Алексей Леонидович Полюх
Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса
Эти варианты различаются экономичностью (то есть степенью повторного использования энергии), и весом бортовых устройств для преобразования энергии; но максимальная дальность и время полёта у них будут сравнимыми, и определяться тем, какую начальную скорость может придать грузу бортовая катапульта. (При прочих равных условиях, дальше всех прыгнет самый лёгкий из аппаратов, то есть с наиболее простой и экономной конструкцией вспомогательных устройств, обеспечивающей их минимальный вес, хотя по расходу энергии он может быть не лучшим).
При прочности троса в 10 ГПа, и начальной скорости груза в 1 км/с, максимальная скорость аппарата может достичь 500 м/с, а дальность и высота полёта (на Луне) 50-100 км, при времени непрерывного полёта 5-7 минут. При этом ускорение (вагончика с туристами) при старте, на протяжении всего полёта и при посадке может не превышать 1 g.
9.4 Лунный вертолёт на планете Земля
На Земле есть атмосфера; где то она мешает, где то помогает, но в целом это скорее преимущество, чем недостаток.
Мы можем точно также выстрелить вверх груз со скоростью 200-300 м/с, и он достигнет высоты в несколько километров. Только теперь он не должен быть настолько тяжёлым: на Луне мы могли использовать только силы инерции и опору на грунт; на Земле есть ещё воздух.
В верхней точке, на высоте 2-3 км, раскроем лёгкий зонтик или купол, или складной/надувной ротор, и станем тянуть его лебёдкой вниз (а летательный аппарат, соответственно, вверх). Если купол достаточно большой, то скорость его движения вниз будет менее 10 м/с, а время движения 3-5 минут, что позволит улететь на несколько километров.
В качестве транспортного средства такой аппарат всё же будет не очень удобным (хотя он позволит, например, бесшумно взлетать в условиях городской застройки); но подобное устройство может иметь интересное применение в качестве части ветроэнергетической установки.
Мы можем пойти дальше, и последовательно усовершенствовать нашу машину для земных условий. Например, ротор можно сделать активным (с собственным приводом); а чтобы не передавать энергию на большое расстояние, и эффективно компенсировать момент вращения, вместо длинного троса возьмём короткую жёсткую штангу или вал… такая машина имеет множество достоинств, и только один недостаток – она уже существует. Но хорошая юридическая компания наверняка смогла бы запатентовать её.
9.5 Прыгоходы: самый эффективный тип транспорта с точки зрения экономичности и, особенно, проходимости, но до сих пор не используется из-за очень большого ускорения, заведомо смертельного для человека.
По сути, это "катапульта наоборот", которая катапультирует сама себя. При этом затраты энергии меньше, чем у обычной стационарной катапульты, за счёт повторной утилизации и использования энергии при прыжках.
Попытки создать подобный транспорт предпринимались ещё 100-120 лет назад, но для перевозки пассажиров он абсолютно непригоден. Уже для прыжка на 3 метра требуется ускорение до 10g, которое человек не переносит. Из-за этого данное направление прочно забыто, но в связи с появлением мобильных роботов и автономных транспортных устройств, а также новых материалов и технологий, о нём не мешает вспомнить.
При наличии эффективного газового амортизатора, мобильный робот мог бы совершать прыжки с начальной скоростью 200-300 м/с, что для Луны даст дальность прыжка 20-30 километров при высоте подъёма 10-15 км. Правда, при длине штока амортизатора в 1м, ускорение при прыжках превысит 1000g, но это не запредельно много. Для перевозки грузов этот транспорт не очень удобен, но для разведки практически безальтернативен.
На Земле прыгающие мобильные роботы могли бы прыгать на 1-2 км; а при последующем планировании по принципу кузнечика, до 10 км, что ставит их вне конкуренции с большинством существующих аппаратов, особенно в труднопроходимой и горной местности. С военной точки зрения, такие машины могут иметь исключительное сочетание эффективности и трудноуязвимости для существующих средств обнаружения и перехвата.
9.6 Лунный вертолёт с бесконечной дальностью полёта (тип III).
Во всех предыдущих вариантах машина должна была периодически садиться на грунт, чтобы опираться на него в тот момент, когда подбрасывает вверх груз, передавая ему импульс, достаточный для последующего полёта всей системы в течении десятков или сотен секунд.
Но теперь у нас есть прыгуны – по сути, грузы, способные подбрасывать себя сами. Они, конечно, должны в этот момент опираться на грунт, но самой машине больше не требуется касаться грунта, никогда.
