Интересная статья!

ОБ ОГРАНИЧЕННОСТИ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВРЕМЕННОЙ КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Доклад, прочитанный в штабе "Космопоиска" 9. 01. 2006.
Сергей Александров 16.01.06


Первых успехов в освоении космического пространства Человечество достигло благодаря термохимическим ракетным двигателями (РД) и баллистическим ракетам-носителям (РН). Они не только вывели автоматические и пилотируемые аппараты на околоземные орбиты, но и позволили совершить посадки на Луну и ближайшие планеты Солнечной системы – Марс, Венеру, проникнуть в окрестности дальних планет. Однако даже сегодня, когда зона космического пространства, подверженная интенсивному практическому освоению, ограничена геостационарной орбитой, уже заметен предел возможностей этих технических средств.
Предел этот обусловлен двумя комплексами проблем, одна из которых очень хорошо известна как специалистам, так и вообще интересующимся космонавтикой, другая – не всегда осознается даже специалистами (хотя – необходимо отметить! – в немалой степени освещена авторами научной фантастики). Начнем с первого комплекса проблем, это – энергетика космических полетов.

Поскольку единственным способом перемещения в космосе до сей поры считается реактивный, то энергия, которой располагает космический аппарат (КА), однозначно определяется формулой Циолковского - произведением скорости истечения рабочего тела из ракетного двигателя и логарифма отношения стартовой и конечной масс ракеты:


V = wLn(Mо/(Mо-Mрт)),

Где:
V – характеристическая скорость или скорость реактивного ЛА после израсходования рабочего тела массой Мрт, м/с;
w – скорость истечения рабочего тела из ракетного двигателя, м/с;
Мо – стартовая масса ракетного летательного аппарата (ЛА), кг;
Мрт – масса рабочего тела, кг.

Характеристическая скорость в соответствии с законами небесной механики однозначно определяет возможности данного ЛА. Для того, чтобы выйти на околоземную орбиту ЛА должен разогнаться до скорости около 8 км/с, примерно такая же скорость нужна и для того, чтобы повернуть плоскость околоземной орбиты. Скорость 11,2 км/с позволит КА выйти из сферы действия Земли, т.е. удалиться от нашей планеты на такое расстояние, где силы притяжения Земли и Солнца сравняются. Для справки: средняя скорость движения Земли вокруг Солнца – 29.78 км/с, а вот скорость рейсового реактивного самолета в тех же единицах – 0,25 км/с.
Скорость истечения рабочего тела является главной качественной характеристикой ракетного двигателя, зависит от применяемого топлива и конструкции самого силового агрегата. В общем случае она прямо пропорциональна корню квадратному из значения температуры в камере сгорания ракетного двигателя (в градусах Кельвина) и обратно пропорциональна молекулярной массе рабочего тела.
Кроме того, важной характеристикой двигателя является сила тяги. Отношения тяги двигателя к весу ракетного ЛА – тяговооруженность, n – обуславливает маневры, которые данный ЛА может выполнить. Для вертикального взлета с поверхности Земли n должна превышать 1,2, для горизонтального (по самолетному) – 0,25. Для КА, старт которых осуществляется с околоземной орбиты, тяговооруженность может быть и очень маленькой, однако здесь есть свои ограничения, о которых ниже.
Существующие двигатели (либо двигатели, возможность создания которых не вызывает сомнений) характеризуются следующими величинами:
Ракетный двигатель твердого топлива (РДТТ) – 2,5 км/с (смесевое топливо),
Жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) – 3,5 км/с (керосин – жидкий кислород) - 4,5 км/с (жидкий водород – жидкий кислород),
Ядерный ракетный двигатель с твердофазной активной зоной (ЯРД ТФ) – 9,1 км/с (теоретически – до 10 км/с),
Ядерный ракетный двигатель с газофазной активной зоной (ЯРД ГФ) – 20 км/с,
Электроракетный двигатель (ЭРД) – более 100 км/с.
Предположим, нам нужно перелететь с околоземной орбиты к Луне, что требует скорости около 4 км/с. Тогда при использовании РДТТ запас топлива будет составлять около 80% стартовой массы, для ЖРД – 58-67%, для ЯРД – 18–35% ЭРД – 4%. А ведь при такой скорости полет к Луне будет длиться около 4 суток!
Кроме того, про перечисленные типы двигателей нужно кое-что добавить. Приведенные величины для ЖРД получены именно с этими топливными компонентами. Однако масса баков для их сколько-нибудь длительного хранения в космическом пространстве должна быть очень большой. Это связано с тем, что температура жидкого водорода – около –253оС, и перепад температур на внешней поверхности и внутри бака может достигать 400 градусов, что требует эффективной теплоизоляции. Если для ракет, стартующих с наземных комплексов, и заправляемых непосредственно перед пуском, отношение массы компонента к массе бака может достигать 10, то для космических аппаратов эта величина не превышает 1-2. Кроме того, чаще в космосе применяются другие компоненты, менее притязательные в эксплуатации, но дающие гораздо меньшую скорость истечения.
Ядерные ракетные двигатели теоретически могут использовать любое рабочее тело, которое можно выбрать исходя из эксплуатационных требований. Так, в первых в СССР разработках ЯРД в качестве рабочего тела предполагалось применять аммиак, это же РТ предлагал использовать в ТЕРМОЯДЕРНОМ ракетном двигатели известный писатель-фантаст (и один из основателей Британского межпланетного общества, изобретатель геостационарных спутников-ретрансляторов) А. Кларк. Еще дальше пошел в романе «Магелланово облако» Ст. Лем, предложивший использовать в качестве рабочего тела базальт (врач по образованию, он справедливо рассудил, что базальт имеет максимальную плотность, но не знал, что большая молекулярная масса этого минерала снизит скорость истечения, т.е. эффективность двигателя). Однако все это – спекулятивные рассуждения, хорошие для 1950-х гг. Дело в том, что водород имеет одно уникальное достоинство, делающее его почти незаменимым для атомных РД – чистый водород не активируется в ядерном реакторе, и, следовательно, при работе такого двигателя не образуются радиоактивные облака, что важно не только в атмосфере земли и на низких орбитах, но и на межпланетных трассах.
Электроракетный двигатель (двух типов: с электрическим нагревом рабочего тела и с разгоном рабочего тела электрическим полем) так же имеет органические недостатки, возможность преодоления которых пока не просматривается. Прежде всего, ЭРД имеет ОЧЕНЬ маленькую тягу. Так, самый мощный из летавших РДТТ имеет тягу около 1000 т (10 тыс. кН), ЖРД – 820 т (8,2 тыс. кН), не вызывает сомнения возможность создания ЯРД ТФ тягой до 320 т (3,2 тыс. кН) и ЯРД ГФ – 17 т (170 кН). А тяга мощнейших существующих ЭРД не достигает и 1 кг (10 Н)… Это связано с понятием мощности.
Мощность ракетного двигателя определяется как произведение силы тяги двигателя на скорость истечения рабочего тела из двигателя:


N = Pw,

Где
N – мощность ракетного двигателя, Вт;
P – тяга ракетного двигателя, Н.
Однако в РДТТ, ЖРД и ЯРД (и, кстати, в термоядерном, термоаннигиляционном и фотонном ракетных двигателях, о которых будет сказано далее) непосредственно в двигателе происходит преобразование внутренней (химической или атомной) энергии в тепловую и далее (в сопле) – в механическую. В случае же с ЭРД речь идет не о двигателе, а об энергодвигательной установке, состоящей из бортовой электростанции, вырабатывающей электроэнергию из атомной, солнечной или химической, и собственно – двигателя, преобразующего электрическую энергию в механическую. Оба устройства имеют свой КПД, который, естественно, далеко не равен 100%. Следовательно, непосредственно в энергию реактивной струи преобразуется мене 10% первичной энергии. Соответственно, при в 10 раз меньшей мощности и в 5-10 раз большей скорости истечения, тяга ЭРД получается мизерной. Для КА, стартующих не с поверхности Земли, а с околоземной орбиты, в принципе это не страшно, просто разгон будет идти не минуты, а длительное время, возможно даже – все время полета (половина – разгон, половина торможение). Однако это неприемлемо для пилотируемых аппаратов, т.к. они должны максимально быстро проходить околоземные радиационные пояса.
Кроме того, как будет показано далее, масса пилотируемого космического корабля не будет маленькой, т.е. в любом случае суммарная тяга, а значит – и расход рабочего тела должны быть достаточно большими. А рабочее тело для ЭРД – это не продукты сгорания керосина, не вода и даже не водород. Первые ЭРД, прошедшие летные испытания, работали на фторопласте, сегодня же в качестве рабочего тела чаще всего используется цезий. Эти вещества способствуют устойчивости работы ЭРД, но мягко говоря не являются самыми распространенными в природе (цезий – так просто архидефицитен; кстати, крупнейшее на планете Земля месторождение цезия находится на островах Малой Курильской гряды, на которые претендует Япония).
Теперь несколько слов об экзотических проектах ракетных двигателей, предлагавшихся для межпланетных и даже межзвездных полетов.
В

