Дальше идеи мирные, и где-то полезные, хотя и не все оригинальные:
6. Орбитальная заправочная станция для приёма топлива с Земли (в капсулах или в замороженном виде). Идея конечно не моя, ей лет 150 или больше. Здесь только анализ возможных вариантов.
В первом приближении, всё выглядит крайне просто: над Землёй (желательно вдоль экватора) на высоте 180-200 км летит одна или несколько орбитальных станций; на поверхности земли (или в стратосфере, мы уже знаем как это сделать) расположена одна, или целая цепочка, катапульт, которые "подбрасывают" вверх топливные брикеты или капсулы, а орбитальная станция их ловит.
Есть разные варианты, прежде всего, по скорости запуска топливных капсул. Проще всего подбрасывать их просто вверх со скоростью 2 км/с, так чтобы в точке рандеву они имели нулевую скорость относительно Земли; но тогда скорость встречи со станцией будет большой, более 7 км/с, и потребуются, во-первых, сложные устройства для приёмки; и, во-вторых, что более существенно, большой избыточный импульс, передаваемый станции, придётся компенсировать, затрачивая на это топливо, имеющееся на борту; причём, топлива надо затратить хотя бы вдвое меньше, чем получено, а значит, удельный импульс двигателя на борту станции должен быть не менее 15 км/с, что потребует ионного двигателя с большой тягой и мощными источниками энергии, или большими солнечными батареями.
Более привлекателен вариант катапультирования топлива с Земли сразу с I космической скоростью, так чтобы скорость встречи со станцией составляла сотни метров в секунду. Тогда упрощается конструкция приёмного устройства на борту, и передаваемый импульс можно компенсировать, сжигая небольшую часть полученного топлива в обычном ракетном двигателе. Но в этом случае усложняется конструкция и увеличивается вес наземных устройств.
Компромиссный вариант может предполагать запуск груза с промежуточной скоростью, 5-6 км/с, и приём на борт со скоростью 2-3 км/с. В этом случае на компенсацию недостающего импульса затрачивается примерно половина получаемого с Земли топлива.
Основным фактором для выбора варианта доставки является устройство для приёма топлива на борт и его возможности. При скорости сближения от 100-200 до 1500-2000 м/с можно использовать механические ловушки вроде сачка из тонкой сетки, большим плюсом которых является не только простота конструкции, но и очень большая (почти неограниченная) площадь приёмного отверстия, которое может быть действительно большим (десятки-сотни метров в диаметре, почти без увеличения массы).
Для такого варианта потребуются катапульты или пушки с большой начальной скоростью снаряда, до 7-8 км/с, но зато требования к точности очень небольшие, достаточно попадать с дистанции 500-1000 км примерно в футбольное поле.
Варианты с меньшей начальной скоростью снаряда (и соответственно большей скоростью приёмки на борт) кажутся проще, но это не так. При скорости встречи более 2 км/с уже не удастся использовать большой сачок, и придётся применять какой-то вариант активной "обратной катапульты" – газовые поршневые устройства типа пушки, или "магнитные пружины", утилизирующие кинетическую энергию снаряда. Эти устройства не только имеют большую массу, но и очень требовательны к точности попадания и входа в них снаряда, вплоть до десятков сантиметров. Это можно сделать; но всё же намного проще такие же по массе устройства разместить на Земле или в стратосфере, и запускать топливные капсулы сразу со скоростью 7-8 км/с, а ловить большим сачком. Это снимает проблему точности попадания, снимает проблему компенсации импульса, и делает бортовые устройства простыми по конструкции и лёгкими.
Для высоких орбит, или тем более для отправки топливных капсул на очень большие расстояния, через межпланетное пространство, всё же потребуются устройства и способы корректировки траектории снарядов с очень большой точностью, в том числе в промежуточных точках. Это можно будет сделать, с неограниченной точностью, до сантиметров, и на любое расстояние, до сотен миллионов километров; но для низкой околоземной орбиты такие сложные способы доставки пока не требуются.
Можно создать устройства для приёма на борт топливных капсул и грузов при скорости в десятки км/с, либо непосредственно использовать топливные заряды в двигателе; есть разные варианты, как это сделать, но мы поговорим об этом позже, в главе про термо-, газо- и магнитно-кинетические двигатели с внешним топливом.
Если в ближайшем будущем будут созданы лёгкие и эффективные высокоскоростные электромагнитные или газовые пушки с массой снарядов порядка граммов и начальной скоростью более 20 км/с, то в околоземном пространстве можно будет развернуть систему лазерной корректировки траекторий микро снарядов, позволяющую попасть в <
> сопло ракеты или приёмное устройство на расстоянии в миллионы километров. В принципе, это частично снимет проблему освоения ближайших планет.
7. Моя, вполне оригинальная идея; во всяком случае, за 20 лет я нигде не нашёл упоминаний. Хотя, вероятно, китайцы по тихому разрабатывают, потому что через 5-10 лет это станет необходимостью:
"Лунный парашют": разные варианты систем бестопливной посадки на Луну и безатмосферные планеты. В зависимости от скорости, возможны варианты на тросах и ленточках, пыли, газовых и электромагнитных устройствах, практически на любой бюджет, скорость и грузопоток.
