Сас, как инструмент освоения космоса



Скачать 410.44 Kb.
страница1/3
Дата04.01.2018
Размер410.44 Kb.
ТипГлава
  1   2   3

Глава 15 САС, как инструмент освоения космоса.

Несмотря на наличие больших возможностей у наземных и плавучих проектов САС, наиболее заманчивые горизонты у данной идеи открываются в космическом пространстве. Известно, что началу эксплуатации гигантских ресурсов сырья и энергии солнечной системы препятствуют высокая стоимость вывода грузов в космос и тяжелые условия труда для человека во внеземной среде.

При создании космической САС оба препятствия становятся преодолимыми.

Вывод в космос единственного экземпляра САС позволит спустя какое-то время развернуть управляемую с Земли производственную систему, способную решать глобальные задачи. Среди таких задач может быть:



  1. переработка внеземного сырья в различные товары и материалы с последующей транспортировкой их на Землю,

  2. использование САС как космические электростанции для энергоснабжения Земли,

  3. использование САС для создания поселений на поверхности планет и в открытом космосе для расселения людей ( например, космические поселения по проекту О Нейла и т.д.),

  4. преобразование среды обитания на отдельных планетах Солнечной системы для жизнедеятельности человека,

  5. посылка САС как «размножающихся» исследовательских зондов для глобального изучения вселенной.

Идея создания космических самовоспроизводящихся систем весьма привлекательна и поэтому неоднократно обсуждалась отдельными исследователями. Так еще в 1969 г. инженер С. Житомирский писал о посылке на другие планеты «размножающегося» автоматического зародыша, который встраивал бы в возводимые объекты себе подобные устройства и тем самым тиражировал бы их миллионами.1)

К сожалению в литературных источниках идея самовоспроизводящихся космических систем дается только в самом общем виде. Без изложения технических деталей и приведения соответствующих расчетов.

Однако очевидно, что любой вариант космической САС как более сложный может быть реализован только после создания и доведения до соответствующего уровня «земных» проектов САС.

Рассмотренные выше «земные» САС - это шаг к разработке космических САС, создание которых - на порядок более сложная задача.

Особенности конструкции космической САС во многом будут зависеть от того, какие виды ресурсов будет разрабатывать САС. Наиболее доступными источниками энергии является солнечное излучение, а сырья - Луна и астероиды. Первый источник сырья - наиболее близок к Земле, но требует преодоления достаточно больших сил притяжения при доставке грузов на Землю. Второй - представлен мелкими небесными телами (более 40 тыс. общей массой примерно в 1/1000 массы Земли и максимальным диаметром - 770 км.) с очень малыми силами притяжения и содержащих более ценное сырье, чем лунный грунт (углерод, чистое железо и т.д.), но удаленных от Земли в 1000 раз дальше, чем Луна. Исключение составляют только несколько небольших астероидов периодически приближающихся к Земле на более близкое расстояние ( Эрос - до 22,5 млн. км., Икар - до 6-7 млн. км., Гермес - до 0,7 млн. км.)

По способу функционирования космические САС могут быть спускаемые и орбитальные.

Спускаемая САС целиком функционирует на поверхности небесного тела. Лунная, видимо, близкой будет по устройству наземной САС, но с рядом существенных особенностей. Наличие резких перепадов температуры (от -120 0С ночью до + 1100С днем) потребует дополнительных мер по теплоизоляции: например, размещение корпуса САС в углублении с присыпкой грунтом. Кроме того для обеспечения термостатических условий необходимо будет создание внутри корпуса искусственной газовой среды, например, О2 или СО2, циркулирующей через теплообменные устройства. При использовании солнечных энергоустановок потребуется крупный аккумулятор энергии на ночное время суток, длительность которых на Луне равна 15 земным суткам. В качестве аккумуляторов энергии могли бы стать емкости с расплавом солей или гравием, сернонатриевые электрические аккумуляторы, тепловые насосы с трубопроводной системой отбора тепла из окружающего грунта, а также в перспективе - сверхпроводящие соленоиды и т.д.

Для снижения потребности в аккумуляторе все энергоемкое оборудование, допускающее перерывы в работе, переводится на режим работы только в дневное время (с соответствующим удвоением его мощности).

