?

Log in

От «Луны Семь» к «Луне Восемь» и от Mars One к Lunar First - Мир технологий [entries|archive|friends|userinfo]
Мир технологий

[ userinfo | livejournal userinfo ]
[ archive | journal archive ]

От «Луны Семь» к «Луне Восемь» и от Mars One к Lunar First [Apr. 28th, 2016|11:58 am]
Мир технологий

techno_world

[alboros]
[Tags|, , , , ]

Оригинал взят у alboros в От «Луны Семь» к «Луне Восемь» и от Mars One к Lunar First

Особенностью проекта создания лунной базы «Луна Семь», подготовленного частными энтузиастами для государственно-монополистического Роскосмоса, была ставка на уже имеющиеся технологии. Все важные новации, способные сократить затраты на реализацию проекта, в соответствии с принципом опоры на старые технологии, были задвинуты на второй и третий этапы, без какой-либо конкретизации, по крайней мере для любопытствующей публики. Однако практика общения с государственно-монополистическим космическим капитализмом доказала, что новации должны идти впереди, а древние технологии пора сдавать в музей.
Да, энтузиасты, прозванные «артековцами», доказали ветеранам космической индустрии, что даже с допотопными технологиями можно многократно дешевле построить базу на Луне, по сравнению с планами «отцов» космонавтики. Вместе с тем, даже такое сокращение затрат, не убедило госкорпорацию потратиться на первый шаг  колонизации Луны.

Понятно, что доходы бюджета упали и нужны не просто недорогие проекты, но и высокодоходные, в том числе в космической сфере. Проект «Луна Семь был существенно неполон – он не включал в себя предложения по коммерциализации и самоокупаемости, так как это сфера новаций, от которых ради ускоренной реализации решили отказаться. Техно-коммерческие новации были во второй и третьей частях, но без должной проработки. Поэтому, начиная публикации и продолжая разработку этих новаций, я как участник проекта «Луна Семь» полагаю, что теперь имеет смысл говорить о проекте «Луна Восемь», ведь в нем теперь в центр внимания ставится не сокращение сроков за счет использования старой техники, а радикальное сокращение затрат на создание лунной базы и коммерциализация ее деятельности за счет неспешной разработки новейших технологий доставки грузов на Луну и транспортировки продукции лунной промышленной базы с Луны в околоземное пространство.

В предыдущих публикациях я уже рассказывал о важнейшей составляющей плана первого этапа колонизации Луны – лунной центрифуге ГравиСити. Масса основной части торообразной лунной станции невелика – от одной до десяти тонн. Мобильные жилые модули, помещенные в надувную торообразную оболочку, под защитой реголитового покрытия от космической радиации, обеспечивают колонистам земной уровень тяготения, что снимает проблему долговременного пребывания людей на Луне. Таким образом, вместо отправки новых космонавтов на базу каждые полгода или год, можно ограничиться сменой персонала каждые пять – десять лет. Это значит, что использование ГравиСити на 80-90 процентов сокращает транспортные расходы на перемещение персонала между Землей и Луной. Найдутся ли желающие провести десять лет на Луне? Практика рекрутинга в проекте Mars One показала, что такие добровольцы найдутся. И не только готовые на десять лет «ссылки» во Внеземелье, но и на бессрочную командировку.

К теме внеземных баз на Луне и Марсе с уровнем гравитации с привычным как на Земле одним «g» мы еще вернемся, а пока рассмотрим новаторскую технологию доставки конструкционных и технологических материалов на строительную площадку лунной базы. Есть технологии, способные до 10 раз сократить расходы на такого рода транспортные операции.

Как известно, первым грузом, доставленный на Луну, был вымпел, сброшенный АМС «Луна-2» (12 сентября 1959). Посадка была жесткой, но именно благодаря этому энергетически эффективной, по сравнению с первой в мире мягкой посадкой, совершенной АМС «Луна-9» (31 января 1966). Жесткая посадка такого рода происходит на скорости 2500-3000 м/с. По сути это удар, при котором доставляемый груз плавится и частично испаряется. Понятно, что людей и оборудование невозможно доставлять таким способом. Поэтому, до настоящего времени в планах различных миссий на Луну и другие небесные тела всегда рассматривался способ мягкой посадки грузовых КА, хотя этот способ многократно дороже.     

Вместе  с тем, многое изменилось в промышленном мире. Появились аддитивные технологии. Теперь, как полагают многие проектанты внеземных баз, не обязательно доставлять на Луну или Марс готовое оборудование. Если есть сырье (металлы, углеводороды, керамика) космические 3D-принтеры напечатают прямо на месте корпуса жилых и технологических модулей, изготовят ракетные двигатели, топливные баки, космические аппараты и космические корабли. Однако, для изготовления базы на Луне за счет местного сырья требуется доставка на Луну технологических модулей (минизаводов), способных из лунного реголита выделить алюминий, титан, железо, никель, помимо кислорода и кремния, необходимых для существования и развития и базы. Получается, что на первом этапе строительства ставка на местное сырье не эффективна.

В этой ситуации выходом может оказаться доставка алюминия, титана, углеводородов, воды и других ресурсов методом жесткой посадки. После превращения этих ресурсов в конструкции и агрегаты базы, в кислород и ракетное горючее, можно будет перейти к использованию местных ресурсов.

Реализовать метод жесткой посадки грузов сырьевого типа, однако не так просто, как может показаться. Дело в том, что если груз образует порции типа сфер, наподобие вымпела АМС «Луна-2» или цилиндров, наподобие стрел Rods from God американского высокоточного космического оружия, то при ударе о лунную поверхность, будет происходить взрыв. Дело даже не в защите базы от действия взрывов, происходящих вблизи нее – защита базы, решаемая проблема. Дело в том, что доставляемый груз будет взрывом рассеян таким образом, что большая его часть не может быть собрана и утилизирована.

Впрочем, для небольших скоростей столкновения с лунной поверхностью, некоторые грузы предлагается доставлять похожим способом. Американский специалист Алан Штерн (Alan Stern) предложил осуществлять доставку воды с Земли в виде льда, который полужестким способом прилуняется  в районе базы. По его расчетам после ударной посадки осколки льда могут быть собраны астронавтами до того как они испарятся. Понятно, что экономия от такого способа доставки воды есть, но не значительна.

Решение проблемы предотвращения взрывного разлета доставляемого вещества есть. Имеется запатентованная в США, ЕС и СНГ технология аккумуляции высокоскоростных порций вещества коллекторами орбитального и стационарного (налунного) базирования. Суть ее в том, что поглощение порции груза, имеющего скорость в несколько километров в секунду, происходит не одномоментно, а растянуто во времени. Вместо компактного куска вещества в улавливающую (и тормозящую) среду входит подобие тонкой струи, с той же массой. Процесс поглощения занимает уже секунды, а не микросекунду и взрыва не происходит. Процесс аналогичен инжекции иглой шприца – через малое отверстие впрыскивается большая порция вещества, которое внутри тела концентрируется вокруг зоны прокола.

вар107.jpg
Для жидкостей и легко испаряющихся веществ используются контейнеры с поглощающей средой. Поток вещества (в виде ленты, цепи, троса, нити или трубки с газом) тормозится и охлаждается поглощающей средой и накапливается внутри контейнера. Газообразные продукты удерживаются аэродинамическим окном, которое пропускает поток вещества в контейнер, но не позволяет газам покинуть ловушку.

Такие коллекторы удобны для доставки на базу воды, кислорода, углеводородов. Однако, не смотря на то, что они имеют небольшую массу (1-3 тонны), их необходимо доставить на базу и при эксплуатации применять высокоточные средства наведения грузовых КА, чтобы доставляемое ими вещество в абсолютном большинстве случаев попадало в приемные устройства коллекторов.

Так вот, для многих видов грузов, могут использоваться безоболочечные коллекторы. Эти коллекторы не нужно доставлять на поверхность Луны, потому что сама эта поверхность используется в качестве коллектора грузов. Реголит и скальный грунт способны выполнять роль улавливающей среды некоторых грузов. Многие необходимые металлы могут поглощаться лунной поверхностью без испарения и взрывного разброса при подаче «струей». Под слоем породы заторможенная «струя» металла формирует своего рода магматический очаг. При скорости вхождения в грунт около 2500 м/с металлический трос (лента, цепь), действует на преграду как струя металла кумулятивного заряда. При толщине 1-3 см поток металла проходит через скальные породы на глубину нескольких метров, где дробя и раздвигая породу, образует очаг расплава (подобие магматической камеры).

вар102.jpg
Обозначения:
1 – металлическая нить (гибкий стрежень) движущаяся вниз по вертикали вдоль самой себя на приёмную площадку грунтового коллектора;
2 – истечение расплавленного металла;
3 – ударный кратер в зоне входа металлической нити в лунную поверхность;
4 – отверстие входного канала;
5 – фумаролы;
6 – поток расплавленного металла;
8 – слой породы;
10 – «магматический» канал в грунте;
11 – «магматическая» камера с металлическим расплавом;
12 – трещины в породе, заполненные расплавом.


