Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса - Алексей Леонидович Полюх Страница 38

Для электроснабжения орбитальных заправочных станций можно использовать луц (мы же его и делаем для получения энергии), но это тоже сложно, потребует дополнительного оборудования для преобразования энергии, и поступление энергии будет непостоянным.

Видимо, самый простой и рациональный всё же первый вариант: запускать воду и кислород в замороженном виде из пушки, а водород отдельно, с помощью ракеты на жидком топливе, при этом дополнительный расход топлива составит 10 % от всей массы добываемого топлива. При общей массе доставляемой за раз партии топлива 1000 тонн, будет всего 250 тонн льда, 650 тонн замороженного кислорода, и 80–90 тонн жидкого или замороженного водорода, который поместится в бак объёмом 1000–1200 м3.

При диаметре 10 метров и длине 15, такой бак из стали толщиной 1 мм будет весить 6 тонн, то есть вес бака вместе с водородом менее 100 тонн. Что касается теплоизоляции, то она, в принципе, не нужна: при мощности прямого солнечного излучения 50 Вт/м2 (на расстоянии 780 млн. км от Солнца), бак с металлическим покрытием, имеющим коэффициент отражения 0,95 для видимого света и 0,99 для инфракрасного излучения, даже под прямыми лучами солнца будет поглощать 2 Ватта на м2, т. е. 300 Ватт на 150 м2; при этом будет испаряться 0,7 грамма водорода в секунду, или 2,5 кг в час, то есть до 2 тонн в месяц; это 2,5 % от общего количества, то есть дальше с теплоизоляцией можно не заморачиваться. Но, если хочется, чтобы всё было "культурно", то можно разместить со стороны Солнца дополнительный тепловой экран, в виде листа фольги на расстоянии в несколько десятков метров. Это снизит тепловую нагрузку ещё в 100 раз, и потери жидкого водорода на испарение до 2–3% за 10 лет хранения.

Прочность бака диаметром 10 м из стали толщиной 1 мм позволяет выдержать внутреннее давление 200 кПа, что достаточно при температуре жидкого водорода до 22К. При ускорении 10 м/с добавочное давление жидкого водорода на дно бака составит 15 кПа.

Для запуска такого бака с водородом, массой 90-100 тонн, с поверхности Европы, понадобится 1 "большая" ракета-носитель на двухкомпонентном топливе, сухим весом 2–3 тонны и с полной стартовой массой 100 тонн. (вероятно, это будет один из блоков последней ступени, доставившей всё оборудование в систему Юпитера).

При стартовом ускорении 10 м/с2 (а больше на Европе не надо), траектория разгона будет иметь длину 500 км; после разгона до 3 км/с бак с водородом отделяется, а сама ракета должна снова затормозить до 1,4 км/с, чтобы перейти на круговую траекторию, и совершив один виток вокруг Европы снова прибыть на стартовую позицию (мы уже знаем, что это можно сделать, в принципе, без затрат топлива).

Таким образом, сложность доставки двухкомпонентного топлива несколько возрастёт, по сравнению с доставкой льда, но в целом это обойдётся примерно в 50-100 тонн дополнительного оборудования, включая энергетическое оборудование, машины для электролиза и сжижения газов, баки для хранения водорода и ракеты для его доставки.

При этом расходы энергии на производство и запуск топлива с поверхности Европы возрастут в 3 раза (1 ГДж для запуска 100 кг топлива с помощью пушки, и 1,5 ГДж для переработки 75 % воды в кислород и водород, всего, округлённо, 3 ГДж энергии на 100 кг груза, т. е. 30 МДж на килограмм (при этом 25 % груза, доставляемого на орбитальные заправочные станции, составляет лёд, и 75 % двухкомпонентное ракетное горючее).

Дальше, как и раньше, доставляем всё это без затрат топлива (за счёт гравитационных манёвров) на промежуточную траекторию, и загружаем в рабочие ракеты, которые, как и раньше, летят к Юпитеру, проходя на минимальном возможном расстоянии от него, со скоростью 60 км/с.

В нижней точке траектории ракета вначале имеет скорость 58 км/с, и кинетическую энергию 1700 МДж/кг, которая почти равна (со знаком минус) потенциальной энергии в гравитационном поле Юпитера (минус 1800 МДж/кг), так что полная энергия вначале равна -100 МДж/кг (полная энергия отрицательна, потому что ракета прилетела не из бесконечности, а с расстояния 1,25 млн км, и движется вначале по замкнутой эллиптической траектории).

Затем ракета включает двигатель, тратит 69 % своей массы (11 тонн из 16) в виде топлива с удельным импульсом 4,5 км/с, и изменяет свою скорость на 5,2 км/с, так что новая скорость составляет 63,2 км/с, а кинетическая энергия 2000 МДж/кг. Полная гравитационная энергия, по отношению к бесконечному расстоянию от Юпитера, таким образом, составляет теперь (2000–1800) = +200 МДж/кг.

Энергия небольшая, но положительная! То есть, остаток топлива (или льда) может теперь покинуть систему Юпитера, и даже на бесконечном расстоянии от него (то есть более 10 миллионов километров) будет иметь скорость 20 км/с. Не 70, но этого достаточно, чтобы долететь до Земли (если покинуть систему Юпитера в направлении, противоположном его движению вокруг Солнца). Поскольку орбитальная скорость движения Юпитера вокруг Солнца равна 13 км/с, то при начальной скорости 20 км/с относительно него, можно достичь любой точки орбиты Земли, в том числе во встречном направлении. (Понятно, что саму ракету сразу после отделения кассет с топливом надо снова затормозить в атмосфере Юпитера, вернув на базовую эллиптическую траекторию для заправки).

Посмотрим, хватит ли полученной энергии для запуска следующей партии топлива с Европы и возобновления энергетического цикла.

При пересечении орбиты Европы, на расстоянии 670 тысяч километров от Юпитера, носители кинетической энергии будут иметь запас кинетической энергии на 200 МДж/кг больше, чем на бесконечности; то есть их кинетическая энергия вблизи Европы будет 400 МДж/кг, а скорость 28 км/с, что уже не так плохо.

В действительности, скорость, и кинетическая энергия, носителей кинетической энергии при встрече с Европой будет зависеть от того, по встречной или попутной базовой траектории происходил разгон. При встречном направлении траектории по отношению к орбитальному движению Европы, относительная скорость будет 34,3 км/с, и кинетическая энергия 590 МДж/кг; при попутном — только 28,2 км/с, и 400 МДж/кг. То есть, хотя на встречную ("ретроградную") промежуточную траекторию сложнее выйти (потребуются дополнительные манёвры и больше времени), но это может дать в 1,5 раз больше энергии на поверхности Европы; хотя потом, после выхода из гравитационного поля Юпитера, никакой разницы не будет.

Тем не менее, мы видим, что в любом случае на возобновление энергетического цикла тратится от 20 до 30 % всей производимой энергии (с учётом того, что масса получаемого луца в 4 раза меньше, чем начальная масса топлива); то есть такая система работоспособна, и может выводить за пределы системы до 70 %