Предисловие ко второму изданию



бет1/15
Дата31.03.2019
өлшемі3.95 Mb.
#79438
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15

ПРЕДИСЛОВИЕ

ко второму изданию

главная
По сравнению с первым изданием книги (рукопись написана в 2006 году) выполнен дополнительный обзор ряда идей, в частности, появилось более 20 новых ссылок на литературу, соответственно, увеличился и объем книги. Небольшие дополнения внесены в главы 1, 5, 6 и в заключение. Наибольшие изменения выполнены в главах 4, 7, 8, в частности, они сделаны более подробными и дискуссионными с точки зрения физики.

Также автор исправил выявленные опечатки и повторы в тексте (непонятно как появившиеся в типографии) первого издания.



ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время главными и основными двигателями в космонавтике являются жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) и твердотопливные РД (РДТТ), использующие энергию химических реакций различных топлив – сочетаний горючего и окислителя. Сейчас это мощная отрасль, вызывающая уважение, и за десятилетия разработок появилось большое число статей и книг; много патентов, охватывающих фактически все элементы конструкций двигателей, вплоть до геометрии их отдельных деталей. В частности, ЖРД достигли большого совершенства, и в них сумма потерь достигает всего 2…5%, а КПД термического цикла составляет до 0,70,9. За многие десятилетия исследований рассматривалась практически вся гамма химических соединений с целью повышения удельного импульса, причем значительным считается его увеличение на 13%. Однако новых эффективных топлив не появилось, что вполне естественно, учитывая ограниченное число элементов с низким атомным весом и достаточную изученность законов химической кинетики [1]. Одновременно с таким совершенством конструкции самих двигателей приходится констатировать и достаточно низкую эффективность использования выделяемой энергии для ускорения ракет. Так, выделяемая энергия химической реакции на 1 кг для основных топлив составляет порядка 10 МДж/кг (±20%, в зависимости от конкретного топлива), а кинетическая энергия 1 кг космического аппарата (КА) на орбите вокруг Земли составляет ~ 30 МДж/кг, то есть эти величины вполне сопоставимы. Однако в реальности на орбиту вокруг Земли выводится до 1…5% от массы ракеты на поверхности Земли.

И даже ведущие специалисты признают, что сейчас возмож­ности по совершенствованию химических ракетных двигателей традиционных типов практически полностью исчерпаны и ограни­чены незначительным улучшением харак­теристик [2]. Также счита­ется перспективным создание химических пульсирующих детона­ционных двигателей. Приведен и небольшой обзор перспективных тенденций развития двигателестроения, причем с упором на тради­ционные схемы электрических РД (ЭРД) и ядерных РД (ЯРД) с ядерными энергоустановками, с примесью новых схем двигателей [2].

Однако возможности и перспективы создания новых типов двигателей не исчерпываются известными типами и схемами, приводимыми в обзорах [1] и [2]. Поэтому необходим поиск и других схем ускорения КА и конструкций двигателей, в том числе и экзотических, на первый взгляд, схем двигателей и ускорения КА. Именно такие схемы, порой спорные с точки зрения физики, и будут рассмотрены в данной работе. Однако автор не ставил перед собой задачи составить энциклопедию и описать все возможные и известные схемы ускорения и двигателей, и, честно говоря, в силу относительного консерватизма, был достаточно строгим цензором, отсеивая сомнительные (с точки зрения автора) технические идеи или относящиеся к отдельным элементам каких-либо конструкций. Также автор не видел смысла в описании широко известных идей и конструкций, по которым имеется обширная литература, типа традиционных схем ЖРД, ЭРД, ЯРД и т.п.

Данная работа представляет собой обзор, панораму наиболее интересных и перспективных (на взгляд автора) экзотических идей и схем двигателей для полетов КА. В основе – идеи прежде всего российских ученых с добавлением разработок из США и Европы.

Эту книгу достаточно сложно охарактеризовать. Конечно, в основе она научно-популярная, и автор беспощадно выкидывал математику, сохраняя лишь минимальный ее объем (который осилит любой студент). Одновременно есть и достаточно подробное описание физических процессов и аспектов для создания таких двигателей. Кроме того, много и критического анализа таких экзотических схем, то есть это и дискуссионная книга. Скорее, это попытка реального взгляда на перспективы создания двигателей (без традиционных схем ЖРД, ЭРД, ЯРД), причем без иллюзий и рекламного приукрашивания параметров.

Конечно, автор, как изобретатель, имеет несколько изобретений, в том числе и новые заявки на предполагаемые изобретения, которые приведены здесь. Возможно, здесь есть и некоторый перекос на идеи и фантазии автора, но это вполне естественно и понятно, так как книга для любого автора – своеобразное подведение итогов (с извлечением идей, накопившихся за десятилетия). Отмечу, что автор давно стоит в стороне от двигателестроения как отрасли, поэтому (надеюсь) это позволило сохранить объективность при рассмотрении различных идей (то есть – это профессиональный взгляд со стороны).

