Алексей Леонидович Полюх
Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса
Глава III.
Двигательные системы для освоения планет Солнечной системы, удельный импульс 20-50 км/с. Термокинетические, газокинетические, плазмо-магнитокинетические.
1. Как попасть в монетку.
Как уже можно было догадаться, я сторонник использования "искусственных внешних ресурсов" – то есть подачи энергии и/или вещества извне, без необходимости хранения всего этого в ракете. Причина очевидна: вне ракеты можно хранить бесконечное количество вещества и энергии, притом без привлечения таких фантастических вещей, как антивещество, ядерные изомеры, кристаллы из замороженных атомов и т.п.
Сравните эффективность и стоимость троллейбуса, и аккумуляторного электромобиля. Везде, где только можно, использование подачи энергии извне приносит прибыль, по сравнению с автономным хранением.
Для ракет и дальних межпланетных/межзвёздных перелётов это тем более необходимо, поскольку внутри ракеты много ресурсов не запасёшь, и если лететь далеко и долго – то рано или поздно кончится любой запас, будь это даже антивещество. Поэтому, насколько возможно, прежде всего надо использовать возможности внешних ресурсов, а автономные способы передвижения оставлять для тех ситуаций, где иначе уже никак не обойтись.
Конечно, при разведке и первых посадках на далёкие планеты автономные аппараты необходимы, но для массовой и регулярной перевозки грузов лучше всё-таки использовать что-то более цивилизованное.
Причём, оказывается, что, при одном и том же уровне техники, внешние ресурсы могут иметь много большую концентрацию энергии, чем автономно хранимые: для лучших видов (известного мне) ракетного топлива предел 5-6 км/с, а для подаваемого извне светового луча – 300 000… Но мы пока рассмотрим более дешевые варианты, с удельным импульсом (по отношению к всему используемому веществу) 20-30 км/с; хотя по отношению к массе топлива, расходуемого самой ракетой, эта цифра может быть намного больше – вплоть до бесконечности, если расход собственной массы равен 0.
Самый простой способ придать телу (допустим, ракете) импульс – передать ему импульс от другого тела, у которого он уже есть.
Но здесь возникает сразу три вопроса: 1) где взять это второе тело, а точнее, как его разогнать до нужной скорости, и откуда брать энергию на это; 2) как, собственно попасть (притом что расстояние может быть весьма немалым); 3) и, наконец, как обменяться импульсом, когда попали (есть ещё и 4, и 5… но об этом чуть позже).
Мы сразу начнём со второго вопроса, игнорируя первый ("кто-нибудь потом придумает, как это сделать"). Собственно, способы разогнать микро снаряд до 20 км/с существуют, и вопрос только в достаточной эффективности пушки, чтобы обеспечить требуемую скорострельность при минимальной массе, поскольку всё это придётся размещать как минимум в стратосфере, а лучше на орбите, ещё лучше сразу на геостационарной, или даже на Луне.
Будем оптимистично считать, что у нас уже есть пушка, которая способна выпускать снаряды весом в 1 грамм со скоростью не меньше 20 км/с. Для очень дальних полётов потребуются скорости побольше, но мы покажем альтернативные способы их достижения, вообще без пушки, так что 20 км/с нам пока хватит, остановимся на этом, (хотя 30 км/с всё же лучше). Для достижения ближайших планет солнечной системы ракете надо придать дополнительную скорость порядка 15 км/с, так что использовать носители кинетической энергии с очень большими скоростями нет необходимости.
При этом, какой бы ни была скорость носителей кинетической энергии и импульса, и для любых способов обмена этой энергией и импульсом с другими телами, всё многообразие возможных вариантов сводится к двум основным альтернативам:
1) для передачи импульса ракете используются только сами внешние тела, являющиеся носителями этого импульса, а внутренние ресурсы (топливо) вообще не расходуются;
2) или внешние тела (точнее, в данном случае это может быть внешний источник энергии в любой форме, например излучение) передают ракете главным образом энергию, а дополнительный импульс почти полностью получается за счёт использования внутреннего запаса массы; при этом топливо расходуется, но благодаря дополнительной внешней энергии удельный импульс может быть очень большим.
