Алексей Леонидович Полюх
Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса
5. Как же всё-таки обогнать снаряд. Двигатель с дырочкой спереди.
((Второй тип кинетического двигателя на внешнем топливе, который мы здесь называем "термо-кинетический", в отличие от ранее рассмотренного "упруго-кинетического", сопло которого просто отражало назад струю газообразного рабочего тела, прилетающую извне с большой скоростью)).
Поставим конкретную задачу: у нас есть пушка с начальной скоростью снаряда 20 км/с, и мы хотим с её помощью разогнать ракету до 60 км/с.
Кто-то скажет, невозможно; и будет прав – если не использовать внутренний запас вещества самой ракеты, это сделать нельзя (на самом деле оказывается, что всё-таки можно, как мы выясним в главе 4, когда будем рассматривать третий тип термо-кинетических двигателей, "с дырочками сбоку"; но они устроены сложнее, и удельный импульс ТКД третьего типа будет совсем по-другому зависеть от скорости ракеты, чем у второго типа. Здесь мы рассмотрим более простой тип термо-кинетического двигателя, с затратой части рабочего тела из запаса, находящегося на борту ракеты).
До сих пор мы вообще не затрачивали топливо самой ракеты, разгоняя её только за счёт импульса внешних тел, при этом масса ракеты вообще не изменялась. Но теперь придётся тратить топливо из бортовых запасов.
Теперь нам потребуется 2 пушки: одна в самом начале траектории разгона, вторая в самом конце.
Вначале, как и раньше, разгоняем ракету до 20 км/с, с помощью первой пушки, без затрат топлива.
А потом начинаем стрелять из второй пушки навстречу ракете.
На первый взгляд, это бессмыслица: так мы ракету, пожалуй, сможем только затормозить. (Правда, если подумать, какой-то смысл в этом есть; надо же межзвёздным экспедициям как-то останавливаться возле альфы центавры, звездолёт без тормоза – это плохо. Но нам пока всё-таки нужен не тормоз, а двигатель).
Поэтому, снаряды… не будут сталкиваться с ракетой. Вообще: ни в каком виде, ни в твёрдом, ни в газообразном.
Они будут свободно пролетать сквозь всю ракету и сопло через дырочку спереди. (В случае, если сопло состоит из магнитного поля, непроводящее тело или не ионизированный нейтральный газ вообще свободно пролетит сквозь него).
А вот внутри сопла, снаряд таки сталкивается, со специальной мишенью, и всё это превращается в горячий газ, который выходит из сопла назад, увеличивая свою скорость, и соответственно толкает ракету вперёд.
Перед столкновением снаряд и мишень (по сути такой же снаряд) лучше заранее испарить, тогда будет намного меньше исходная плотность вещества, и соответственно, на порядки меньше теплового излучения, которое будет бичом взрывных ядерных и термоядерных двигателей. (В разреженном газе ядерную реакцию получить сложно, но нам пока и не надо, а зато теплового излучения будет меньше в сотни-тысячи раз).
Масса мишени должна составлять определённую долю от массы снаряда; при этом, для получения максимального дополнительного импульса, оптимальное отношение масс будет, видимо, поблизости от равного соотношения, ~1:1, хотя это надо уточнять, в зависимости от температуры, формы и материала сопла, коэффициента расширения и реального КПД работы газа при расширении, и для магнитного сопла при высоких температурах плазмы оптимальное отношение масс может отличаться от параметров для низкотемпературного газового сопла.
В момент столкновения мишени и снаряда их суммарный импульс вначале не изменится (до силового взаимодействия с другими телами), и общий центр масс (получившегося газа) будет продолжать движение относительно ракеты с определённой скоростью. Но кинетическая энергия при этом уменьшится, и её остаток превратится в тепловую энергию газа. Затем горячий газ расширяется, взаимодействует со стенками сопла или магнитным полем, и за счёт тепловой энергии дополнительно разгоняется, передавая ракете некоторый добавочный импульс.
