Небесная удочка

[antihydrogen]

Наша традиционная рубрика «листая страницы старых отчетов»*. Проект космического ротоватора Skyhook, 2001г. (pdf, 6МБ, англ.яз.)

Skyhook (англ. расов. «небесный крюк») – это космический лифт на минималках. Большой спутник на низкой околоземной слабоэллиптической орбите с прикрепленным длинным тросом (с зацепом на конце).

Система вращается в плоскости своей орбиты. В результате, в момент, когда зацеп находится в наинизшей точке, его скорость вращения относительно центра масс системы вычитается из орбитальной, а когда в наивысшей – добавляется.

Предельная линейная скорость вращения конца троса определяется его способностью противостоять центробежной силе и зависит исключительно от плотности и прочности материала троса (толщина троса в оптимальном случае должна быть переменной). Для самых прочных и легких промышленно выпускаемых материалов (некоторые марки высокомолекулярного полиэтилена) эта скорость составляет около 3 км/сек.

То есть с поверхности Луны такая штука может поднять груз напрямую и разогнать до скорости больше лунной второй космической. Эта идея была использована в одном современном НФ романе про освоение Луны, откуда я про нее и узнал.

Для Земли, рассчитанный авторами отчета вариант системы выглядит так:

общая масса системы (трос + спутник-противовес) – 380 тонн;
длина троса – 630 км;
высота перигея центра масс – 580 км;
полезная нагрузка, которую система может закинуть за раз – 5 тонн;
скорость кончика троса – 2.5 км/с (меньше предельно возможной, для того, чтобы обеспечить трехкратный резерв по прочности троса);
горизонтальная скорость, до которой должен быть разогнан груз до подхвата – 5 км/с (при старте с экватора);
высота, на которой происходит подхват – 150 км;
наивысшая орбита, на которую может быть выведен груз после сброса – высокоэллиптическая с высотой апогея 144 тыс.км (а также орбиты с любым меньшим апогеем, поскольку конечная скорость груза регулируется углом поворота троса в момент сброса).

Высота подхвата ограничивается снизу тем, что на малой высоте трос начинает перегреваться из-за трения о земную атмосферу (и даже на высоте 150км будет серьезная проблема из-за коррозии атомарным кислородом). Длина троса определяется тем, какое ускорение будет испытывать груз, закрепленный на конце троса. При вышеописанных параметрах, это ускорение будет равно 1.5g.

Разгонять груз до 5 км/с и поднимать его на 150 км вверх авторы предполагали (в 2001г) с помощью гипотетического гиперзвукового самолета с прямоточным двигателем. Сейчас ясно, что реалистичней использовать для этого одноступенчатую многоразовую ракету. Перевешивание груза с ракеты на зацеп требует точного выравнивания координат, скоростей и ускорений ракеты с концом троса (собственно, время на операцию перевешивания определяется временем, в течении которого ракета сможет поддерживать ускорение 1.5g). Но это не сильно сложнее, чем посадка ракеты на плот (а возможно даже и проще – ветер не дует, волны не качают).

У этой системы есть множество серьезных преимуществ перед космическим лифтом: много меньшие масштабы и масса, возможность постройки из промышленно выпускаемых материалов. Но есть и серьезный недостаток. Космический лифт черпает энергию и импульс для разгона полезной нагрузки фактически из вращения Земли (энергия нужна только для подъема груза вверх). Ротоватор же разгоняет груз, передавая ему энергию и импульс своего орбитального обращения. В результате, после каждого запуска груза апогей орбиты центра масс ротаватора будет понижаться.

В промежутках между запусками апогей придеться поднимать с помощью каких-нибудь движителей. Авторы предлагают использовать для создания тяги электродинамический метод: взаимодействие тока, пропускаемого сквозь трос, с магнитным полем Земли.

Энергию для поддержания тока предполагается получать от солнечных батарей, установленных на спутнике-противовесе, а электроны для замыкания цепи – черпать из ионосферы. Если предполагаются запуски раз в месяц, то потребная средняя мощность разгона – 76 кВт. С учетом КПД электродинамического метода – 250 кВт. С учетом того, что на низкой околоземной орбите батареи освещены только половину времени – нужно 500 кВт установленной мощности.

При этом, электродинамический метод, даже при наличии неограниченной энергии, имеет принципиальное ограничение по мощности тяги: из-за низкой плотности зарядов в ионосфере большой ток создать невозможно (авторы в своих оценках закладывались на ток в 5 ампер).

Поэтому для случая больших грузопотоков авторы предлагают, кхм, интересную альтернативу: поддерживать орбиту ротаватора, замедляя им груз, оправляемый с Луны.

Работа системы в целом будет выглядеть так: после запуска полезного груза ротоватором с околоземной орбиты, с Луны к Земле отправляется лунный грунт. Он захватывается зацепом ротоватора в наивысшей точке поворота. В низшей точке он отцепляется от троса, падает в земную атмосферу и сгорает где-нибудь над Тихим Океаном.

Таким образом, мы внезапно возвращаемся к теме предыдущего поста. У Луны есть реально ценный экспортный ресурс – это просто булыжники. Если человечеству вздумается, например, строить солнечные электростанции на геостационарной орбите – это ресурс понадобится в объемах десятков тысяч тонн. Учитывая, что использование ротоватора позволяет раза в два снизить характеристическую скорость, требующуюся для достижения геопереходной орбиты, а размеры и стоимость ракеты зависят от характеристической скорости экспоненциально – лунные булыжники реально ценнее золота (в смысле, что каждый отправленный с Луны булыжник позволит сэкономить средства, соизмеримые со стоимостью золотого слитка того же веса).

Авторы скромно обходят молчанием вопрос, как поднимать грунт с Луны. Кажется логичным использование для этой цели воспетого в фантастических романах окололунного ротаватора, который, как уже было сказано выше, может забрать груз напрямую с поверхности Луны. Однако, для поддержания ротоватора на орбите Луны нельзя использовать электродинамический метод, так как у Луны нет магнитного поля. Можно для этого использовать ионные двигатели (вот тут то и может пригодиться ртуть). По сути, такой ротаватор будет работать как аккумулятор, накапливающий энергию и импульс от маломощных ионников.  Но ионники будут жрать энергию в количествах, в десятки/сотни раз превышающих затраты на собственно разгон грузов. Так что, по моему мнению, наиболее бюджетным вариантом является использование для перевозки грунта ракеты, заправляемой водородом и кислородом из воды на полюсах Луны.

*) Есть такая апокрифическая народная мудрость, якобы ходящая среди коренных научных сотрудников Заокраинного Запада: «Любую интересную идею еще 50 лет назад предложил какой-то русский математик». В пандан можно сформулировать мудрость: «По поводу любой безумной идеи обязательно существует отчет 30 летней давности на сайте какого-нибудь американского правительственного ведомства».  Подтверждения: 1, 2

P.S. Пост про реальные эксперименты с тросовыми системами на орбите. Рекорд на сегодняшний момент - два спутника, связанные тросом длиной 32 км (эксперимент YES2) . Электродинамический метод тоже пытались испытывать, но эксперимент HTV-KITE провалился по не зависящим от электродинамического метода причинам.