Эта книга будет интересна как студентам, так и всем интересующимся перспективами создания двигателей для полетов КА.

В заключение отметим, что в технике основная система единиц – СИ, а в науке до сих пор – СГС. Поэтому автор вынужден в отдельных главах использовать обе системы. Однако в книге главная система – СИ, и формулы по ней не оговариваются. Автор сделал все, чтобы свести к минимуму использование СГС, и формулы по СГС специально оговариваются (у автора нет желания переводить формулы из СГС в СИ), а результаты расчетов по этим формулам сразу приводятся в СИ или совместно в СИ ─ СГС. Поэтому автор заранее приносит извинения тем читателям, которым это до­ставит неудобство.



Глава 1

УСКОРЕНИЕ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВНЕШНЕГО ИСТОЧНИКА ВЕЩЕСТВА И ЭНЕРГИИ
1.1. Обзор

Интересным и экзотическим направлением в технике ускорения летательных аппаратов (ЛА), с долгой историей и большим числом идей, является использование какого-либо внешнего источника силы на ЛА. Сейчас известны идеи самых различных ускорителей: артиллерийские орудия, газовые пушки на легких газах (водород, гелий), электромагнитные рельсотроны и катушки, прямоточный ускоритель тела специальной формы в трубе с горючей смесью и т.д.

1.1.1. Очень интересное направление – электромагнитные рельсовые метатели [3]. Это, по сути, линейный электрический двигатель постоянного тока, состоящий из пары жестких параллельных проводников, в которых протекает ток в прямом и обратном направлениях, и небольшого подвижного проводника (состоит из обоймы, содержащей снаряд). Схема такого двигателя изображена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема рельсового метателя
Здесь источник энергии дает ток, наводящий магнитное поле, которое взаимодействует с током якоря, вследствие чего на тыльную сторону обоймы, содержащей снаряд, действует ускоряющая сила. Рельсовая пушка обеспечивает большие ускорения снаряда, вплоть до ~ 5·105 м/с2. Параметры ускорения снаряда зависят от его массы, скорости и аэродинамического сопротивления, и приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Параметры метателя снарядов


Параметры

Цилиндрический
снаряд
с полусферической носовой частью

Снаряд
со стабилизаторами, малый коэффициент сопротивления




вывод
на околоземную орбиту

вывод за

пределы


солнечной системы

вывод
на околоземную орбиту

вывод за

пределы


солнечной системы

Масса снаряда, кг

100

200

4

4

Скорость пуска, км/с

28

42

9,5

14,8

Кинетическая энергия, ГДж

39

176

0,18

0,44

Полная масса (с обоймой), кг





5,3



Время разгона, мс







42




Длина метателя, м







200




Ток, МА







2,5




Десятиступенчатый метатель: потери энергии в рельсах, Дж







515




Суммарная эффективность превращения энергии, %

(снаряд с обоймой)









24




Полная вводимая энергия, ГДж







1,0




Полная входная мощность ГВт







24



Такие параметры мощности разгона требуют использования накопителей энергии типа конденсаторных батарей и т.п.

Подчеркнем, что параметры разгона ЛА, приведенные в таблице 1.1, имеют аналогичный уровень для любого типа разгоняющего устройства, будь то рельсовый метатель, газовая пушка и т.п.

Для рельсового метателя ожидаемая эффективность превращения вводимой электрической энергии в кинетическую энергию снаряда составит около 1020% (минимально – для одноступенчатого метателя, максимально – для многоступенчатого, до 10 ступеней, метателя).

Из экспериментов отметим, например, что фирма «Вестингауз» осуществила запуск снаряда массой 0,317 кг со скоростью ~ 4,2 км/с [3]. Если коснуться истории, то впервые идею электромагнитной пушки (электромагнитной катапульты) в 1915 году предложили российские инженеры Подольский и Ямпольский, а в 1916 году – французы Фашон и Виллепле. А наиболее серьезные проекты разработаны в США (под руководством У. Коуэна), в частности 6-ступенчатый ускоритель на разгон снаряда массой 4 кг, а также проект 10-ступенчатого ускорителя для запуска снарядов в 400 кг и диаметром 750 мм [4].

