Аппарат, использующий солнечную энергию и жидкий водород в качестве топлива способный выходить на орбиту за счет тяги собственного двигателя, но при достижении рабочей орбиты переходящий в режим солнечного генератора, может стать перспективным составным элементом будущих орбитальных солнечных электростанций.

 Сейчас для выведения на орбиту используют двигатели на химическом топливе, получают энергию для создания реактивного импульса за счет реакции горения топлива и окислителя. Энергетика химического топлива, вполне удовлетворяет запросам современной космонавтики, но все-таки она низкая, на орбиту выводится только 1,5 - 5% от стартовой массы ракет носителей. Сейчас есть несколько перспективных направлений повышения массовой эффективности средств выведения. Среди которых, наиболее реалистичные это так называемые "Термические двигатели", работающие за счет тепла подводимого к топливу из вне. В качестве топлива предполагается использовать водород, имеющий в два, три раза более высокую скорость истечения реактивной струи. 8 - 9 километров в секунду, против 3 - 4,5 километров в секунду, типичных для серийных химических ракет. 

 В термических двигателях, топливо не сжигается, а используется в качестве нейтрального "Рабочего тела", нагреваемого за счет энергии подводимой из внешних источников и преобразующего тепловую энергию в энергию реактивной тяги. Водород считается одним из лучших рабочих тел для термических двигателей, благодаря высокой скорости распространения, которая позволяет получать вдвое или трое более высокую скорость истечения при температуре сходной с горением химического топлива, 3000 - 3500 градусов и терпимой для конструкции двигателей.

 Высокая скорость истечения водорода, позволяет в 2 - 3 раза сократить расход топлива на получение одинаковой тяги. Но двух трех кратное снижение расхода топлива в реальной ракете позволит снизить стартовый вес приблизительно в 10 раз. Скорость истечения продуктов горения химического топлива в несколько раз ниже орбитальной скорости, поэтому для достижения орбиты на химическом топливе, ее двигатели должны поднимать с земли вес топлива в 25 - 40 раз превышающий вес полезной нагрузки. Из-за высокого соотношения веса топлива к полезному грузу, химические ракеты разделяют на несколько ступеней, иначе вес топлива и топливных баков будет просто неподъемным для двигателей. У перспективных термических двигателей, работающих на водороде, скорость истечения реактивной струи сравнима с орбитальной скоростью   - 8000 метров в секунду. Масса топлива необходимого для выхода на орбиту, только в 5 - 6 раз превышает вес не заправленного аппарата. То есть аппарат будет сравнительно небольшим и одноступенчатым.

 Использование "Водородных" термических двигателей может дать огромные перспективы. Вместо монструозных многоступенчатых ракет имеющих мизерную эффективность, Средством доставки в космос станут относительно компактные аппараты, вес двигателей и топливных баков которых будет сравним с весом полезной нагрузки. Термические двигатели имеют большие преимущества, но их применение на практике сдерживает отсутствие подходящего внешнего источника тепла.  Источник тепла должен быть мощным, но при этом легким, не дорогим и по возможности безопасным. Получать источники тепла большой мощности за счет сжигания химического топлива просто, благодаря чему эти двигатели и получили широкое распространение. С источниками энергии для термических двигателей дело обстоит сложнее.

 Есть несколько основных типов источников тепла для термических двигателей, каждый из которых имеет свои достоинства и свои недостатки. 

