Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса - Алексей Леонидович Полюх

Во-вторых, требуется сопло с достаточно большим коэффициентом расширения, поскольку термодинамические свойства газа не очень хорошие (i=12). В случае использования внешнего топливного шнура с радиальным расширением газа, типичный коэффициент объёмного расширения будет около 20, и скорость радиального расширения газа будет несколько меньше, 9 км/с (но скорость аппарата при этом, как мы знаем, может достичь 20 км/с и более). В этом случае добавочный импульс, приносимый носителями кинетической энергии, можно практически не учитывать (а при косвенном электрическом нагреве шнура добавочного импульса вообще не будет).

В-третьих, температура газа довольно высокая для металлического сопла, но при прерывистом режиме работы эффективную температуру поверхности сопла можно снизить в несколько раз.

Дальнейшее увеличение внутренней энергии рабочего тела в данном случае, по-видимому, не эффективно, так как начнётся ионизация атомов, и в интервале 10.000-20.000К на это уйдёт порядка 250 МДж/кг энергии. При температуре около 30.000 К, когда будет закончена первая ионизация кислорода и водорода, рабочее тело тоже будет обладать приемлемыми термодинамическими параметрами, но не очень хорошими, так как будет продолжаться ионизация кислорода, на которую будет уходить в среднем более 50 % поступающей энергии, и эффективное число степеней свободы частиц газа, в расчёте на полную энергию, будет колебаться в пределах 6-12.

…

Водород в качестве рабочего тела можно использовать в тех же температурных диапазонах, что и воду (3000-4000К; 9000-10000К; и свыше 30000). При равной температуре он будет давать удельный импульс в 2–2,5 раза больше, чем вода, благодаря в 6 раз большей теплоёмкости; при равной удельной энергии на килограмм, будет давать всё же на 5-10 % больший удельный импульс, и при существенно более низкой температуре, в 2,5 раз. Так что, при наличии водорода, и возможности его хранения, он конечно предпочтительнее; особенно если требуется получить максимальный возможный удельный импульс.

Но если требуется получить относительно небольшой прирост скорости ракеты, до 5 км/с, и в качестве доступного местного ресурса имеется вода, то лучше непосредственно использовать воду. Для получения такого же конечного импульса ракеты, потребуется в 4 раза меньше воды, чем в случае предварительного извлечения из неё водорода; энергии непосредственно на нагрев рабочего тела уйдёт в 2 раза меньше, а с учётом затрат на электролиз — в 6 раз меньше.

При требуемом изменении скорости ракеты 10 км/с, вода и водород становятся примерно равноценными по затратам вещества и энергии, однако в случае использования воды температура в сопле двигателя будет существенно выше; если же требуется придать ракете скорость 12–15 км/с, то водород, конечно, лучше.

Однако для очень больших скоростей и удельных импульсов, более 20 км/с, при использовании плазменного двигателя с магнитным рабочим трактом, разница между различными видами вещества становится менее существенной, и в определённом интервале температур вода и другие вещества могут оказаться предпочтительнее водорода.

В целом, для транспортно-энергетической системы вблизи Юпитера лучше использовать воду (в виде льда с внешним нагревом для основного потока грузов, и жидких продуктов электролиза для локальных манёвров); для запусков с Земли выбор вариантов намного больше.

2. Гравитационная энергетика в системе Юпитера

Прежде чем лететь к Солнцу, посмотрим, что нам может дать его скромный младший брат. Он меньше, но его проще использовать.

Во-первых, до Юпитера намного проще долететь: для прямого полёта к Солнцу надо вылететь с Земли со скоростью 33 км/с, а для достижения Юпитера нужна скорость 16 км/с, хотя время полёта в несколько раз больше. На обычных химических ракетах до Солнца вообще не добраться никак.

Во-вторых, возле Юпитера прохладно, и можно почти не заботиться о теплозащите для ледяных и даже водородных снарядов.

В-третьих, вокруг Юпитера много спутников и просто кусков льда, их общая масса всего в 20 раз меньше массы Земли, так что воду с собой везти не надо. Система Юпитера может быть почти неисчерпаемым источником энергии и вещества для других областей Солнечной системы.

Правда, II космическая скорость для границы атмосферы Юпитера не очень большая, около 60 км/с, что для наших целей маловато, но для начала хватит.

2.1 Базовый

энергетический цикл

Возьмём два куска льда, в точке, удалённой от Юпитера на 10–20 миллионов километров. Лёд можно отколупнуть от любого из полусотни мелких спутников, диаметром 1–5 км, которые вращаются в этой зоне с орбитальными скоростями 3–5 км/с. (Причём внешние спутники, с расстояниями более 20 млн. км, вращаются навстречу внутренним, что тоже можно использовать).

Запустим эти два куска с небольшой начальной скоростью, 4–5 км/с, в сторону Юпитера, так, чтобы они двигались по двум встречным ветвям параболической или очень длинной эллиптической траектории. Примерно через месяц они достигнут нижней точки траектории, разогнавшись при этом почти до 60 км/с, столкнутся почти над самой атмосферой Юпитера, с относительной встречной скоростью 120 км/с, и испарятся, превратившись в плазму при температуре 40–50 тысяч градусов.

Само по себе это не очень полезно для нас, хотя, пожалуй, можно использовать для освещения.

Возьмём теперь ракету. Её придётся привезти с Земли (если, конечно, мы так и не научимся делать высокопроизводительные 3D-принтеры с вращательной подачей материала из рулонов).

Но ракету придётся привезти 1 раз, а заправлять её мы будем на месте.

Ракету запустим по такой же траектории, а навстречу ей — много мелких кусочков льда. Внутри ракеты тоже будут такие же кусочки, (или жидкая вода, подаваемая в сопло струйками).

В нижней точке траектории, произойдёт взаимодействие порций вещества, имеющих большую разность скоростей, и при этом часть выделившегося избытка кинетической энергии может быть преобразована в полезную работу, то есть в данном случае в кинетическую энергию оставшейся массы вещества (ракеты). Ранее, в пунктах 1.9–1.10, мы рассмотрели 2 различных способа организации такого взаимодействия, но их намного больше, можно предложить ещё 3–4 альтернативных варианта. Но мы видели, что, практически независимо от выбранного варианта преобразования энергии, конечный результат, фактически, зависит только от её (энергии) начального запаса; то есть примерно 55–60 % избытка кинетической энергии расходуемого топлива может быть передано ракете. Если масса ракеты примерно вдвое меньше массы всего затраченного топлива (в обоих рассмотренных случаях, затрачивалось 11 тонн топлива при оставшейся массе 5 тонн), то её скорость относительно планеты может быть увеличена с 60 до 90 км/с, и тогда снова на бесконечность она выйдет со скоростью почти 70 км/с, и удельной кинетической энергией 2,3 ГДж/кг.

Далее, надо сделать ещё несколько манёвров.

Оставшаяся в ракете часть топлива должна отделиться от неё, первоначально в виде небольших контейнеров или кассет с собственными устройствами управления и навигации, и продолжить движение к цели с максимальной скоростью (и энергией); однако, саму ракету (уже без