Большая часть лунной поверхности покрыта горами (высотой до нескольких сот метров), кратерами, расщелинами, что затрудняет транспортировку блоков дочерних САС. Поэтому САС будут размещаться в равнинных районах лунных «морей». Готовые блоки будут перемещаться транспортным устройством на колесном ходу (конструкции аналогичной советскому «Луноходу» или вездеходу американского корабля «Аполло», но увеличенной в десятки и сотни раз). Энергопитание транспортного устройства возможно от : 1) бортовых солнечных электробатарей, 2)электрического аккумулятора, (например, сернонатриевого) , 3) тепловых двигателей (Стирлинга и т.д.) с запасом жидкого О2 и топлива в виде Si, Al, Mg и т.д., 4) через кабель от материнской САС, 5) направленным электромагнитным излучением.

Для преодоления пересеченной местности и расширения районов функционирования САС может быть создана транспортная платформа с ракетными двигателями, работающими на О2 добытом из лунных пород, и Н2, доставляемого с Земли или добываемого. Для ближней точной стыковки блоков будет применяться наземная ходовая часть платформы (колесные шасси). Эта же транспортная платформа может быть предназначена для вывода в дальнейшем контейнеров с полезным грузом (товарами) на окололунную орбиту для последующей отправки их на Землю. Топливом для ракетных двигателей транспортной платформы может быть водород доставляемый с Земли или извлекаемый из лунного реголита, а также - кремний, алюминий, магний, и другие элементы, имеющиеся в достаточном количестве на Луне. По оценке Глушко В.П. удельный импульс РД на кремний при окислении кислородом - до 280 сек., а на алюминий - до 290 сек, что достаточно для старта с Луны. При выводе груза в космос расход обычного топлива (водорода) с окислителем ( О2 ) составит 50% взлетной массы платформы, а альтернативного топлива (кремния) с окислителем ( О2 ) - приблизительно 90-95% (наша оценка по соотношению удельных импульсов).

В перспективе транспортная платформа может быть оснащена электродуговыми, ионными или магнитоплазмодинамическими реактивными двигателями, использующими в качеств рабочего тела только кислород (имеющие скорости истечения кислорода от 2,235 км/сек до 12,78 км/сек против 4,18 км/сек у топлива Н2 + О2).

В отличие от лунных САС, спускаемые на поверхность астероидов, будут изготавливать дочернии копии не из отдельных блоков, а сразу целиком, т.к. малая сила притяжения позволяет легко перемещать крупные объекты по поверхности астероида. Из-за больших неровностей рельефа перемещения САС предпочтительнее выполнять с помощью ракетных двигателей вертикального и горизонтального полета, использующие в качестве рабочего тела кислород. Для взлета с поверхности астероидов контейнеров с товарами для отправки к Земле потребуются кислородные ракетные двигатели с тягой в десятки и сотни раз меньше, чем с лунной поверхности.

Орбитальные САС, вращающиеся вокруг Луны или астероида, спускают на поверхность небесного тела добывающий блок , который затем передает на борт САС добытое сырье. По сравнению с вариантом, когда вся САС спускается на поверхность планеты , ряд преимуществ. Во-первых , расширяются технологические возможности САС ( они могут быть использованы для создания космических поселений, исследовательских зондов Вселенной, могут быть переведены на околоземную орбиту для энергоснабжения Земли и другого использования).

Во-вторых, повышается интенсивность эксплуатации небесного тела , т.к. на орбитах может быть размещено большее количество САС, чем на поверхности небесного тела (это обстоятельство особенно важно при использовании малых астероидов). Кроме того для лунной САС упрощается процедура сооружений дочерних САС( не нужны транспортировка и монтаж отдельных блоков) и транспортировки полезных грузов на Землю, а при соответствующем выборе орбиты ( например, в точках Лагранжа) - можно избавится от энергетической паузы во время «лунной ночи» и отказаться от аккумуляторов энергии, повысить эффективность энергетического и другого оборудования. С другой стороны, орбитальные САС требуют сложной и высокоточной системы транспортировки сырья от добывающего блока до борта САС и будут работать в условиях невесомости, предъявляющих специфические требования к оборудованию и технологическим процессам.