Обе эти возможности могут быть эффективны в определённых условиях, или комбинироваться определённым образом, так что надо рассмотреть оба варианта.
Но, прежде чем рассматривать способы передачи импульса и энергии между первичным носителем и целевым объектом, всё же вернёмся к техническому вопросу – как, собственно, попасть, этим первичным носителем энергии, в целевое устройство, которое может быть очень небольшим (сопло двигателя, или ещё меньшая по размеру мишень).
Я полагаю, что если будет пушка, способная выпускать микро снаряды с нужной скоростью, то попасть можно куда угодно, и на любом расстоянии, с точностью до сантиметров или даже меньше, если это будет необходимо. Для этого, правда, потребуется заранее развернуть вдоль предполагаемой трассы разгона корабля цепочку устройств для точной корректировки траекторий микроснарядов.
Собственно, именно возможность точной корректировки траектории в промежуточных точках определяет мой выбор в качестве носителя энергии именно материальных тел, а не излучения или потока частиц.
Излучение (например, лазерное) проще получить; оно на порядки быстрее достигает цели на любом расстоянии, и нет необходимости в каких-либо баллистических расчётах траектории; но им практически невозможно управлять в промежуточных точках, и на больших расстояниях пучок любых лучей или частиц неизбежно рассеится, что ставит довольно близкий предел для дальности передачи энергии. При размере фокусирующего зеркала лазерного источника в 10 метров, нельзя получить остроту направленности луча более 107, что на расстоянии 1 млн км даст пятно диаметром 100м, и это реальный предел того, на какое расстояние можно передать энергию небольшому движущемуся аппарату с фокусирующим зеркалом диаметром в десятки метров. Для манёвров в околоземном пространстве, до расстояния примерно 100 тысяч километров, лазерный луч является идеальным посредником для передачи энергии; но вне этих пределов, он не пригоден, и нет возможности улучшить эти параметры хотя бы на порядок.
Конечно, если нам надо что-то разогнать для запуска в межпланетное пространство, то это вполне можно сделать в пределах 100.000 км от Земли, и лазерный луч отлично справится с задачей передачи энергии для этой цели. Но за пределами этого небольшого расстояния от лазерной станции мы ничего передать уже не сможем. Слишком короткая палка окажется в наших руках, и если для одной задачи – вывода на траекторию межпланетного запуска – она подходит хорошо, то для маневрирования вдали от источника излучения, посадок на планеты, и тем более для полётов за пределы Солнечной системы, у нас по прежнему не будет ничего, кроме автономных запасов топлива.
Материальный снаряд, возможно, сложнее разогнать, но зато он обладает одним полезным свойством: он не рассеивается в пространстве, даже на бесконечном расстоянии. Если его траекторию контролировать, то он попадёт в цель целиком, а не на 1%, например.
Пусть у нас есть пушка, способная выпустить снаряд весом в 1 грамм со скоростью 20 км/с, причём исходная погрешность направления полёта составляет 10-5 радиана. Это значит, что на расстоянии 100 км снаряды могут отклониться от траектории до 1 м. (я полагаю, что для электромагнитной пушки можно получить намного более высокую точность).
Будем пока рассматривать движение вне сильных гравитационных полей, то есть по прямой. В гравитационном поле Земли мало что изменится, за исключением того, что корректирующие станции надо будет располагать не по прямой, а вдоль определённой кривой, и появится зависимость погрешности траектории также от продольной погрешности скорости.
На расстоянии 100 км от пушки разместим первую измерительно-корректирующую станцию. Звучит очень основательно, но на самом деле это должно быть устройство общим весом не более 1 кг, так как таких станций потребуется много, их придётся доставлять на высокие орбиты, и это дорого.