В 1950-х гг. группы физиков-атомщиков в США и нашей стране предложили атомный взрыволет. Идея ядерного взрывного двигателя заключается в том, что реактивную струю создает рабочее тело, испаряемое и нагреваемое при взрыве малого ядерного боеприпаса. Скорость истечения и тяга такого двигателя позволяют осуществлять с поверхности Земли кораблей массой в тысячи тонн (взрыволет ПК-5000 т, предлагавшийся в начале 1960-х А.Д. Сахаровым, имел стартовую массу 5000 т, а американский проект «Aldebaran» - 80000 т при полезном грузе 25500 т на Луну; правда, для него предлагался самолетный взлет с поверхности воды). Были проведены не менее 2 испытательных полетов (в США; правда, с подрывом зарядов обычного взрывчатого вещества), которые доказали, что полет корабля с таким импульсным двигателем будет вполне устойчив. Надо сказать, что американские проекты «погибли» в результате конфликта между «атомным» и «космическим» ведомствами этой страны, а вот в нашей стране разработки прекратились после подписания в 1963 г. Московского договора о запрещении ядерных испытаний в космосе, в атмосфере и под водой, сделавшего такой двигатель юридически невозможным.
Однако идея получила дальнейшее развитие. В частности, работа термоядерного ракетного двигателя основана на том же принципе, только в рабочей зоне происходят не взрывы ядерных боеприпасов, а термоядерные микровзрывы топливных капсул, аналогично тому, как это происходит в термоядерных устройствах инерционного сжатия (и тем же способом – лазерным поджигом). Именно такой двигатель предложили инженеры Британского межпланетного общества применить на автоматическом звездолете «Дедал». К сожалению, по современным представлениям такой двигатель не будет работать в атмосфере, а самое главное – создание такого агрегата откладывается до освоения управляемого ядерного синтеза, т.е. – в не очень определенное будущее…
В 1980-х, по мере роста производства антивещества, появилась идея нагревать рабочее тело за счет реакции аннигиляции. Идея состоит в том, что в рабочую камеру, заполненную водородом, подается пучок антипротонов. Часть водорода (ядра которого – как раз протоны) аннигилирует, а выделившаяся при этом энергия нагревает остальной водород, который затем разгоняется в обычном сопле. В 1992 г. автор настоящего доклада защитил в Куйбышевском авиационном институте им. академика С.П. Королева дипломный проект космического корабля с таким двигателем. Конструкцию силового агрегата пришлось придумывать и рассчитывать опираясь только на одну переводную статью – и информацию о проектах взрыволетов. Расчеты показали, что двигатель может обеспечить тягу в 60 МН - 6000 т (стартовая масса корабля – 31389 т, более 25000 из которых – рабочее тело, жидкий водород) при скорости истечения 147 км/с. Приведенную величину тяги следует считать крайне оптимистической, но десятков тонн вполне можно ожидать, а близкие значения скорости истечения получены и в проектах НАСА. Но, во-первых, и такой двигатель не может работать в атмосфере, следовательно – не годится для взлета. Во-вторых, система хранения и подачи антивещества в моем проекте была принята как «черный ящик», таковой и остается по сей день, в третьих, за последние 20 лет темпы роста производства антивещества сильно замедлились…
Наконец, о фотонном двигателе. Во-первых, к нему полностью относится все вышесказанное о работе в атмосфере и нерешенности проблем производства и хранения антивещества. Во-вторых, по современным представлениям это так же будет двигатель малой тяги…
При всей любви, которую многие питают к солнечным парусам, эту идею следует считать мертворожденной. Проведенный на грузовом космическом корабле «Прогресс» эксперимент «Знамя» по развертыванию в космическом пространстве тонкопленочных конструкций благополучно провалился, показав, что поведение таких конструкций в реальности совершенно не похоже на теоретически предсказанное.
Всевозможные циклопические сооружения, типа космических лифтов, колец Юницкого и т.д. так же имеют два принципиальных недостатка: во-первых, предполагают глобальный масштаб работ, что сейчас невозможно в первую очередь политически, а во-вторых каждое такое сооружение практически исключает применение любых других способов выхода на околоземную орбиту.