Эффективность такого принципа получения импульса снижена из-за того, что газ первоначально, уже на входе в сопло, имеет большую скорость (как в прямоточном воздушно-реактивном двигателе, за исключением того, что газ не требуется дополнительно сжимать), и добавочный импульс создаётся только за счёт дополнительного прироста скорости после расширения, который составляет порядка 30-40%.
Например, при встречной скорости снаряда относительно ракеты 100 км/с, и отношении масс снаряда и мишени 1:1, получившийся при их столкновении газ уже сразу будет иметь скорость относительно сопла 50 км/с, ещё до передачи какого-либо импульса ракете. При этом половина первоначальной кинетической энергии снаряда перейдёт в тепловую энергию газа, и затем, теоретически (при бесконечном расширении) газ за счёт этой тепловой энергии мог бы разогнаться до 71 км/с относительно ракеты, то есть ещё на 21 км/с. Мы будем умеренными оптимистами, и примем, что на совершение полезной работы пойдёт 70% тепловой энергии, так что скорость газа увеличится только на 15 км/с.
Если начальная скорость газа в сопле 50 км/с, а конечная 65 км/с, то добавочный удельный импульс составит всего 15 км/с, по отношению к всей массе газа. Но надо учитывать, что только половина этой массы расходуется из бортового запаса топлива; то есть удельный импульс в расчёте на затрачиваемую массу запаса топлива будет вдвое больше, 30 км/с, что всё-таки лучше. Причём, отношение удельного импульса к разности скоростей ракеты и снаряда будет постоянным, независимо от этой скорости, и всегда будет составлять около 30%. То есть, по мере роста скорости самой ракеты, и соответственно встречной скорости снаряда относительно ракеты, удельный импульс тоже будет расти, пропорционально разности их скоростей.
Например, при встречной скорости снаряда относительно ракеты 1000 км/с, удельный импульс будет составлять 30% от этой величины, т.е. 300 км/с. А при скорости ракеты 100.000 км/с, у.и. топлива будет 30.000 км/с, не хуже чем у термоядерного двигателя, но почти без теплового излучения, что позволит развивать в сотни раз большую мощность, и ускорение более 1g.
Правда, ракета при этом "худеет". Не так быстро, как по формуле Циолковского при постоянном удельном импульсе топлива, которая связывает линейный рост скорости с экспоненциальной убылью массы;
В нашем случае, удельный импульс топлива пропорционален самой разности скоростей (то есть скорости ракеты в системе отсчёта снарядов), и стало быть, с экспоненциальной убылью массы ракеты будет связан уже не линейный, а экспоненциальный же, но с другим показателем степени, рост разности скоростей (при постоянной начальной скорости снарядов). Отношение показателей этих экспонент будет равно отношению удельного импульса к разности скоростей, то есть в данном случае 0,3.
Таким образом, чтобы разогнать ракету от 20 до 60 км/с, ей придётся "похудеть" примерно в 10 раз.
(Мы принимаем, что начальная скорость ракеты 20 км/с; начальная скорость снаряда 20 км/с; изменяется только скорость ракеты, снаряды всегда летят с постоянной скоростью; стало быть, можно перейти в систему отсчёта снарядов, она инерциальная. В этой системе отсчёта ракета имеет начальную скорость 40 км/с, и по мере роста этой скорости удельный импульс всегда составляет 30% от её значения. Значит, чтобы увеличить эту скорость в X раз, ракете надо "похудеть" в X3,3 раз. Если X=2, то X3,3 ≈ 10, и потеря массы составит 90%. Соответственно, если скорость в системе отсчёта снаряда удвоится, т.е. увеличится от 40 до 80 км/с, то в системе отсчёта Земли она утроится, и станет 60 км/с, что нам и требуется).