Корректирующая станция может представлять собой тонкий лёгкий обруч диаметром 2 м, на котором размещены 3 или 4 лазерных дальномера, и один или несколько более мощных эффекторных лазеров.
Здесь есть разные варианты: лучше всего, если одни и те же лазеры могут использоваться и как измерительные, и как эффекторные. Ещё лучше, если это вообще будет один лазер, дающий несколько импульсов в разных направлениях, с помощью активных диэлектрических зеркал или другой активной оптики. В этом случае, вес всего оборудования может быть снижен до сотен граммов, и в свёрнутом виде такая станция поместится в банку для газировки.
Время пролёта микроснаряда через измерительно-корректирующую систему будет порядка десятков микросекунд, что более чем достаточно, чтобы многократно измерить его координаты и осуществить необходимые корректирующие воздействия.
Точность определения координат может быть очень грубой, до сантиметров, что в принципе позволяет использовать менее точные измерители, чем лазерные, но в этом нет необходимости. Измерять скорость снаряда вообще не требуется, только фактическое отклонение от траектории.
Само корректирующее воздействие на снаряд осуществляется за счёт сублимации материала покрытия боковой поверхности при нагреве лазерным импульсом, и здесь нет сложностей, кроме, быть может, обеспечения устойчивости положения снаряда при боковых толчках и несимметричной потере массы. Если цилиндрический снаряд будет вращаться, то можно нанести на него маркеры, позволяющие отслеживать угол поворота, и равномерно распределять воздействия по всей боковой поверхности. Альтернативой может являться сферический снаряд, которому вообще безразлично, в каком он положении.
Величина однократной корректировки поперечной скорости зависит от отклонения, и максимально (для первых 1-2 колец) может составлять порядка 10-20 см/с. После 1-2 корректировок (если делать их аккуратно) погрешность скорости должна уменьшиться в 10-100 раз, то есть до 1 см/с, а после прохождения 3-4 корректировочных колец она уменьшится до границы статистического шума, вызванного погрешностью положения самих колец, неучтённым влиянием силовых полей, солнечного света и т.д.
Первые 1-2 кольца должны располагаться достаточно близко друг к другу и к пушке, с интервалом менее 100 км, но потом погрешность направления уменьшится на 1-2 порядка, и расстояние между следующими кольцами можно будет увеличить до 1000 км и более.
Величина корректировок скорости снаряда для первых двух колец составит порядка 10 см/с, для третьего и последующих менее 1 см/с, т.е. 2-3 микрограмма сублимируемого вещества на одну корректировку, что позволит осуществлять корректировку десятки тысяч раз, и при расстоянии между кольцами 1000 км, такая цепочка может достать до Марса. (или ещё дальше, так как в межпланетном пространстве интенсивность возмущений траектории снаряда будет небольшой, и расстояние между корректировками траектории можно увеличить). При этом масса всей системы составит всего несколько тонн, при пропускной способности до 10 кг снарядов в секунду.
Надо учитывать один момент, связанный с отдачей, получаемой самими корректировочными кольцами при воздействии на снаряд.
Лазерный луч, направляемый на снаряд, никакого заметного импульса не несёт; но газы, истекающие с поверхности снаряда при сублимации, будут частично (примерно на 1%) попадать на конструкции самого кольца, и передавать ему несимметричный импульс, небольшой, но всё же заметный.
Если при каждой корректировке скорости с поверхности снаряда испаряется 3 мкг вещества со скоростью 3 км/с, и 1% этого газа далее передаёт кольцу не скомпенсированный радиальный импульс, то после пролёта 1000 снарядов кольцу может быть передан импульс 30 мкг газа, что придаст кольцу дополнительную радиальную скорость до 1 мм/с. Это не много, но если эту величину не контролировать, то за минуту наберётся погрешность дрейфа больше метра. В любом случае, корректировочное кольцо должно иметь средства для точного позиционирования и микро корректировок собственного положения и скорости.
