Проекты инфраструктурной транспортной системы «Поверхность – орбита», для первых обитаемых баз на Марсе.
Описанные в предыдущей публикации концепция практической индустриализации марсианской орбиты, за счет создания на спутниках Марса опорной базы индустриальной системы освоения астероидных ресурсов. И постепенного перехода к освоению марсианской поверхности, по мере того, как «Около марсианская индустриальная система», будет разрастаться до глобальных масштабов. Дает шанс на начало практического освоения и заселения Марса, в обозримой перспективе, в течение трех, четырех десятилетий. Но благоприятные условия для развития инфраструктурных транспортных систем на марсианской орбите, по сравнению с земной. Которые дает сравнительно низкая гравитация и орбитальная скорость на Марсе, потенциально позволяют начать развертывание орбитальной транспортной инфраструктуры, на начальных этапах пилотируемых исследований Марса. Если начинать программы марсианских баз, с транспортной инфраструктуры, это позволит еще более снизить затраты на строительство обитаемых марсианских баз и возвращение их экипажей.
Возможности, которые дают инфраструктурные системы выведения для будущих марсианских программ.
Развертывание транспортной инфраструктуры на первых стадиях марсианских программ, потребует немалых финансовых затрат. Но в дальнейшем, их функционирование сможет значительно снизить стоимость перелетов между марсианской поверхностью и обритой, что соответственно упрости и удешевит будущие марсианские программы. Особенно упростит задачу возвращения экипажей с марсианских баз. А, кроме того, благодаря относительной простоте создания марсианских инфраструктурных транспортных систем, они могут сыграть роль инкубатора технологий, для перспективной, космической, транспортной инфраструктуры земли. И в этом качестве, марсианская транспортная инфраструктура, будет выполнять не просто экономические, или демонстрационные задачи, а послужит одним из этапов глобальной индустриализации солнечной системы.
У перспективной марсианской транспортной инфраструктуры, по сравнению с аналогичными проектами для земли есть определенные специфические особенности. На земле, транспортная инфраструктура должна быть в первую очередь грузовая. Так как в околоземном пространстве основным спросом пользуются выведение в космос спутников и топлива. В будущем, по мере развития индустриализации околоземного пространства, будет возрастать доля различного оборудования индустриальной космической системы. Многоразовые космические корабли и их детали, производственные станки, роботы и тому подобное. Но основным грузом космических транспортных систем, в любом случае, будут оставаться, топливо, аппараты, оборудование и разнообразные материалы, для околоземной космической группировки.
На земле, по всей вероятности, будет использоваться принцип минимизации. Выведение в космос грузов малыми порциями, в виде легких блоков, или отдельных деталей, с последующим монтажом из них нужных изделий на пилотируемых станциях. Этот принцип, позволяет снизить стоимость космической инфраструктуры, без потери ее функциональности.
На Марсе, задачи транспортной инфраструктуры будут другими. В первую очередь, она будет нужна для выведения в космос пилотируемых кораблей, с экипажами марсианских станций на борту. Все оборудование и расходные материалы, для марсианской орбитальной группировки, будет доставляться с земли или баз на спутниках Марса. Для спуска с орбиты и посадки на Марс, специальные транспортные системы не понадобятся. Из-за низкой орбитальной скорости на Марсе, тормозные щиты могут быть изготовлены из керамических материалов, которых достаточно на марсианских спутниках. Тормозные ракетные двигатели для снижения скорости перед посадкой, можно делать на около марсианской индустриальной базе, без особенных затрат. В выведении каких либо грузов с поверхности Марса не будет особенной практической необходимости. Минеральное сырье, которое есть на Марсе, можно получить и на его спутниках или на астероидах, с намного меньшими транспортными затратами. Единственными потенциальными грузами марсианских материалов, будут научные образцы марсианских пород, для доставки на землю. Но их массовая доля будет мизерной, и для них не понадобится создание специальных транспортных систем. Образцы, дешевле и проще выводить на орбиту химическими ракетами, чем делать для них специальную, малозатратную, транспортную инфраструктуру.
