Ги­по­те­ти­че­ская уста­нов­ка для безра­кет­но­го за­пус­ка кос­ми­че­ских ап­па­ра­тов - пус­ко­вое коль­цо

Ра­кет­ный спо­соб за­пус­ка в кос­мос об­ла­да­ет целым рядом неустра­ни­мых недо­стат­ков: низ­кий кпд, сбра­сы­ва­е­мые сту­пе­ни ракет, за­ви­си­мость от внеш­них усло­вий, слож­ность кон­струк­ции . Как след­ствие этих недо­стат­ков,  сто­и­мость за­пус­ка ки­ло­грам­ма по­лез­ной массы с Земли на низ­кую опор­ную ор­би­ту лежит в пре­де­лах от 10 до 25 тыс.$ Для  ис­сле­до­ва­ния и ко­ло­ни­за­ции кос­мо­са, тре­бу­ют­ся на­мно­го более де­шё­вые ме­то­ды за­пус­ка, поз­во­ля­ю­щие пре­одо­леть гра­ви­та­ци­он­ный ба­рьер Земли. По­это­му ис­сле­до­ва­те­ли всего мира на про­тя­же­нии мно­гих лет пы­та­ют­ся при­ду­мать спо­со­бы безра­кет­но­го за­пус­ка в кос­мос по­лез­но­го груза. С об­зо­ром раз­лич­ных спо­со­бов можно озна­ко­мить­ся в ви­ки­пе­дии https://ru.wikipedia.org/wiki/Безра­кет­ный_кос­ми­че­ский_за­пуск , также эта тема поды­ма­лась и на АШ https://aftershock.news/?q=node/373248&full

Пред­ла­га­е­мая ра­бо­та пред­став­ля­ет по­пыт­ку ана­ли­за со сто­ро­ны тех­ни­че­ской ре­а­ли­зу­е­мо­сти на ос­но­ве су­ще­ству­ю­щих тех­но­ло­гий двух наи­бо­лее пер­спек­тив­ных по мне­нию ав­то­ра спо­со­бов - пус­ко­вой петли Лоф­стро­ма и кос­ми­че­ско­го трам­вая.

Пус­ко­вая петля Кейта Лоф­стро­ма

Его кон­цеп­ция пред­став­ля­ет собой кон­струк­цию длин­ной около 2000 км, ко­то­рая под­ни­ма­ет­ся от по­верх­но­сти земли на вы­со­ту 80 км, про­хо­дит на этой вы­со­те 2000 км и снова опус­ка­ет­ся к по­верх­но­сти земли, где на­хо­дят­ся раз­во­рот­ные де­флек­то­ры. В раз­ре­зе петля имеет форму полой труб­ки, внут­ри ко­то­рой под­ве­шен, с по­мо­щью маг­нит­ной ле­ви­та­ции, фер­ро­маг­нит­ный стер­жень, диа­мет­ром при­мер­но 5 см. Стер­жень дви­жет­ся внут­ри обо­лоч­ки с вы­со­кой ско­ро­стью и за счет маг­нит­ной инер­ции раз­го­ня­ет по­лез­ный груз, дви­жу­щий­ся вдоль обо­лоч­ки за счет маг­нит­ной ле­ви­та­ции. Идея яв­ля­ет­ся до­воль­но пер­спек­тив­ной, по­то­му что часть необ­хо­ди­мых для осу­ществ­ле­ния про­ек­та тех­но­ло­гий, таких как ак­тив­ный маг­нит­ный под­шип­ник и поезд «маг­лев» уже су­ще­ству­ют и ак­тив­но ис­поль­зу­ют­ся. Но кон­цеп­ция, пред­ло­жен­ная Лоф­стро­мом имеет ряд кри­ти­че­ских недо­стат­ков. В первую оче­редь это очень вы­со­кая ско­рость стерж­ня, по рас­че­там Лоф­стро­ма при­мер­но 14 км/с, с участ­ка­ми до­ста­точ­но рез­ко­го на­прав­ле­ния дви­же­ния, и зо­на­ми подъ­ема и сво­бод­но­го спус­ка. При такой ско­ро­сти стер­жень ведет себя неста­биль­но, рас­тя­ги­ва­ясь и сжи­ма­ясь при ко­ле­ба­ни­ях ско­ро­сти, ко­то­рые воз­ни­ка­ют при за­пус­ке по­лез­но­го груза и пе­ре­па­дах высот. Самая боль­шая про­бле­ма воз­ни­ка­ет на кон­цах петли и за­клю­ча­ет­ся в рез­ком из­ме­не­нии дви­же­ния стерж­ня с по­мо­щью де­флек­то­ров – маг­нит­ных уста­но­вок, ме­ня­ю­щих на­прав­ле­ние дви­же­ния стерж­ня. Учи­ты­вая, что ско­рость стерж­ня 14 км\с, а ра­ди­ус по­во­ро­та, по рас­че­там Лоф­стро­ма, 14 км, то бо­ко­вое уско­ре­ние имеет зна­че­ние рав­ное 14000 м\с2 или 1430g. При диа­мет­ре стерж­ня 50мм и его массе (услов­но сталь) 16кг на метр длины, на­груз­ка на по­во­рот­ные маг­ни­ты со­ста­вит 22880 кг/м. Су­ще­ству­ю­щие ак­тив­ные маг­нит­ные под­шип­ни­ки спо­соб­ны нести на­груз­ку ра­ди­аль­ные – 20 Н/см2, осе­вые 40 Н/см2, тео­ре­ти­че­ски для ко­баль­то­вых ста­лей пре­дел 100 Н/см2. При­ни­мая до­сти­жи­мую на­груз­ку 40 Н/см2, и пло­щадь по­лю­са цен­траль­но­го стерж­ня 5*100=500 см2 по­лу­ча­ем мак­си­маль­ную на­груз­ку 20000 Н на метр, ну или при­бли­зи­тель­но 2000 кг/м. Как видим, кон­струк­ция Лоф­стро­ма на ны­неш­нем этапе раз­ви­тия тех­но­ло­гий недо­сти­жи­ма.