Для Луны, это вполне актуально, и вполне доступно для реализации при существующем уровне техники.
При посадке на Луну ракета имеет начальную скорость 2500 м/с, и при торможении двигателем затрачивает 50% своей массы, причём эта масса стоит весьма дорого. Для регулярной доставки грузов система безракетной посадки окупится достаточно быстро.
Для других безатмосферных тел Солнечной системы – комет, астероидов, Меркурия и спутников планет – это тоже возможно, но сложнее из-за большей скорости. При этом, помимо торможения с целью посадки, можно использовать местные ресурсы небесных тел для маневрирования с целью изменения траектории движения, и даже для разгона.
7.0 Самый дешевый вариант: пылевой "лунный парашют" на местном грунте.
Принцип крайне простой: создать на небольшой высоте над поверхностью плотное протяжённое облако пыли, при вхождении в которое со скоростью до 2-3 км/с аппарат сможет тормозить либо прямо корпусом, либо с помощью специального устройства, подобного парашюту.
Если траектория ракеты будет направлена по касательной к ровному протяжённому участку поверхности или склону, то путь торможения может иметь длину в десятки километров, и при этом проходить на высоте в десятки метров над поверхностью, что позволит практически без затрат в нужный момент поднять на эту высоту большую массу пыли или грунта.
Недостатком такого способа является низкая эффективность передачи импульса по отношению к массе используемого рабочего тела (пыли), поскольку после столкновения с корпусом пылинки останавливаются, и по мере торможения удельный импульс рабочего тела будет снижаться.
Такой способ торможения будет эффективным только в ограниченном диапазоне скоростей, примерно от 0,2 до 2 км/с, так как при малой скорости рабочее тело даёт очень малый удельный импульс; а при очень большой будет быстро нагреваться и разрушаться рабочая поверхность.
"Поднимать пыль" в нужный момент можно разными способами. Технически проще всего заранее установить на поверхности ряд небольших автономных устройств, типа маленького экскаватора, который будет заблаговременно заготавливать необходимое количество пыли, и в момент пролёта ракеты над ним подбросит её вверх на высоту 10-100 метров с помощью механического устройства типа ленточного транспортёра или газового метательного устройства. В общем, лунный аналог земснаряда. Производительность таких устройств может быть достаточно большой, так что масса используемой пыли может в десятки-сотни раз превышать массу самих устройств на поверхности, и такая система может быть достаточно лёгкой и дешёвой, чтобы окупиться уже за 1 посадку.
Минусом такой системы является, во-первых, необходимость предварительной доставки оборудования на поверхность, но по массе стационарных устройств этот вариант один из самых экономичных; масса оборудования на поверхности может быть в несколько раз меньше массы груза, принимаемого за 1 раз, а рабочее тело (пыль) имеется в неограниченном количестве, и может использоваться многократно.
Также необходимо наличие дополнительных элементов конструкции на самой ракете (собственно парашюта), но его масса будет на порядок меньше, чем масса топлива для ракетной посадки.
И, самый большой недостаток – это невозможность таким способом снизить скорость до 0, так что на последних 200-300 м/с этот способ всё же придётся комбинировать с другими – ракетным торможением (но это потребует в 10 раз меньше топлива), либо с механическими (тросовыми) системами финиширования.
В целом, это дёшево и эффективно. Коммерческая прибыль может равняться половине стоимости всех доставляемых на Луну грузов.
7.1 Модификация варианта с пылью, но без каких-либо устройств на поверхности: почему бы ракете самой не поднимать пыль впереди себя, с помощью бортовых устройств.
Для Луны это не очень актуально, так как в данном случае проще 1 раз установить стационарную систему; но при разовой посадке на какой-нибудь далёкий астероид или комету, неплохо было бы обойтись без предварительной доставки грузов на поверхность.
Это можно сделать разными способами, в зависимости от имеющихся бортовых энергетических ресурсов, внешних ресурсов, и скорости.
Самый простой и универсальный, но энергетически затратный способ – испарять кометный грунт с помощью лазера или другого энергетического воздействия, и тормозить в получившемся облаке пыли и газа. Энергии надо много, но по удельному импульсу будет всё же лучше ракетного двигателя.
Возможна интересная модификация, когда при движении в уже существующем разреженном облаке естественной или искусственной пыли (кометном хвосте, например), с помощью дистанционного энергетического или силового воздействия пылинки не испаряются, а собираются в нужное место, чтобы повысить их концентрацию.
Также возможна модификация, когда вместо энергетического луча используются микро снаряды, выстреливаемые с борта ракеты вперёд, которые при взрыве испаряют или поднимают грунт с поверхности.
Возможен также вариант, когда предварительное энергетическое воздействие оказывает не сам аппарат, который надо затормозить, а летящий на некотором расстоянии впереди него "лидер". В частности, это может быть отдельный модуль, привязанный к большой ракете тросом. Либо наоборот, ракета летит впереди, а парашют на длинном тросе позади неё.