Перейдем ко второму комплексу проблем, ограничивающих возможности существующей космической техники. Немного истории.
Бывшему заместителю С.П. Королева по бортовому оборудованию Б.Е. Чертоку приписывается фраза, что в нашей стране космонавтика вышла не из авиации, а из артиллерии. В самом деле, пионеры космонавтики были бы несказанно удивлены, узнав каким образом человек впервые вышел в космическое пространство, и для чего были созданы те машины, которые это обеспечили. Однако, почему именно баллистические ракеты стали главным, почти единственным средством космических полетов? Прежде всего, потому, что они были достаточно отработаны для решения похожей задачи – доставки на межконтинентальную дальность ядерных боеголовок. Но почему именно БАЛЛИСТИЧЕСКИЕ ракеты?
Одной из главных причин стал тот факт, что из 30-40 минут полета межконтинентальной баллистической ракеты на полную дальность, большинство ее систем работает не более 3-5 минут! Все остальное время, в соответствии с названием, баллистическая ракета (точнее – ее головная часть) летит как свободно брошенное тело. Но достаточно очевидно, что устройство, работающее 3-5 минут, сделать, сделать достаточно легким, и при этом отработать до требуемого уровня надежности гораздо проще, чем работающее 3 часа (как у межконтинентальных крылатых ракет).
Однако в космосе ситуация меняется. Продолжительность полета увеличивается многократно, до суток, месяцев, лет – а принципы конструирования (и организация производства) остаются прежними. Более того, требования по надежности систем для дальних пилотируемых полетов возрастают многократно, поскольку продолжительность полета будет большой, а возможность спасения экипажа при серьезных отказах – проблематичной.
Сегодня известны и применяются 2 основных способа повышения надежности – дублирование и доводка отдельных узлов. Однако первый способ ведет к росту массы, и имеет пределы, поскольку с ростом числа узлов надежность системы уменьшается. Второй способ, считающийся сейчас (и последние 20-25 лет) основным, требует опережающего повышения технологического уровня при изготовлении деталей и узлов космической техники, а также всевозрастающего объема испытаний этих деталей и узлов, что в сумме ведет к резкому удорожанию космической техники. Кроме того, и по естественным причинам этот путь небесконечен, поскольку на ряде направлений развития элементной базы (например, миниатюризация электроники) техника вышла уже на пределы, установленные физическими законами.
Логичен переход к постоянному контролю за состоянием бортовых систем и своевременному ремонту или замене потенциально отказоопасных узлов и агрегатов (такая система с давних пор используется в авиации, сейчас на нее переходит автотранспорт). Естественно, на космическом корабле, тем более – находящемся на большом расстоянии от Земли, это должен делать экипаж. Впрочем, и на околоземных орбитальных станциях большая часть рабочего времени космонавтов давно уже уходит на поддержание технического состояния бортовых систем. Однако, широкое внедрение такого метода (предлагаю ввести термин «динамическая надежность») требует изначального учета определенных требований.
С начала развития космонавтики существует тенденция выноса максимального количества оборудования за пределы герметичных отсеков. Это решение, оправданное для ближнего космоса с постоянной возможностью доставки любых требуемых запасных частей, вряд ли окажется эффективным для космоса дальнего. Производить ремонт блоков в открытом космосе крайне сложно (возможна только замена неисправных на работоспособные), а требования работоспособности в вакууме вообще не очень совпадают с тем, что желательно по соображениям ремонтопригодности. Исходя из этого, вне обитаемых отсеков целесообразно размещать те системы и агрегаты, ресурс которых заведомо значительно больше средней продолжительности автономного полета, либо те, при работе которых возможны выделения ядовитых, горючих, взрывоопасных веществ, радиации, СВЧ-излучений и т.д. Агрегаты же, ресурс которых сравним с расчетной продолжительностью автономного полета или меньше ее, должны размещаться в гермоотсеках. Необходимо обеспечить удобный доступ ко всем агрегатам всех систем, ремонт которых предполагается производить на борту, должны быть увязаны размеры отдельных деталей и межотсечных люков.
На борту корабля обязательно должна быть мастерская, инструментальный парк которой способен обеспечить ремонт любого агрегата КА, кроме тех, для работы с которыми нужно узкоспециальное оборудование и выделенные зоны (например, ЯЭУ). Корабль должен быть обязательно оснащен хотя бы переносной системой электрических испытаний ВСЕХ БС и комплексом регистрации фактических нагрузок на силовые элементы конструкции.
Надо отметить, что в современных конструкциях пилотируемых КА эти требования частично учитываются. Соответствующие проектно-конструкторские решения хорошо видны в американских модулях МКС и проекте космического корабля «Клипер» (необходимо учесть, что конструкция большинства использующихся сейчас пилотируемых КА заложена еще в середине – конце 1960-х гг., и изначально не была рассчитана на нынешнюю продолжительность и методики эксплуатации).
Все перечисленные конструктивно-компоновочные решения ведут к увеличению объемов герметических отсеков КА, а, следовательно – и росту их массы. Однако увеличивать размеры гермоотсеков придется и для обеспечения жизденедеятельности космонавтов на борту КА.
По продолжительности пребывания людей на борту, КА следует разделить на две группы: те, время нахождения в которых не превышает одних суток (сравнимо с продолжительностью полета на самолетах на межконтинентальную дальность), и те, в которых люди будут проводить более одних суток. В первом случае в течение всего полета экипаж находится на своих рабочих местах, пассажиры – на своих. Следовательно, объем гермоотсеков может быть минимальным, и при его определении можно пользоваться нормативами, принятыми для гражданской (или даже для военной) авиации. Второй случай принципиально отличается тем, что люди должны ЖИТЬ в замкнутом объеме какое-то, возможно – продолжительное время, причем его покидание до окончания полета практически невозможно. В этом случае объем обитаемых отсеков должен быть максимально возможным . Кроме того, он должен быть функционально разделен на целевые зоны (желательно – изолированные помещения). По современным представлениям, на космическом корабле с большой продолжительностью полета обязательно должны быть следующие помещения: пост управления перемещением, пост управления системами, пост систем дистанционного зондирования и дальней космической связи, кают-компания, каюты членов экипажа и пассажиров, спортзал, комната психологической разгрузки, туалет с умывальником, блок санобработки с душем и обработкой белья, кухня и провизионная кладовая, шлюзовая камера, десантный отсек, медпункт, мастерская, хранилище расходуемых материалов. Перечисленные помещения могут быть связаны транспортными переходами.
Наконец, нуждается в изменениях и используемая в сегодняшних КА техника жизнеобеспечения (системы обеспечения жизнедеятельности, СОЖ). Ее главный недостаток сегодня – уникальность. Системы искусственного поддержания среды обитания человека, тем более – использующие регенерацию, хотя и используются уже многие десятилетия не только в космонавтике и авиации, но и, например, в подводном флоте, некоторых транспортных средствах, производственных, медицинских и т.н. «специальных» сооружениях, однако до сих пор остаются единичными, сложными (порой - опасными) в эксплуатации. Для осуществления дальних пилотируемых космических полетов надежность работы СОЖ должна быть значительно повышена даже в большей степени, чем каких-либо других систем КА. Необходимым условием такого качественного изменения должен стать не просто серийное (оно есть и сейчас), а массовое производство как компонентов СОЖ, так и законченных систем. Можно предположить, что для этого придется менять не только конструкцию узлов в соответствии с требованиями конвейерного производства (что естественно), но и физические основы работы блоков СОЖ.

