Немного про ядерный буксир
Часть 2.
Тут пойдет речь про «быстроту» полетов на таком буксире.
Скриншот из видеопрезентации «Арсенала»
Для начала оценим максимальную массу такой штуки.
Так как у нас нет сборочных площадок на МКС, то буксир с целевым оборудованием выводится одним пуском.
Так как обедают пуск в ближайшее время - это должна быть существующая ракета-носитель, либо очень скоро сданная в эксплуатацию. А это тяжелые ракеты (в легкие и средние такая штука по габаритам не влезет):
- Протон-М (22.4 тонны на НОО);
- Ангара-А5 (24,5 тонны на НОО).
Вот в примерно этот обтекатель надо запихнуть буксир.
Собственно получаем, что тяжелее 22.4 тонн (лучше ориентироваться на Протон-М) аппарат с целевой нагрузкой весить не может.
Принимаем вариант, что на буксир навесили оборудования по максимуму, + надо не забыть про запасы ксенона для работы ионных двигателей.
Вылетаем мы с НОО Земли и летим на НОО Марса, обратно не возвращаемся, а остаёмся там на весь срок службы и зондируем Марс с помощью мегаваттной РЛС и потом в FullHD передаём картинки с помощью мегаваттной антенны на Землю.
Запас характеристической скорости для такого полёта:
- 3.21 км/с для вылета от Земли;
- 1.06 км/с на пути к Марсу;
- 1.44 км/с для выхода на НОО Марса.
Итого 5.71 км/с.
При импульсе ионных двигателей 45 км/с (по аналогии с ИД-200) - запас ксенона 13.5% от массы пустого корабля, или при общей массе в 22.4 тонны - 2.7 тонны. Соотвественно на все остальное остаётся 19.7 тонн.
Вот так выглядит ИД-200
Далее определим, сколько тяги может выдавать такой буксир.
Лучшие ионники выдают около 35 мН на 1 кВт. Учитывая располагаемую мощность буксира в 1000 кВт, тяга составит 35 Н или 3.5 кгс.
Время разгона на 1 км/с у ядерного буксира со средней массой (половина ксенона) 21 тонна составит почти ровно 7 дней.
Т.е. чтобы уйти с околоземной орбиты понадобится 22.5 дней. Чтобы затормозишь на околомарсианской ортиты потребуется 10 дней.
Далее полёт происходит по стандартной траектории, где время разгона/торможения не сильно играет роль.
Получается, что при минимальном запасе топлива - полёт на Марс становится дольше на месяц.
Применение разгонного блока и отправка на скоростях 11.2 км/с от Земли маловероятно, так как с разгонным блоком ещё больше ограничены габариты, а масса аппарата должна быть в районе 4 тонн при выведении Протон-М. С такой массой реализовать буксир невозможно. Например масса пустых 100 м2 панелей излучателей (по аналогии с МКС, но они там низкотемпературные) будут весить уже 1.5 тонны.
Теперь рассмотрим вариант с постоянно включёнными двигателями на пути к Марсу.
Чтобы уложить перелёт в 70 дней, надо разогнаться до 16.65 км/с.
Тогда потребный запас характеристической скорости составит:
- 3.21 км/с для вылета с Земли
- 5.54 км/с для разгона до 3 космической;
- примерно 14.31 км/с на торможение перед Марсом (округлено до ровной цифры);
- 1.44 км/с на выход на НОО Марса.
Итого 24.5 км/с
Тут запас ксенона уже 72% от массы пустого буксира, или 9.4 тонны топлива и оставшиеся 13 тонн на сам буксир и полезную нагрузку.
Время разгона такого аппарата до 1 км/с (средняя масса уже 17.7 тонн) составит почти 5.9 дней.
Тогда время полёта на траектории
- 19 дней разгон с НОО;
- 33 дня разгон до 3 космической;
- 84 дня на торможение;
- 8 дней на выход на НОО Марса
Итого: 27 дней на переходы с НОО, 117 дней на разгон-торможение. Всего 144 дня.
По времени как раз получается что-то среднее между полетом по гиперболической и эллиптической траекториями, что и должно быть.
Например, полёт до Марса аппарата «Mariner-7» занял 128 дней.
Для оценки времени полетов в дальний космос можно воспользоваться старой схемой из классики.
В части запасов топлива ядерного буксира стоит обратить внимание, что траектория полёта к Каллисто (о котором обмолвились в Роскосмосе) проходит через Венеру. Это делается не для того, чтобы сразу две планеты изучить, а необходимо для совершения гравитационного манёвра, а значит запасов топлива на прямой перелёт до Каллисто не хватает.
Для полёта по гомановской траектории необходим запас характеристической скорости 12.41 км/с. Необходимость совершения гравитационного манёвра показывает, что имеющийся запас по скорости ещё меньше.
Например аппарат Юнона совершая гравитационный манёвр у земли летел к Юпитеру почти 5 лет.
Для полёта к Каллисто по гиперболической траектории нужны примерно такой же запас, что и для полёта на Марс.
Если время полёта измеряется годами, то время разгона в 150 дней уже не так сильно удлиняет полёт.
В теории ,такой ядерный буксир массой в 13 тонн (если уложатся), включая целевую нагрузку, и массой ксенона в 9.4 тонны может долететь до Юпитера примерно за 550 дней. При этом гомановская траектория занимает 1000 дней, траектория с гравитационным маневром, например миссия «Юнона» - 1800 дней. Выигрыш соответсвенно почти в 2 и 3.5 раза.
Если выводить «Falcon Heavy» (выводит на НОО 63.8 тонны) буксир массой 13 тонн, то к нему можно прицепить баки в 50.8 тонн, в которые можно запихнуть 45 тонн газа (грубо). Тогда с удельным импульсом в 45 км/с можно обеспечить запас по характеристической скорости в 55 км/с. Такой запас дополнительно позволит увеличить скорость на 15 км/с. Это не сократит время полёта до Юпитера (так как разгон/торможение займёт в среднем 630 дней, но тут можно сократить время полёта к Нептуну до приемлемых 5 лет без применения гравитационных маневров (вместо 13 по минимальной гиперболе).
Выводы:
- буксир не может обеспечить полёты на Марс за 40 дней, как сообщают некоторые, существенного выигрыша во времени для перелетов к Венере/Марсу нет;
- при достаточном запасе топлива, ядерным буксиром можно сократить время полёта до внешних планет в несколько раз.