Инфраструктурные транспортные системы, будут востребованы, главным образом, для возвращения на орбиту экипажей марсианских пилотируемых миссий. Доставлять на поверхность марса ракеты для возвращения экипажей дорого, и это одна из основных статей расходов при планировании пилотируемых полетов на Марс. В пример, можно поставить проект «Mars One», который имеет рекордно низкую заявленную стоимость, в пределах десяти миллиардов долларов, именно из-за отказа от возвращения экипажей на землю. Для сравнения, проект НАСА, с возвращением экипажей на ракетах, доставляемых с земли, стоит около 500 миллиардов. Проект Роберта Зубрина, «Марс директ», с возвращением на ракете, доставляемой на Марс с земли, но заправляемой топливом, производимым «На месте», из марсианской атмосферы, стоит около 30 миллиардов долларов. Радикальное сокращение стоимости возвращения людей с Марса, сделает доступными частые пилотируемые полеты на эту планету.
В планируемой по концепции «Около марсианской индустриальной базы» инфраструктуре, будут и орбитальные буксиры, для недорогих полетов к Марсу, и база на марсианском спутнике, вместе с легким и универсальным производственным оборудованием, на которых, можно делать недорогие модули и конструкции для марсианских баз. Остается только добавить транспортную систему для малозатратного возвращения с марсианской поверхности, и регулярные, пилотируемые полеты на Марс, станут такими же доступными, как современные полеты на МКС.
Особенности марсианских инфраструктурных систем выведения.
Марсианские условия, с одной стороны, облегчают задачу создания инфраструктурных транспортных систем, делая ее значительно проще в реализации и приблизительно в десять раз, дешевле по стоимости. Но с другой стороны, специфика работы марсианских, инфраструктурных систем выведения, накладывает определенные ограничения.
Пилотируемые корабли нельзя сделать легче определенного предела, что накладывает ограничения на миниатюризацию, уменьшение веса орбитальных транспортных систем. Вес самых легких, одноместных, пилотируемых капсул, не может быть ниже нескольких сотен килограмм. Вес пилота, ориентировочно, около ста килограмм. Плюс минимально необходимые средства жизнеобеспечения и спасения, как основные, для полетов на орбите и посадки самой капсулы, так, и аварийные, для экстренного спасения пилота.
В отличие от грузов, пилоты не могут выдерживать высокие перегрузки. Максимальные эксплуатационные перегрузки, для пилотируемых капсул, не могут быть выше 7, 10, единиц земного притяжения. А оптимальные перегрузки, находятся на уровне, 3, 5, земных сил тяжести.
Исходя из этих условий, электромагнитные пушки и орбитальные тросовые пращи, исключаются. Слишком высокие перегрузки. Остаются, многоразовые ракетопланы, космические лифты, и система разгона до орбитальной скорости за счет использования кинетической энергии, нейтрального вещества, «Рабочего тела», имеющего космическую скорость, предложенная изобретателем «Александром Майбородой», «Орбитрон».
Многоразовые химические ракеты для полетов с Марса.
Многоразовые ракетопланы, пожалуй, самый простой и дешевый вариант. Благодаря низкой орбитальной скорости Марса, 3600 метров в секунду, для достижения которой, нужна приблизительно в два раза меньшая скорость, чем на земле 8000 километров в секунду, и в четыре раза меньшие затраты энергии. Для полетов с Марса, можно сконструировать многоразовую, одноступенчатую химическую ракету, оснащенную средствами спасения, приспособлениями для управляемого полета в атмосфере и системами мягкой посадки. Такие ракеты, могут совершать регулярные рейсы с поверхности на орбиту, не требуя больших затрат. Но у них тоже есть свои ограничения. Для производства эффективного ракетного топлива из углекислого газа марсианской атмосферы, нужен водород. Если есть водород, из углекислого газа, можно синтезировать метан, или керосин, и жидкий кислород. «Метан – кислород», или «Керосин – кислород», это эффективные топливные пары, с хорошей энергетикой. Но на Марсе дефицит водорода. Из атмосферы в нужных количествах его получать нельзя, содержание соединений водорода в атмосфере этой планеты мизерное. Поэтому, об использовании многоразовых ракетных кораблей для полетов с Марса, может идти речь, только если будет обнаружен доступный источник соединений водорода для производства ракетного топлива.