Экзотической и одновременно реальной идеей является использование сверхбыстрого разгона ЛА, с ускорением до 1,5·105 м/с2, с помощью различного рода пушек. Это и серия снарядов «Martlet 2», с полезной нагрузкой 84 кг при общем весе вместе с выстрелом ~ 190 кг. При этом была достигнута скорость снаряда до 2100 м/с, и в 1966 году «Martlet 2С» достиг высоты 180 км (суборбитальный ЛА). Отметим и более сложную конструкцию реактивного снаряда «Martlet 2G-1» с дополнительной твердотопливной ступенью. И при общем весе снаряда с выстрелом в 500 кг на орбиту мог выводиться снаряд с весом полезной нагрузки ~ 2 кг (сам снаряд имел длину 4,3 м и диаметр ~ 0,3 м). Был разработан проект реактивного многоступенчатого снаряда «Martlet 4» для вывода на околоземную орбиту полезных грузов весом от 12 до 24 кг. При этом начальный участок полета обеспечивался выстрелом пушки, а на высоте ~ 27 км предлагалось включение первой ступени (твердое топливо массой 735 кг), а затем последовательно работали 2 и 3-я ступени снаряда (твердое топливо с массой 181,5 кг и 72,6 кг, соответственно), выводя полезный груз на высоту до 435 км. Вершиной такого способа является проект «Вавилон», с использованием пушки в 1000 мм = 1 м с длиной 156 м, при весе 1510 т (~ 10 т на 1 м длины). И для реактивного снаряда весом в 2 т (вес выстрела – 9 т) на околоземную орбиту выводится полезная нагрузка в 200 кг (все эти проекты – от «Martlet 2» до «Вавилона» – идеи канадского конструктора и изобретателя Дж. Бюлля) [4].

Другая разновидность пушки – газовая (на легких газах). Еще в 1966 году инженеры HASA испытали маленькую водородную пушку, выстреливавшую снаряды со скоростью 2,5 км/с. На основе этой разработки была изготовлена двухмодульная пушка Хантера (Дж. Хантер – автор этой разработки, США) в виде ствола длиной 82 м и «блока накачки» – трубы длиной 47 м и диаметром 0,36 м. При работе в стальную трубу блока накачки (модуля) подается газообразный метан и поджигается. Расширяясь, этот газ толкает поршень по трубе накачки, сжимая и нагревая водород, находящийся с другой стороны поршня. Когда давление водорода достигает 4000 атм, приводится в движение снаряд, находящийся у начала ствола. Такая газовая пушка была построена, и при испытаниях (в 1992 г.) снаряд массой 5 кг развил скорость 3 км/с. Для увеличения скорости предлагалось (Дж. Хантером) сделать снаряд ракетным и 2-ступенчатым (эта схема не была реализована). А вершиной такого способа является проект на основе газовой пушки (выдвинутый Дж. Хантером), построенной в горе на Аляске, и такая пушка предположительно могла бы достигнуть дульной скорости 7 км/с, отправляя снаряды весом 3300 кг (диаметр – 1,7 м, длина – 9 м) на низкую околоземную орбиту высотой 185 км [4].

Такие системы сверхбыстрого разгона имеют свои достоинства и недостатки. Так, артиллерийские орудия, включая проект «Вавилон», не дают дульной скорости до 7 км/с и более, и необходим многоступенчатый реактивный снаряд, то есть весьма похожи на компактные ракеты с первой ступенью в виде пушки (собственно, здесь проще добавить в качестве первой ступени обычный РДТТ). Кроме того, для всех таких способов очевидна невозможность полета с людьми. Также такое ускорение ограничивает доставку и научных приборов (хрупкие и нежные нельзя послать таким способом). Имеются и другие, мелкие недостатки. То есть, такие системы применимы для весьма ограниченной номенклатуры грузов, до­ставляемых на орбиту, даже в случае реализации проектов, позволяющих послать на орбиту грузы в сотни – тысячи килограмм.

Принципиально такие ускорители могут размещаться и на других небесных телах, например, Луне. Известна идея лунного ускорителя длиной 1,1 км, обеспечивающего ускорение объекта массой 100 кг с ускорением до 1300 м/с2, с электростанцией мощностью 11 МВт. Такой электромагнитный ускоритель имеет массу ~ 200 т, из них около половины массы имеет электростанция на основе солнечных батарей. Этот ускоритель рассчитан на доставку на орбиту до 1000 т в год [5]. Отметим, что даже для маломощного лунного ускорителя его масса составляет ~ 100 т на 1 км длины (или 0,1 т на 1 м) ускорителя (без учета массы электростанции). Еще более смелый проект (проф. О’Нейл) лунного ускорителя – груз (лунная порода) массой 10 кг выводится в космос с помощью специального ковша, снабженного индукционными катушками и системой магнитной подвески. Ковш разгоняется по направляющим длиной 10 км до скорости ~ 2,4 км/с, после чего переходит на режим реверса, удерживая ковш на направляющих, а затем ковш возвращается назад для повторного использования, а сам груз вылетает в космос и в точке либрации перехватывается специальными кораблями. Такой ускоритель рассчитан на выведение в космос до 106  т в год [5].