Выводы. Возможности существующей космической техники ограничены как физическими условиями работы систем КА, так и историческими особенностями развития космической техники. Существующие или создаваемые на известных и освоенных физических принципах космические системы позволили совершить первый – очень робкий – шаг в космос в состоянии обеспечить разовые полеты человека к объектам Солнечной системы. Однако для ОСВОЕНИЯ космического пространства в интересах обеспечения бесконечного существования Человечества Земли требуется создание космической техники на других, как физических, так и организационно-методических принципах.

Ну и что в ней интересного? Что "Орион" упомянут? ;D

Ну вот, уже и ЭРД "плохие". А тем временем... http://www.newscientistspace.com/article.ns?id=dn8599&print=true

Ну, статья, прямо скажем, вообще качества не очень серьёзного... Не говоря о прочем, то цезий в качестве наиболее распространённого топлива ЭРД - довольно сильно.

Ну и что в ней интересного? Что "Орион" упомянут? ;D

 

Выводы

Ну вот, уже и ЭРД "плохие". А тем временем... http://www.newscientistspace.com/article.ns?id=dn8599&print=true

 

Что толку-то? Им нужен надежный и мощный источник энергии...
Да и надежность самих движков должных работать годами вызывает сомнения.

Serg Ivanov

Выводы

 

Выводы банальные.

Что толку-то? Им нужен надежный и мощный источник энергии...

 

Реактор.

Да и надежность самих движков должных работать годами вызывает сомнения

 

.

"Доказано Занусси" (с) ;D

Serg Ivanov

Выводы банальные.

Реактор. - ненадежный и немощный
.

"Доказано Занусси" (с) ;D

 

Недоказано никем ;D

Сергей, вы что, с Луны упали?

Сергей, вы что, с Луны упали?

 

Аргументируйте.

А вы поинтересуйтесь, поинтересуйтесь достигнутым ресурсом ЭРД.

А вы поинтересуйтесь, поинтересуйтесь достигнутым ресурсом ЭРД.

 

И на какую тягу интересоваться?
А Вы поинтересуйтесь ресурсом летавших реакторов и статистикой.
Реакторы для спутника с расчетным временем активного существования 45 суток -это конечно круто ;D