Источником водорода, может быть вода, которую, можно получить на Марсе, на марсианских спутниках, или из астероидных материалов. Но на настоящий момент вода на Марсе не обнаружена. А если она и будет там найдена, не факт, что она окажется в достаточных концентрациях и достаточно доступной для добычи в больших объемах. Вода, может быть на марсианских спутниках. По основной версии, «Фобос», и «Деймос», это астероиды, класса «Углестых хондритов», захваченные гравитационным полем планеты. В грунте астероидов этого класса, может присутствовать вода, в форме гидроксидов, в количествах от 1, до 20, процентов по массе. Но сейчас, нельзя определенно предполагать, что вода на марсианских спутниках есть, и ее содержание достаточно для производства топлива. Источником воды, так же могут служить астероидные материалы. Некоторые астероиды, целиком состоят изо льда, с примесями пыли, но полеты к астероидам, это дополнительные затраты, и для доставки астероидной воды в нужных количествах, нужна готовая, действующая группировка мощных орбитальных буксиров. На развитие астероидной, транспортной системы нужно время, и это не позволяет планировать производство топлива из астероидной воды на первых стадиях пилотируемых марсианских программ.
Без водородные, марсианские топлива, и суборбитальные ракетопланы.
Производить на Марсе ракетное топливо, можно и без использования водорода. Такими, «Безводородными», топливными парами, могут быть, жидкий, «Моно оксид углерода» - «Угарный газ», в паре с кислородом. Или уголь, в виде твердых, графитовых, топливных элементов, горящих в кислороде, такой двигатель, по конструкции, может быть похож на «Гибридный ракетный двигатель – ГРД», работающий на твердом горючем и жидком окислителе. Но у угарного газа, очень низкая энергетика, поэтому, пара «Угарный газ – кислород», не может быть эффективным ракетным топливом. У твердого углерода, в паре с кислородом, энергетика выше, но эффективность этой топливной пары тоже заметно уступает «Углеводородному горючему» в паре с кислородом. К тому же, гибридные ракетные двигатели тяжелее жидкостных, что тоже убавляет возможностей, сконструировать на их основе эффективный орбитальный ракетоплан.
Шансы выйти на орбиту, на безводородном топливе сомнительные. Если только использовать многоступенчатые ракеты. Но энергетики безводородного топлива достаточно, для полетов по «Суборбитальной» траектории. Коротких подскоков, на высоту в несколько сотен километров, за пределы атмосферы, без набора орбитальной скорости и без выхода на орбиту. Полеты по суборбитальной траектории не требуют больших энергетических затрат. И эффективные многоразовые суборбитальные корабли, для Марса, можно сконструировать из расчета на мало эффективное безводородное топливо. Известные примеры земных суборбитальных аппаратов, это ракета «Фау – 2», первая в мире жидкостная баллистическая ракета, сконструированная немцами в конце второй мировой войны. Или ракетопланы «Спейсшип – 1», и «Спейсшип – 2», сконструированные для туристических полетов, по суборбитальной траектории. Ракетоплан Спейсшип – 1, это многоразовый крылатый аппарат, с не очень эффективным гибридным двигателем, на жидкой закиси азота и твердым горючем, на основе резины. И его успешные полеты, наглядно показывают возможность создания подобного корабля для суборбитальных полетов на Марсе.
Марсианский космический лифт.
Другим, потенциальным, инфраструктурным транспортным средством для Марса, может быть космический лифт, состоящий из троса, протянутого к противовесу, на марсианской стационарной орбите, или ближайшему спутнику Марса, «Фобосу.
Основные преимущества космического лифта, в том, что для его работы не требуются реактивные двигатели. Не химические двигатели традиционных ракет. Не электрореактивные двигатели, которые нужны для компенсации замедления скорости орбитальной пращи, или других аппаратов космической транспортной инфраструктуры, принцип работы которых в перехвате небольших грузовых модулей из суборбитального полета и разгона их до орбитальной скорости, за счет собственной кинетической энергии. Лифт, представляет собой, «Без ракетное» средство выведения, это чисто механическое транспортное средство, состоящее из троса и движущейся по нему кабины, а потому, не требующее затрат топлива и предельно простое в эксплуатации.
Для варианта лифта, трос которого прикреплен к Фобосу, суборбитальные ракеты все-таки понадобятся. Так как Фобос вращается вокруг Марса со скоростью около 2140 метров в секунду, и нижний конец прикрепленного к нему троса, будет двигаться относительно поверхности Марса, со скоростью около 530 метров в секунду. Прикрепить трос к фобосу, технически проще, чем делать специальный, противовес, выше стационарной орбиты. Но из-за движения троса в этом варианте лифта, понадобятся промежуточные средства доставки кабин, для стыковки с нижним концом троса, высота которого, может составлять около 120 километров над поверхностью. Для стыковки с тросом, могут подойти многоразовые ракеты на без водородном топливе, которое, имеет низкую эффективность, но легко возобновляется в марсианских условиях.