 Атомные источники тепла. Достаточно мощные, их мощность и запас тепла практически не ограниченны, в этом их большое преимущество. Но атомных реакторов много и недостатков. Реакторы тяжелые и их вес сильно снижает «Массовое совершенство» силовых установок. Из -за большого веса, серийные атомные реакторы практически не пригодны для старта термических ракет с земли. Хотя теоретически их удельную мощность можно повысить, но это потребует радикальной модернизации. Реакторы дорогие и являются источником высокой радиационной опасности. Из-за дороговизны реакторов их не выгодно использовать в составе одноразовых средств выведения, многоразовые ракеты с атомными реакторами будут источником повышенной радиационной опасности. На летающих аппаратах, от радиации практически невозможно защитится, защитные экраны весят сотни или тысячи тонн. Реакторы без защиты будут облучать жесткой радиацией все вокруг, что будет сильно затруднять обслуживание аппаратов и сделает их источником повышенной опасности. Ядерные ракетные двигатели планируется использовать в качестве силовых установок мощных одноразовых разгонных модулей, для полетов на другие планеты. Работа этих двигателей в околоземном пространстве и возращение возвращение в окрестности земли не предполагается, поэтому их радиоактивность не будет источником опасности.  

Источники тепла подводимого в виде искусственного направленного излучения, лазерного или микроволнового луча. Они легче и дешевле атомных, не радиоактивны, что в перспективе позволяет использовать их в качестве средств выведения, способного конкурировать с химическими ракетами. Но для их работы нужны сверхмощные лазеры или микроволновые пушки, которые еще не созданы. Подобные источники излучения будут сложными и дорогими, поэтому проекты систем выведения с термическими двигателями, рассчитанными на подсветку мощным излучением, могут быть реализованы только в отдаленном будущем. Сейчас для них нет необходимого научно технического задела.

 Солнечные источники тепла. Солнечный свет можно сконцентрировать легкими вогнутыми зеркалами из фольги или зеркальной пластиковой пленки. Что позволяет получить тепловые потоки достаточно высокой мощности без сложных или дорогих приспособлений. Недостаток солнечных источников тепла в их относительно низкой мощности. Сверхлегкие концентрирующие зеркала позволяют получить мощные тепловые потоки, но их мощность остается недостаточной для достижения серьезной тяги. Для аппаратов подобного типа нельзя получить значительную грузоподъемность, по самым оптимистичным подсчетам, их полезная нагрузка не сможет превысить нескольких сотен килограмм.  В качестве средства выведения солнечные термические аппараты с концентрирующими зеркалами будут малоэффективны и скорее всего не рентабельны. По конструкции, такие аппараты сложнее химических ракет, и снижение расхода топлива не даст снижения стоимости пуска. Солнечные термические двигатели будут сложнее химических и соответственно дороже. Их расход топлива будет низким, но истерна с топливом стоит дешевле высокотехнологичного двигателя.  

 Солнечно термические ракеты не смогут конкурировать с химическими в качестве средства выведения. Но в том случае если сами аппараты будут выполнять какие то полезные функции, использование солнечно термических двигателей будет выгодным, так как оно позволит отказаться от носителя для пуска. 

  Я предлагаю концепцию использования солнечно термических аппаратов, в качестве мощных космических электрогенераторов, орбитальных электростанций или телескопов.  В этом случае аппараты будут выходить на орбиту за счет собственных двигателей, а в космосе выполнять полезные функции. Как средство выведения, солнечно термические аппараты не эффективны. Но если они будут использоваться как космические генераторы или телескопы, доставка в космос «Своим ходом», избавляет заказчиков от затрат на химический носитель и будет экономически выгодной.

 По конструкции, аппараты будут представлять собой подобие воздушного шара, с надувным солнечным «Концентратором» вместо баллона. Оптимальная форма концентратора яйцевидная, с сужением к верху. Такая форма, позволит снизить расхождение светового пучка отраженного зеркалом. Свет, отраженный зеркалами должен концентрироваться на двигателе, расположенном в центре аппарата. Топливные баки сферической формы, должны располагаться вокруг двигателя. Топливом аппарата должен служить жидкий водород. Для питания турбинных, топливных насосов должно использоваться вспомогательное не криогенное однокомпонентное топливо. В качестве вспомогательного топлива должен использоваться несимметричный диметилгидразин (Гептил), или смесь нитрометана с керосином. После срабатывание на турбине продукты горения вспомогательного топлива, содержащие много сажи должны смешиваться с поступающим в двигатель водородом. «Затемнение» водорода сажей позволит ему хорошо поглощать солнечный свет, что избавит от необходимости оснащать двигатель поглотителями и теплообменниками, позволяя нагревать «Рабочее тело», водород, напрямую, сконцентрированным солнечным светом.

