Перейти к содержимому


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

Already Yet Космос

Сообщений в теме: 12

#1 Abalkin

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 5 461 сообщений

Отправлено 26 Апрель 2015 - 03:43

Изображение

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


alex_anpilogov(Already Yet)

16 апреля 2015


Изображение

Закончив в прошлой части(на ИФ здесь - прим. Abalkin) 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 пока 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 принципе: 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.

Изображение

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:

Изображение

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.

Изображение

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.

Изображение

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:

Изображение

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:

Изображение

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, приняся 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, где они отражаются от специального дефлектора вниз, с одной стороны — поддерживая его парение, а с другой стороны — замыкая кольцо космического фонтана для повторного загона гранул.

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 следующей части потока 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.

Изображение

В отличии 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 высокоскоростноо 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 выводит 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.

Источник
Делай что должен - и будь что будет!
ФРС должна быть разрушена!

#2 landak

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 1 710 сообщений
  • LocationРоссия, Московская область

Отправлено 26 Апрель 2015 - 06:29

Хорошая статья. И радует, что наши не стали отменять программу по созданию энергодвигательной установки мегаваттного класса.

#3 Boxer

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 2 993 сообщений
  • LocationМосковский мещанин

Отправлено 26 Апрель 2015 - 08:24

Алексей опять вернулся к написанию статей о науке. Замечательная новость! Снова зачитываюсь его умными текстами.
Мне моя брезгливость дорога
Мной руководящая давно
Даже чтобы плюнуть во врага
Я не набираю в рот говно.
Количество разума на земле, величина постоянная. А население растет...

#4 CYXOB

    Участник

  • Пользователи
  • PipPip
  • 638 сообщений

Отправлено 27 Апрель 2015 - 12:39

Шикарно!

#5 NeVasya

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 592 сообщений
  • LocationКемерово

Отправлено 27 Апрель 2015 - 01:12

Как хотите ,но мне все эти идеи кажутся эдаким научным анекдотом,смешно ,забавно ,но не реально . Только собственные двигатели , может ядерный распад и ядовитое пятно на десять лет ,может ещё что ,но смысла в таких вот статейных приблудах не больше чем в вавилонской башне . Скорее когда прижмут к ногтю гравитацию то и начнётся житуха . Опять таки защита от радиации при космических межпланетных полётах требует метровых броневых стен , давайте как раскачаем или выдуем несколько тысячитонную фиговину !?
Любовь к США измеряется мегатоннами

#6 pkdr

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 940 сообщений

Отправлено 27 Апрель 2015 - 09:54

Просмотр сообщенияNeVasya (27 Апрель 2015 - 01:12 ) писал:

Как хотите ,но мне все эти идеи кажутся эдаким научным анекдотом,смешно ,забавно ,но не реально . Только собственные двигатели , может ядерный распад и ядовитое пятно на десять лет ,может ещё что ,но смысла в таких вот статейных приблудах не больше чем в вавилонской башне . Скорее когда прижмут к ногтю гравитацию то и начнётся житуха . Опять таки защита от радиации при космических межпланетных полётах требует метровых броневых стен , давайте как раскачаем или выдуем несколько тысячитонную фиговину !?
Вообще-то эти проекты более-менее реализуемы на нынешнем технологическом уровне. А вот "прижатия к ногтю гравитации" можно и не дождаться, сейчас нет ни малейшего намёка на то, что это будет когда-либо возможно.
И с чего вы взяли, что нужны метровые бетонные стены? И металлические бронеплиты как раз совершенно не годятся, так как защищают очень недолго, а потом сами начинают светить вторичным излучением.

#7 olegb1969

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 3 376 сообщений
  • LocationMoskau

Отправлено 27 Апрель 2015 - 11:06

Я всегда задаюсь таким вопросом:
Возможно ли было создание пенициллина в 1898 году ? Скорее всего да. Почему не был создан ? А ведь на тот момент, это было бы вообще революционное решение.
Возможно действительно,есть какое-то ограничение свыше, на развитие технологии.
З.Ы. Ведь "Катюшу" слепить средствами начала 20 века легко, равно, как и миномет.
"Какой я на х.. интеллигент, я профессию имею" (С) Лев Гумилев
http://forum.fort-yust.ru

#8 pkdr

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 940 сообщений

Отправлено 28 Апрель 2015 - 09:09

Просмотр сообщенияolegb1969 (27 Апрель 2015 - 11:06 ) писал:

З.Ы. Ведь "Катюшу" слепить средствами начала 20 века легко, равно, как и миномет.
Как-нибудь слепить можно было, только вот выдержать качество изготовления и нужные материалы было бы очень сложно, плюс сделать снаряды нужных кондиций. И получилась бы одна "золотая" по цене "катюша".
А вот пустить в серию и массово производить боеприпасы... пришлось бы промышленность начала 20 века доводить до возможностей промышленности середины века.