Основные недостатки марсианского лифта, это высокая стоимость и недолговечность троса, ресурс которого, из-за разрушающего действия метеорной пыли, составляет около 5 лет. А так же отсутствие реальной потребности в большом грузопотоке с марса на орбиту, на первых стадиях освоения этой планеты. Что делает лифт, избыточным и слишком дорогим транспортным средством, для первых марсианских программ.
В отличие от проектов космического лифта на земле, для троса которого, еще нет материалов нужной прочности. Проекты марсианского лифта технически реализуемы, современные высокопрочные материалы способны выдержать нагрузку на трос. Материалами для изготовления тросов, могут быть органические полимеры, такие как «Кевлар», или «Вектран», композиты, такие как «Углепластик», или возможно высокопрочное минеральное волокно, на основе, кремниевой или базальтовой нити. Минеральное волокно, уступает по соотношению прочности и легкости полимерам и композитам, но оно может быть изготовлено в космосе, из астероидного, или лунного сырья.
Приблизительный вес троса, марсианского лифта, составляет от нескольких сотен, до тысячи, тонн. Трос из минерального волокна, может быть в разы тяжелее, от тысячи, до нескольких тысяч тонн. Стоимость марсианского лифта, можно ориентировочно оценить в 50, 100 миллиардов долларов. При условии, что вступят в строй мощные орбитальные буксиры, способные доставлять сотни тонн груза на марсианскую орбиту при малых затратах, в пределах нескольких миллионов долларов за тонну.
Проект космического лифта для марса, значительно проще и дешевле в реализации, чем аналогичные проекты для земли. Но с экономической точки зрения марсианский лифт, в качестве звена марсианской транспортной инфраструктуры первого поколения не эффективен. Главное преимущество космических лифтов, перед другими инфраструктурными средствами выведения, это возможность доставлять на орбиту большие объемы грузов с низкими эксплуатационными затратами. И в этом качестве, «Грузовой канатной дороги в космос», проекты космических лифтов, могут уверенно оправдать затраченные на них средства. Такая система выведения, была бы очень востребована на земле. Или на луне, после начала ее промышленного освоения. Но на Марсе, специфика деятельности такова, что лифт не сможет оправдать вложенные в него средства. Строить транспортную систему, способную выводить десятки, или сотни тысяч тонн, ради возвращения экипажей марсианских баз, раз в несколько лет, нет большого смысла. Строить лифт, из расчета на будущее, тоже нет смысла, из-за ограниченного ресурса троса, тросы придется менять через каждые 5 лет.
Следовательно, космический лифт для марса, проект сравнительно простой и дешевый, но он будет востребован только после начала массового освоения Марса, когда поток грузов с планеты на орбиту, будет исчисляться как минимум тысячами тонн в год. На первых этапах освоения Марса проект лифта с поверхности на орбиту, экономически не эффективен.
Марсианский «Орбитрон».
В качестве потенциальной инфраструктурной транспортной системы «Поверхность – орбита», для Марса, может быть использован проект, предложенный изобретателем Александром Майбородой, «Орбитрон». Принцип действия орбитрона, в использовании энергии вещества имеющего космическую скорость для разгона суборбитальных аппаратов до орбитальной скорости, методом прямого столкновения, растянутого во времени, для плавности ускорения. Упрощенно говоря, поток нейтрального вещества – «Рабочего тела», такого как пыль, из грунта, сформированный на орбите, направляется точно в двигатель аппарата, находящегося в суборбитальном подскоке, на высоте опорной орбиты, но не имеющего орбитальной скорости. Поток вещества, плавно передает свою энергию и скорость аппарату, разгоняя его подобно ракетному двигателю. Но в отличие от ракетных двигателей, для разгона, аппарату не потребуется брать с собой и сжигать большую массу топлива. Энергетика рабочего тела на орбитальной скорости достаточно высока. Для земной, минимальной орбитальной скорости, 8 километров в секунду, она приблизительно в 3, 4, раза превосходит энергетику традиционного, жидкого, ракетного топлива. А поскольку, основная часть топлива в ракетах расходуется на ускорение самого топлива, из-за его низкой энергетики. Повышение энергетики рабочего тела в разы, даст десятикратное снижение расхода рабочего тела по сравнению с химическим топливом.
