Инфицированы будущим
При поддержке

Прогностика — наука для предсказания будущего. Философия ставит две проблемы прогнозирования (футурологии): первая — будущее не существует как объект, вторая — прогнозирование как исследование тенденций развития бытия — не есть наука. В то же время любая теория, любая форма общественного сознания предполагает размышления о будущем, без надежды на будущее нет смысла настоящего.

Космос будущего → На чём добраться до орбиты?

Прежде, чем фантазировать насчёт освоения космоса, неплохо-бы разобраться, как мы в этот самый космос будем попадать. Потому как у меня есть огромные сомнения в светлом будущем космонавтики, расходующей десятки миллионов долларов на каждый запуск ракеты.

Вот и давайте прикинем, что у нас есть и что реально можно сделать. Именно реально - без всяких там космических лифтов, пусковых петель, разгонных колец вокруг всего экватора, антигравитации и прочей фантастики.

Вариантов останется не так уж и много: ракеты, ракетопланы и пушки. Это то, что реально осуществимо и применимо в ближайшем будущем.

1. Ракеты

Это чертовски расточительные устройства, которые выводят на орбиту всего 2--3% от собственной стартовой массы. Причём, самый дешёвый старт грузовой ракеты обойдётся в сумму порядка 10 млн. долларов. Самый дешёвый. А типичный старт ракеты стоит 60--80 миллионов. Если-же вам нужно закинуть что-то на геостационарную орбиту - готовьтесь выложить больше сотни миллионов. И это только сам запуск без стоимости полезного груза.

Давайте теперь посмотрим на пилотируемую космонавтику. Смотреть, правда, особенно не на что: российский “Союз”, американский “Спейс шаттл”, китайская копия “Союза” - “Шэньчжень”.

Китайские клоны при наличии оригинала учитывать не будем. Шаттлы тоже можно не брать во внимание - они уже заканчивают свои полёты. Что, вобщем-то и неудивительно, при стоимости запуска Шаттла в полмиллиарда долларов. Правда, Шаттлы были восьмиместными против трёхместных Союзов, так ведь и запуск российских кораблей обходится “всего” в 40 миллионов.

800px-soyuz_tma-7_spacecraft2edit1.jpg

Из перспективных кораблей можно обратить внимание на “Dragon”, разработанный частной американской компанией. Он уже летал в автоматическом варианте и, скорее всего, будет летать и дальше. Потому как NASA, оставшись без собственных кораблей, уже подписало контракт с разработчиками Дракона на 12 запусков суммой 1,6 млрд. долларов. То есть, один запуск обойдётся в 130 миллионов. Поскольку корабль семиместный, получаем 19 млн. на человека. Недёшево!

dragonweb4a.jpg

Давайте подумаем, как улучшить характеристики ракет. Хотя, думать-то особенно и не надо. Рецепт хорошей ракеты прописан в формулах Циолковского: уменьшение стартовой массы ракеты относительно массы полезного груза, увеличение скорости истечения рабочего тела, увеличение количества ступеней ракеты.

Впрочем, свыше трёх ступеней обычно не делают, т.к. при большем количестве ступеней характеристики улучшаются незначительно, а сложность заметно возрастает.

Значит, остаётся уменьшать массу конструкций ракеты и увеличивать скорость рабочего тела. Однако и конструкцию ракеты нельзя уменьшать до бесконечности - она должна выдерживать возникающие при старте перегрузки. Конструкции ракет уже и так облегчены до предела. Например, “сухая” масса “Протона” - 47 тонн, а топлива в него заправляют 620 тонн!

Так что все надежды только на усовершенствование двигателей. А они нынче химического типа. То есть, основаны на горении топлива. Не будем перечислять все варианты горючего и окислителя (их слишком много), упомянем только водород и керосин, окисляемые кислородом. При этом удельный импульс (скорость истечения) для керосина - около 3000 м/с, для водорода - 4500. А т.к. нам нужны бОльшие скорости, надо смотреть на другие типы двигателей.