Можно отметить и разработки российских ученых по созданию импульсных генераторов плазмы для гиперскоростного ускорения тел, например, установка ИМПП-2, имеющая разрядный ток 0,04-0,35 МА при конечном давлении газа 10-120 МПа, на основе индукционного накопителя на 10 МДж и ударного генератора на 200 МДж. При этом в камере нагревают рабочий газ (водород, гелий и т.п.), и по достижении конечного давления диафрагма в камере разрывается, и нагретый газ истекает из камеры, воздействуя на метаемое тело. Создан и ряд ускорителей электроразрядного типа, аналогичных импульсным плазмотронам, где ускорение макротел осуществляют водородной плазмой. В результате экспериментов для метаемого тела с массой 200 г достигнута скорость до 2500 м/с, а при массе 17 г достигнута скорость 6200 м/с. Причем эффективность превращения энергии источника питания в кинетическую энергию метаемого тела достигает 30-35% [6].

Заметим, что для магнитоплазменных ускорителей достигнута скорость макротела ~ 7,8 км/с, при массе 0,86 г, а главным ограничением достижения высокой скорости является скорость звука плазменного потока в канале рельсотрона. Однако за счет оптимизации параметров плазмы, материалов стенки канала, электродов (с малым молекулярным весом) возможно достичь скорости метания макротел до 10-15 км/с [7].

Конечно, такие параметры установок по массе весьма далеки от массы ЛА, необходимых для запуска на орбиту. Однако физические процессы аналогичны, независимы от массы ускоряемого тела, а разница лишь в масштабе потребляемой энергии и габаритах таких мощных установок. Поэтому физически вполне реально создание подобных мощных ускорительных установок. Однако главный вопрос в их практической необходимости (нужны ли они?) и конкурентоспособности по сравнению с другими типами установок и двигателей.

1.1.2. Другое направление ускорительных систем – старт с относительно небольшим ускорением и большой длиной пути разгона ЛА. Это позволяет, при одинаковой общей энергии на разгон ЛА, снизить подводимую мощность на 1 м пути разгона (с упрощением подводящей конструкции) по сравнению со сверхбыстрым разгоном, а главное – появляется возможность ускорения ЛА вместе с людьми.

В общем виде такой способ запуска включает разгон снаряда – ЛА, например, по круговому вакуумированному тоннелю, проложенному по поверхности Земли с размещением центра его окружности в центре Земли, а также имеется прямолинейный отводной канал, куда выводят ускоренный снаряд (до скорости, превышающей 1-ю космическую скорость) при его направлении на космическую орбиту [8]. Такой способ использует электромагнитный рельсовый ускоритель большой длины. Заметим, что еще К.Э. Циол­ковский предлагал запуск КА с длинных эстакад, постепенно поднимающихся вверх, по которым должны разгоняться ракеты с КА. Предложена и более совершенная конструкция, где система запуска включает линейный электропривод со статором в виде кольцеобразных обмоток, установленных на эстакаде (состоящей из отдельных элементов на опорах), а внутри обмоток размещен сердечник, представляющий собой магнитную оболочку ракеты (несущей КА), причем ракета с КА размещена в оболочке с возможностью выталкивания из нее, например, с помощью заряда, срабатывающего в конце эстакады [9]. На аналогичном принципе выполнен способ выведения контейнера с грузом в космос, включающий горизонтальный разгон контейнера в вакууме при сверхпроводящих температурах с помощью ускорителя с ускоряющими обмотками и магнитной подвеской контейнера [12]. На фоне электромагнитных ускорителей, применяемых в большинстве проектов, выделяется идея магнитоплазменного способа вывода грузов на геостационарную орбиту, в котором капсулу с полезным грузом выталкивают плазменным потоком, формируемым на плавучих платформах [13], причем возможна изоляция капсулы магнитным полем, а истекающую из плазмотронов плазму направляют вдоль оси искусственного вихря – смерча [10].

