Аннотация

В работе рассматриваются новые возможности создания и эксплуатации лунной и инопланетных баз, которые открываются благодаря новым прогрессивным средствам транспортировки грузов, как на базу, так и с базы на орбитальные станции. Излагаются методы малозатратной доставки на базу ракетного топлива, необходимого для возвращения персонала на Землю, воды и другого сырья, необходимого для функционирования базы и её дальнейшего развертывания, а также снабжения окололунной (инопланетной) орбитальной станции ракетным топливом в целях дозаправки КА, которые совершают посадку на базу и/или возвращают персонал и продукцию базы на Землю. Рассматриваются способы использования кинетической энергии лунных грузов, перебрасываемых на околоземную орбиту, для вывода сырьевых грузов в космос и запуска космических аппаратов.

Работа выполнена на основе одноименного доклада на XXXVII научной конференции по космонавтике «Королёвские чтения» в январе-феврале 2013 года.

In the report new possibilities of creation and exploitation of the lunar and alien bases are considered, the possibilities that have now been opened by new progressive means of cargo transportation both to and from the base to orbital stations. Methods of low-cost rocket fuel delivery to the base needed for getting the personnel back to the Earth as well as water and various raw materials and whatever else is necessary for the base functioning and its further deployment are discussed here. Also methods for supplying the circumlunar (alien) orbital station with rocket fuel with a view to refueling spacecrafts (SC) which land to the base and/or return the personnel and the production of the base to the Earth are explained herein.

Based on the foregoing, it is concluded that the opening of the first lunar base and its industrial application for the needs of the Earth can be real much sooner than it has been planned without these innovations.

Оглавление

1. Введение

2. Лунный коллектор сырья

3. Орбитальный лунный коллектор сырья, поставляемого с Земли

4. Орбитальный лунный коллектор сырья, поставляемого с Луны ускорителем массы непрерывного действия. Струйный ускоритель

5. Околоземный коллектор лунного сырья, с функцией накопления атмосферного воздуха

6. Многоразовые лунные грузовые бустеры с накопителями воздуха - тормозными экранами

7. Околоземный коллектор сырья двустороннего действия: прием лунных и земных грузопотоков

8. Околоземный коллектор сырья, поставляемого с Земли, совмещенный с КСЭС, с двигательной установкой на основе ЭРД и ЭДТС

9. Околоземный ОКС с термохимическими РДУ, потребляющими лунное топливо

10. Околоземный ОКС с теплообменными РДУ, использующих тепло тормозной камеры с рабочим телом на основе лунной воды или атмосферного азота

11. Околоземные ОКС и бустеры с теплообменными водородными РДУ на основе нагревателя на химическом топливе

12. Использование потока лунного вещества в качестве пропеллента (толкателя) для ускорения КА. Прямоточные кинетические реактивные двигатели с попутным и встречным потоками рабочего вещества

13. Варианты рентабельной работы лунной базы на стадии предшествующей использованию лунных месторождений воды и водорода

14. Апологетика новых космических технологий

15. Выводы

16. Приложение – принципиальные схемы

17. Источники

1. Введение

Дефицит ресурсов, о котором так долго говорили аналитики из Римского клуба, наконец-таки даёт себя знать. Взоры искателей новых источников ресурсов обратились и к дну океанов и к бездне небесной. Многое из ставшего редким на Земле и в Океане имеется в изобилии на небесах. Появились частные компании, с долгосрочными планами разработки ресурсов небесных тел, например, таких как металлические астероиды.

На Луне, также есть запасы платины и платиноидов как на металлических астероидах. Есть там и уран, и редкоземельные металлы. Луна – это своего рода кладбище астероидов. В течение миллиардов лет, те же астероиды с золотом, платиной и другим ценным сырьем бомбардировали поверхность нашего естественного спутника, так что можно не гоняться за астероидами, тратя годы на путешествие к ним, а достаточно хорошо поискать под слоем реголита осколки металлических астероидов.

До Луны и обратно неделя пути, а до не самых далеких астероидов, из группы сближающихся с Землей, годы полета потребуются. Если подходить к делу разработки внеземных ресурсов с точки зрения инвесторов, то из-за потребности в быстрой амортизации много миллиардного транспортного оборудования разработка лунных месторождений драгметаллов более перспективна, чем астероидных рудников. Однако, нынешние транспортные технологии делают во много раз более доступными именно астероиды, а не Луну. Доставить на Луну необходимое оборудование и организовать вывоз извлеченного сырья во много раз сложнее, чем на астероиды.

Многие энтузиасты возлагают большие надежды на неракетные системы транспортировки лунного сырья в космос и далее на Землю. Да, электромагнитные ускорители способны решить задачу дешевого вывоза сырья с Луны к Земле. Но, электромагнитные катапульты не могут решить самую главную проблему в освоении Луны – проблему доставки этих самых катапульт с Земли на поверхность Луны. Предполагается, что самая малая масса такой промышленной катапульты составит 200 тонн. Плюс еще на окололунной орбите, в либрационной точке, надо разместить ловушку для перехвата грузов выбрасываемых катапультой. Кроме того, на поверхность надо доставить монтажное и другое строительное оборудование, а перед началом строительства провести геологоразведку и отработать технологию извлечения сырья из месторождений, «завести» с Земли горное оборудование, т.е. создать лунную базу, скорее всего обитаемую, даже при нынешнем прогрессе робототехники. Так или иначе, только 200 тоннами не обойтись, но в любом случае начинать надо с лунной исследовательской базы, а это создаст проблемы ее снабжения – не всё можно регенерировать, да и обитателей базы надо периодически возвращать на Землю, что требует больших поставок ракетного топлива на базу.

Решение задачи освоения Луны требует решения проблемы сокращения грузопотоков, необходимых для развертывания и последующего снабжения лунной базы. Согласно имеющимся планам, масса лунной базы на начальном этапе в составе трех обитаемых модулей, электростанции и одного лунохода будет составлять, по предварительным оценкам, как минимум 60 т, масса лунной орбитальной станции порядка 30 т. Что бы доставить этот груз с использование существующих ракетных технологий необходимо вывести на околоземную орбиту полезный груз массой 700-800 т. И это только для построения базы и создания условий жизнедеятельности экипажа численностью 3-4 человека.

Доставка оборудования для исследования и освоения лунных ресурсов потребует гораздо большего грузопотока: помимо выведения на низкую околоземную орбиту примерно 740 т на развертывание базы требуется выведение 435 т для ежегодного снабжения.

Известно решение этой задачи, состоящее в использовании электроракетных межорбитальных буксиров (солнечных и ядерных), которое снизит необходимость выведения на низкую околоземную орбиту до 300 т грузов ежегодно (примерно 420 т на развертывание и порядка 300 т для ежегодного снабжения).

Многоразовое использование электроракетного буксира и других элементов транспортной системы также повышает эффективность системы. Для развертывания лунной базы в этом случае, включая агрегаты получения компонентов топлива и рабочего тела (лунного завода по производству компонентов топлива массой 30 т), потребуется доставить на околоземную орбиту примерно 600 т полезного груза, а для обслуживания до 90 т ежегодно. Электроракетные буксиры в два раза сокращают стоимость вывода грузов на окололунную орбиту: с 52000 до 22000 долл./кг.

Вместе с тем, имеется группа других решений проблемы, которые могут применяться как самостоятельно, так и в комплексе с рассмотренным решением, которое опирается на применение электроракетных буксиров. Даже самостоятельное, независимое использование этих решений способно в 3-10 раз сократить необходимые грузопотоки.

В случае использования жидкостных реактивных двигателей на химических компонентах, от 50 до 70 процентов грузопотока составляет масса ракетного топлива, которое необходимо для выхода грузового посадочного модуля на окололунную орбиту и совершения посадки на Луну. Замена ракетного способа доставки грузов с окололунной орбиты на Луну, на известные неракетные способы в виде жесткой посадки грузов, таким образом, в 2-3 раза сократит грузопоток на низкую околоземную орбиту, по крайней мере для грузов сырьевого типа.

Кроме того, зарубежные планы создания лунной базы включают в себя использование принтеров объемной печати или 3D-принтеров, которые могут непосредственно на Луне создать корпуса жилых и технологических модулей, а также различное сложное оборудования, вплоть до ракетных двигателей. Благодаря быстрому прогрессу технологии 3D-печати создание лунной базы упрощается – теперь большая часть грузов, доставляемых в район развертывания базы, может быть не сложными техническими изделиями, а сырьем, которое представлено веществами не боящихся ударных перегрузок и высокотемпературного нагрева. С учетом доставки на базу простых сырьевых компонентов ракетного топлива, необходимого для возвращения экипажа, а не готовых сложномолекулярных продуктов, основной грузопоток будет представлять собой сырьевой материал, а доля готовых сложных технических изделий будет незначительной.

Эта структура поставок, с доминированием сырья, даёт возможность существенно снизить затраты на этапе строительства базы т.к. открывает возможность осуществлять снабжение поставками необходимого сырья с Земли без использования ракетных аппаратов на участке прилунения грузов. Такие простые вещества, как вода, содержащая нужные на базе кислород и водород, углеводороды, дающие химические реагенты-восстановители металлов для лунных производственных комплексов, готовые алюминий, титан и другие металлы не нуждаются в мягкой посадке на поверхность Луны. Главное, чтобы после жесткой, ударной посадки эти вещества можно было бы легко собрать и аккумулировать для последующего использования. Требуемое решение обеспечивает проект налунных (напланетных) аппаратов-накопителей сырья, подаваемого с околоземной орбиты межорбитальными буксирами с двигателями малой тяги либо бустерами (разгонными блоками) с двигателями большой тяги.

Первое предложение в этом направлении дано в 80-х годах прошлого века (патент US 4775120). Суть этого проекта заключалась в следующем: контейнеры с сырьем и полуфабрикатами прицельно сбрасываются с окололунных искусственных спутников на поверхность Луны в специальные ловушки, которые выполнены в форме протяженных тоннелей длиной 300 метров. Благодаря газо-жидкостной среде, заполняющей тоннели, осуществляется торможение и остановка контейнеров. Однако, большая громоздкость предложенной системы и необходимость её создания из лунных металлов, стала основным препятствием на пути её реализации.

Смещение сырьевого компонента грузопотока в сторону увеличения его доли обеспечивает также упрощение технологии вывода части грузов с Земли на низкую околоземную орбиту. Предложение использовать этот, преимущественно сырьевой характер грузопотока также было дано в 80-х годах прошлого века (патент US 5199671). Суть этого проекта состояла в создании орбитальных ловушек сырьевых грузов на низкой околоземной орбите. Такие накопители сырья, при условии соблюдения баланса импульсов, способны принимать контейнеры с сырьем и полуфабрикатами одновременно с Луны и с Земли. С Земли, грузы в такой орбитальный накопитель доставлялись бы при помощи недорогих высотных суборбитальных ракет и далее отправлялись бы к Луне. Однако и для этой эффективной транспортной системы препятствие к реализации стали её чрезмерные масса и габариты.

формате PDF (4309Кб)