И такие двигатели есть, и они даже применяются. Это ионные двигатели, удельный импульс которых достигает сотен километров в секунду! Но - увы! Тяга этих двигателей измеряется граммами, в отличие от сотен тонно-сил тяги химических двигателей. Для полётов куда-нибудь к Юпитеру постоянно работающий ионный двигатель даже лучше, чем работающий несколько минут химический. Однако, для старта с поверхности планет ионный двигатель не годится.

Смотрим, что у нас есть ещё. Плазменные, электрические, магнитогидродинамические... Всё - туфта! Слишком маленькая тяга. Единственное, что нас спасает - ядерные ракетные двигатели. Их тяга сопоставима с тягой химических двигателей, зато удельный импульс гораздо выше. Например, разработанный в Советском Союзе твердофазный ядерный двигатель РД-0410 имеет удельный импульс 9000 м/с. Казалось-бы, всего в 3 раза выше, чем у керосина. Однако, эти “всего 3 раза” на практике выливаются в колоссальную разницу. Например, для вывода десятитонного спутника на орбиту высотой 250 км нужна "керосиновая” ракета весом 300 тонн или-же ядерная весом 30! Заметная разница, не правда-ли?

yd1-m.gif

Принцип работы ЯРД очень прост - нагрев рабочего тела при его прокачивании через ядерный реактор. И не стоит пугаться слова “ядерный”: при штатной работе двигателя радиоактивного заражения не происходит, а на случай аварий несомненно будут предусмотрены соответствующие средства безопасности. К тому-же, эти двигатели очевидно будут устанавливаться на многоразовые космические корабли, соответственно они будут аккуратно приземляться для повторного использования.

Ещё более высокие показатели обеспечат жидкофазные и газофазные ядерные двигатели. В них делящееся вещество раскалено до такой степени, что находится в жидком и даже газообразном состоянии. Удельный импульс этих двигателей - 15000 и более 30000 м/с соответственно! При таких параметрах для выхода ракеты на орбиту будет достаточно одной ступени, а полёты к Марсу или Венере станут обыденным делом. В принципе, нет никаких непреодолимых проблем для разработки таких двигателей. В СССР даже был разработан действующий образец тепловыделяющей сборки газофазного ЯРД. Основная причина того, что эти двигатели не используются - боязнь возможного радиоактивного заражения при авариях космических аппаратов.

Но, похоже, дело сдвинулось с мёртвой точки: Роскосмос заявил о начале разработки унифицированных модулей атомных силовых установок большой мощности для космических аппаратов. Первые рабочие экземпляры должны быть готовы через 5-8 лет. Правда, эти реакторы будут применяться не в ЯРД, а как источники энергии для ионных двигателей. Однако, есть надежда, что эксплуатация этих реакторов изменит предвзятое отношение к мирному атому в космосе и дело таки дойдёт до разработки ЯРД.

2. Ракетопланы (воздушно-космические самолёты)

При подъёме в космос ракета преодолевает земное притяжение, но не самым эффективным способом: ведь до высоты 30-40 километров вполне можно использовать подъёмную силу атмосферы. К тому-же, до таких высот можно и окислитель для топлива не в баках везти, а брать прямо из окружающего воздуха. Налицо двойная экономия.

Конечно, от 40 километров до космоса ещё подниматься и подниматься, так ведь и основной расход топлива приходится на первую ступень ракеты. И любой процент экономии здесь будет более заметен.

К сожалению, при использовании химических двигателей чрезвычайно сложно построить “классический” одноступенчатый ракетоплан, достигающий орбиты только на собственных двигателях без ускорителей и сбрасываемых баков. А ЯРД на него вряд-ли поставят. Во всяком случае, в ближайшее время.

Поэтому имеет смысл рассмотреть двухступенчатые системы, коих придумано уже достаточное количество. Сходу можно вспомнить Зенгер, МАКС, Спираль. Некоторые элементы этих систем уже были воплощены “в железе”: для проекта МАКС созданы уникальные трёхкомпонентные двигатели РД-701, для проекта Спираль построен и испытывался экспериментальный орбитальный самолёт... К сожалению, ни одна из этих систем по разным причинам (в основном финансового плана) не была доведена до конца.

spiral7.gif

Однако, я не сомневаюсь, что такие системы будут применяться в будущем. Помимо энергетической эффективности вывода грузов на орбиту у них есть и другие преимущества.