Отметим, что главная проблема проектов ускорения с поверхности Земли – длина пути ускорения ЛА. Даже при ускорении ЛА в 100 м/с2 (практически – предел для ускорения людей) скорость в конце участка ускорения 1020 км/с (с учетом потерь скорости в атмосфере) достигается при длине пути ускорения S > 500 км. И для уменьшения потерь энергии и скорости ЛА ускорение необходимо осуществлять в вакууме трубы или туннеля или в атмосфере из легких газов (это хуже, чем вакуум). Причем для ЛА с массой ~ 100 т (в общем-то, средний ЛА, не тяжелый) это соответствует мощности разгоняющего двигателя ~ 10111012 Вт = 102103 ГВт! Таким образом, такой ускоритель – это сложнейшее техническое сооружение, которое имеет смысл делать только в случае доставки на орбиту грузов в десятки тысяч тонн в год и более. Заметим и экологические проблемы для такой системы. Например, при ускорении одного ЛА с массой 100 т = 105 кг имеем энергию ЛА ~ 1013 Дж, и до 50% энергии будет рассеиваться в атмосфере, в том числе в виде энергии акустических колебаний, шума. Для сравнения заметим, что самолет с кинетической энергией ~ 1081010 Дж и мощностью двигателей ~ 106108 Вт является мощным источником шума, и аэропорты – в числе самых шумных мест на Земле. Поэтому реально ожидать, что адский шум от ударной волны при полете ЛА со скоростью 1020 км/с потребует создания санитарной зоны в десятки километров вдоль траектории движения ЛА (по крайней мере, до высоты полета 2050 км). Значит, выходное отверстие ускорителя и трасса полета ЛА должны размещаться в малонаселенном и глухом районе Земли.

Для уменьшения длины ускорителя предлагается изготовить его в виде кольцеобразного туннеля, в котором ракета будет ускоряться до тех пор, пока не достигнет необходимой скорости. Затем специальное устройство выводит ракету из кругового движения и направит наружу, в пространство [11]. Безусловно, такой кольцеобразный туннель принципиально позволяет снизить параметры ускорителя. Однако не все здесь так просто, так как есть проблема центростремительного ускорения ау = V2/R, и для скорости V = 10 км/с при ограничении величины ау = 100 м/с2 (полет с людьми) требуемый радиус ускорителя R ~ 1000 км (а длина 2πR ≈ 6300 км), то есть – больше, чем длина S ~ 500 км для линейного ускорителя. Поэтому кольцеобразный туннель лучше применять для ускорения только грузовых ЛА с большим ускорением, ~ 1000 м/с2. Однако при таком большом ускорении и длина линейного ускорителя S упадет до ~ 50 км. Таким образом, преимущество кольцеобразного туннеля лишь в возможности длительного ускорения (вплоть до 100010000 с) ЛА до набора необходимой скорости, что, соответственно, позволяет снизить мощность систем ускорителя до уровня 110 ГВт, с упрощением их конструкции и снижением массы.

Поэтому, признавая физическую и техническую реальность подобных проектов, и более того – их соответствие современному уровню техники, а главная проблема лишь в увеличении масштаба ускорителей и деньгах (стоимость – до ~ 100 млрд долл.), вызывает большие сомнения, что такие ускорители для прямого запуска ЛА с поверхности Земли на орбиту будут созданы в ближайшие десятилетия.

Более простой и дешевый вариант – старт ЛА на столбе плазмы с плавучих платформ [10], однако здесь возникает проблема создания плазмотронов на мощность 10121011 Вт и, соответственно – проблема источника питания этих плазмотронов. Кроме того, здесь есть и экологическая проблема – искусственный вихрь – смерч, его взаимодействие с самой плавучей платформой, а главное – мощное воздействие на атмосферу в этом районе (получается постоянное торнадо).



1.1.3. Еще одно направление – использование ускорителей для начального разгона ЛА, в том числе в качестве первой ступени, до скорости 5002700 м/с. Это наиболее популярное и разработанное направление. Еще в начале 1940-х годов Зенгер (Германия) показал, что для космического самолета оптимален старт при помощи катапульты с горизонтальной дорожки, с доведением скорости самолета до величины, большей скорости звука (до ~ 500 м/с). В частности, еще в 60-е годы 20-го века, при создании экспериментального комплекса пилотируемого орбитального самолета «Спираль» (СССР), на основе гиперзвукового самолета – разгонщика и орбитального самолета, старт этой системы предусматривался горизонтальный, с использованием разгонной тележки [4]. Отметим и весьма экзотическую идею запуска с названием «русские горы», в которой предлагается использовать рельсы, идущие вниз с горы (высотой ~ 750 м), а затем поднимающиеся вверх, в подъем на новую гору (высотой ~ 2000 м). При этом тележка с ракетой скатывается вниз с горы и по инерции движется в подъем на новую гору, а затем включается ракетный двигатель тележки, обеспечивая разгон тележки с ракетой до скорости ~ 800 м/с [11]. Из числа идей последних десятилетий отметим авиационно-космический стартовый комплекс «Марс», содержащий взлетную полосу в виде рельсового пути (с геометрическим контуром переменной кривизны), установленного на наземную эстакаду, имеющую переменную высоту по своей длине, и по ним движется разгонная платформа (вместе с ЛА), снабженная разгонными двигателями. Причем эстакада оканчивается вертикальным кольцом, а рельсовый путь выполнен замкнутым, с обеспечением ускорения платформы по рельсам взлетной полосы, а после отделения ЛА эта платформа движется по обратной рельсовой линии [14]. Другое направление – использование электромагнитных ускорителей. Здесь отметим систему «maglev», предварительного разгона левитирующего ЛА внутри трубы или тоннеля с помощью электромагнитного ускорителя и сверхпроводящего магнитного аккумулятора до скорости более 600 м/с, при длине ускорения ~ 3,5 км, при этом дорожка пути ускорения ЛА расположена под углом ~ 450 на высоту ~ 3 км, при массе полезного груза в 1000 кг и более [15]. Отметим, что идут и проработка реальных конструкций, и экспериментальные исследования. Так, при лабораторных опытах системы типа «maglev» тележка длиной 0,6 м разгонялась до скорости ~ 60 м/с с помощью 6-метрового электромагнитного трека – усовершенствованного линейного индукционного электродвигателя. Планировалось и проведение экспериментов с двумя треками длиной 15 и 122 м, а в дальнейшем – с треком в 1525 м для разгона грузов массой свыше 18 т. Отметим и работу Ливерморской национальной лаборатории, где создают систему на постоянных магнитах (без применения сверхпроводимости), а также фирмы «Foster–Miller» (Массачусетс), работающей со сверхпроводящими магнитами. Проводилась и работа по модернизации высокоскоростного испытательного рельсового трека на авиабазе (Холломан, Нью-Мексико), где Boeing разрабатывал и изготавливал гиперзвуковые салазки, а фирма «Foster–Miller» создавала магнитную систему на основе сверхпроводящих магнитов. На этом треке была получена скорость 2738 м/с, а после увеличения длины рельсового пути до 15,5 км возможно и дальнейшее повышение скорости [19].