Вместо ракеты заполненной химическим топливом и весящей в 30, 40, раз больше полезной нагрузки, в системе орбитрон, для выведения кораблей на орбиту, достаточно израсходовать в несколько раз большую массу лунного грунта, астероидного материала, газа захваченного из атмосферы планеты, или другого, легкодоступного в космосе вещества. Легкодоступного вещества, с оговоркой, что уже будут работать дешевые, многоразовые или поточные космические транспортные средства, такие как орбитальные буксиры, или тросовые системы, для выведения грузов с планет малой гравитации. Создание космической транспортной инфраструктуры, потребует времени и денег. Но для снижения затрат на первых этапах реализации проекта, автор планирует выводить рабочее тело с земли, перехватывая его из суборбитального подскока специальными кораблями «Орбитальными коллекторами». Орбитальные коллекторы, должны разгонять рабочее тело до орбитальной скорости за счет прямого столкновения со специальными мишенями. Забирая материалы из суборбитального подскока небольшими порциями, и восстанавливая потерянную скорость за счет работы электрических двигателей малой тяги, питающихся от солнечных батарей. Таким образом, космическая скорость рабочему телу, будет придаваться экономичными двигателями, питающимися от даровой, солнечной, энергии. Рабочее тело после перехвата коллекторами, будет использоваться для разгона космических кораблей, но расходоваться оно будет в десять раз экономнее химического топлива. И, следовательно, орбитрон, может служить недорогой и высокоэффективной транспортной системой.
По проекту, в некоторой перспективе, планируется переход с рабочего тела, выводимого на орбиту с земли, через коллекторы, на лунный грунт. Выводимый на орбиту аналогично, через специальные «Лунные орбитальные коллекторы». Выводить грузы с луны, значительно проще, чем с земли, энергетика лунной орбитальной скорости меньше земной, примерно в 16, 25 раз. Для суборбитального подскока с луны, не нужны специальные корабли, струи грунта можно просто подбрасывать на высоту нескольких сотен метров, механическими катапультами, не тратя на это топливо.
Ввод в действие системы орбитрон на первых стадиях, позволит снизить стоимость выведения топлива и материалов на орбиту, при помощи коллекторов, до 200, 300, долларов за килограмм, что в 3, 12, раз выгоднее выведения традиционными ракетами. Стоимость выведения космических аппаратов за счет кинетической энергии потоков рабочего тела, при этом, может составить около 1000 долларов за килограмм. В дальнейшем, при переходе на лунное рабочее тело, стоимость выведения космических аппаратов может снизиться до 50, 100, долларов за килограмм, и при этом начнется масштабное коммерческое освоение лунных ресурсов. Можно сказать, для земли, система Орбитрон, это возможность перейти на качественно новые стадии освоения космоса, сравнимая по эффективности с космическим лифтом, но намного более простая и дешевая в реализации.
Для Марса, система орбитрон, дает возможность создать недорогое, постоянное транспортное сообщение с планетой без сверхдорогих, крупномасштабных проектов. Поэтому, может рассматриваться как потенциальная инфраструктурная транспортная система «Первого этапа», позволяющая снизить затраты на реализацию марсианских программ в дальнейшем.
У проекта марсианского орбитрона могут быть некоторые отличия от оригинала, рассчитанного на земные условия. В первую очередь, обусловленные низкой орбитальная скоростью на марсе. От 3600 метров в секунду, на низкой круговой орбите, до 4500 метров в секунду, на вытянутой орбите. В земном орбитроне, предполагается подавать в камеру сгорания двигателей, длинные нити из минерального волокна, с наклеенным на них пылевидным лунным грунтом, так называемые «Треки». Для треков, формируемых на переходной орбите «Луна - земля», планируется встречная скорость около 10 километров в секунду. На такой скорости, материал треков, состоящий из пыли и нитей, микроскопической толщины, должен полностью испаряться в камерах сгорания двигателей, подобно тому, как испаряется метеорная пыль, при входе в атмосферу. Испарение рабочего тела треков, должно создавать струи плазмы, истекающие из двигателя с высокой скоростью. Дающих, высокую тягу и высокий реактивный импульс. Но на марсе, скорость слишком низкая для полного испарения минерального рабочего тела. А если треки не будут испаряться, при попадании внутрь двигателя и трение о плазму, они будут просто пробивать двигатели, вместе с аппаратами, как кумулятивные, бронебойные снаряды.
