Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса - Алексей Леонидович Полюх Страница 30

Таким образом, далее у нас будет 4 тонны топлива (льда) в кассетах, летящих со скоростью около 70 км/с, и ракета массой 1 тонна, без топлива, летящая по длинной эллиптической траектории, с минимальной скоростью.

Проще всего, конечно, было бы, если бы и ракета, и кассеты с носителями кинетической энергии могли достичь исходного заправочного пункта за одинаковое время. Однако, это сложно сделать: ракета будет двигаться по экономичной траектории месяц, а кассеты со скоростью 70 км/с достигнут цели за 3 дня. Поскольку время, за которое топливо достигает цели, меньше, то для его использования потребуется вторая такая же ракета, уже заправленная и находящаяся в исходной точке в 20 млн км от Юпитера. За то время (30 суток), пока первая ракета вернётся в исходную точку и будет снова заправлена, вторая как раз достигнет Юпитера и отправится назад, предоставив топливо для повторного запуска первой. При этом длительность цикла получения топлива для следующего запуска будет 30 суток, а длительность цикла использования ракет вдвое больше.

В принципе, двух ракет уже достаточно для организации такого непрерывно действующего цикла; но при этом могут потребоваться дополнительные манёвры для изменения точки старта, поскольку сама ракета летит назад от Юпитера по длинной эллиптической траектории, и может вернуться примерно в ту же точку, откуда стартовала в первый раз; в то время как кассеты с топливом движутся с большой скоростью по гиперболической траектории, и прилетят в другую точку, отстоящую от первой примерно на 1/8 окружности радиусом в 20 миллионов километров, т. е. пересекут эту окружность на расстоянии в 15 млн км от первой точки. Поэтому, для организации непрерывного энергетического цикла, может потребоваться 2 или более заправочных станций, распределённых по дальней орбите на расстоянии 10–20 млн км от Юпитера, и по крайней мере 1 ракета на каждую станцию. Хотя, в минимальном варианте, по-видимому, будет всё таки достаточно не более двух заправочных станций (двух спутников или комет), находящихся на орбите с равным периодом обращения, в 15 млн км друг от друга, и всего двух ракет, по одной на каждую станцию (или по 2, в более сложном варианте). При этом первая ракета поставляет носителей кинетической энергии для второй станции, отстоящей на 45о по орбите от исходной; вторая ракета, на второй заправочной станции, использует часть этой энергии для разгона, и достигает Юпитера за то время, пока первая летит обратно; и затем поставляет энергию для первой, которая к тому времени опять находится на первой станции.

Для следующего запуска вновь заправленной ракеты к Юпитеру потребуется потратить часть носителей кинетической энергии (и некоторое дополнительное количество льда в точке старта, которое мы не учитываем, так как его там много). Если исходная масса ракеты и отправляемого с ней топлива 16 тонн, и её надо ускорить (относительно точки старта) на 5 км/с, то для этого необходима энергия не менее 12,5 МДж/кг, или 200 ГДж на всю массу в 16 тонн; с учётом КПД преобразования энергии 50 %, придётся затратить 400 ГДж энергии носителей кинетической энергии, то есть 200 килограммов полученного ранее вещества, летящего со скоростью 67 км/с.

Можно также провести оценку потребного количества энергии и вещества иначе: ранее мы рассчитали, что для испарения льда, нагрева газа до 9000К и получения реактивной струи со скоростью 10 км/с, необходимо 85 МДж энергии на килограмм льда, то есть соотношение масс льда и носителей кинетической энергии 1:28. При удельном импульсе топлива 10 км/с, для разгона на 5 км/с, по формуле Циолковского (т. е. при расходе топлива из бака самой ракеты), требуется увеличить исходную массу ракеты на 65 %, то есть в данном случае на 10,3 тонны; и для нагрева этой массы потребуется 370 кг носителей кинетической энергии при скорости 67 км/с.

Полученная во втором случае оценка, правда, вдвое больше, чем в первом, так как была выбрана не самая экономичная для данного случая скорость истечения газов. Если же выбрать наиболее экономичный вариант, с соотношением масс льда и носителей кинетической энергии 1:150, энтальпией газа 16 МДж/кг, и скоростью истечения 4,5 км/с, то для запуска потребуется, правда, втрое большая дополнительная масса льда (32 тонны вместо 10,3); но зато энергии почти вдвое меньше, всего 220 кг носителей кинетической энергии, что почти точно соответствует первой оценке.

Таким образом, для запуска к Юпитеру 16 тонн полезной массы, можно потратить либо чуть больше льда (32 тонны) и меньше энергии (220 кг носителей кинетической энергии); либо меньше льда (10 тонн) и больше энергии (370 кг носителей). Возможно, что лучше всё-таки вариант с меньшим расходом льда, так как энергии в любом случае достаточно.

Таким образом, для запуска нового цикла придётся затратить около 10 % энергии, полученной в предыдущем цикле. А оставшиеся 90 % можно использовать как угодно. То есть, из 4 тонн полученных носителей кинетической энергии, только 400 кг тратиться на все энергетические нужды по организации нового цикла, а оставшиеся 3,6 тонны могут быть использованы для получения энергии, добычи ресурсов, поддержки местной транспортной системы, либо отправлены далее в другие части Солнечной системы, в том числе к Земле, для доставки новых грузов, в том числе, в систему Юпитера.

Мощность всей описанной энергосистемы будет лимитирована в основном количеством и вместимостью используемых в ней ракет. Если с Земли в систему Юпитера отправить 100 тонн груза, 50 % которого будут составлять ракеты (точнее, в основном, их баки для воды или контейнеры для льда), то, при описанной продуктивности (4 тонны вещества за 2 месяца на 1 ракету весом в тонну), месячное производство носителей кинетической энергии составит 100 тонн. Чистый выход (после вычета той части, которая используется внутри системы) 80 тонн в месяц, или 1000 тонн в год. При этом, непосредственно к Земле удастся направлять не всё произведённое вещество; траектории движения кассет с топливом будет возможно корректировать только в ограниченных пределах, порядка 10-20о, непосредственно во время их разгона вблизи Юпитера; кроме того, тогда же можно изменять и скорость их движения, которая не обязательно должна всегда быть равной 70 км/с, а может варьироваться в пределах от 40 до 80 км/с, (при этом, чем меньше скорость, тем большее количество вещества по массе можно получить, при примерно равном общем запасе энергии). В зависимости от скорости движения, кассеты с носителями кинетической энергии будут достигать Земной орбиты за 3–6 месяцев, что позволяет