Концентратор, сделанный из сверхтонкой пластиковой пленки, на активном участке траектории должен поддерживать форму за счет наддува газом. После выхода на рабочие орбиты, он потеряет герметичность из-за метеорной пыли. Но в невесомости концентратор сможет держать форму за счет разреженного ионизированного газа удерживаемого внутри пленочного баллона электростатическим или магнитным полем.    

 Концентраторные аппараты, могут стартовать с земли двумя способами. Выходя за пределы атмосферы при помощи недорогих, многоразовых «Суборбитальных» химических ракет. После чего должны надуваться концентраторы и аппараты должны переходить на «Солнечную тягу». Или преодолевая атмосферу за счет подъемной силы концентраторов наполненных водородом, работающим как баллоны аэростатов. Концентраторные аппараты имеют низкий вес по сравнению с объемом концентраторов, что позволит им подниматься на высоту в десятки километров, только за счет подъемной силы баллонов. На такой высоте плотность воздуха меньше процента от привычной на уровне моря. А масса свода воздуха не превышает десяти сантиметров водяного столба. Соответственно будет низким и сопротивление воздуха при дальнейшем вертикальном полете на собственных двигателях. Кроме того, будет возможность использовать в качестве «Дарового» рабочего тела газ запасенный в баллонах или забортный атмосферный воздух. Что позволит снизить расход запасенного на борту топлива, на атмосферном участке.

 На орбите, аппарат может служить солнечным генератором. В этом случае концентратор, должен направлять поток солнечного света не на двигатель, а на тепловой генератор или солнечные батареи. Создание теплового генератора нужного массового совершенства, который бы весил в пределах 100 килограмм и преобразовывал в электричество тепловые потоки, мощностью до нескольких десятков тысяч киловатт, маловероятно. Поэтому, более реалистично выглядит, использование для генерации электричества пленочных фотоэлементов, которые, хоть и имеют низкий КПД, но укладываются в массовые ограничения. Пленочные фотоэлементы могут быть расположены под зеркальным слоем, который может быть вытравлен химическими реагентами после выхода на рабочую орбиту. Фотоэлементами можно покрыть как основное зеркало, так и вторичное зеркало, концентрирующее солнечные лучи на двигателе. В случае покрытия фотоэлектрической пленкой, основного зеркала, сильно увеличится вес концентратора. Снизить массовые накладки, можно за счет размещения фотоэлементов под вторичным зеркалом. В этом случае свет, сконцентрированный первичным зеркалом в десятки раз, позволит соответственно снизить площадь фотоэлементов. Но сильно обострятся такие проблемы связанные с перегревом фотоэлектрической пленки. Серийные типы фотоэлектрической пленки под действием сконцентрированного света, просто сгорят. Но некоторые перспективные типы фотоэлементов на графите или «Графене», способны выдерживать высокие температуры.  

 Так же возможно, использование другого типа перспективных фотоэлементов, состоящих из дипольных «Наноантенн» или  - «Ректенн», преобразующих световые волны в электричество по принципу обычных дипольных антенн, работающих на радиоволнах. Но имеющих размеры соответствующие длине световых волн светового диапазона. Фотоэлементы на ректеннах, должны быть легче иметь в разы более высокий КПД, но серийных образцов фотопреобразователей этого типа еще не создано. Хотя в этом направлении идут интенсивные разработки, не исключено что фотоэлектрическая пленка на ректеннах, будет доступна в открытой продаже к моменту реализации первых проектов солнечно термических ракет.   