С другой стороны, добавочным импульсом, получаемым кольцом при отдаче, можно управлять. Если на самом кольце разместить по кругу маленькие регулировочные плоскости, размером с крыло бабочки, то регулируя их положение можно произвольно изменять силы, действующие на кольцо при истечении газов из его центра. Таким образом можно не только компенсировать силу отдачи, но и маневрировать в некоторых пределах, точно регулируя взаимное расположение колец в цепочке вообще без использования собственных микродвигателей, точнее используя всё кольцо как сопло двигателя, а сублимацию вещества с пролетающих микро снарядов в качестве топлива. При этом частично отпадает необходимость во внешних устройствах для измерения смещения колец относительно траектории, так как сами снаряды несут информацию об этом смещении, хотя и с некоторым дополнительным шумом, который может быть подавлен статистическими методами для извлечения точных координат самого кольца.
Поскольку мы пока не планируем межзвёздные перелёты – нам бы до Марса добраться – то настолько длинная цепочка корректировочных станций пока не нужна. Чтобы разгонять космические аппараты в пределах 20-30 тысяч километров от Земли, достаточно будет всего нескольких десятков корректировочных станций, которые перед запуском поместятся в одном достаточно большом чемодане.
Правда, в гравитационном поле Земли всё несколько сложнее, чем в идеальном сферическом вакууме, который мы рассматривали до сих пор.
Во-первых, снаряды при скорости 20-30 км/с будут лететь явно не по прямой, а по более или менее искривлённой ветви гиперболы. Соответственно, вдоль этой траектории должны находиться корректировочные станции.
Во-вторых, они вообще не смогут там находится, в смысле висеть неподвижно неограниченно долго, а сами должны двигаться по эллиптическим траекториям вокруг Земли. В результате, мы конечно можем в какой-то момент времени идеально выстроить все станции вдоль любой нужной кривой; но через некоторое время они уйдут с неё.
Есть разные варианты, как можно удерживать корректировочные станции на нужной кривой достаточно долго, или даже бесконечно.
На достаточно большом удалении от Земли, или в межпланетном пространстве, где ускорение свободного падения не превышает нескольких сантиметров в секунду (точнее, разность приливных ускорений между разными станциями), можно прямо динамически удерживать их на нужных местах. Это, правда, требует затрат топлива; но во время работы корректировочных станций, когда есть отдача от снарядов, это не требует затрат топлива, мы уже этот момент поясняли. Ускорение, получаемое кольцом от отдачи газов, может достигать нескольких мм/с, а при необходимости его можно специально увеличить на 1-2 порядка, так что корректировочные станции могут использовать этот ресурс для значительной корректировки и изменения положения со временем.
Но на расстояниях менее 100 тыс.км от Земли этот способ не сработает, так как ускорения слишком большие, и для такого маневрирования потребуется очень много топлива.
Здесь остаётся только 1 вариант – все станции должны двигаться по орбитам с одинаковым периодом, но разными эксцентриситетами (и возможно ориентацией осей). Тогда 1 или 2 раза за период все они будут выстраиваться точно вдоль любой нужной нам кривой. До и после этого момента они в течении некоторого времени тоже будут находится вдоль почти такой же кривой, но она будет поворачиваться и плавно изменять свою кривизну.
Даже для низких орбит, в интервале высот до 1000 км, можно подобрать такую конфигурацию синхронных орбит, чтобы, допустим, 1 раз в 2 часа все станции занимали нужное взаимное положение, и сохраняли его в течении нескольких минут. При этом допустимо плавное изменение как направления, так и кривизны траектории, проходящей через станции, так как мы можем выпускать снаряды с разной начальной скоростью (соответственно вдоль траекторий с разной кривизной), а сам разгоняемый аппарат может двигаться под некоторым углом к ним, так что точка пересечения траекторий снарядов и аппарата будет постоянно смещаться вдоль траектории разгона аппарата, а сами траектории снарядов будут при этом постепенно поворачиваться по мере изменения взаимного расположения пушки и цепочки корректировочных станций.