Возьмём вагончик, весом 800 кг, и прицепим к нему длинными тросами два прыгохода весом по 100 кг, способных подпрыгивать на лунном грунте с начальной скоростью 100 м/с, и при каждом следующем прыжке повторно утилизировать 90% своей кинетической энергии с помощью газового амортизатора.
Пусть для удержания веса машины при её равномерном движении на заданной высоте в любой момент времени используется только один груз; (второй в это время "отдыхает" на грунте или летит по инерции, без тянущего усилия, приложенного к тросу).
Тогда "рабочий" груз будет испытывать направленное вниз ускорение 10*Л ≈ 20 м/с2, (где Л – ускорение свободного падения на Луне).
При начальной скорости 100 м/с, груз имеет удельную кинетическую энергию 5 кДж/кг, и при массе 100 кг начальную энергию 500 кДж, придаваемую ему активным газовым амортизатором. При этом, безвозвратно теряется только 10% этой энергии, то есть 50 кДж за 1 цикл использования груза.
При свободном полёте груз летел бы вверх более 50 секунд, но при ускорении 20 м/с2, полёт вверх и вниз займёт 5+5 = 10 секунд, и высота подъёма составит всего 250 метров (соответственно, потребуется трос такой длины).
За эти 10 секунд затрачивается энергия 50 кДж, т.е. расходуемая машиной в полёте мощность составляет 5 кВт. При общей массе в тонну.
5 Вт/кг массы машины, верьте своим глазам.
Мы здесь считаем, что сначала, при торможении груза и вытягивании троса, энергия без потерь накапливается приводом лебёдки, потом снова сообщается грузу при его ускорении в низ, и потом частично (на 90%) утилизируется и повторно используется активным амортизатором при ударе о грунт и новом прыжке.
Даже в том случае, если торможение троса осуществляется полностью пассивно (то есть с безвозвратным рассеиванием энергии в тепло), и общий расход энергии на 1 цикл возрастёт в 10 раз, то есть до 500 кДж/цикл, потребляемая мощность в полёте составит всего 50 Вт/кг веса машины, что всё ещё на порядок меньше, чем у летательных аппаратов с воздушными винтами в земной атмосфере.
Отчасти такое малое энергопотребление объясняется меньшей гравитацией, но, помимо этого, сам принцип передвижения в какой-то мере ближе к шагающим машинам, нежели к летающим, и поэтому экономичнее.
В наиболее экономичном варианте, то есть при расходуемой мощности порядка 10 Вт/кг веса машины в полёте, высоте полета до 100 м и скорости горизонтального перемещения 50-70 м/с, такой аппарат сможет лететь на одной зарядке аккумулятора до 10 часов, и пролетит 2-3 тысячи километров.
Если увеличить начальную скорость грузов (прыгунов) до 200-300 м/с, то горизонтальная скорость полёта тоже возрастёт в 2-3 раза. Время одного цикла увеличится до 20-30 секунд, а высота полёта до 500-1000 м.
При этом кинетическая энергия грузов, и соответственно расход энергии на 1 цикл, возрастут в 5-10 раз, пропорционально квадрату скорости; но расход энергии в единицу времени увеличится только в 2-3 раза (пропорционально скорости в 1 степени). Соответственно, такой аппарат сможет на одной зарядке аккумулятора пролететь те же 2-3 тысячи километров, но за 3-5 часов.
На Земле использование таких машин тоже возможно, и они могут занять нишу сверхтяжёлых вертолётов для ряда применений в транспорте и строительстве. У них не только на порядок ниже энергопотребление в полёте, чем у машин с воздушными винтами; важно также то, что удельное энергопотребление на единицу массы вообще не зависит от массы машины. Совсем не зависит. Не входит в выражение. 1000 тонн, 10 тысяч, тоннаж океанского сухогруза или танкера – фактически предела нет, выдержала бы поверхность опоры, (площадь которой можно увеличить, а нагрузку равномерно распределить по времени, так что "опираться" можно даже на водную поверхность, при желании). Это один из реальных вариантов океанского корабля, который при необходимости сможет пересечь континент, с гораздо меньшими разрушениями, чем при использовании воздушной подушки, меньшим энергопотреблением и шумом. Для опоры на грунт ему потребуется цепочка относительно небольших площадок с расстоянием несколько сотен метров между ними, примерно как для очень длинноногой шагающей машины, но корпус при этом может находиться на высоте метров 500, так что такая машина сможет пересекать леса, водоёмы и холмы среднего размера, не касаясь их.
Грустно признавать, но военное применение тоже возможно.
9.7 Катапультный лифт (дедушка орбитального лифта).
От автономных аппаратов вернёмся снова к стационарной катапульте. Как бы нам кого-нибудь всё-таки запустить из пушки, несмотря на 10000g…
Наверняка такая идея когда-то высказывалась. Над ней даже смеялись сатирики 18-19 века, и хотя сам первоисточник до нас не дошёл, он явно был.
Суть в том, что мы не можем выстрелить из пушки человека. Но если сначала выстрелить массивным ядром, а потом привязать к нему верёвочку – либо достаточно длинную и эластичную (вариант 1), либо разматываемую с лебёдки с тормозом (вариант 2); а к этой лебёдке второй груз, или даже пассажира – то этот второй груз может разгоняться с очень умеренным ускорением, которое определяется параметрами лебёдки и троса, и может быть задано практически произвольно. Ограничением здесь является только прочность материала троса, которая должна быть пропорциональна квадрату скорости, до которой мы хотим разогнаться.
Вариант с резинкой не позволяет достичь больших скоростей, но зато КПД в этом случае близок к 100%, и даже можно разогнаться до скорости, большей, чем начальная скорость балластного груза, и обогнать его. При начальной скорости балластного груза до 100 м/с, этот вариант даст намного лучший результат, чем вариант с жёстким тросом.
При больших скоростях резинка уже не может утилизировать столько кинетической энергии, и надо использовать жёсткий трос, который позволит разогнаться до 1-2 км/с. (Для автономного аппарата мы также рассматривали возможность утилизации запаса кинетической энергии и в этом случае, но для разового запуска это не эффективно).
Современная ценность такой разработки, по сравнению с ракетами, вообще-то довольно спорна; на орбиту так груз не вывести, реальный предел скорости примерно 1-1,5 км/с, максимальная высота подъёма 50-100 км. При этом, возникнет масса проблем, начиная от сопротивления воздуха (то ли дело на Луне). В принципе, все проблемы можно решить, и поднимать так туристов на их любимую высоту 83 км, но реальная стоимость такого запуска, с учётом всех дополнительных мероприятий, будет не ниже ракетного, а практической пользы от этого немного.
Но возможны и вполне коммерческие варианты использования.
9.7.1 Самая лучшая в мире катапульта для беспилотников
Для запуска лёгких БПЛА самолётного типа можно использовать стационарную катапульту, базирующуюся на автомобиле. Это эффективно, но требует наличия громоздкого специального оборудования, и времени на подготовку. Поскольку допустимое ускорение невелико, то катапульту приходится делать большой, а начальная скорость самолёта всё равно остаётся меньше, чем хотелось бы.
Альтернативный вариант – пороховой ускоритель, который позволяет запустить одиночный БПЛА в чистом поле, без всякого оборудования; но недостатком является расход зарядов для этих ускорителей, что снижает число повторных запусков и сильно увеличивает их цену.
Но теперь у нас есть третья альтернатива: запуск на резинке.
Выстрелим из <небольшой пушки> стационарного гранатомёта массивным ядром, к которому привязана длинная резинка, зацепленная за нос самолёта. Она его потянет, плавно поднимет в воздух и разгонит до скорости ядра или даже больше. Предел для такой системы 100-150 м/с, но больше и не нужно, обычно требуется до 50 м/с.
В простейшем случае, ядро и резинка просто упадут поблизости. Если очень заморачиваться, или лень ходить за ядром; или резинка такая нежная и чистая, что не должна касаться земли; или запуск осуществляется с борта корабля, самолёта и т.п. – можно предусмотреть более продвинутые варианты, с управляемым возвращением груза точно в нужную точку, сматыванием троса в полёте и т.д.
Если вместо резинки взять жёсткий трос, а внутри снаряда разместить лебёдку с активным приводом, то можно разогнаться и до сверхзвуковых скоростей, хотя для такого случая всё-таки проще использовать ракеты.
При этом, масса запускаемых аппаратов не ограничена, так что можно запускать таким способом и вполне взрослые крылатые ракеты, самолёты палубного базирования (и ловить их потом), десантников на планерах и без…
Возможны и мирные применения: так можно забрасывать пожарников в окна горящих зданий, а менеджеров, наоборот, эвакуировать из них, или даже катапультировать на несколько километров, за 1-2 минуты доставляя из офиса домой или в ближайшее кафе во время обеденного перерыва…
9.7.2 Будущее Великих Васюков
Если очень постараться (в смысле вложения достаточного количества денег), то можно наладить целую сеть постоянно действующего городского воздушного транспорта, "как в пятом элементе", причём без каких-то фантастических двигателей, шума и дорогостоящих летательных аппаратов. По сути, это будет вариант канатной дороги без опор (точнее с опорой на воздух, или даже на одну только силу инерции). Каждый офисный служащий имеет под пиджаком крючочек для подцепления к городской транспортной системе; нажал кнопку на пуговице – и вперёд, подцепился к тросу, и лети. Цена разработки и сложность управления наземной частью такой системы будут немалыми, но экономия на автотранспорте больше. При этом расход энергии на одного пассажира будет примерно в 100 раз меньше, чем при автомобильной перевозке, а время перевозки меньше в 10 раз. Будущее Великих Васюков за воздушным и канатным транспортом…
В более дешёвом варианте, таким способом можно развёртывать и поддерживать в воздухе временные мобильные кабельные линии и коммуникации, например для подключения и энергоснабжения наземного электротранспорта, как альтернатива электромобилям с огромными и дорогими аккумуляторами. Хотя, если вернуться на Землю, то всё это, вообще-то, лучше всё-таки делать с использованием опоры на воздух.
9.7.3 Караваны ракет…
Возможен интересный вариант, если трос прицепить к ракете. В этом случае лебёдка и какие-то другие устройства не нужны, первая ракета просто тянет вторую на коротком куске троса. Казалось бы, в чём смысл, но он есть: например, так можно запустить сразу очень много крылатых ракет или реактивных снарядов, без катапульт, направляющих, стартовых ускорителей и т.п. Первую ракету надо всё таки как-то поднять в воздух, но дальше они по цепочке поднимут друг друга и разгонят до крейсерской скорости. Причём, если тросы не отцеплять сразу, то достаточно управлять в полёте только первой из них, а остальная цепочка будет следовать за ней.
Помимо экономии в стоимости такого роя по сравнению с таким же количеством автономных ракет за счёт упрощения индивидуальных систем управления, можно увеличить и дальность полёта части роя за счёт остальных. Правда, с аэродинамикой у такого связанного роя будут проблемы, и в целом экономичность полёта снизится. Зато появится возможность совершать быстрые манёвры с большими кратковременными ускорениями без использования топлива или крыльев, даже в безвоздушном пространстве, что может сильно осложнить перехват таких целей.
В частности, можно к одиночной ракете или беспилотнику прицепить на тросе балластный груз (в том числе снабжённый собственным двигателем и крыльями) для совершения быстрых инерционных манёвров, что позволит эффективно уклоняться от ракет и даже пуль, и может сделать такую цель трудноуязвимой для перехвата. Собственно, это будет какой-то аналог лунного самолёта, только очень маленький.
9.7.4 Ещё лучшая катапульта для беспилотников (вообще без всего)
Если у вас нет пушки и ядра, чтобы привязать к ним резинку, то запустить аппарат весом до 5 кг можно и голыми руками. Для этого надо резиновый шнур длиной 10 метров, и 2 солдата: ефрейтор Петров держит самолёт в руках, а рядового Иванова привязывает к резинке, и даёт команду бегом. Когда тот отбежит настолько, что резинка натянется, отпускает БЛА. Идеально было бы, конечно, чтобы рядовой Иванов двигался под углом вверх, или хотя бы влез на дерево. Или, можно сначала прикрепить конец резинки (без Иванова) к верхушке дерева или столба, и пятиться вдвоём до тех пор, пока сила растяжения резинки не станет достаточной для запуска.
Возможны более гуманные, и грузоподъёмные, варианты: трос можно привязать к едущему автомобилю, или скоростной лебёдке; в качестве лебёдки может использоваться вращающееся колесо автомобиля, блок, привязанный к едущему автомобилю, и т.д. При минимуме фантазии, можно запустить предмет весом до 1 тонны со скоростью 50 м/с.
9.8 Лунный вертолёт IV типа (с круговым движением груза).
До сих пор мы рассматривали передачу импульса от балластного груза ускоряемому аппарату в основном вдоль самого вектора импульса: либо при растяжении резинки, либо вдоль троса при его вытягивании с очень значительным изменением длины. Это самый прямой и быстрый способ передать импульс от одного тела другому, но не единственный. Минус такой схемы в том, что во время обмена импульсом кинетическая энергия системы значительно изменяется, и избыток этой энергии либо должен где-то временно накапливаться в другой форме, что требует наличия массивных вспомогательных устройств, либо рассеиваться в тепло, что тоже требует специальных устройств, хотя и меньшей массы.
