Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса - Алексей Леонидович Полюх Страница 10

8. "Лунный самолёт": спутник на низкой орбите, который может без использования топлива произвольно маневрировать: отклоняться от траектории на километры — десятки километров, при необходимости с большой точностью следуя за рельефом местности на сверх малой высоте, до метров; "нырять" вниз, менять скорость полёта вплоть до полной остановки, и даже подхватывать грузы с поверхности или на небольшой высоте над ней. Можно использовать для фотографирования поверхности с большим разрешением, взятия проб грунта, или подъёма грузов с поверхности (младший брат орбитального лифта).

На самом деле, это не один спутник, а два (или больше), связанные длинным тросом и вращающиеся вокруг общего центра масс. Понятно, что бесплатных чудес не бывает, и центр масс будет двигаться по обычной круговой орбите. (Устойчивость круговых орбит вокруг Луны — это отдельная тема, но в данном случае эту проблему можно решить).

При отношении масс 1:5 или более, массивное тело будет лететь практически по постоянной орбите, но более лёгкая часть будет описывать сложную траекторию, в виде спирали или растянутой циклоиды, в некоторые моменты приближаясь к поверхности, насколько позволяет длина троса. При этом длина троса может быть очень большой: лимитирующим фактором для такой системы будет не максимальное расстояние между компонентами, а их относительная линейная скорость. При прочности троса из углеродного волокна в 10 ГПа, скорость может достигать 2–3 км/с, что превышает скорость движения по низкой круговой орбите (1,7 км/с), так что в моменты максимального приближения к поверхности спутник может быть почти неподвижен относительно неё, или даже двигаться назад.

При этом период обращения компонент вокруг центра масс не обязательно должен быть постоянным — трос можно втягивать или вытягивать лебёдкой на более массивном спутнике, изменяя его длину, и соответственно линейную скорость и период обращения компонент, что позволит изменять амплитуду и период, получая сложные траектории.

Таким способом можно как спускать грузы на поверхность, так и поднимать с неё (почти) без затрат топлива. Для окололунной орбитальной станции такой лифт вполне реален, в отличие от Земли.

9. Локальные транспортные системы для Луны и безатмосферных планет (перемещение грузов до 1000 км и разведка поверхности).

9.1 Катапультные системы доставки: самый быстрый и экономичный способ доставить груз из точки А в точку Б, что на Земле почти невозможно из-за наличия атмосферы.

При скоростях 100–200 м/с и дальности перевозки 5-10 км можно использовать механические системы для разгона и торможения; при скорости 200–500 м/с газопоршневые (без затрат газа, который на Луне может быть относительно дорог), а при скорости 500-1500 м/с газовые пушки, и для финиширования механическую тросовую систему или сачок.

Недостатком таких систем является большое ускорение (1000-10.000 g), что исключает перевозку хрупких грузов и пассажиров.

9.2 Лунный вертолёт. Да-да.

Можно построить катапульту или пушку, столь длинную, что ускорение при влёте и посадке будет менее 1 g. Собственно, зачем себя ограничивать, мы можем вообще построить настолько длинную пушку, что её ствол протянется вдоль всей траектории движения от точки А к точке Б, на 1000 км, и пассажирам вовсе не придётся покидать её.

Но это дорого.

Придётся всё же немного подумать.

Привяжем к вагончику с пассажирами массивный груз (пусть отношение масс будет 1:1) на длинной резинке (по научному говоря, на упругом тросе из резины, с предельной энергией растяжения 10 кДж/кг). Собственно, сама резинка может выполнять и роль груза.

Выстрелим груз (или просто саму резинку) вверх со скоростью 200 м/с.

На Луне она бы улетела километров на 10 вверх или 20 по горизонтали, но к ней привязан вагончик с пассажирами. Тем не менее, растянувшись, резинка начнёт поднимать его, с небольшим ускорением, которое зависит от длины и других параметров резинки. Можно подобрать параметры так, что взлёт произойдёт с любым нужным нам ускорением, при этом максимальная скорость вагончика может достигать 100 м/с, время полёта до 100 секунд, максимальная высота 2–3 км, и дальность по горизонтали 5–6 км.

Собственно, можно подобрать параметры так, что полёт вагончика будет происходить на небольшой высоте, и практически горизонтально. Для этого лучше использовать несколько резинок разной длины и жёсткости, с грузами, выстреливаемыми в разных направлениях. Одна, длинная и не очень жёсткая резинка постоянно тянет вверх с почти нулевым ускорением, а вторая, более жёсткая, выстреливается почти горизонтально, и вначале полностью передаёт свой импульс грузу, разгоняя его в горизонтальном направлении, затем отстаёт от него, и потом снова тормозит его до 0 в момент посадки. Это позволит построить полностью автономный аппарат, который, безо всяких стационарных устройств на поверхности, поднимает сам себя за волосы, переносит с небольшим ускорением в нужное место, и аккуратно опускает на поверхность с нулевой скоростью.

Максимальная дальность полёта такого аппарата ограничена энергетическими параметрами резинки, и для обычной резины составит несколько километров. Разгон грузов можно осуществлять газо-поршневыми или мембранными устройствами, что позволяет получить скорость до 1 км/с. При хорошем управлении системой, грузы и тросы могут точно возвращаться к аппарату, в устройство для финиширования и повторного запуска.

Такая машина может более 90 % времени находится "в воздухе", и примерно минуту лететь на небольшой высоте с горизонтальной скоростью до 100 м/с, через каждые 5 км прилуняясь на несколько секунд для передачи поверхности лишнего импульса в момент повторного запуска грузов.

Слабым местом такой машины будет ограниченная дальность одного прыжка (до 5 км), но экономичность может быть очень высокой, особенно при утилизации и повторном использовании кинетической энергии.

9.3 Лунный вертолёт с увеличенной дальностью полёта (тип II).

Максимальная упругая энергия, которую может накопить резинка, является лимитирующим фактором для высоты и дальности полёта. Но мы можем распределить функции накопления, передачи и преобразования кинетической энергии между несколькими отдельными устройствами таким образом, чтобы повысить общую эффективность и энерговооружённость системы в десятки-сотни раз.

Собственно, все устройства в такой системе выполняют всего 4 функции:

1) начальная подача энергии в систему — осуществляется катапультой или метательным устройством, разгоняющим груз;

2) накопление кинетической энергии — осуществляется массой груза;

3) силовая передача энергии от летящего груза к ускоряемому аппарату — осуществляется тросом посредством механической силы натяжения;

4) преобразование половины кинетической энергии в другую форму — может осуществляться по-разному, как обратимо (в упругую энергию), так и просто рассеиваться в тормозном устройстве (но тогда труднее обеспечить мягкую посадку, и дальность полёта уменьшится вдвое).

В самом первом варианте (металлический грузик на резинке), функции 3 и 4 совмещены, собственно, в резинке, которая и передаёт усилие, и обратимо запасает