#9 NeVasya

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 592 сообщений
  • LocationКемерово

Отправлено 29 Апрель 2015 - 08:06

Просмотр сообщенияpkdr (27 Апрель 2015 - 09:54 ) писал:

Вообще-то эти проекты более-менее реализуемы на нынешнем технологическом уровне. А вот "прижатия к ногтю гравитации" можно и не дождаться, сейчас нет ни малейшего намёка на то, что это будет когда-либо возможно.
И с чего вы взяли, что нужны метровые бетонные стены? И металлические бронеплиты как раз совершенно не годятся, так как защищают очень недолго, а потом сами начинают светить вторичным излучением.
Не, нереальзуемы ибо никто точно не сможет доставить конструкции на конечную высоту для "закидушки" :), а натаскивание займёт столько времени и сил что построив пора будет закрывать на капремонт нижние секции ,ладно допустим станут поднимать уже собранное и возможно даже поставят если конечно соберут ,но кто гарантирует что раскачка будет идеальной ? .Затем посчитав офигеют от стоимости кило груза , пересорятся и похерят проект
Про метровые броневые стены ,ну композитные,полимерные ,ну с изменённой кристаллической решёткой ,но в любом случае получится этакий сендвич -броня,композит , набивка чем нибудь (это моё имхо ) для поэтапной защиты от разных видов излучения плюс просто физической защиты от столкновений .
Энергетические щиты , антигравы это конечно практически фантастика хотя тут хз с этим пакостными научниками ничего наперёд знать нельзя вечно что то нахимичат .
Я голосую за стратосферные носители с последующим выводом челноком ,за энергию распада для подъёма сверхтяжёлых грузов и последующую сборку на орбите в роботизированных заводах . Вот это можно реализовать в этом веке точно

Сообщение отредактировал NeVasya: 29 Апрель 2015 - 08:08

Любовь к США измеряется мегатоннами

#10 pkdr

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 940 сообщений

Отправлено 29 Апрель 2015 - 07:34

Просмотр сообщенияNeVasya (29 Апрель 2015 - 08:06 ) писал:

Не, нереальзуемы ибо никто точно не сможет доставить конструкции на конечную высоту для "закидушки" Изображение, а натаскивание займёт столько времени и сил что построив пора будет закрывать на капремонт нижние секции ,ладно допустим станут поднимать уже собранное и возможно даже поставят если конечно соберут ,но кто гарантирует что раскачка будет идеальной ? .Затем посчитав офигеют от стоимости кило груза , пересорятся и похерят проект
Петля Лофстрома реализуема, фонтан тоже, правда невероятно сложно и дорого. Там вся соль в том, что на конечную высоту их поднимает инерция, а не несущие конструкции.

Просмотр сообщенияNeVasya (29 Апрель 2015 - 08:06 ) писал:

Я голосую за стратосферные носители с последующим выводом челноком ,за энергию распада для подъёма сверхтяжёлых грузов и последующую сборку на орбите в роботизированных заводах . Вот это можно реализовать в этом веке точно
Стратосферные носители при массовом использовании выйдут очень дорого, да и ископаемого топлива немеряно потребуют.

#11 NeVasya

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 592 сообщений
  • LocationКемерово

Отправлено 30 Апрель 2015 - 07:37

Я как думаю- фонтан он выглядит реализуемым ,Но ! Только в конечном виде ,само строительство невозможно , вот эти надувные штуки потребляют несообразно много энергии для поддержания формы , гораздо больше чем сотворение каркаса , а стенки негодны ни на что кроме нанесения рисунка .
Опять таки ладно ,поставили , начали наполнять ,но вот на сто километров разгонять частицы ? Разогнали , нагрузили платформу , подул ветер , сместилась труба от вращения , или ещё что то -облако зацепилось морковное и кольцо с разложенным строго центрированным грузом начнёт сгибать фонтан , возникнут колебания которые за сто километровую дистанцию превратится в такой хлыст ,а тут ещё внутрь гранулы устраивают трение что либо щёлкнет так что верх рассыпется либо разорвёт в клочья
Любовь к США измеряется мегатоннами

#12 NeVasya

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 592 сообщений
  • LocationКемерово

Отправлено 30 Апрель 2015 - 07:42

Новые источники энергии тчк ! Механические приблуды тупиковый вид эволюции
Любовь к США измеряется мегатоннами

#13 pkdr

    Активный участник

  • Пользователи
  • PipPipPipPipPip
  • 4 940 сообщений

Отправлено 30 Апрель 2015 - 07:44

Просмотр сообщенияNeVasya (30 Апрель 2015 - 07:42 ) писал:

Новые источники энергии тчк ! Механические приблуды тупиковый вид эволюции
Найдите новый источник, тогда и будут проекты с ними. Ну а пока его нет и не предвидится, приходится обходиться тем, что сейчас есть под рукой.





Количество пользователей, читающих эту тему: 1

0 пользователей, 1 гостей, 0 анонимных