Этот способ позволяет увеличить скорость ракеты ещё в 2-3 раза после того, как достигнута скорость, равная начальной скорости снарядов.
Но он не бесплатный. Потеря массы всё же достаточно быстрая, хотя и медленнее, чем по формуле Циолковского, так что применять этот способ следует в оправданных случаях, когда уже нельзя воспользоваться существенно более эффективными "упругими" методами разгона, (при которых масса ракеты вообще не расходуется, и стало быть, удельный импульс, по отношению к этой массе, бесконечен).
У этого способа есть, однако, один плюс: он может работать и в том случае, если "снаряды" вообще неподвижны. То есть пушки вообще может не быть, а есть просто какие-то неподвижные тела, кусочки кометы например. И если мы всё же каким-то образом сумели разогнать ракету до значительной скорости (например, в гравитационном поле Солнца или хотя бы Юпитера), то дальше мы сможем увеличить эту скорость в 2-3 раза.
Скорость ракеты в системе отсчёта снарядов в любом случае будет удваиваться при уменьшении её массы в 10 раз. Это в принципе похоже на воздушно-реактивный двигатель, только скорости здесь могут быть порядка тысяч км/с, и удельный импульс топлива тоже будет того же порядка.
***
…на этом, пожалуй, пока закончим эту главу.
В главе 4 мы продолжим рассмотрение кинетических двигателей с внешней подачей топлива и энергии, а затем покажем, а где же эту энергию брать, без термоядерных реакторов и электромагнитных пушек; причём, оказывается, что энергии можно получить очень много (прочитав главы 4 и 5, вы навсегда измените своё понимание значения слова "много"…).
Ядерные и луце-ядерные двигатели рассмотрим, возможно, в главе 5; а до фотонной пушки и межзвёздных перелётов со скоростью 0,5с доберёмся, наверно, ещё не скоро, в части 6-й или 7-й…
(с) Алексей Полюх, 16 июля 2022 г.
Глава IV.
Гравитационные электростанции в Солнечной системе. Получение энергии для двигателей с внешним топливом. Технология получения и использования Луца. Удельный импульс топлива 50-100 км/с.
1. Некоторые дополнительные вопросы
В главе 3 мы уже рассмотрели, что такое "упругие" и "неупругие" кинетические двигатели – твердотельные, газовые и магнитно-плазменные.
На всякий случай напомню, что все они работают на "искусственных внешних ресурсах" – проще говоря, используют специально подготовленные тела, которые прилетают в точку встречи с ракетой извне; в частности, это могут быть микро снаряды, выпущенные из пушки, хотя не обязательно. Эти тела могут быть неподвижны в какой-то системе отсчёта, важна только относительная скорость встречи ракеты и снаряда.
"Упругие" варианты лучше, поскольку ракета вообще не тратит собственное топливо на разгон. Но, они могут разгонять ракету только до тех пор, пока скорость снаряда больше скорости ракеты не менее чем на 2-3%.
"Неупругие" (то есть с затратой собственного топлива для получения импульса, за счёт энергии, полученной извне) – могут работать при любых скоростях, но ракета при этом теряет массу, хотя и медленнее, чем по формуле Циолковского. Удельный импульс таких двигателей непостоянен, и всегда равен 30-35% от разности скоростей снаряда и ракеты. В частности, если ракета летит достаточно быстро, то внешние тела могут иметь небольшую скорость, важна только разность скоростей. Если скорость ракеты относительно (летящего ей навстречу или неподвижного) снаряда равна 1000 км/с, то удельный импульс такого двигателя будет 300 км/с.
Дальше мы посмотрим, где можно бесплатно получить такую начальную скорость, но сначала надо обсудить пару технических вопросов.
1.1 Регулировка
тяги газового упруго-кинетического двигателя.
Как попасть микро снарядом в сопло двигателя, мы рассмотрели. Но, помимо этого, необходимо иметь возможность регулировать вектор тяги двигателя в некоторых пределах (хотя бы на 2-3% по величине и 1-2 градуса по направлению), для корректировки положения и скорости самой ракеты.