 Для космических солнечных электростанций, оптимальная, так называемая «Геостационарная» орбита, скорость вращения спутников на которой совпадает со скоростью вращения земли, благодаря чему размещенные на этой орбите аппараты неподвижны относительно земной поверхности. Геостационарная орбита имеет большую высоту, 36 тысяч километров над поверхностью. Выведение на эту орбиту требует больших затрат топлива. Экономичность водородных солнечно термических двигателей позволят выводить на геостационарную орбиту одноступенчатые аппараты прямо с земли. В отличие от химических ракет, солнечные аппараты более удобно выводить на геостационар без предварительного выхода на круговую околоземную орбиту, по почти вертикальной траектории с небольшим уклоном в сторону вращения земли. Такая траектория выведения позволит сократить время полета на активном участке траектории, что сведет к минимуму потери на испарение легкокипящего жидкого водорода. К тому же она удобна для концентраторов, благодаря тому, что обеспечивает постоянную ориентацию на солнце, почти без маневрирования и избавляет от риска попадания в тень земли. 

 После выхода на орбиту, концентраторные генераторы должны объединяться в сборки, обладающие гигаваттной суммарной мощностью. 

 Концентраторные генераторы выходящие на орбиту за счет тяги собственных, солнечно термических двигателей, удобны во многих отношениях. Они не нуждаются в химических носителях, что снижает стоимость выведения. Преимущества отказа от химических носителей станут особенно явными при больших масштабах. Таких как создание сетей орбитальных электростанций промышленной мощности, требующих тысяч пусков. Большие масштабы, так же будут снижать стоимость аппаратов. Чем более массовое производство, тем ниже цена отдельно взятого изделия, и тем выше его надежность.   

 Концентраторные ракеты можно использовать так же в качестве орбитальных телескопов. В этом качестве их преимуществом служит большая площадь зеркала, в десятки и сотни раз выше привычных аналогов. Но в отличие от зеркал со стеклянными зеркалами, концентраторы из пластиковой пленки не позволят получить высокую четкость изображения. Для исследования дальнего космоса концентраторные телескопы скорее всего будут не пригодны. Но они могут оказаться очень полезны для слежения за астероидами.  

 В последнее время, мировое сообщество начало более ясно осознавать угрозы исходящие от астероидов и начались проработки эскизных проектов глобальных систем противоастероидной защиты. Для защиты от опасных астероидов в первую очередь нужны эффективные системы их обнаружения. Но большинство современных телескопов не позволяют эффективно отслеживать потенциально опасные астероиды. У большинства опасных астероидов небольшие размеры и низкий коэффициент отражения их плохо видно в телескопы. А кроме того, астрономические телескопы рассчитаны на наблюдение за очень узкими участками пространства. Они не предназначены для отслеживания обширных участков астероидных полей и околоземного пространства. Концентраторные зеркала будут обладать большой площадью зеркал, облегчающей мониторинг пространства и повышающей шансы заметить астероиды диаметром порядка десятков метров. На долю которых приходится большинство потенциально опасных метеоритных тел. Низкое качество изображения, для систем слежения за астероидами не является серьезным недостатком, опасные астероиды нужно в первую очередь своевременно замечать, а не рассматривать их детали. 

 В качестве средства слежения за астероидами, орбитальные аппараты с концентраторными зеркалами во многих отношениях выигрывают у традиционных космических или наземных телескопов. Они высоко эффективны, относительно дешевы. Их создание не требует сложных и дорогих уникальных технологий, что позволит быстро разворачивать системы за слежения за астероидами глобальных масштабов.  

 Концентраторные аппараты с солнечно термическими двигателями будут выходить на орбиту без использования химических ракет. И затраты на их выведение будут значительно меньшими чем пуски традиционных ракет. Эти аппараты не смогут взять на себя роль средств космического транспорта или универсальных кораблей, но для своих специфических функций они могут быть очень рациональны. Использование этих аппаратов позволит значительно облегчить создание глобальных систем слежения за астероидами или развитие космической солнечной энергетики.    

 Николай Агапов.  

 Обсудить в форуме:   http://cosmosclub.forum2x2.ru/t12-topic#15