Для них не нужно строить дорогостоящие космодромы - взлёт самолёта-носителя может производиться с обычного аэродрома. Посадка орбитального самолёта также производится на аэродром. А благодаря тому, что старт происходит в воздухе, можно производить запуск из любой точки мира, в частности, из самого энергетически выгодного места - с экватора.

Оптимальный вариант “первой ступени” - гиперзвуковой самолёт-носитель. В перспективе он может разгоняться до скоростей 10-15М (3-4,5 км/с), что составляет половину скорости, необходимой для выхода на орбиту. Фактически, имея такую скорость, гиперзвуковой разгонщик можно использовать и как суборбитальный самолёт для “покатушек” космических туристов. Разогнавшись в атмосфере, он по параболической траектории сможет достичь высоты более 500 км, а время пребывания в невесомости составит свыше 10 минут.

Кроме того, суборбитальный самолёт можно использовать и как транспортное средство, позволяющее за пару часов долететь в любую точку планеты.

a2_ground.jpg

К сожалению, гиперзвуковых самолётов пока не существует. Их разработка сопряжена со множеством технических проблем, для решения которых необходимы огромные финансовые ресурсы. Одна из проблем состоит в том, что гиперзвуковой двигатель начинает эффективно работать со скорости 6-8М, до которой его нужно разогнать. Разгон до таких скоростей можно сделать двумя способами:

1) с помощью ракетного двигателя

2) с помощью сверхзвукового прямоточного воздушно-реактивного двигателя (СПВРД)

Но и сам СПВРД, как понятно из названия, работает на сверхзвуковых скоростях, до которых его тоже нужно разогнать. Сделать это можно обычными турбореактивными двигателями. Однако, это совсем “некрасиво” с инженерной точки зрения - устанавливать на один самолёт аж три разных типа двигателей! Поэтому придумали более интересный вариант - комбинированный гиперзвуковой/сверхзвуковой ПВРД. До скоростей примерно 5М (зависит от конструкции) он работает как СПВРД, а дальше меняет геометрию и переходит в режим ГПВРД. В этом случае летательный аппарат может обойтись таким комбинированным двигателем и обычными ТРД для разгона до скорости звука и манёвров при посадке.

Вторая большая проблема - очень сильный нагрев корпуса аппарата при полёте в атмосфере на таких скоростях. Носовая часть фюзеляжа, передних кромок крыльев и воздухозаборника могут нагреваться до температур порядка полутора тысяч градусов, т.е. до температуры плавления стали. Следовательно, нужно изготавливать эти части аппарата из специальных жаростойких материалов, устанавливать систему охлаждения и очень быстро избавляться от огромного количества тепла. Тут тоже есть пара вариантов:

1) при хранении топлива в виде жидкого водорода можно прокачивать через двойные стенки летательного аппарата жидкий водород, который будет испаряться и направляться в двигательную установку

2) при использовании керосина его можно разлагать в присутствии катализаторов на водород и прочие углеводороды, при этом происходит поглощение большого количества тепла. Разумеется, продукты разложения также идут в двигатели и уносят тепло с собой.

Второй вариант используется в совершенно фантастической на первый взгляд системе “Аякс”. Читаешь, и не веришь: МГД генераторы, МГД ускорители, снижение сопротивления среды ионизацией воздуха, управление аэродинамикой аппарата с помощью плазмы... Окончательно обалдеваешь, когда узнаёшь, что часть из этих технологий уже успешно испытана!

maxpl.jpg

Впрочем, это, действительно, дело не самого близкого будущего. Зато уже сейчас есть неплохой кандидат на роль воздушной стартовой площадки - Ан-225 “Мрія”. Именно этот самолёт должен использоваться в многоцелевой авиакосмической системе (МАКС). Конечно, скорости тут гораздо меньше - дозвуковые, зато этот самолёт уже давно летает, да и остальные части системы вполне отработаны. Себестоимость вывода грузов с помощью МАКС составит всего 1 тыс. долларов/кг.