Безусловно, ускорители для начального разгона ЛА очень перспективны, при этом получается разумная длина пути ускорения (до 520 км) при реальном уровне мощности двигателей. Такое ускорение позволяет уменьшить требуемый прирост скорости на последующих этапах ускорения. Кроме того, для перспективных воздушно-космических самолетов появляется возможность включения в работу прямоточного двигателя ЛА сразу в сверхзвуковом или гиперзвуковом режиме, и не требуется дополнительного двигателя для движения с малой скоростью.

Заметим, что для старта с Земли требования к двигательной системе очень высоки, а поэтому в ближайшие десятилетия наиболее реальны авиационно-космические системы старта, а также старт ракет с более совершенными двигателями, например, по [2]. Однако это схемы на основе традиционных химических двигателей, поэтому здесь они не рассматриваются.

1.1.4. Отметим, что в условиях космоса для старта с орбиты вокруг Земли применимы все рассмотренные выше схемы ускорителей. Более того, в космосе снимаются экологические ограничения (например, по шуму), а также практически исчезают потери скорости ускоренного КА при движении в вакууме. Использование вакуума космоса упрощает и конструкцию ускорителя. Из различных проектов отметим станцию-катапульту (СССР, начало 70-х годов 20-го века), находящуюся на околоземной орбите и служащую для разгона КА к другим планетам. Такая станция имеет ядерную энергетическую установку (ЯЭУ), накопители энергии на основе сверхпроводящих электромагнитов, ускорительную систему «пушки» из цепочки соленоидов, которые толкают КА [4]. Из более новых проектов отметим идею запуска объекта с космодрома в космосе, состоящего из туннеля, соединенного с пусковой шахтой, при этом подготовку объекта ведут в туннеле, после чего объект выносят из туннеля и устанавливают на толкающем устройстве, а затем разгоняют объект в шахте с помощью соленоидного электромагнитного двигателя, питаемого электроэнергией [20], с возможным усовершенствованием за счет конструкции, позволяющей обеспечить фиксацию заданного положения шахты в пространстве, для последующего разгона объекта [21].

Собственно, здесь остаются те же главные проблемы – длина ускорителя и энергетика. Для старта с круговой орбиты вокруг Земли для достижения 2-й космической скорости необходимо ускорение КА на прирост скорости VК ≈ 3,5 км/с. При этом для ускорения а = 100 м/с2 имеем длину пути ускорения S ≈ 62 км, и при массе КА МК = 104кг = 10 т необходим аккумулятор энергии на энергию ~ 10111012 Дж при относительно маломощном источнике электроэнергии с ~ 107109 Вт и мощности электромагнитного двигателя ~ 3·1091010 Вт или питание двигателя ускорителя непосредственно от мощного источника электроэнергии с ~ 1010 Вт. При ускорении КА с а = 10 м/с2 имеем S ≈ 620 км, однако при этом возможно уменьшение мощности двигателя ускорителя и источника электроэнергии до уровня ~ 109 Вт. То есть в обоих вариантах получается тяжелая – в тысячи тонн конструкция ускорителя и системы энергопитания (электростанция и аккумулятор энергии). Такая система перспективна для грузового потока в десятки тысячи тонн и перспективна для реализации в будущем, но не в ближайшие десятилетия. Как ни печально, но подобные ускорители с питанием электроэнергией пока еще не имеют перспектив.