Я полагаю, что даже в таких условиях без затрат топлива можно добиться того, чтобы приемлемое расположение корректировочных станций сохранялось в течении нескольких минут вдоль отрезка (контролируемо изменяемой) кривой длиной порядка 1000 км, что достаточно для разгона беспилотного аппарата до 15 км/с и более.
Если разместить пушку и корректировочные станции на более высоких орбитах, с периодом обращения 24 часа и апогеем 40-70 тыс. км, то соответственно и время их нахождения на нужной траектории можно будет увеличить на порядок. Это позволит создать в пределах ближнего околоземного пространства одну или несколько траекторий разгона длиной до 20-30 тысяч километров и временем стабильности десятки минут, конфигурация которых будет ежедневно точно повторяться над одним и тем же регионом Земли. Это позволит запускать пилотируемые аппараты.
Также, можно разместить станции на орбитах с равным периодом и разным эксцентриситетом, при этом лежащих в разных плоскостях. Тогда траектория движения снарядов может "протыкать" эти плоскости почти перпендикулярно им, и возможно, что такая конфигурация будет сохраняться дольше, чем при размещении на орбитах в одной плоскости.
В общем, очень хорошая задача для компьютерного моделирования.
Задачу удержания корректировочных станций на траектории движения снаряда можно радикально упростить, если число станций будет не более 3х. Через 3 точки всегда можно провести <прямую> гиперболу с изменяемой кривизной, при условии, что мы можем произвольно менять начальную скорость и направление полёта снаряда. Тогда подходящая конфигурация расположения станций будет сохраняться очень долго.
Правда, 3 промежуточных точки контроля это мало; но можно использовать более гибкий гибридный вариант, когда непосредственно вблизи пушки находятся 1-2 первых кольца, ещё 2-3 промежуточных где-то посередине траектории, и ещё 1 или 2 привязаны, на длинном тросе, непосредственно к разгоняемому аппарату. Здесь, правда, потребуется большая точность корректировок скорости снаряда.
Зато в межпланетном пространстве, при отсутствии значительных приливных сил, можно практически бесконечно сохранять произвольные конфигурации взаимного расположения тысяч объектов на расстояниях в миллионы километров друг от друга.
Есть ещё одна очень хорошая возможность очень сильно увеличить время нахождения корректировочных колец на любой заданной кривой с точностью менее 1 мм.
Но для этого надо вспомнить, что нам, на самом деле, не надо, чтобы центры масс корректировочных станций постоянно находились в точно определённом месте. Нас интересует только положение конкретно центра корректировочного кольца. А центр масс пусть гуляет где хочет, хоть за 100 километров. "Но ведь это одно и тоже" – скажет тот, кто не читал про лунный самолёт, из II главы данного опуса. Но мы читали, вспомнили, и теперь знаем, как это сделать. (Вот так, даже не знаешь заранее, где что понадобится. Это называется "синергия технических идей"). В данном случае потребуется не менее 3 балластных грузов, но скорость вращения может быть небольшой.
Теперь мы можем размещать станции где хотим, в пределах сотен километров от их собственных центров масс, и произвольно перемещать в этих пределах без затрат топлива; правда, сами центры масс систем всё же должны подчиняться Ньютоновой механике. При таких условиях, требуемую траекторию расположения корректировочных колец в пространстве можно поддерживать в течении часов, или даже постоянно.
В крайнем случае, всё это можно будет использовать как очень большой детектор гравитационных волн (поскольку, существуй они на самом деле, они будут периодически нарушать точность траекторий…)
В общем, я считаю, что обе эти задачи – разгон снарядов весом в 1 грамм до 20-30 км/с, и их наведение в цель с точностью до 1 <см> мм на любом расстоянии – можно решить при современном уровне техники, и такая система будет небольшой и не дорогой.
Теперь посмотрим, что с этим делать дальше…