Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса

При мощности каждого двигателя в 2-3 кВт, грузоподъёмности одного (четырёхвинтового) дрона в 10 кг, и массе всей системы 500 кг, её стоимость составит порядка 100 тысяч долларов, а расход энергии в полёте 1 МВт, то есть 100 долларов в час, при ресурсе в сотни часов. Вполне доступные расценки для туристов и астрономов, дешевле и мобильнее аэростата.

Кроме того, такую систему можно использовать в высотном и горном строительстве, в качестве транспорта на небольшое расстояние и для быстрой доставки лёгких грузов в горах или труднодоступной местности.

А ещё можно поднимать в стратосферу ракеты сверхлёгкого класса…

Использовать для рекламы, лазерной связи… и для других мирных целей.

2. Лёгкая стационарная высотная (стратосферная) платформа.

Ничего критически сложного, просто лёгкая рама с несколькими (десятками) небольших воздушных винтов, получающих энергию по обычному проводу с земли, и способная поднимать 1-2 тонны груза на высоту от 5 до 20-25 км (в зависимости от целей и конструкции). По сути, обычный промышленный дрон, только с очень длинным проводом.

При высоте подъёма более 20 км, рама и винты должны быть довольно большими и лёгкими, так что возможно потребуются некоторые нетрадиционные решения, вроде газонаполненных конструкций и активных тросовых систем. Проблемой также может быть охлаждение двигателей в разреженном воздухе.

Есть некоторые нюансы, связанные с тем, как поддерживать в воздухе провод и всем этим управлять, но стоимость разработки не более нескольких сотен тысяч долларов. Может эффективно заменить авиацию и аэростаты для ряда применений, а для некоторых задач даже спутники, при цене подъёма груза в тысячи раз меньшей.

По сути, это уже почти маленький орбитальный лифт… Туристы, астрономы и астрофизики будут счастливы.

3. Тяжёлая стационарная стратосферная платформа (грузоподъёмность более 1000 тонн).

…Всем дроны хороши, кроме грузоподъёмности, особенно в очень разреженном воздухе. Десятки тонн – это рациональный предел для системы с воздушными винтами, после которого надо использовать другие принципы удержания груза над земной поверхностью. Для доставки груза по частям можно использовать "дроновый лифт", но постоянно удерживать груз более нескольких тонн они не смогут. Для некоторых применений – например, размещения большого телескопа или орбитальной катапульты, надо что-то большее. Кроме того, предельная высота подъёма винтового дрона ограничена плотностью воздуха, как и для аэростата.

Очевидным решением является использовать опору на земную поверхность, то есть ту или иную разновидность башни.

Поначалу, лет 20 назад, я рассматривал, со всех сторон, концепцию жёсткой газонаполненной башни большого диаметра, аналог которой в 2012 запатентовало военное министерство Канады; но, как оказалось, концепция эта не лучшая и не самая рациональная для высот 5-50 км.

Слабое место такой башни – горизонтальная ветровая нагрузка. Чтобы противостоять ветровой нагрузке, надо увеличить диаметр башни. Тогда увеличится ветровая нагрузка… В конце концов, такую конструкцию всё же можно сделать достаточно толстой и прочной, но тогда она должна будет иметь огромную толщину (сотни метров) и стоимость, при титанической грузоподъёмности в миллионы тонн, которую невозможно рационально использовать, и боковой ветровой нагрузке в сто тысяч тонн.

Позже я пришёл к выводу, что наилучшим вариантом будет, наоборот, очень тонкая (диаметром десятки сантиметров) мачта, в виде толстостенной трубы из максимально прочного и плотного материала (например из стали). При продольной нагрузке близко к пределу прочности материала, такая труба будет терять устойчивость уже на отрезках длиной в несколько метров, с эффективным временем развития неустойчивости порядка миллисекунд. На первый взгляд, это очень плохо и безнадёжно; но если зарождающиеся неустойчивости отслеживать при отклонениях до 1 мкм, и динамически подавлять за время менее 1 мс, то такая система жизнеспособна, и ничто не мешает довести её высоту до предела прочности материала, что для стали составляет около 20 км, а для композитных материалов 100 км и более.

Отслеживать отклонения от оси в 1 мкм можно несколькими способами, самый эффективный из которых оптический; компенсировать короткие и быстрые неустойчивости высоких порядков – инерционными или газодинамическими устройствами; более длинные и долгопериодические – горизонтальными воздушными винтами и системой тросов с динамической регулировкой усилий, как и ветровую нагрузку.

Такая система будет потреблять довольно много энергии, и неминуемо разрушится при отключении подачи энергии или системы контроля на несколько миллисекунд, как атомный реактор. Тем не менее, это реально сделать, хотя стоимость разработки может быть на уровне десятков-сотен миллионов долларов. Но такая мачта будет во много раз дешевле, чем огромная и толстая газонаполненная, при грузоподъёмности в десятки тысяч тонн и достижимой высоте в десятки километров. Выше 40-50 км, где ветровая нагрузка снижается, можно использовать более простую газонаполненную конструкцию с пассивной жёсткостью.

0. Идея немножко вбок, и возможно практически бесполезная, но зато простая и дешёвая: "стратосферный спутник бедняка".

На высоте 67 км, атмосфера Земли состоит на 70% по объёму из азота, на 10% из кислорода, и на 20% …из водорода. То есть, при общем давлении в 10 Па, 7 Па приходится на N2, 1 Па на O2, и 2 Па на H2.

Эта смесь не горит из-за очень низкого давления: при термическом возбуждении колебательных уровней молекул, они будут оптически высвечивать всю тепловую энергию газа до того, как произойдёт реакция. (Хотя, возможно, что очень мощным взрывом в стратосфере всё же можно создать кольцевую ударную волну, которая далее будет распространяться и усиливаться в такой среде. Тогда жители Земли смогут в течении нескольких часов наблюдать интересное, и довольно опасное явление; запас водорода в атмосфере составляет десятки миллиардов тонн, и его выгорание может на несколько часов превысить баланс поступления солнечной энергии).

Другой способ сжигать такую смесь – внести в неё катализатор (активные молекулы или пылинки, на которых будет осуществляться встреча молекул водорода с кислородом). В принципе, можно себе представить облако каталитической пыли в стратосфере, которое будет ярко светиться и обогревать и освещать северные города. На эту пыль, к тому же, будут действовать газодинамические силы из-за разности температур и концентрационных потоков молекул, позволяющие, в принципе, даже управлять её движением… Но мы рассмотрим самый простой вариант.

Возможно (хотя я не утверждаю наверняка), что, если поместить поперёк потока такого газа пористую проволоку или тонкую трубку, диаметром 1 мм, из каталитически активного материала (никеля или других металлов), то за счёт реакций на поверхности и в порах эта проволока будет нагреваться примерно до 1000К. При скорости потока газа 200 м/с, тепловая мощность такой системы может достичь 20-30 кВт/м2.

Если переднюю по потоку газа поверхность такой проволоки теплоизолировать, и сделать в 2-3 раза холоднее задней поверхности, то на горячую проволоку, обтекаемую разреженным газом (с длиной свободного пробега молекул примерно 1 см), будет действовать нескомпенсированная сила динамического давления до 5 Па; это, в принципе, можно использовать для создания тяги, достаточной для полёта дозвукового аппарата массой в несколько килограммов.

При этом, такой аппарат будет иметь бесконечный запас топлива, при тепловой мощности двигателя в десятки киловатт, и может летать до тех пор, пока не выгорит катализатор. Функционально, это спутник; хотя летит низенько и медленно, зато практически даром, и в отличие от ИСЗ может произвольно маневрировать. В принципе, можно сделать и гиперзвуковой вариант с тепловым прямоточным двигателем, но это сложнее и дороже.

Для военных целей, эта разработка не столько опасная для противника, сколько раздражающая: стоит дёшево, а сбить нечем.

4. Безракетная система доставки грузов на околоземную орбиту.

Почему, собственно, мне не нравятся ракеты: они мне нравятся, любые – кроме больших ракет на жидком топливе.

При старте с поверхности Земли, ракета должна быть достаточно большой, и по возможности тяжёлой, чтобы сократить расходы на аэродинамическое сопротивление атмосферы. Это, а также крупные габариты грузов, в особенности для пилотируемых запусков, диктует эффективный размер ракет – около ста тонн для керосиновых, и тысяча тонн для водородного топлива.

Но, чтобы поднять большую ракету, нужны большие двигатели, и что более важно, высокое начальное давление в камерах сгорания, 300-500 атмосфер. Твердотопливные, гибридные и жидкостные ракеты с вытеснительной системой подачи топлива не могут обеспечить начальное давление газов более 100-200 атмосфер, и при стартовой массе более 100 тонн единственным вариантом остаются жидкостные ракеты с насосной подачей топлива под высоким давлением.

Формально, они являются самыми эффективными по удельному импульсу; но всё портит большой и дорогостоящий агрегат – топливный насос, который к тому же наиболее часто является причиной отказов, и делает этот тип ракет самыми дорогими в разработке, и экономически неэффективными при эксплуатации. Сухим весом они стоят как золото.

Кроме того, жидкое топливо в больших тонкостенных баках делает для этих ракет невозможными такие полезные вещи, как миномётный или пушечный старт, что вполне возможно для твердотопливных ракет, и позволяет экономить десятки процентов стартовой массы.

Но, не все грузы, которые надо доставлять на орбиту, большие; для межпланетных полётов основным грузом будет топливо, а для орбитальных станций кислород и вода, и всё это можно расфасовать по 1 килограмму.

Такие грузы дешевле было бы доставлять маленькими твердотопливными ракетами с высотным аэростатным запуском. При этом, удельный импульс криогенного твёрдого топлива может быть на уровне жидкого топлива с такими же компонентами. Несколько лет назад я считал, что именно такая схема – лёгкие дешёвые ракеты с высотным запуском – будет самой эффективной по цене доставки килограмма груза на орбиту.

Но сейчас, как мне кажется, я могу предложить что-то лучшее.

4.1 Почему не пушка.

Если бы не атмосфера, то самый экономичный способ запуска снаряда с поверхности земли – это пушка или катапульта, разгоняющая снаряд, желательно, сразу до первой или даже второй космической скорости.

Это, в принципе, возможно даже с использованием обычной взрывчатки, или тем более криогенной топливной смеси со скоростью истечения газов 4-5 км/с. (Ещё в конце 19 века многокаморная пушка на чёрном порохе разогнала снаряд до 2200 м/с). Если же использовать горячий водород, то можно получить и много большую скорость, примерно в 2,5 раза превышающую максимальную скорость истечения газа.

Проекты таких пушек есть, и при правильном проектировании стоимость такой системы будет не слишком высокой, с учётом окупаемости.

Но, это почти бесполезно из-за большого сопротивления воздуха и тепловых нагрузок при старте. Чтобы преодолеть атмосферу на скорости 6-8 км/с, снаряд должен быть тяжёлым, иметь специальную форму и теплозащиту, и для полезного груза в нём почти не останется места. Применение таких систем возможно, но ограничено узким кругом задач, в том числе из-за большого ускорения при старте.

Тем не менее, для доставки топлива на орбитальную заправочную станцию такая система подошла бы, если бы можно было поднять её повыше – хотя бы на высоту 15-20 километров. Но тут проявляется главный недостаток таких систем, который не заметен, пока пушка находится на земле (а чаще, под землёй): большой вес такой системы, который в 1000 и более раз превышает вес снаряда.

Аэростат или другой воздушный аппарат может поднять максимум несколько тонн; но при такой массе пушки, снаряд будет весить всего сотни граммов. В принципе это тоже можно использовать, например для доставки топлива на орбитальную заправочную станцию. Но возникает мысль – а нельзя ли как-то вообще убрать пушку, и оставить только снаряд и порох.

4.2 Ракета без топлива

Собственно, нет ничего необычного в том, чтобы использовать внешние ресурсы для движения. Например, воздушно-реактивный двигатель получает из внешней среды окислитель и 97% рабочего тела; парусный корабль или воздушный змей вообще получают всю энергию извне…

Обычно, правда, когда говорят "внешние ресурсы", то сразу мысленно подменяют это понятие на "естественные внешние ресурсы", и дальше начинают думать, а где же их взять. А поскольку естественные ресурсы редко бывают в таком виде и такой концентрации, как нам нужно, то приходится придумывать сложные способы и большие устройства для их извлечения из внешней среды, сбора, концентрации, подготовки для использования…

95% массы турбореактивного двигателя занимают воздухозаборники и турбины, которые служат только для того, чтобы сделать воздух пригодным для сжигания топлива. Вот если бы самолёт сразу летел вдоль струи предварительно сжатого воздуха, которую для него кто-то заранее подготовил, то его двигатель мог бы быть в 10 раз легче, а удельный импульс вдвое больше. В какой-то мере к этому приближаются прямоточные двигатели, где воздух сжимается хоть и за счёт кинетической энергии самолёта, но без участия сложных агрегатов. Можно пойти ещё дальше, и на гиперзвуковых скоростях, особенно в разреженном воздухе, обойтись даже без воздухозаборника, сжимая струю воздуха за счёт распыления и детонации кольцевого слоя топливно-воздушной смеси перед самолётом. (Это будут "предварительно кондиционированные естественные внешние ресурсы", но нас сейчас интересует немного другое).

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.