Для сравнения заметим, что в случае кольцевого ускорителя с допустимым ускорением ау = 100 м/с2 для V = 3,5 км/с имеем радиус R ~ 100 км, а длина ускорителя 2πR ≈ 600650 км, что на порядок больше длины линейного ускорения S = 62 км. Однако при кольцевом ускорении за счет возможности длительного ускорения с τ ~ 103с можно уменьшить мощность источника электроэнергии до ~ 108 Вт = 0,1 ГВт.

Итак, на выбор: быстрое ускорение с постоянным ау = 100 м/с2 в течение ~ 35 с на длине 62 км, с мощным ускорителем и энергопитанием, или постепенный разгон с ускорением от 0 до 100 м/с2 (в конце разгона) в течение ~ 1000 с по кольцевому ускорителю длиной ~ 600 км, с относительно маломощной ускорительной системой и его энергопитанием.

Принципиально в условиях космоса можно обойтись без таких ускорителей, используя идею создания искусственного ветра на воспринимающее устройство КА в виде потока частиц вещества или в виде пучка электромагнитных волн от расположенных на орбите разгоняющих станций [16].

Однако за прошедшие десятилетия так и не появилось серьезных проектов с использованием потока частиц, будь то плазма, нейтральные частицы или пучок заряженных частиц. Основная физическая сложность – для потоков частиц в космическом вакууме очень сложно обеспечить малую расходимость потока, то есть дальнобойность струи потока частиц невелика, и, соответственно, длина пути ускорения КА мала (в лучшем случае – километры) и не обеспечивает прироста скорости в ~ 3,5 км/с. Поэтому здесь необходимо решить проблему уменьшения расходимости потока за счет какого-либо специального воздействия на поток, например, в виде магнитного поля. В этом направлении ведется научный поиск, например, в университете Вашингтона проводят исследования с плазменным ЭРД с намагниченным пучком, а сама концепция предполагает космическую станцию, которая создает поток намагниченных ионов, воздействующий на магнитный парус КА, ускоряя его. При этом в зависимости от мощности плазменного пучка (сопло шириной ~ 32 м) можно ускорить КА до 10 км/с и более [22].

Также можно отметить идею разгоняющей станции, использующей магнитный диффузор для захвата солнечной плазмы с радиуса ~ 100 км, при этом сконцентрированный в диффузоре поток плазмы на начальном этапе движется в магнитном поле диффузора, что обеспечивает малую расходимость потока плазмы, а полная дальнобойность струи оценивается в 104105 км, что позволяет ускорять КА до скорости 3,5 км/с и более. Причем здесь для ускорения используется энергия потока солнечной плазмы, а на ускоряемом КА также установлено магнитное устройство, отражающее плазму [17].

Другое направление – использование для разгона КА электромагнитного излучения от разгоняющей станции, воздейству­ющее на воспринимающее устройство, «парус». Например, еще в 1972 году в рамках проекта «Daedalus» в качестве возможной двигательной установки рассматривался солнечный парус, который разгоняется до нужной скорости под воздействием лазеров, установленных в космосе (Паркинсон, Британия) [4]. Отметим что предлагались различные длины волн, а считаются оптимальными микроволновое и оптическое излучение, включая лазерное излучение. Здесь привлекает внимание идея электромагнитного резонаторного двигателя, в котором разгон КА осуществляют за счет давления излучения в открытом резонаторе, образуемом зеркалами на разгоняющей станции и зеркалом на КА. И здесь поданный в резонатор от источника излучения поток электромагнитных волн многократно проходит между зеркалами, вплоть до полного затухания этих волн. Это позволяет многократно использовать импульс волны, отражающейся попеременно от каждого зеркала. И за счет многократного импульса фотонов достигается высокий (до 80100%) коэффициент преобразования энергии излучения в кинетическую энергию КА [18].

Заметим, что по такому принципу предлагалось использовать и поток релятивистских частиц, движущихся между магнитными зеркалами на КА и разгоняющей станции.

Любопытна идея магнитного двигателя, в котором КА имеет сверхпроводящий соленоид, создающий вокруг КА магнитное поле. При работе из КА выбрасывают облако легко ионизируемого газа, на который направляют извне сфокусированный микроволновый пучок, который ионизирует газовое облако около КА. При этом образовавшиеся свободные электроны приобретают высокую энергию и взаимодействуют с магнитным полем соленоида, ускоряя КА [24]. А в случае сильного магнитного поля происходит удержание плазмы, то есть образуется плазменное зеркало для отражения внешнего микроволнового пучка.