Наиболее быстрый способ это делать – за счёт изменения геометрии внешней части сопла. Если сопло будет иметь подвижные "лепестки", составляющие 10-20% от общей площади сопла, то этого будет достаточно для мгновенной регулировки вектора тяги в небольших пределах. В случае магнитного сопла для этого придётся менять конфигурацию поля, или смещать и поворачивать всё сопло целиком или его части.
Для регулировки тяги в более значительных пределах, или полного выключения двигателя, также есть несколько разных способов.
Во-первых, можно изменять расстояние от двигателя, на котором происходит подрыв снаряда и превращение его в газовую струю. Чем больше это расстояние, тем меньше будет тяга.
Во-вторых, можно полностью выключить двигатель, если подрывать снаряды на очень большом расстоянии – десятки-сотни метров от ракеты. Если надо выключить двигатель на длительное время, то ракету можно увести в сторону от траектории снарядов на несколько метров; для более кратковременного выключения двигателя можно предусмотреть механизм, позволяющий "пропускать" снаряды сквозь двигатель.
В более сложных вариантах в управлении тягой могут участвовать ближайшие станции корректировки траекторий снарядов. Это более медленные способы, так как время отклика системы на изменение параметров будет составлять несколько секунд или минут, но таким образом можно не только произвольно регулировать ускорение одной ракеты, но и распределять снаряды из одного исходного потока по нескольким независимым рабочим потокам, направляемым к нескольким одновременно ускоряемым ракетам, что позволит управлять целой транспортной сетью.
Если будет один очень мощный, и при этом дешёвый, источник снарядов с большими скоростями и энергией (порядка 1000 км/с), то далее их можно распределять на несколько потоков, направляемых разным потребителям. В том числе, потребителями могут быть не только ускоряемые аппараты, но и энергетические установки, которые будут при этом иметь намного лучшие параметры по мощности и массе по сравнению с любыми другими источниками энергии, включая ядерные. Дальше мы покажем, а где же взять очень много снарядов со скоростью 1000 км/с, и почти бесплатно.
1.2 Размер
сопла двигателя ("парашютный" двигатель).
Что касается размеров самого сопла двигателя, то раньше мы рассматривали максимально компактный вариант, с диаметром в десятки сантиметров, и показали, что даже в этом случае в него можно попасть.
Но, если экономить на корректировочных станциях, то можно снизить точность попадания за счёт увеличения диаметра "сопла" до сотен метров. В данном случае это будет скорее парашют из тонкой прочной плёнки, надуваемый потоком газа. При этом снаряды придётся испарять на расстоянии порядка километра от сопла. Для плазменного сопла это тоже возможно, если использовать тонкие сверхпроводящие кольца большого диаметра. При этом геометрия сопла, с точки зрения работы газа при расширении, может быть довольно "плохой", зато большой размер. При массе в 1 тонну такое сопло может иметь диаметр более километра.
В принципе, такой подход позволяет на небольшом расстоянии (порядка десяти тысяч километров) обойтись вообще без корректировочных станций, что упрощает разработку на начальном этапе. С другой стороны, это позволит распределить тепловую и радиационную нагрузку от излучения рабочего тела на большую площадь, что может быть актуально для двигателей с очень большими энергетическими потоками и температурами (для межзвёздных перелётов), тяга которых будет ограничена именно мощностью теплового рентгеновского излучения рабочего тела.
1.3 Двигатель
в качестве генератора.
До сих пор мы рассматривали кинетический способ передачи энергии на расстояние в основном как источник тягового усилия для разгона ракет, то есть в качестве собственно двигателя. Но такой способ передачи энергии можно использовать и для других целей. Особенно это может быть актуально, если, каким-то чудом, найдётся бесплатный источник энергии для разгона снарядов до больших скоростей.