Для марсианского орбитрона, можно формировать рассеянные струи пылевидных частиц, или капсул с пылевидным грунтом марсианских спутников. Направляя их не в аналог камеры сгорания, а на бронеплиты из жаропрочных материалов. Но из-за высокой плотности энергии таких потоков пыли, трение, скорее всего, расплавит и разобьет самые жаростойкие материалы. Поэтому, такой вариант, по всей вероятности, может быть использован на относительно низких встречных скоростях рабочего тела, при интенсивном охлаждении, или в гибридных вариантах, сочетающих твердое и газообразное рабочее тело, позволяющих снизить термическое воздействие на плиты.
На мой взгляд, в качестве основного варианта марсианского орбитрона, наиболее логично использовать рабочее тело, состоящее из кристаллов замороженных газов, которые будут испаряться от удара о поверхности двигателей, позволяя избегать риска их плавления или чрезмерно быстрого разрушения.
В качестве основного источника рабочего тела, должен использоваться газ марсианской атмосферы, захватываемый специальными орбитальными коллекторами, с низкой марсианской орбиты.
Рабочим телом, может служить и кислород, получаемый из грунта марсианских спутников. Но производство кислорода потребует больших затрат энергии и специальных производственных мощностей. Кислород, нужно будет доставлять на марсианскую орбиту плазменными буксирами. А это дополнительные инфраструктурные затраты, в которых нет жизненной необходимости. Газ марсианской атмосферы ближе и доступнее во всех отношениях.
Орбитальные коллекторы, для захвата газов марсианской атмосферы.
Орбитальные коллекторы для захвата газа марсианской атмосферы, могут иметь вид аналогов сверхзвуковых самолетов, с воздухозаборниками на носу, летающих по эллиптическим орбитам, и залетающих в атмосферу на короткое время, в низких участках - «Перигее» орбиты. Или аппаратов летающих по круговой орбите, немного выше верхней границы атмосферы, и забирающих газ при помощи заборников опускаемых на длинных гибких трубах, длинной в несколько десятков километров.
Коллектор, целиком погружающийся в атмосферу, может иметь вид самолетов с носовыми воздухозаборниками таких как «Миг 21». С небольшими крыльями и рулями позволяющими маневрировать в атмосфере, во время погружений. Но возможно, корпус коллектора будет более целесообразно сделать плоским, а не цилиндрическим как у самолета. После прохождения через заборники на гиперзвуковой скорости, около 4000, 4500 метров в секунду, газ будет сильно сжат и разогрет до температуры около 4000 градусов Цельсия.
Из заборников, газ должен поступать в отсеки с гранулированным грунтом, в которых будет охлаждаться до температуры около 300, 700, градусов Цельсия, после чего, уже на орбите, должен постепенно перетекать в промежуточные отсеки хранения, охлаждаясь в радиаторах излучения. Из промежуточных отсеков, в которых газ будет храниться при комнатной температуре, в сжатом, или сверхкритическом состоянии, газ должен переходить в отсеки длительного хранения. На пути, в которые, он должен охлаждаться до криогенных температур, и поступать в них, в виде жидкости или кристаллического порошка. Из баков хранения, рабочее тело, должно периодически забираться орбитальными буксирами, для доставки на специализированные орбитальные модули, служащие для формирования струй рабочего тела. После погружения в атмосферу, апогей эллиптической орбиты «Погружных коллекторов», будет понижаться. Для восстановления орбиты, должны использоваться мощные плазменные двигатели. Источником энергии могут служить раскладные солнечные батареи, состоящие из пленочных фотоэлементов на складных несущих фермах, складывающиеся перед погружением в атмосферу. Энергию, так же могут поставлять специализированные «Энергетические станции», в виде сфокусированных микроволновых или лазерных лучей, которые, могут использоваться как для генерации энергии, так и для разогрева плазмы в плазменных двигателях.