Кос­ми­че­ский трам­вай.

Упро­щён­но, это нечто вроде ги­гант­ской маг­нит­ной пушки, длина ство­ла ко­то­рой со­став­ля­ет несколь­ко ки­ло­мет­ров, а сам ствол внут­ри ва­ку­у­ми­ро­ван. Раз­гон ап­па­ра­та может осу­ществ­лять­ся  рель­со­тро­ном, ли­ней­ным син­хрон­ным дви­га­те­лем или маг­нит­ны­ми ка­туш­ка­ми.

Пер­вый ва­ри­ант кос­ми­че­ско­го трам­вая пред­по­ла­гал стро­и­тель­ство в гор­ной мест­но­сти с вы­хо­дом ство­ла на вы­со­те 6000 м над уров­нем моря. Такой ва­ри­ант не со­дер­жит непре­одо­ли­мых тех­ни­че­ских труд­но­стей, но имеет две осо­бен­но­сти, сни­жа­ю­щие его при­вле­ка­тель­ность. Пер­вая - из-за от­но­си­тель­но ко­рот­ко­го раз­гон­но­го участ­ка для до­сти­же­ния пер­вой кос­ми­че­ской ско­ро­сти уско­ре­ния при раз­гоне до­сти­га­ют 30 g. Вто­рая осо­бен­ность - плот­ность воз­ду­ха на  вы­со­те 6000 еще вы­со­ка. По­это­му ап­па­рат, разо­гнан­ный до 6-7 км/с  при вы­хо­де из на­прав­ля­ю­щей трубы по­лу­ча­ет  пе­ре­груз­ку +20 g и разо­грев но­со­вой части от скач­ка уплот­не­ния с плот­но­стью теп­ло­во­го по­то­ка 30кВт/см2.. По­это­му пер­вый ва­ри­ант может ис­поль­зо­вать­ся толь­ко для до­став­ки ма­те­ри­а­лов, и тре­бу­ет проч­ных и жа­ро­стой­ких ап­па­ра­тов для за­пус­ка. В се­ре­дине 90х НАСА рас­смат­ри­ва­ла дан­ный про­ект, и сочла его эко­но­ми­че­ски неце­ле­со­об­раз­ным.

Вто­рой ва­ри­ант кос­ми­че­ско­го трам­вая  пред­по­ла­га­ет выход на вы­со­те 22 км, но су­ще­ству­ю­щие тех­но­ло­гии не поз­во­ля­ют пока со­зда­вать кон­струк­ции такой вы­со­ты.

Про­бле­мы и ре­ше­ния

Зачем нам стро­ить пус­ко­вые си­сте­мы в вы­со­те? Про­бле­ма в плот­но­сти воз­ду­ха, ко­то­рый при вы­со­ких ско­ро­стях тор­мо­зит ап­па­рат по­доб­но тому как вода тор­мо­зит под­вод­ную лодку и не дает ей раз­вить вы­со­кую ско­рость.

Наи­бо­лее энер­ге­ти­че­ская вы­год­ная ско­рость дви­же­ния через плот­ный воз­дух давно по­счи­та­на и равна ско­ро­сти сво­бод­но­го па­де­ния в среде с дан­ной плот­ность. По­это­му раз­ви­вать око­ло­кос­ми­че­ские ско­ро­сти 5-9 км/с вы­год­но с вы­со­ты 40-50 км. 