В принципе, любой плазменно-магнитный двигатель можно использовать как МГД-генератор для снабжения энергией бортовых устройств. Но можно сделать и устройство, которое будет только преобразовывать кинетическую энергию снарядов или газа в иную форму. Функции двигателя такое устройство может не выполнять совсем, или они могут быть второстепенными, например, для компенсации избыточного импульса, который снаряды приносят помимо энергии.
Например, околоземная орбитальная станция может принимать снаряды, прилетающие откуда-то из далёкого далёка со скоростью 500-1000 км/с, утилизировать их энергию, а избыточный импульс компенсировать за счёт небольшого количества дополнительного топлива, поставляемого с Земли (мы уже знаем, как это сделать). На самом деле, избыточный импульс за время полного оборота вокруг Земли будет вообще равен нулю (ну то есть он не будет равен нулю. Он просто целиком передастся планете Земля).
При скорости снарядов 1000 км/с, удельная плотность энергии будет всего в 100 раз меньше, чем содержится в той же массе урана-235.
Но такой энергетический реактор будет на порядки легче и компактнее ядерного при равной мощности. Он не имеет пределов масштабирования, от 1 грамма весу и 1 ватта мощности, до планетарного. Нет жёстких излучений, нейтронов, а тепловое излучение (хоть оно и рентгеновское в диапазоне 10 кЭв) можно уменьшить в тысячи раз при уменьшении плотности газа. Для термоядерных реакторов это сделать нельзя.
Расстояние от источника энергии до потребителей может быть очень большим, что позволяет передавать энергию на миллиарды километров.
Правда, кто-то скажет – это же только передача энергии из одного места в другое, а не генерация. Сколько энергии потрачено на разгон снаряда – столько потом и можно получить в таком "реакторе", и не больше.
На это мы ответим, что всё зависит от того, кто, и где, будет оплачивать исходный разгон снарядов. Мы просто будем передавать энергию из такого места, где она уже есть, и очень много.
Правда, этот таинственный и волшебный источник бесплатной кинетической энергии для снарядов имеет существенное ограничение: скорость снарядов не может быть больше 1000 км/с. Он так устроен.
Если нам потребуются энергетические установки на больших расстояниях от Земли, а тем более энергетическая инфраструктура для разгона межзвёздных кораблей до субсветовых скоростей, то там всё же придётся использовать другие источники энергии для первичного разгона снарядов, в том числе ядерные. В частности, возможна модификация энергетического реактора, в котором основное количество энергии получается за счёт ядерных реакций деления или синтеза, но предварительное сжатие или нагрев рабочего вещества осуществляется за счёт энергии столкновения снаряда с мишенью. Такие реакторы не имеют надобности в громоздких устройствах для накопления энергии, используемой для сжатия мишени, и потому могут быть в сотни раз меньше и легче полностью автономных взрывных ядерных реакторов.
Но я категорически против прямого использования какого-либо вида ядерной энергии непосредственно в двигателе ракеты, особенно для межзвёздных полётов. Не из-за экологических вопросов, которые можно решить, а из-за того, что такой двигатель будет иметь очень серьёзные недостатки по сравнению с плазменно-кинетическим двигателем на внешних ресурсах, из-за чего допустимые мощность и ускорение будут меньше на 2-3 порядка. Кроме того, сложность и стоимость ядерного двигателя выше.
Другое дело – использовать ядерные микро реакторы с внешней энергией сжатия мишени в качестве стационарных источников энергии на трассах разгона межзвёздных кораблей, и других вспомогательных целей.
1.4 Экологические
вопросы
Двигатели на искусственных внешних ресурсах – практически самое чистое и безопасное, что вообще можно придумать для освоения космоса, по сравнению не только с ядерными и изотопными, но также и химическими. Даже "чистые" солнечные батареи надо где-то делать, и пока их делают на Земле, это вовсе не так уж чисто и безвредно.