Транспортировка сырья на борт орбитальной САС может осуществляться в принципе одним из 3-х способов: 1)ракетной установкой, совершающей челночные рейсы между поверхностью планеты и САС; 2) электромагнитной или центробежной метательной установкой; 3) тросовым подъемником. Первый способ уже имеет практическую реализацию (например, в 1970 г. так было доставлено на Землю 0,2 кг лунного грунта советской автоматической станцией «Луна - 16» массой 1,88 т. 2) Но он связан с расходом большого количества химического топлива. Кроме того челночные полеты требуют надежной и высокоточной наводки и стыковки транспортной установки с САС и решения проблемы энергоснабжения первой во время полета. Поэтому применение такого способа доставки сырья нам представляется маловероятным (по крайней мере для Луны).

Второй способ более перспективен, но пока разработан на уровне проектов (если не считать нескольких образцов электромагнитных пушек, созданных для земли с иными целями ). В частности О Нейл Дж.К. предлагает для доставки сырья с Луны в Космос ( в точки Лагранжа ) вращающуюся капсульную пусковую установку (RPL), состоящую из двухлопастного пропеллера, радиусом 10 м вращающегося с постоянной скоростью - 2300 об/мин, это позволяет придавать капсулам сырья скорость отрыва (конечную скорость)— 2400 м/сек, что достаточно для вывода их в космос. Точное выдерживание направления капсулой после запуска обеспечивается линейной электромагнитной системой с отклоняющими пластинами, которая удерживает капсулы от рассеяния и облегчает сбор их . Производительность установки при транспортировке 5-граммовых капсул и 25% полезного времени работы (от общего фонда времени) составит 3250 т/год. При этом масса установки составит 10 т, а потребляемая мощность -1600 л.с. ( квт). Лопасти пропеллера изготавливаются из алюминиевой основы армированной волокнами бора с пределом текучести 225,4 кг/мм2 и плотностью - 4,1.3)

Другой тип установки - транспортный линейный ускоритель ( TLA), представляющий собой обращающуюся систему небольших пассивных подвижных средств (подъемных клетей), каждая из которых не имеет движущихся частей. Но снабжена сверхпроводящими обмотками. Клеть массой 5 кг разгоняется с полезной нагрузкой весом 9 кг, с ускорением 288 м/сек2 до скорости отрыва вдоль линейно-синхронной дорожки магнитного подъема. Затем замедление освобождает полезную нагрузку. Клеть снижает скорость и возвращается назад, чтобы принять следующий груз. Ускоритель с 8 клетями, напряженностью магнитного поля 10 000 Гс и пиковой силой тока -136 тыс. ампер при частоте повторения -1 ускорение/сек будет иметь производительность 750 т/сутки или 80 тыс. т /год (при работе в течение 25% времени). При этом мощность ускорения составит 40 мвт (омические потери -15 мвт), а масса ускорителя - 1500 т или 53 т/т груза в год, в т. ч. 80% придется на электрогенераторное оборудование и аппаратуру преобразования энергии.3)

Проект более крупного электромагнитного ускорителя ЭМУ с 300 фиберглассовыми контейнерами емкостью по 20 кг предполагает доставку в космос 600тыс. т сырья в год с поверхности Луны. Общая масса ускорителя согласно расчетам авторов составит 3542 т (или -169 т/т сырья в год), в т.ч. электрические системы -840 т ( 24% ), источники мощности для непосредственного ускорения полезной нагрузки -1540 т (43%), прочие источники мощности -307 т (9% ), радиаторная система охлаждения -449 т (13%), конструкция ускорителя и другие элементы - 406 т (11%).4)

Есть проекты и достаточно компактных ЭМУ. Например, ЭМУ с коаксиальной конфигурацией ускоряющих катушек используемый как реактивный двигатель для перемещения объектов в космосе. Он выбрасывает 14 - граммовые порции мелкодисперсионных частиц, жидкостей или газов с ускорением 5000м/сек2 , скоростью выброса - 8000 м/сек и частотой -5 выбросов/сек, создавая при этом удельный импульс 8000 н/(кг/сек) и среднюю тягу 560н . Диаметр ускоряющей обмотки -5 см, число витков в обмотке -8, расстояние между обмотками -6,3 см, длина ускорителя (включая участок торможения контейнера)— 10300 м, пиковое значение тока в ускоряющей обмотке -7850 ампер-витков, масса пустого контейнера— 22 г, в т.ч. масса сверхпроводящих катушек -16 г ( из расчета плотности тока —25000 А/см2) . Потребляемая мощность ЭМУ —2,9 тыс. квт, в т.ч. для компенсации различных потерь -0,73 тыс. квт. Масса электрической системы ЭМУ (т.е. ЭМУ без силовой конструкции) —89 т, в т.ч. управляемых кремниевых выпрямителей тока —37,9 т, обмотки —14,5 т, источников мощности для ускорения и компенсации потерь —15 т (из расчета удельной массы -5 кг/квт), фидеров -3,7 т, конденсаторов -3,7 т, радиаторов для рассеивания тепла -14,6 т (из расчета удельной массы радиаторов -20 кг/квт и выделении 730 квт тепла.5) Удельная стоимость ЭМУ оценивается в 1100 дол/кг. ЭМУ подобной конструкции могут быть использованы не только в качестве движителей космических объектов, но и для вывода сырья в космос с поверхности Луны и астероидов. Для этого требуются более низкие скорости выброса порций грунта ( для Луны—2400 м/сек, для астероидов еще меньше), что позволяет существенно уменьшить габариты и массу ЭМУ. На борту орбитальной САС оборудуется приемное устройство, обеспечивающее надежный захват посылаемого грунта во всем диапазоне его рассеивания.

Другой перспективной транспортной системой доставки грунта являются тросовые подъемники и лифты, спускаемые с борта САС на поверхность небесного тела. Главные достоинства такого способа— простота конструкции, отсутствие расхода рабочего тела, минимальные затраты энергии, высокая надежность и точность доставки груза. А.В. Лукьяновым выполнены расчеты основных параметров тросовой транспортной системы для подъема объектов массой 100 кг с поверхности малых спутников планет и астероидов диаметром до 200 км.6)

В нижеследующей таблице приведены результаты этих расчетов для стальной проволоки ( с напряжением на разрыв  = 109н/м2 и удельным весом 7,9 т/м3) с экстраполированием их на более крупные тела.

Таблица№31



Объект

Астероиды





Луна


































Веста







1)Диаметр (км)

6

10

20

40

100

200

783

3,474




Средн. Плотность тела (т/м3)

3

3

3

3

3

3










2)Ускорение силы тяжести (мм/сек2)

2,52

4,19

8,38

16,8

41,9

83,8

328

1,623




3)Длина троса и высота орбиты корабля (км)

0,95

1,6

3,2

6,3

15,8

31,6

124

549




4)Мах. нагрузка на трос (при отрыве) (Н)

0,6

1

2

4

10

20










5)Сечение стальной проволоки (мм2)

0,006

0,001

0,002

0,004

0,01

0,02




0,35




6)Диаметр проволоки (мм)




























7)Масса проволоки (троса) (кг)

0,0045

0,0125

0,05

0,2

1,25

5,00

77

1,508




8)Энергия, необходимая для получения I-ой космич.скорости (тыс.Нм)

0,165










46













9)Расход топлива для получения I-ой космич.скорости (кг)

(при ЖРД с

V истечения = 3км/сек)


0,09










1,5







52



Из таблицы видно, что тросовая система подъема грунта может быть весьма эффективна при эксплуатации малых и средних астероидов. Например, для подъема груза массой 100 кг с поверхности астероида диаметром 200 км, оптимальная высота орбиты САС и соответственно длина троса составят 32 км, а масса троса -5 кг или 5% от поднимаемого груза. При средней скорости подъема - спуска лифта по тросу, равной 100 км/час и грузоподъемности его -100 кг, производительность системы может достигнуть приблизительно 1200 т/год (при коэффициенте использования лифта по времени равном 90%)

Для крупнейшего астероида (Весты) эффективность тросовой системы со стальной проволокой резко снижается, т.к. почти 80% ее грузоподъемности «съедает» масса самого троса. На полезную нагрузку остается 20 кг (без учета массы самого подъемника с контейнером), что при той же скорости подъема-спуска даст производительность не более 70 т груза в год (а с учетом массы самого подъемника с контейнером -еще меньше).