 

3. Пушки

Наверняка вы читали “Из пушки на Луну” Жюля Верна. Конечно, это сплошная фантастика, но, действительно, почему-бы не запускать космические корабли, выстреливая ими из пушки? Ответ вам даст любой школьник, не прогуливавший уроки физики. Причин несколько:

1) Огромные ускорения, возникающие при выстреле. 5000g - это смертельно не только для человека, но и для большей части обычной “начинки“ спутников

2) Малая скорость распространения пороховых газов - около 2 км/с, что очень далеко от первой коспической скорости. А снаряд не полетит быстрее, чем толкающие его газы.

3) Даже если-бы скорость была достаточной, спутник полетел-бы по эллиптической орбите, которая проходит через ствол пушки. То есть, фактически, врезался-бы в Землю.

Можно-ли справиться с этими проблемами? Можно! Давайте разбираться по очереди.

Ускорения

Да, они велики. Но на орбиту нужно отправлять немало грузов, которые запросто переживут такие ускорения: ракетное топливо, кислород, вода и прочие жидкие и сыпучие грузы. Конечно, в снаряде поместится относительно немного груза, зато это компенсируется низкой ценой вывода. И освободит дорогостоящее место в грузовых космических кораблях для прочих, более хрупких грузов.

Орбита

Это, на самом деле, не большая проблема. Достаточно снабдить снаряды собственными двигателями для коррекции траектории. Подобная технология уже давно применяется в управляемых артиллерийских снарядах и ракетах, которыми стреляют из танковых пушек.

Небольшая скорость пороховых газов

Эта проблема решается применением низкомолекулярных газов, которые имеют самую высокую скоростью расширения. Идеальный вариант - водород. И такие пушки уже испытывались. На водородной пушке SHARP удалось достичь скорости снаряда 3 км/с, а после модернизации планировалось получить 7 км/с. К сожалению, из-за прекращения финансирования проект был закрыт. Но на пушке предыдущего поколения (проект HARP) удалось забросить снаряд на 180 км вверх. Увы! И этот проект закрыли.

Project_Harp.jpg

Однако, “упавшее знамя” подхватила недавно организованная компания Quicklaunch. Эта фирма обещает запускать на орбиту аппараты массой 450 кг, которые будут вылетать из пушки со скоростью 6 км/с. Уже в космосе аппарат включит собственный двигатель, скорректирует траекторию и разгонится до орбитальной скорости.

1264003685-0.jpeg

Пушка у Quicklaunch будет немаленькой - больше километра длиной. А чтобы не строить подпорки для придания нужного угла стволу, пушка будет плавать в море, погружённая в воду под углом. Ориентировочная стоимость вывода грузов составит всего 550$ за килограмм! Учитывая, что сейчас минимальная стоимость - около 3 тыс. долларов (при условии полной загрузки ракеты-носителя), получается в 6 раз дешевле.

Осталось найти полмиллиарда долларов, чтобы построить пушку...

 

Итак, что-же нас ждёт в будущем? Какой проект победит? Лично я не знаю. Скорее всего, будут одновременно использоваться несколько способов вывода грузов на орбиту. В идеале, хотелось-бы увидеть реализацию проекта “Аякс” и использование на космических кораблях ЯРД, однако, не думаю, что это произойдёт в ближайшие лет 20. За это время можно будет только построить “суперпушку” и наконец-то доделать проект МАКС. Да и то только в том случае, если найдутся источники финансирования.

  9

Комментарии

Лучший пост, имхо.

Хотелось бы уточнить мотивы накакавших в карму за этот комментарий ;)) Впрочем ответа не дождусь, уверен.

Очень хороший текст, но его много, не все дочитают до конца. Пару картинок/диаграмм помогли бы.