В нашем двигателе используется водород и немного лития. Никаких излучений, кроме теплового, но его очень мало. Конструкция двигателя на грани того предела, до которого можно упростить что-либо. Практически, это может быть лист жести. Простота конструкции – это снижение расходов и сложности изготовления, что тоже косвенно связано с экологией, в конце концов. (Ведь каждый понимает, что если "итальянские инженеры сделали автомобиль стоимостью в полмиллиона, настолько экологически чистый, что его можно лизать" – то они, эти инженеры, год ездили на своих автомобилях, делать этот сверхчистый. И сожгли сто тонн солярки. И выбросили отходы в атмосферу. И это лишь небольшая часть реальной экологической нагрузки, которую дополнительно создал именно этот конкретный "чистый" автомобиль, при правильном учёте всех эффектов, связанных с его созданием и полным жизненным циклом).
Непосредственно для планеты Земля, её атмосферы и биосферы кинетические двигатели никакой экологической нагрузки не создадут.
Но рано или поздно человечеству придётся рассматривать такое понятие, как "экология космического пространства", и там всё не так просто.
Любые химические, лучевые, радиационные и другие загрязнения околоземного и межпланетного пространства, да и просто мусор, могут накапливаться неожиданно быстро, и при активном освоении даже ближайших планет это надо учитывать.
Например, очень высокая башня на поверхности Земли, или большой аэростат на высоте более 15 км, могут создавать дополнительный радиационный фон на поверхности, и изменить распределение атмосферных электрических потенциалов. И это полностью пассивные объекты.
Если же космические объекты используют двигатели и энергетические установки, то влияние в масштабах планеты неизбежно.
Один старт с Земли корабля с "грязным" ядерным двигателем может испортить не только атмосферу, но и околоземное пространство на десятки тысяч километров, и на десятилетия.
Даже работа "чистых" ионных и плазменных двигателей оставляет свой след в атмосфере и магнитосфере Земли, как и химических ракет. Даже если реактивный двигатель будет включен за сто тысяч километров от Земли, большая часть продуктов его работы полетит обратно к Земле или в ближайшее околоземное пространство, задержится в магнитосфере, и в конечном итоге всё это окажется в атмосфере.
"мячиковый" упруго-кинетический двигатель в этом смысле идеален, поскольку вообще не производит газообразных продуктов. Правда, надо следить за тем, чтобы снаряды после использования либо упали обратно в атмосферу и красиво сгорели в ней (за это можно даже брать деньги, метеоритный дождь по заказу в качестве фейерверка); либо, при скорости более II космической, покинули околоземное пространство, иначе можно очень быстро сделать ближний космос весьма опасным. В интервале скоростей ракеты от 9 до 12 км/с "мячиковый" двигатель будет потенциальным источником метеоритного мусора.
Газовый упруго-кинетический двигатель при скорости до 100 км/с производит только безвредный нейтральный водород. При скорости более 100 км/с продукты работы двигателя будут представлять собой довольно горячую плазму, потенциально опасную для космических объектов; но струя этой плазмы будет следовать за ракетой, с несколько меньшей скоростью, за пределы околоземного пространства. Единственная опасность, которая в этом заключается, состоит в действии мощной струи плазмы на геомагнитное поле, что может вызвать его колебания, и нуждается в изучении.
Однако при торможении аппаратов, летящих с очень большими скоростями, особенно после межзвёздного перелёта, ситуация может быть намного опаснее, так как струя плазмы будет направлена в сторону цели.
Кроме того, "потерянные" по той или иной причине снаряды, а также не до конца испарившиеся фрагменты их оболочек могут представлять прямую опасность как для самой ракеты и инфраструктуры на трассе ускорения, так и для других объектов. Поэтому ничего терять не нужно, либо гарантировать, что всё это улетит по крайней мере за пределы околоземного пространства, или вообще из Солнечной системы, либо испарится.