Заметим, что наибольшее внимание уделялось лазерному двигателю, в котором лазерное излучение от разгоняющей станции нагревает рабочее тело на самом КА, образуя плазму, которая истекает из двигателя с образованием тяги, и большой обзор результатов по расчетам таких двигателей приведен в [1]. Отметим, что такой двигатель имеет скорость истечения 3070 км/с, то есть она – относительно невелика, и для ускорения КА требуется большой запас рабочего тела на борту КА. Такой лазерный двигатель интересен для автоматических исследовательских КА. Однако, если требуется замедление КА (например, при подлете к планете), то необходимо гасить скорость с помощью двигателя КА, то есть необходимо иметь на борту КА опять-таки ЯЭУ с ЭРД. И собственно, в таком варианте при сравнении с эффективным плазменным ЭРД (и тем более – ионным ЭРД со скоростью ~ 100200 км/с) на борту КА, преимущества лазерного двигателя не очень-то видны (если вообще есть), но зато возникает много проблем с организацией рабочего процесса на основе лазерного луча, поступающего извне с расстояния в десятки-сотни километров.

Итак, главные проблемы систем разгоняющей станции на основе электромагнитного излучения очевидны, они требуют мощной электростанции, а главное – мощных эффективных преобразователей электроэнергии в энергию электромагнитного излучения. Конечно, при современном КПД в ~ 20% преобразования электроэнергии в мощное лазерное излучение сложно ориентироваться на такие системы. Кроме того, создание мощных лазеров с лазерным излучением с мощностью ~ 1091010 Вт в непрерывном режиме работы в течение 1000100 сек – это пока нереально. Хорошо, если через десятки лет это станет возможным. Причем эти системы будут очень тяжелые, и ими имеет смысл заниматься в случае очень больших грузовых потоков в сторону Луны или планет.

С сожалением приходится констатировать, что в современных условиях маленького грузового потока в космосе в ближайшей перспективе нет смысла в создании подобных тяжелых и энергоемких систем, будь то рельсовые ускорители и пушки разных модификаций или лазерные системы.

1.1.5. Таким образом, наиболее реальна идея химического ускорителя.

Известна идея разгона ракеты по рельсам, между которыми залито топливо, при этом с ракеты опускалась труба, загнутая открытым концом вперед. За счет быстрого движения жидкость должна подниматься по трубе и поступать в двигатель. Схема такого старта приведена на рис. 1.2.





Рис. 1.2. Старт ракеты
Однако проблема в том, что ракетное топливо от малейшей искры мгновенно превратится в пылающую реку. И такой старт аналогичен запуску ракеты из порохового погреба [11]. Ранее отмечалась и идея прямоточного ускорителя тела специальной формы в трубе с горючей смесью.

А блуждая по морю идей, отметим любопытную идею системы с внешней подачей реактивного топлива для воздушных транспортных средств, в которой образуют след топлива вдоль части желаемой траектории полета на большой высоте. При этом след из топлива создается буксируемым устройством таким же способом, как и след конверсии за реактивным ЛА. И этот след из топлива захватывается топливозаборником ЛА, а затем попадает в камеру сгорания, где топливо воспламеняется и сгорает для создания тяги перед его выбросом через выхлопное устройство [25]. Заметим, что в условиях вакуума произойдет очень быстрое расплывание в пространстве такого следа до весьма большой площади, и потребуются значительные усилия по улавливанию такого следа топлива. Кроме того, даже в условиях большой высоты действует земная гравитация, а также имеется ветер, который активно влияет на сохранность траектории такого следа, поэтому реальная длина стабильного положения следа невелика (не превышая ~ 1 км) и не позволяет осуществлять серьезного ускорения ЛА. Однако сам принцип работы и метод ускорения интересны и для организации ускорения КА в космосе.

Таким образом, возникает идея химического ускорителя, создания искусственной внешней среды в виде длинной дорожки из рабочего тела, которую размещают по предполагаемому пути ускорения КА. И именно по этой дорожке направляют ускоряющийся КА, двигатель которого захватывает рабочее тело дорожки, и в камере нагрева получаем (например, при горении тела) горячий поток рабочего тела, истекающего из двигателя с созданием силы тяги на КА [33].

Подчеркнем, что для наземных стартов ограничением является длина пути ускорения, и даже для химического ускорителя трудно представить себе на Земле ускоритель длиной в ~ 700 км. Однако для космических стартов, где требования к приросту скорости меньше, вполне реально создание таких химических ускорителей.

Отметим, что данная идея – экзотическая, но полностью реальна, то есть – реальная экзотика, и именно ее и рассмотрим подробно.




Достарыңызбен бөлісу:
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   15




©kzref.org 2022
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет