alboros (alboros) wrote in i_future,
alboros
alboros
i_future

Этапы строительства марсианской базы по новой технологии. Часть 2

Оригинал взят у alboros в Этапы строительства марсианской базы по новой технологии. Часть 2

Запасы механической энергии Фобоса и Деймоса – основа марсианской энергетики.

Основная проблема пропагандистов идеи колонизации Марса состоит в том, что продвигаемые проекты абсолютно убыточны. Отсутствуют предложения по созданию на Марсе такой производственной деятельности, которая станет приносить прибыль частным и государственным инвесторам. Имеющиеся планы предполагают длительное дотирование марсианских колоний без какой-либо отдачи в разумные сроки. Таким образом, актуальна разработка таких новых проектов рентабельной колонизации Марса.

1443552990-phobos-base.jpg

В первой части проекта мы показали, как потенциальная и кинетическая энергии Деймоса, даровые по своей сути, могут использоваться для работы по аккумуляции и переработки газов марсианской атмосферы и реголита Деймоса в ракетное топливо и конструкционно-технологические материалы. Часть этой продукции колонисты отправляют в систему Земля-Луна, часть используют для развития своей промышленной базы. Поставки товаров в околоземное пространство вернут инвесторам с процентами вложения в марсианский проект и обеспечат колонистам средства на покупку у землян необходимых товаров и услуг.
Запасы энергии Деймоса огромны. В предложенной схеме утилизации (см. ч.1) полезный выход энергии составляет 10 МДж/кг массы реголита. Масса Деймоса – 1,48·1015 кг. При генерации мощности равной мощности Красноярской гидроэлектростанции, вещества Деймоса хватит на 40 тыс. лет (кпд - 50%). Утилизация Фобоса, масса которого – 1,072·1016 кг, прибавит еще четверть миллиона лет пользования даровыми ресурсами. А есть еще  пять троянских астероидов Марса в двух точках Лагранжа марсианской орбиты. Их энергию колонисты также могут утилизировать. Однако, на практике, период использования вещества Фобоса и Деймоса для генерации энергии не продлится больше 50-100 лет, в виду возможного перехода на другие более эффективные источники энергии.

800px-PSP_007769_9010_IRB_Stickney-2.jpg

На стадии развертывания марсианских колоний даровые запасы энергии спутников Марса будут очень полезны, так как в отличие от солнечной энергии они представлены в высококонцентрированном виде. В части первой был показан только один из вариантов утилизации запасов механической энергии. В этой части рассмотрим другой вариант, который актуален для промышленных баз на Фобосе, Деймосе и на самом Марсе. Данные, используемые в расчетах, для удобства изложения даны в приложении.

Энергоснабжение баз Фобоса и Деймоса.

Ранее в плане «Этапы строительства лунной базы по новой технологии» показана целесообразность ударной, жесткой посадки (~2,5 км/с) порций металлов и других простых веществ в реголит Луны и спутников других планет. Способ выгоден многократной экономией транспортных затрат на доставку грузов сырьевого типа с Земли на Луну. Кроме этого, он имеет другие выгоды: ударная посадка углерода в лунный реголит и/или скальный грунт, должна генерировать окислительно-восстановительные реакции и выделение в виде расплавов железа, никеля, титана, кремния и алюминия (если температура оксида алюминия выше 2000 К); возникающая «подземная» каверна с расплавленными металлами и породой, является своего рода магматическим очагом, запас тепла которого, можно использовать для генерации электроэнергии. Вариант утилизации тепла из очага в грунте представляется интересным не только для колонистов Луны, но и для колонистов марсианских лун. В «подземную» полость с высокотемпературным расплавом можно погрузить тепловую трубку и выводить тепловую энергию наружу к стандартным парогазовым электрогенераторам (кпд – 50%), а поначалу, на стадии развертывания первой базы, к простым термоэмиссионным генераторам.

Коллекторы_Фобоса-Деймоса.jpg

В первом приближении схема утилизации энергии лун, представляется как процесс переброски порций вещества Деймоса на Фобос. Однако, расчеты показывают, что скорость груза    относительно Фобоса будет невелика – 417 м/с (2555 м/с – 2137 м/с), что не на много больше чем скорость подачи груза с Деймоса, равная 330 м/с (1351 м/с – 1021 м/с). Затраты энергии на отправку грузов с Деймоса в таком случае в 1,6 раза меньше той энергии, которая выделяется при жесткой посадки груза на Фобос. Прирост равен 60%. Выигрыш есть, но не велик. Кроме того, при такой низкой скорости входа в грунт, требуемые высокие температуры не возникают. Необходимо другое решение.

Такое решение имеется. Рассмотрим принципиальную схему. Согласно части 1 проекта, база на Деймосе имеет механическую катапульту, которая используется для метания коллекторов назад, в сторону противоположную движению Деймоса по орбите. Благодаря этому броску коллектор сходит с круговой орбиты Деймоса и уходит по эллиптической орбите вниз к верхним слоям атмосферы Марса.

В варианте создания теплоэлектростанции катапульта метает космический аппарат (КА) с грузом вперед, по ходу движения Деймоса. Скорость, сообщаемая КА такова, что КА поднимается по эллиптической траектории к границе сферы действия Марса. В апоцентре такой орбиты скорость КА составляет всего  несколько десятков метров. Таким образом, при малом расходе ракетного топлива, КА может полностью погасить свою скорость, а затем разогнаться в противоположном направлении, начав ретроградное движение по первоначальной эллиптической орбите. Если период обращения по ретроградной орбите синхронизирован с периодом обращения Деймоса (или Фобоса), то в перицентре орбиты КА пройдет встречным курсом на минимальном расстоянии от Деймоса (или Фобоса). Скорость относительно Деймоса (или Фобоса) в этом случае составит несколько километров в секунду, тогда как скорость выброса КА катапультой только несколько сотен метров в секунду. Энергетический выигрыш налицо, даже при уменьшении массы аппарата из-за расхода топлива в апоцентре. Пролетая мимо луны, КА сбрасывает груз, направляя его в лобовую часть естественного спутника. Груз в виде сильно удлиненного стержня пробивает грунт на выделенной площадке, и тормозится в толще вещества, образуя камуфлетную полость с расплавом. Полость соединяют тепловой трубой с турбомашинным электрогенератором и теплоэлектростанция начинает работу.

После сброса груза КА продолжает движение по орбите и поднимается в апоцентр, находящийся на границе сферы действия Марса. В этой зоне КА снова меняет направление своего движения, возвращаясь на проградную орбиту. Расход топлива на эту операцию минимален, так как КА пустой. Спускаясь в перицентр, он подлетает к Деймосу (или Фобосу) со стороны кормовой части, так как догоняет луну. Относительная скорость КА равна скорости выброса катапультой, что составляет несколько сотен метров в секунду. Применив торможение ракетным двигателем, КА совершает посадку на базу (в перспективе возможен захват катапультой). Здесь КА проходит ремонтно-профилактическое обслуживание, заправляется топливом, загружается новой порцией груза и запускается катапультой по прежнему маршруту.

Теперь обратимся к цифрам.

Старт с Деймоса требует прироста скорости в 522 м/с (1873 м/с – 1351 м/с). В апоцентре на расстоянии 578 тыс. км (от барицентра) КА движется со скоростью равной 76 м/с. Изменив скорость на 152 м/с, КА переходит на ретроградную орбиту. В перицентре орбиты он «заходит в лоб» Деймосу с относительной скоростью 3224 м/с (1351 м/с + 1873 м/с). Считаем расход топлива на смену направления движения КА в апоцентре: при удельном импульсе 2000 м/с, расход топлива составит 73,18 кг для КА с начальной массой 1000 кг. Для возращения с ретроградной орбиты на проградную требуется потратить 7,9 кг топлива для пустого КА массой 100 кг. Итого затраты равны 81,08 кг. Масса груза – 818,92 кг. При указанной скорости столкновения энергия груза равна 4 256 МДж. Затраты энергии на запуск катапультой и топливо равны 283 МДж. Таким образом, выход энергии в 15 раз превышает расход.

Старт с Фобоса требует прироста скорости в 861 м/с (2998 м/с – 2137 м/с). В апоцентре на расстоянии 578 тыс. км (от барицентра) КА движется со скоростью равной 49 м/с. Изменив скорость на 98 м/с, КА переходит на ретроградную орбиту. В перицентре орбиты он «заходит в лоб» Фобосу с относительной скоростью 5135 м/с (2998 м/с + 2137 м/с). Считаем расход топлива на смену направления движения КА в апоцентре: при удельном импульсе 2000 м/с, расход топлива составит 47,82 кг для КА с начальной массой 1000 кг. Для возращения с ретроградной орбиты на проградную требуется потратить 5,02 кг топлива для пустого КА массой 100 кг. Итого затраты равны 52,84 кг. Масса груза – 847,16 кг. При указанной скорости столкновения энергия груза равна 11 170 МДж. Затраты энергии на запуск катапультой и топливо равны 466 МДж. Таким образом, выход энергии в 24 раз превышает расход.

Большую часть тепловой энергии, получаемой предлагаемым способом, нет необходимости трансформировать в электроэнергию. Для целей выделения из реголита кремния, железа, титана, алюминия, магния и других металлов достаточно тепла, выделяемого при высокоскоростном ударе. Если порция груза представляет собой смесь углерода и реголита с окислами (а грунт марсианских лун содержит углерод), то при высокотемпературном нагреве в процессе удара произойдут окислительно-восстановительные реакции и на выходе будет получен расплав металлов с кремнием. Несложное разделение этой смеси на фракции даст колонистам требуемые вещества. Попутно будут получены газообразные продукты в виде смеси углекислого и угарного газа. Если металлургический процесс протекает в зоне огражденной оболочкой, то газ может быть также переработан в кислород и углерод, другие продукты, либо использован иными способами, например, в качестве рабочего тела холодных реактивных двигателей транспортных модулей колонистов.

Горизонт-коллектор 640.gif

Из этой смеси газов можно получать такой конструкционный материал как полимер диоксида триуглерода, а из углерода при соединении с азотом – тоже перспективный для условий космоса полимер дициан. Доставленные с Земли технологические модули, с различными типами 3D-принтеров, обеспечат колонистов необходимыми предметами и оборудованием, включая новые 3D-принтеры.

phobosbase-650.jpg

Итак, марсианские колонии на Фобосе и Деймосе могут быть обеспечены энергией в изобилии при минимальных затратах. Как же можно решить проблему энергоснабжения колоний на поверхности Марса?

Энергоснабжение баз на поверхности Марса.

У землян есть даровые запасы кислорода, которые создают фундамент углеводородной энергетики. А марсианские колонисты, даже если изыщут запасы углеводородов, не смогут использовать их в атмосфере из углекислого газа.  Солнечный свет из-за удаленности Марса – неэффективный источник энергии. Поэтому, запасы механической энергии в небе – это такое предложение Марса колонистам, от которого нельзя оказаться.

Слабая атмосфера Марса не является труднопреодолимой для грузов, которые могут сбрасываться с Фобоса и Деймоса с высокой скоростью. Благодаря этому, цилиндроконические болванки с большим удлинением (от 20:1 до 100:1) могут, сохраняя высокую скорость, проникать на достаточную глубину в грунт и воспроизводить такие же тепловые, химические и металлургические эффекты, как на Фобосе и Деймосе. Параллельно с этим на поверхность Марса целесообразно сбрасывать болванки (снабженные радиомаяками) из готовых металлов, прежде всего алюминия и магния, которые имеют высокое аэродинамическое сопротивление и падают на поверхность без заглубления в грунт, как те многие, выпавшие на Марс метеориты. Такие металлические болванки имеют теплозащитный тормозной экран из кремнезема и углерода, а так же, при необходимости, систему коррекции полета к цели, для уменьшения рассеяния и создания компактных полей падения (системы коррекции используются многократно при использовании космических челноков для связи с Фобосом и Деймосом, что удешевляет их применение).

Искусственно созданные россыпи слитков алюминия и магния имеют для колонистов такое же значение как запасы угля и нефти для земного человечества. Эти металлы хорошо горят в атмосфере из углекислого газа. Вода, которая имеется на Марсе, также удобна для сжигания металлов. Таким образом, благодаря поставкам с лунных баз марсианские колонисты получают комфортные условия развития экономики, близкие к земным: вместо угля и нефти они используют алюминий, магний и воду. Марсианские вездеходы получают большие возможности для перемещений имея на борту вместо бензина алюминий с магнием, а ракетные летательные аппараты, заправленные водой и металлическим горючим могут совершать перелеты по всей планете, используя в качестве взлетно-посадочных площадок россыпи слитков алюминия и магния. Благодаря запасам металлического горючего, становится возможным эксплуатация самолетов со сверхзвуковыми прямоточными двигателями. На базе таких самолетов с М=6-9 проще будет реализовать систему космических челноков. Жизнь колонистов станет веселее.




Без поддержки колоний даровыми припасами с неба, колонисты будут привязаны к ядерным  электростанциям и темпы исследования и колонизации Марса будут весьма низкими из-за высокой стоимости поддержки колоний с Земли. Очевидно, что государственным космическим агентствам придется скорректировать свои древние планы колонизации Марса с учетом настоящей частной программы компании AVANTA.

Составной частью колонизации системы Марса через его луны Фобос и Деймос, является создание  промышленной базы на Луне. Три луны – ресурсная основа колонизации Марса и высокорентабельной индустриализации геостационарной орбиты. Технология утилизации механической энергии марсианских лун может быть применена и к Луне. В виду значительного гравитационного поля Луны, применяемая технология должна быть модернизирована. Подробно этот модернизированный способ будет рассмотрен в отдельной статье.

Приложение.

Данные для расчетов.
Гравитационный параметр Марса (К) – 42828 (км3с−2)
Радиус орбиты Фобоса – 9377,2 км.
Средняя орбитальная скорость Фобоса – 2,137 км/с.
Радиус орбиты Деймоса – 23458 км.
Средняя орбитальная скорость Деймоса – 1,351 км/с.
Апоцентр орбиты «Фобос – граница сферы действия Марса» – 578 тыс. км.
Апоцентр орбиты «Деймос – граница сферы действия Марса» – 578 тыс. км.
Скорость КА в апоцентре орбиты «Фобос – граница сферы действия Марса» – 0,049 км/с.
Скорость КА в апоцентре орбиты «Деймос – граница сферы действия Марса» – 0,076 км/с.
Скорость КА в перицентре орбиты «Фобос – граница сферы действия Марса» – 2,998 км/с.
Скорость КА в перицентре орбиты «Деймос – граница сферы действия Марса» – 1,873 км/с.
Значения скорости вычисляются по формуле: V = [K(2/r - 1/a)] 1/2,,
где К –гравитационный параметр, r – расстояние, а – большая полуось.
Tags: 3d-печать, космическая экспансия, космонавтика, космос, логистика, на марс!, производство, транспорт, экономика
Subscribe
  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 2 comments