Коллекторы, захватывающие газ, без погружения в атмосферу, могут иметь небольшие заборники, опускаемые в атмосферу на тонких и гибких трубках из жаростойких материалов. В этом варианте, заборники должны работать постоянно и газ из заборников, должен поступать в баки по трубкам, охлаждаясь по пути, методом излучения. Источником энергии, могут служить не раскладные солнечные батареи. Поступающий в коллекторы газ, должен охлаждаться до криогенных температур и храниться, аналогично погружным коллекторам.
Треки из гранул.
Модули для формирования треков, должны испускать направленные очереди небольших гранул, состоящих из мелких кристаллов замороженного углекислого газа, спеченных при определенной температуре, похожих на уплотненный снег. Или гранулы из фольги, или минерального волокна, наполненные порошком из кристаллического углекислого газа. Выстреливая их в нужном направлении из пневматических пушек высокой скорострельности. Расходимость потоков капсул, должна быть в пределах круга диаметром от одного, до нескольких метров. Скорострельность пушек от нескольких десятков, до нескольких сотен выстрелов в секунду. Скорость капсул, около 30, 50 метров в секунду, ускоренный в сто раз, на встречной скорости поток капсул, должен быть достаточно частым, для создания равномерной тяги без ощутимой вибрации и отклонений по курсу.
Основные типы орбитальных кораблей, работающих от энергии треков.
Капсулы, предназначенные для разгона треками, могут иметь конструкцию нескольких основных типов.
Корабли, встречающие треки простой, ровной бронеплитой. Имеющей определенный угол наклона, позволяющий аппарату в суборбитальном полете, компенсировать силу тяжести за счет смещения вектора тяги двигателя, пока аппарат не будет разогнан до орбитальной скорости. Такой тип кораблей, самый простой и легкий, но при этой конструкции, для управления аппаратом, сложно использовать отклонения потоков газа от сработавших на двигателе треков. Управление кораблем, будет возможно за счет бортовых ракетных двигателей. И сам аппарат, будет малоустойчивым и сложным в управлении, из-за того, что будет находиться в состоянии неустойчивого равновесия. Его придется постоянно корректировать на активном участке траектории, и коррекция потребует от двигателей большой мощности, сравнимой с весом аппарата, что соответственно, потребует иметь на борту значительный запас ракетного топлива. Одно из преимуществ этой схемы, в возможности работать на твердых рабочих телах.
Аппарат цилиндрической формы, с заборным устройством, аналогичным коллектору для забора газа марсианской атмосферы. В этой конструкции, частицы треков будут испаряться, проходя через заборное устройство, и проходить через трубы, в виде потока сжатого, гиперзвукового газа, в сопла, развернутые в обратную сторону. Истекая из которых, газ будет создавать дополнительную тягу. Такая схема, позволяет легко перераспределять поток газов в трубах, направляя его в сопла, создающие вертикальную тягу, для поддержания собственного веса аппарата и двигатели управления. Аппарат этой схемы, будет тяжелее, но для его управления не потребуется бортовой запас ракетного топлива, он будет более устойчивым, за счет того, что сопла развернутые с обратную сторону, будут стабилизировать положение аппарата ориентированное на поток частиц трека. И лучше управляемым. Энергия треков, будет использоваться им более эффективно, за счет того, что поток газов, проходя через двигатели, будет разворачиваться в обратном направлении и дополнительно ускоряться в сверхзвуковых соплах создавая реактивную тягу. В этой схеме, забрник может быть оснащен решеткой из сверхпрочных материалов, проходя через которую, гранулы трека, будут разбиваться на равномерную смесь пыли и газов, что снизит нагрузку на поверхности заборного устройства и внутренние газораспределительные механизмы.
Так же возможен, вариант аппарата вышеуказанной схемы, с заборным устройством, принимающим поток частиц трека, в форме вогнутого конуса, воронки. Такая форма заборника не эргономична, воронка, длиннее чем традиционный носовой заборник в виде усеченной воронки с конусом в центре. Но преимущество такой формы в том, что она склонна к само стабилизации, за счет того, что при отклонении от оптимальной ориентации относительно потока частиц трека, аппарат будут стремиться вернуться в исходное положение.