Жест­кие стро­и­тель­ные кон­струк­ции на такую вы­со­ту по­стро­ить не воз­мож­но. Пред­ла­га­е­мый ав­то­ром ва­ри­ант - ка­бель­ная си­сте­ма поды­ма­ю­щи­е­ся вверх за счет со­хра­не­ния инер­ции дви­же­ния, Прин­цип ра­бо­ты пред­став­лен на видео 

Для до­сти­же­ния зна­чи­тель­ных высот ка­бель­ная си­сте­ма долж­на иметь кон­струк­цию, пред­лож­ную Лоф­стро­мом.

По цен­тру дви­жет­ся фер­ро­маг­нит­ный стер­жень, удер­жи­ва­е­мый ак­тив­ным маг­нит­ным под­ве­сом. Сна­ру­жи плот­ная и проч­ная обо­лоч­ка. Про­стран­ство внут­ри обо­лоч­ки ва­ку­у­ми­ро­ва­но. Таким об­ра­зом цен­траль­ный стер­жень дви­жет­ся не встре­чая ни­ка­ко­го со­про­тив­ле­ния, кроме под­дер­жи­ва­ю­щих сил ак­тив­но­го маг­нит­но­го под­ве­са. За счет этого можно до­сти­гать ско­ро­стей, необ­хо­ди­мых для под­ня­тия кон­струк­ции на нуж­ную вы­со­ту. Раз­гон и тор­мо­же­ние стерж­ня осу­ществ­ля­ет­ся ли­ней­ным син­хрон­ным дви­га­те­лем.

Для ре­ше­ния про­блем, указ­ных в на­ча­ле ста­тьи пред­ла­га­ет­ся  форма кон­струк­ции в виде тора (коль­ца). Это поз­во­лит из­бе­жать участ­ков с рез­ки­ми по­во­ро­та­ми, а сер­деч­ник (фер­ро­маг­нит­ный стер­жень) будет ра­бо­тать в усло­ви­ях рав­но­мер­ной на­груз­ки. Кроме этого, вра­ща­ю­щий­ся сер­деч­ник пред­став­ля­ет из себя ги­ро­скоп, за счет чего будет до­пол­ни­тель­но ста­би­ли­зи­ро­вать­ся вся кон­струк­ция. На этапе стро­и­тель­ства, кон­струк­ция пред­став­ля­ет из себя полую трубу с фер­ро­маг­нит­ным стерж­нем внут­ри, ле­жа­щую на по­верх­но­сти  (А) . После пуска стер­жень на­чи­на­ет дви­же­ние (Б) и за счет цен­тро­беж­ных сил, эл­липс, под­ни­ма­ясь, рас­прям­ля­ет­ся в окруж­ность (В).

Оце­ним мас­со­вые ха­рак­те­ри­сти­ки та­ко­го коль­ца

Как пом­ним, несу­щая спо­соб­ность маг­ни­тов для стерж­ня 5см - 2000 кг/м. Оце­ним длину опор­ной части.

Как видим, при со­вре­мен­ных тех­но­ло­ги­ях даже для коль­ца 50 км вы­со­той при­дет­ся ис­кать гор­ную до­ли­ну или за­глуб­лять­ся  под землю. Вто­рое ка­жет­ся более ве­ро­ят­ным.

Рас­смот­рим такую ги­по­те­ти­че­скую уста­нов­ку по­по­дроб­нее.

Раз­гон­ным участ­ком для за­пус­ка кос­ми­че­ско­го ап­па­ра­та будет уча­сток коль­ца с вы­со­ты 10 км на уровне моря до точки схода, при­мер­но -15 ° от вер­ти­ка­ли. т.е уча­сток коль­ца огра­ни­чен­ный углом 120 °. Для коль­ца диа­мет­ром 50 км, это со­ста­вит при­мер­но 53 км.

Рас­смот­рим два ва­ри­ан­та - 1) ко­неч­ная ско­рость 8000 м/с  2) ко­неч­ная ско­рость 3000 м/с (коль­цо за­ме­ня­ет первую сту­пень РН)

На­чаль­ную ско­рость при­мем 100 м/с (360 км/ч - как у со­вре­мен­ных по­ез­дов маг­лев. На этой ско­ро­сти ап­па­рат будет под­ни­мать­ся до вы­со­ты 10 км)

В пер­вом слу­чае уско­ре­ние со­ста­вит 604м/с2 (61g)  во вто­ром 85 м/с2 (8,6g).  Т.е при вто­ром ва­ри­ан­те по­тен­ци­аль­но даже можно за­пус­кать людей.