Правильней былоб назвать "Подведение итогов конкурса" =)

Первая годная статья, которую я здесь вижу. Хотя немного графики и надерганных иллюстраций не помешало бы, да.

А что думает автор по поводу использования рельсотронов в пушечном варианте?

По многочисленным просьбам добавил картинок.

Насчёт рельсотрона. Он пока непригоден для запуска космических аппаратов. Дело в том, что до больших скоростей он умеет разгонять только лёгкие объекты. А кому нужен пятикилограммовый спутник? Даже если кому и нужен - его недорого вывезут в качестве попутного груза при запуске ближайшей ракеты. Причём - в щадящем режиме, с ускорениями в тысячу раз меньше, чем на рельсотроне.

Ещё один момент, о котором не пишут в рекламных буклетах - очень быстрый износ рельсов. Под воздействием огромных токов, раскалённой плазмы и проносящихся снарядов рельсы испаряются, оплавляются, истираются и т.п. Насколько часто их приходится менять, я точно не знаю. В интернете встречаются цифры от трёх до 35 запусков на одном комплекте рельс. Для какого-нибудь боевого корабля с десятиметровым рельсотроном это не проблема. А для космического ускорителя длиной несколько километров это кранты. После двух-трёх десятков запусков лёгоньких спутников менять рельсы? Да оно никогда не окупится. К тому-же, надо ещё сильно постараться, чтобы найти два десятка клиентов на запуск маленьких спутников, выдерживающих чудовищные ускорения.

Впрочем, обо всём этом ещё слишком рано говорить. Современным рельсотронам до космических запусков как самолёту братьев Райт до скорости звука.

Очень стесняюсь спросить - где ээээ логика? Вы объявляете рельсотроны в принципе невостребованными из-за отсутствия спроса - и тут же постите проект легкогазовой пушки как образец экономической осмысленности. Таам что - ускорения особо щадящие - или живучесть ствола гигантская? Утверждения о том, что на эсминцах будут менять стволы каждые три минуты - скорострельность то пушек будет 6-12 выстрелов - это шедевр. Вы не понимаете разницы между лабораторными установками и боевыми образцами? Как раз рейлганы и будут иметь живучесть, гораздо большую, чем у обычной артиллерии - в том числе легкогазовой.

Вроде старался писать аккуратно:"пока непригоден" и "обо всём этом ещё слишком рано говорить". То есть, я говорю только о том, что в данный момент они непригодны для запуска космических аппаратов. Будут-ли когда-то пригодны? Возможно. Но, явно нескоро, т.к. по планам американцев в 2020 году рельсотрон будет стрелять снарядами массой всего 15кг!

Оцените: рельсотрон в 2020 году - 15 кг со скоростью порядка 3 км/с. Планируется. Пушка проекта HARP 50 лет назад - 180 кг со скоростью 3,6 км/с. Реально стреляла. И не металлическими болванками из вольфрама, а ракетами!

Так что, на ближайшие пару-тройку десятилетий я-бы сделал ставку на ствольную артиллерию.

А упоминание об износе рельс - это просто пример того, что не все проблемы рельсотронов описаны в Википедии :)

ХАРПовская пушка на самом деле стреляла снарядами 84 кг - 180 кг это с "шайбой", снаряд-то подкалиберный. При этом - внимание - это удлиннённое орудие 406 мм, исходная длина ствола 20 м, масса тела орудия - сотни тонн, масса "родного снаряда" - внимание - тонна. Это к вопросу об эффективности. Рельсотрон по сравнению с ним - зубочистка, он же для эсминцев предназначен. Хотя Замволт, конечно, тянет на лёгкий крейсер

=ставку на ствольную артиллерию= У боевых рельсотронов есть ствол, вообще-то - с планируемой живучестью в 5000 выстрелов, что в разы больше, чем у крупнокалиберных пороховых пушек. По моему, про износ рельсов Вики как раз пишет :)

Разгонять-то пушке всё-равно приходится 180кг. Впрочем, и 84кг для нынешних рельсотронов - величина недосягаемая.