Аппарат, может иметь клиновидную форму, при которой, поток частиц трека, будет принимать на себя корпус. Но за счет высокого угла наклона, энергия столкновения с потоком будет снижена. В этой схеме, поток частиц трека, разбиваясь о корпус, будет окружать его плотным, гиперзвуковым потоком газа. Этот «Приповерхностный», поток, можно отклонять в противоположную сторону, используя наплывы на конце конуса, усиливая этим тягу. И отклонять поток щитками или небольшими решетчатыми крыльями для управления аппаратом. Клиновидная форма, сочетает простоту и хорошую управляемость. Но клиновидная форма аппаратов не очень удобна, особенно для пассажирских кораблей, хотя, может быть оптимальна для грузовых модификаций.
Аппарат гибридной схемы, имеющий форму усеченного клина с заборником на конце, может сочетать в себе основные преимущества двух, вышеперечисленных схем. При такой схеме, основная горизонтальная тяга, может создаваться корпусом и наплывами. А поток газа, поступающий из заборника и проходящий по внутренним трубам, может использоваться для создания вертикальной тяги и управления, давая хорошую управляемость. Такая, гибридная схема достаточно эргономична, но в то же время, сочетает в себе простоту, легкость и хорошую управляемость.
Капсулы марсианского орбитрона, должны работать аналогично многоразовым ракетопланам, для перелетов между поверхностью и орбитой. Стартуя с поверхности на многоразовых химических ракетах, разгоняясь до орбитальной скорости за счет энергии треков орбитрона. И после пересадки пилотов на орбитальные корабли, тормозя в атмосфере и приземляясь на химических двигателях, подобно перспективным многоразовым кораблям, или ракетным ступеням, таким как «Дракон», или «Кузнечик», разрабатываемым фирмой «Спейс икс».
Преимущества системы Орбитрон для Марса.
Орбитрон, одна из самых дешевых, и легко реализуемых инфраструктурных космических транспортных систем, для выведения кораблей с поверхности Марса. Уровень технологий и технических возможностей, необходимый для создания марсианского орбитрона, не выходит за рамки возможностей современной научно промышленной системы земли. Ориентировочная стоимость марсианского орбитрона, не превышает нескольких десятков миллиардов долларов. Что сравнимо со стоимостью одной отдельно взятой пилотируемой экспедиции на Марс. Но наличие такой инфраструктурной транспортной системы, позволит значительно снизить стоимость марсианских программ в дальнейшем. Поэтому, марсианский орбитрон, можно рассматривать как потенциальный флагманский проект, облегчающий дальнейшие пилотируемые экспедиции на эту планету.
Основная слабость марсианского орбитрона в том, что этот проект уступает по соотношению стоимость эффективность проекту многоразовых химических ракетопланов. Поэтому, в случае обнаружения на Марсе богатых и легкодоступных источников воды, или других водородных соединений, орбитрон может потерять свою актуальность. К сильным сторонам марсианского орбитрона, можно отнести его независимость от местиорождений водного льда, даже если они будут обнаружены, позволяя свободно выбирать места размещения марсианских баз. А так же универсализм орбитрона, как инфраструктурного средства выведения с разных планет, мало зависящего от условий на их поверхности. Что делает проект орбитрона на Марсе, прообразом аналогичных систем выведения с Меркурия или спутников планет гигантов.
Постоянная транспортная инфраструктура, дорога к Марсу.
Проекты инфраструктурных транспортно космических систем для развития марсианских программ начального этапа технически возможны и выгодны, исходя из долгосрочных планов. Из перечисленных проектов, самый дешевый в реализации, проект многоразовых, химических ракетопланов. Самый универсальный, проект Орбитрон. Марсианский космический лифт, может быть использован в перспективе, на стадии перехода к массовому освоению Марса.
Наличие инфраструктурных систем выведения на Марсе, вместе с около марсианской индустриальной базой и орбитальной транспортной системой. Позволит перевести будущие пилотируемые экспедиции на эту планету из разряда разовых, дорогих и сложных в реализации, в разряд доступных и постоянных. Давая возможность регулярно строить марсианские базы и посылать на них новые экспедиции. Подобно тому, как сейчас развиваются программы пилотируемых станций на околоземной орбите.
На земле, для постоянного и масштабного освоения любого отдаленного региона, к нему в первую очередь прокладывают транспортные пути. По аналогии с землей, в космосе, развитие транспортной инфраструктуры, сделает его доступным для освоения. И постоянная система выведения на Марсе, будет служить одним из основных элементов транспортной инфраструктуры, которая станет дорогой к освоению этой планеты.
Николай Агапов.
|