Метод за­пус­ка по на­руж­ной сто­роне коль­ца может быть раз­ным .

Один из ва­ри­ан­тов пред­став­лен на ри­сун­ке. Несу­щий стер­жень1 удер­жи­ва­ет кон­струк­цию На внеш­ней сто­роне обо­лоч­ки рас­по­ла­га­ет­ся Т-​образный рельс (2) и зона про­клад­ки ка­бе­лей (3). По Т-​образному рель­су на маг­нит­ной по­душ­ке дви­жет­ся пус­ко­вая те­леж­ка (4) на ко­то­рой рас­по­ла­га­ет­ся по­лез­ный груз. По­лез­ный груз, при­креп­лен­ный к пус­ко­вой те­леж­ке, под­ни­ма­ет­ся  до вы­со­ты 10 км над уров­нем моря, после чего на­би­ра­ет ско­рость, с уско­ре­ни­ем 9 g  до­хо­дит до  точки сбро­са со ско­ро­стью, где до­сти­га­ет ско­ро­сти 3000 м/с, после чего осу­ществ­ля­ет­ся от­креп­ле­ние по­лез­но­го груза, и пус­ко­вая те­леж­ка спус­ка­ет­ся к ос­но­ва­нию пус­ко­во­го коль­ца с про­ти­во­по­лож­ной сто­ро­ны. По­лез­ный груз - кос­ми­че­ский ап­па­рат, вклю­ча­ет соб­ствен­ный дви­га­тель и вы­хо­дит на НОО.

Оцен­ка энер­ге­ти­че­ской со­став­ля­ю­щей.

Дви­жу­щий­ся стер­жень на­кап­ли­ва­ет энер­гию в 5,92 ТДж (для 50 км коль­ца и ско­ро­сти 1107 м/с).

Если за­дать­ся ско­ро­стью подъ­ема в 1 месяц, то необ­хо­ди­мая мощ­ность со­ста­вит 2,3 МВт. После уста­но­вив­ше­го­ся ре­жи­ма энер­гия пой­дет на  маг­нит­ные под­ве­сы и под­дер­жа­ние ско­ро­сти . По­те­ри опре­де­ля­ют­ся по эм­пи­ри­че­ской фор­му­ле ΔР = 30 ко­рень (М), Вт. где М- масса ро­то­ра в кг. Для на­ше­го слу­чая это будет 93 кВт. По­сколь­ку по­те­ри энер­гии стерж­нем опре­де­ля­ют­ся по­те­ря­ми в под­ве­се, можно счи­тать что на под­дер­жа­ние коль­ца тре­бу­ет­ся 200 кВт. По­те­ри от несо­вер­шен­ства ва­ку­у­ма оце­нить без экс­пе­ри­мен­таль­ных работ слож­но, но про­бле­ма ре­ша­е­мая  уве­ли­че­ни­ем мощ­но­сти (или на тур­бо­мо­ле­ку­ляр­ных на­со­сах или на ли­ней­ном дви­га­те­ле).

Мощ­ность для за­пус­ка со­ста­вит 9 МДж/кг  или 3 кВт*ч на кг.  Время раз­го­на 35 се­кунд. ап­па­рат 2000кг.  Необ­хо­ди­мая мощ­ность 509 МВт, до­сти­га­ет­ся на­ко­пи­те­ля­ми.

Ка­пи­та­ло­вло­же­ния.

Шан­хай­ский маг­лев стоил 1,3млрд $ за 30 км, т.е 43,3 млн$ за км. Длин­на коль­ца 157 км, т.е 6,8 млрд.$ плюс при­мер­но по­ло­ви­на внеш­ний раз­гон­ный путь. Т.е 10,2 млрд.$

Оцен­ку эко­но­ми­че­ской эф­фек­тив­но­сти на дан­ной ста­дии дать слож­но.

Вли­я­ние на дру­гие от­рас­ли.

Пус­ко­вое коль­цо пред­став­ля­ет из себя су­пер­ма­хо­вик. При ре­ше­нии тех­но­ло­ги­че­ских задач при его раз­ра­бот­ке, по­яв­ля­ет­ся тех­но­ло­ги­че­ская воз­мож­ность из­го­тав­ли­вать ак­ку­му­ля­то­ры боль­шой ем­ко­сти, для вы­рав­ни­ва­ния "пилы" нерав­но­мер­но­го по­треб­ле­ния и/или вы­ра­бот­ки.

Ижевск, 12.04.2019г

Ви­ки­пе­дия — сво­бод­ная эн­цик­ло­пе­дия