То есть, ранее рассмотренная схема оптимальна с силовой точки зрения, но плоха с энергетической.
Возьмём теперь 2 тела равной массы, и соединим их жёстким тросом, причём они сразу будут находится на максимальном расстоянии друг от друга, то есть трос сразу растянут на всю длину и жестко прикреплён к обоим телам. Пусть вначале оба тела лежат на горизонтальной плоскости.
Посередине троса прицепим жёлтый флажок, обозначив центр масс.
Придадим одному грузу толчком импульс, направленный перпендикулярно тросу; собственно, подбросим его вверх. Мы знаем, что это можно сделать либо с помощью стационарной пушки или катапульты, со скоростью более 1 км/с, (либо груз может подпрыгнуть "сам", но тогда скорость будет на порядок меньше).
Общий импульс системы будет вначале сосредоточен в первом грузе, и центр масс (жёлтый флажок) станет подниматься вертикально вверх, со скоростью в половину начальной скорости первого груза (если пренебрегать массой троса). Если не рассматривать пока внешние силы, то движение жёлтого флажка всегда будет равномерным и прямолинейным, с постоянной скоростью. Грузы же начнут тянуть друг друга вдоль троса, антисимметрично изменяя как (поначалу) только горизонтальную составляющую скорости, так и, далее, вертикальную, испытывая, таким образом, центростремительное ускорение, и через него обмениваясь импульсом. То есть, будут равномерно вращаться вокруг общего центра масс с половиной начальной линейной скорости первого груза. Причём, через 1/2 оборота они полностью обменяются импульсом, так что первый груз остановится, а второй приобретёт максимальную скорость. Если теперь просто отцепить первый груз вместе с тросом, то он останется на месте (можно так подобрать соотношение масс, что и трос тоже останется почти неподвижен), а второй продолжит полёт с максимальной начальной скоростью, и (почти) всей первоначальной кинетической энергией).
С силовой точки зрения, вариант с круговым движением хуже рассмотренного вначале прямолинейного: при той же линейной скорости и длине троса, ускорение в 4 раза больше, и непостоянно по направлению, а время полного обмена импульсом больше втрое. Но зато, нет потерь кинетической энергией, так как она вообще не изменяется, и нет устройств для сматывания-разматывания троса, так как он всегда натянут во всю длину. С точки зрения сохранения энергии, эта система идеальна.
Для пассажиров более комфортным будет линейный вариант; но для достижения максимальной скорости более эффективен круговой, так как он позволяет максимально использовать прочность троса. При прочности 10ГПа можно разогнать второй груз до 2-2,5 км/с, и не только вывести его на орбиту вокруг Луны, но и отправить на Землю. Это уже вполне взрослый племянник орбитального лифта.
По сути, только что мы рассмотрели старт лунного самолёта;
Если же говорить про машины для длительного горизонтального полёта на небольших высотах и скоростях ("вертолёты"), то для них тоже можно эффективно применить "прыгунов" с круговыми движениями на жёстких тросах постоянной длины, только их должно быть чётное количество, не менее 4, и они попарно должны, синхронно и антисимметрично, прыгать навстречу друг другу с противоположных сторон от курса движения машины. Подъёмная сила грузов, при той же скорости и массе, будет вдвое меньше, чем при прямолинейном движении вверх-вниз, но зато никаких потерь энергии во время полёта грузов (только при их контакте с грунтом), и масса бортовых устройств равна 0.
На Земле такую машину тоже можно построить, хотя эффективность будет снижена из-за аэродинамического сопротивления воздуха. Тем не менее, она сохраняет все ранее перечисленные преимущества в пункте 9.6: большую грузоподъёмность, экономичность и проходимость. В условиях Земной атмосферы можно реализовать и более экзотические гибридные варианты с планерами, вертолётами и шагающими машинами, но это сильно выходит за рамки нашего рассмотрения.
…Пожалуй, пора заканчивать эту главу.
Здесь мы в основном рассматривали низкоскоростные кинетически-инерционные системы, в которых передача энергии и взаимодействие между компонентами осуществляется механически посредством тросов. Для таких систем предельная скорость определяется прочностью имеющихся материалов, и не превышает 2-3 км/с.
Возможны системы передачи движения за счёт использования кинетической энергии внешних тел и при много больших скоростях, десятки км/с и более, но их мы рассмотрим в следующих разделах.