А вот цифра 5000 выстрелов мне не попадалась, иначе я-бы сделал несколько другие выводы.

Насчёт эффективности. Не могу найти КПД рельсотронов. Не подскажете, сколько?

КПД собственно орудия - 30%, - т.е. как у пороховых пушек на умеренных скоростях снарядов - однако есть тема по подъёму до 50. По сети попадаються цифры в 10%, однако это с учётом КПД источника энергии. Почему 84 кг - величина недосягаемая, при том что 15 кг болванками швыряеться орудие для не самых больших кораблей? Для длииной стационарной установки - более чем досягаемая. При этом повторюсь - "масштабирование" рельсов не создаёт проблемы, а решает, снижая требования к прочности и тэ дэ

Я писал "для нынешних рельсотронов". А уж почему недосягаемая - это вопрос к разработчикам. Видимо, они знают что-то такое, чего не знаем мы. А я смотрю на результаты испытаний и вижу следующее: 2008 - 10 МДж, 2010 - 33 МДж, предположительно к 2025-му году - 64 МДж. То есть, на увеличение энергии в 2 раза планируют потратить аж 15 лет. И, наверное, это неспроста. Если-бы всё было так просто - зачем ждать 15 лет? Сделали-бы в следующем году.

А теперь считаем энергию, которую выдавал HARP: 180*3600*3600/2 = 1,17 ГДж! Даже если учитывать только 84кг, получим 544 МДж, что в 16 раз больше, чем на существующих рельсотронах! Вопрос: если на увеличение энергии в 2 раза нужно 15 лет, сколько понадобится времени, чтобы увеличить энергию в 16 раз?

К 2025-му они планируют иметь ПОЛНОСТЬЮ готовую боевую установку с 64 Мдж, так что о том когда в дальгрене собираються получить 64 мдж как таковые, остаёться только догадываться. Очевидно, гораздо раньше, чем в 2025-м. Пока же мы видим утроение мегаджоулей за два года - ВНИМАНИЕ - при неизменных размерах установки 1,17 ГДж там и близко не было по той незатейливой причине, что "шайба" до 3600 м/с отнюдь не разгонялась, так что...

=Вопрос: если на увеличение энергии в 2 раза нужно 15 лет, сколько понадобится времени, чтобы увеличить энергию в 16 раз?=

Если на увеличение энергии втрое нужно два года при неизменных размерах, то что будет если установку ещё и увеличить?

И кстати, если уж брать стационарную установку длиной в сотни метров - так сказать, "большой вавилон" по рейлгански - то там износ ствола будет ещё меньше, чем у коротких пушек. Дикие мегаамперы на рельсах - у нынешнего аппарата вроде 6 - связаны как раз с ограничением на длину.

"Скорость распространения пороховых газов" в 2 км/с - это вы о чём, собственно? Скорость пороховых газов в стволе орудия зависит от давления - а теоретический верхний предел вовсе не 2 км/с. Применение легких газов связано не с столько ограничениями по скорости, сколько другими траблами. Пушки на нитроцеллюлозном порохе становяться безобразно неэффективными очень задолго до того, как скорости снарядов приблизяться к теоретическому пределу скорости пороховых газов

Скорость расширения газов не может превышать скорости звука в этих газах. А уж скорость звука зависит от температуры и состава газов: v = корень квадратный из (y*R*T)/M. Из этой формулы очевидно, что максимальную скорость обеспечивает водород.

Я в курсе. Однако в случае со скоростями около 3 км/с дело не столько в том, что водород "быстрее" пороховых газов - формально тем скорости ещё хватает для разгона. Просто они банально... тяжёлые. Поэтому огромная часть энергии уходит на разгон самих пороховых газов. Есть такое понятие - "эффективная масса снаряда" (т.е. рассчитанная по количеству энергии, необходимой для разгона). Так вот, с учётом этого момента на высоких скоростях "эффективная масса" бывает в разы больше "физической". В общем, даже если бы водород расширялся со скоростью пороха, он был бы всё равно эффективнее пороха в качестве разгонщика

© 2019 Trend Club