Использование таких «подземных» запасов расплавленного металла (алюминия, титана, железа или вольфрама), расположенных вокруг базы -  это дело техники. Металл может откачиваться через входной канал или искусственные «фумаролы». Возможно разрушение покрывающего очаг слоя породы и вычерпывание содержимого «магматической» камеры. При этом разрушение производится не только горными машинами базы, но и подачей из космоса, из грузовых КА небольших по массе потоков, для дробления покрывающей породы.

Используя современные ракеты-носители в безоболочечные коллекторы могут доставляться порции металлов массой 3000-4000 кг. Для доставки не требуется разрабатывать новые аппараты – могут использоваться бустеры, выводящие на ГСО телекоммуникационные КА.

Доставка выглядит следующим образом. Разгонный блок выводит с НОО грузовой КА на траекторию полета к Луне. В заданной точке, на подлете к Луне, отделяется контейнер, в котором находиться катушка с лентой (цепью, тросом) из алюминия. Масса порции металла равна 3000 кг. Вытяжное устройство с микродвигателями вытягивает ленту и ориентирует ее в направлении траектории полета. Длина ленты 11000 м, поэтому используется ее гравитационная стабилизация. На финальном участке полета, корректирующие блоки отделяются от ленты и уводятся в сторону, чтобы упасть в безопасном удалении от базы, в одном из множества кратеров с бруствером необходимой высоты.

Траектория падения ленты подбирается такой, чтобы падение происходило перпендикулярно лунной поверхности (здесь удобным будет сброс груза на встречном курсе, при соосности вектора движения Луны по орбите вокруг Земли и вектора падения груза). В этом случае входной канал будет иметь небольшой диаметр и наибольшую глубину. При смещении положения ленты относительно вертикальной оси входное отверстие будет иметь вид щели и, соответственно, меньшую глубину проникновения. Для увеличения глубины канала головная часть ленты изготавливается из стали или вольфрама.

Алюминий и титан, доставленные таким образом в район строительства лунной базы, после извлечения и очистки от реголита используются как сырье для изготовления конструкций и агрегатов базы методом 3D-печати. Углерод, необходимый для процессов извлечения металлов и кислорода из реголита, так же удобно доставлять на базу через безоболочечный (грунтовый) коллектор.

Разгонные блоки (бустеры), после отделения грузовых КА, первоначально могут разбиваться о лунную поверхность, чтобы не пополнять облако космического мусора, окружающего планету. Однако, при соответствующем подборе массы полезной нагрузки, в бустерах после выполнения задачи остается достаточно топлива, что бы после облета Луны при возвращении к Земле, погасить избыток скорости в перигее и выйти на НОО. В этом случае, низкая цена доставки сырья на лунную базу описанным способом, дополняется возможностью многоразового использования разгонных блоков – заправлять их топливом на НОО дешевле, чем запускать с Земли новые бустеры.  На первом этапе можно рассчитывать на 15-25 повторных рейсов бустеров, а после модернизации ресурс увеличится до 100-200 рейсов, причем блоки управления бустеров могут использоваться еще большее число раз.            

Коммерческое использование базы я рассматривал в предыдущих публикациях, поэтому в этой статье оставляем его без внимания. Замечу, однако, что орбитальные коллекторы на следующих этапах решают проблему недорогой транспортировки ряда ценных ресурсов с Луны в околоземный космос.

Итого, в распоряжении землян имеются технологии, способные превратить нашу цивилизацию в космическую и сделать космическую деятельность высокодоходным направлением бизнеса.

Moonbase L2.gif


Резюме. Новый способ строительства лунной базы предполагает высадку на Луну модулей с принтерами 3D-печати и доставку перед этим сырья для принтеров: алюминия, титана, железа, меди, вольфрама и т.п. Сырье преобразуется принтерами в химико-технологические модули, предназначенные для выделения из реголита кислорода и металлов, горно-добывающее оборудование, роверы и летательные аппараты (луноходы, лунолёты и взлётно-посадочные модули), а также жилые модули. Особенность способа в том, что для доставки сырья не используются ракетные посадочные модули с мягкой посадкой на Луну – порции сырья доставляются методом жесткой посадки на скорости около 2,5 км/с. При этом бустеры, сбрасывающие сырьё на поверхность Луны в процессе её облёта, за счет экономии топлива (благодаря исключению посадки) способны вернуться на исходную околоземную орбиту и, после заправки, снова использоваться. В результате затраты на строительство лунной базы сокращаются до 10 раз.
LinkReply