Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса - Алексей Леонидович Полюх

1. Некоторые дополнительные вопросы

В главе 3 мы уже рассмотрели, что такое "упругие" и "неупругие" кинетические двигатели — твердотельные, газовые и магнитно-плазменные.

На всякий случай напомню, что все они работают на "искусственных внешних ресурсах" — проще говоря, используют специально подготовленные тела, которые прилетают в точку встречи с ракетой извне; в частности, это могут быть микро снаряды, выпущенные из пушки, хотя не обязательно. Эти тела могут быть неподвижны в какой-то системе отсчёта, важна только относительная скорость встречи ракеты и снаряда.

"Упругие" варианты лучше, поскольку ракета вообще не тратит собственное топливо на разгон. Но, они могут разгонять ракету только до тех пор, пока скорость снаряда больше скорости ракеты не менее чем на 2–3%.

"Неупругие" (то есть с затратой собственного топлива для получения импульса, за счёт энергии, полученной извне) — могут работать при любых скоростях, но ракета при этом теряет массу, хотя и медленнее, чем по формуле Циолковского. Удельный импульс таких двигателей непостоянен, и всегда равен 30–35 % от разности скоростей снаряда и ракеты. В частности, если ракета летит достаточно быстро, то внешние тела могут иметь небольшую скорость, важна только разность скоростей. Если скорость ракеты относительно (летящего ей навстречу или неподвижного) снаряда равна 1000 км/с, то удельный импульс такого двигателя будет 300 км/с.

Дальше мы посмотрим, где можно бесплатно получить такую начальную скорость, но сначала надо обсудить пару технических вопросов.

1.1 Регулировка

тяги газового упруго-кинетического двигателя.

Как попасть микро снарядом в сопло двигателя, мы рассмотрели. Но, помимо этого, необходимо иметь возможность регулировать вектор тяги двигателя в некоторых пределах (хотя бы на 2–3% по величине и 1–2 градуса по направлению), для корректировки положения и скорости самой ракеты.

Наиболее быстрый способ это делать — за счёт изменения геометрии внешней части сопла. Если сопло будет иметь подвижные "лепестки", составляющие 10–20 % от общей площади сопла, то этого будет достаточно для мгновенной регулировки вектора тяги в небольших пределах. В случае магнитного сопла для этого придётся менять конфигурацию поля, или смещать и поворачивать всё сопло целиком или его части.

Для регулировки тяги в более значительных пределах, или полного выключения двигателя, также есть несколько разных способов.

Во-первых, можно изменять расстояние от двигателя, на котором происходит подрыв снаряда и превращение его в газовую струю. Чем больше это расстояние, тем меньше будет тяга.

Во-вторых, можно полностью выключить двигатель, если подрывать снаряды на очень большом расстоянии — десятки-сотни метров от ракеты. Если надо выключить двигатель на длительное время, то ракету можно увести в сторону от траектории снарядов на несколько метров; для более кратковременного выключения двигателя можно предусмотреть механизм, позволяющий "пропускать" снаряды сквозь двигатель.

В более сложных вариантах в управлении тягой могут участвовать ближайшие станции корректировки траекторий снарядов. Это более медленные способы, так как время отклика системы на изменение параметров будет составлять несколько секунд или минут, но таким образом можно не только произвольно регулировать ускорение одной ракеты, но и распределять снаряды из одного исходного потока по нескольким независимым рабочим потокам, направляемым к нескольким одновременно ускоряемым ракетам, что позволит управлять целой транспортной сетью.

Если будет один очень мощный, и при этом дешёвый, источник снарядов с большими скоростями и энергией (порядка 1000 км/с), то далее их можно распределять на несколько потоков, направляемых разным потребителям. В том числе, потребителями могут быть не только ускоряемые аппараты, но и энергетические установки, которые будут при этом иметь намного лучшие параметры по мощности и массе по сравнению с любыми другими источниками энергии, включая ядерные. Дальше мы покажем, а где же взять очень много снарядов со скоростью 1000 км/с, и почти бесплатно.

1.2 Размер

сопла двигателя ("парашютный" двигатель).

Что касается размеров самого сопла двигателя, то раньше мы рассматривали максимально компактный вариант, с диаметром в десятки сантиметров, и показали, что даже в этом случае в него можно попасть.

Но, если экономить на корректировочных станциях, то можно снизить точность попадания за счёт увеличения диаметра "сопла" до сотен метров. В данном случае это будет скорее парашют из тонкой прочной плёнки, надуваемый потоком газа. При этом снаряды придётся испарять на расстоянии порядка километра от сопла. Для плазменного сопла это тоже возможно, если использовать тонкие сверхпроводящие кольца большого диаметра. При этом геометрия сопла, с точки зрения работы газа при расширении, может быть довольно "плохой", зато большой размер. При массе в 1 тонну такое сопло может иметь диаметр более километра.

В принципе, такой подход позволяет на небольшом расстоянии (порядка десяти тысяч километров) обойтись вообще без корректировочных станций, что упрощает разработку на начальном этапе. С другой стороны, это позволит распределить тепловую и радиационную нагрузку от излучения рабочего тела на большую площадь, что может быть актуально для двигателей с очень большими энергетическими потоками и температурами (для межзвёздных перелётов), тяга которых будет ограничена именно мощностью теплового рентгеновского излучения рабочего тела.

1.3 Двигатель

в качестве генератора.

До сих пор мы рассматривали кинетический способ передачи энергии на расстояние в основном как источник тягового усилия для разгона ракет, то есть в качестве собственно двигателя. Но такой способ передачи энергии можно использовать и для других целей. Особенно это может быть актуально, если, каким-то чудом, найдётся бесплатный источник энергии для разгона снарядов до больших скоростей.

В принципе, любой плазменно-магнитный двигатель можно использовать как МГД-генератор для снабжения энергией бортовых устройств. Но можно сделать и устройство, которое будет только преобразовывать кинетическую энергию снарядов или газа в иную форму. Функции двигателя такое устройство может не выполнять совсем, или они могут быть второстепенными, например, для компенсации избыточного импульса, который снаряды приносят помимо энергии.

Например, околоземная орбитальная станция может принимать снаряды, прилетающие откуда-то из далёкого далёка со скоростью 500-1000 км/с, утилизировать их энергию, а избыточный импульс компенсировать за счёт небольшого количества дополнительного топлива, поставляемого с Земли (мы уже знаем, как это сделать). На самом деле, избыточный импульс за время полного оборота вокруг Земли будет вообще равен нулю (ну то есть он не будет равен нулю. Он просто целиком передастся планете Земля).

При скорости снарядов 1000 км/с, удельная плотность энергии будет всего в 100 раз меньше, чем содержится в той же массе урана-235.

Но такой энергетический реактор будет на порядки легче и компактнее ядерного при равной мощности. Он не имеет пределов масштабирования, от 1 грамма весу и 1 ватта мощности, до планетарного. Нет жёстких излучений, нейтронов, а тепловое излучение (хоть оно и рентгеновское в диапазоне 10 кЭв) можно уменьшить в тысячи раз при уменьшении плотности газа. Для термоядерных реакторов