Для условий Луны стальная тросовая система оказывается уже не пригодной, т.к. масса проволоки в 15 раз превышает, допустимую предельной прочностью материала грузоподъемность. Поэтому лунная тросовая транспортная система может быть реализована на орбитальных САС только в отдаленной перспективе при использовании каната, состоящего из секций переменного сечения (уменьшающегося при приближении к лунной поверхности) и изготовленного из более прочного материала (например, композиты на основе монокристаллических усов из углерода, металлов и т.д.) .

В настоящее время тросовые системы уже находят свое практическое применение в космонавтике, в частности, для спуска исследовательских зондов с борта спутников в верхний слой атмосферы .

Спускаемые блоки орбитальных САС кроме устройства добычи и системы транспортировки грунта в космос должны быть оснащены автономной энергоустановкой (солнечными батареями и т.д. ) или устройством приема концентрированного энергоизлучения (например, в виде СВЧ -излучения) от орбитальной САС, системой связи и наведения на орбитальную САС, а также возможно устройством перемещения блока по поверхности небесного тела.

Единственным реальным в настоящее время источником энергии для космических САС всех типов является солнечное излучение. Как и «земные» космические солнечные энергоустановки могут быть термодинамические (с турбинным циклом, с циклом Стирлинга и т. д.) или фотоэлектрические, на основе батарей из монокристаллического, поликристаллического или аморфного кремния. Первые имеют выше К.П.Д. (а значит, требуют меньше площади), но более сложны в устройстве, труднее автоматизируются и менее надежны. Поэтому в космонавтике пока применяются исключительно фотоэлектрические солнечные батареи.

В принципе на САС могут быть применены и ядерные энергоустановки с термодинамическим или термоэмиссионным типом преобразования. Так, уже имеются испытательные образцы крупных космических ядерных реакторов (например, американский SP -100 мощностью 100 квт и массой 3000 кг)7) и маломощные радиоизотопные энергоустановки, используемые на многих спутниках.

Но ядерные топливные элементы придется доставлять на САС с Земли и перезаряжать с участием персонала, что для условий космоса весьма хлопотно. Создание же полностью законченного ядерного топливного цикла на космических САС - перспектива весьма отдаленного будущего , да и она мало оправданная, т.к. содержание урана в астероидах и лунных породах весьма низкое (соответственно 0,4 и 0,5 г/т, что в 8-6 раз меньше, чем в земной коре).

Грунт Луны и астероидов в основном состоит из силикатов. По данным о метеоритах, основными минералами астероидов являются оливин, пироксены, анортит и альбит ( в хондритах, составляющих почти 2/3 всех упавших на Землю метеоритов, их доли соответственно равны 42,3%, 28,9%, 3,3%, 7,4% от общей массы вещества. Кроме того в больших количествах присутствует металлическое никелистое железо (от 10,6% в хондритах до 98,3% в железных метеоритах).8) Лунные материки, занимающие около 83% поверхности Луны, в основном состоят из силикатных пород - анортозитов и норитов, содержащих силикаты: анортит (42-72%), гиперстен (9-37%), оливин (1-25%), альбит (3-5%), диоксид (2-10%), а также в небольших количествах ильменит (0,4-3%), апатит и т.д.. 9) Лунные моря (17% территории) представлены базальтами с высоким содержанием ильменита (до 20%). Последний содержит FeO и TiO2 и легко выделяется с помощью магнитной сепарации. Основные породы Луны и астероидов сложены из крепких скальных пород, разработка которых требует значительных усилий. Из-за невозможности применения обычных взрывных методов их добыча будет осуществляться механическим способом (шарошечными долотами, твердосплавными фрезами и пилами и т. д.), или путем термического воздействия плазменного или электронного луча. Использование лунного грунта облегчается наличием верхнего рыхлого слоя -реголита, образованного в результате бомбардировки поверхности Луны метеоритами. Средняя толщина слоя реголита -2-3 мм9, что позволяет длительное время эксплуатировать лунные ресурсы не прибегая к энергоемким способам добычи. Специфический химический состав сырья потребует внесения существенных изменений в конструкции оборудования и в организацию технологических процессов на САС.




Поделитесь с Вашими друзьями:
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница