Немного про ядерный буксир

Часть 2.

Тут пойдет речь про «быстроту» полетов на таком буксире.

Скриншот из видеопрезентации «Арсенала»

Немного про ядерный буксир Космос, Ракета, Марс, Юпитер, Ионный двигатель, Длиннопост

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.

Немного про ядерный буксир Космос, Ракета, Марс, Юпитер, Ионный двигатель, Длиннопост

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

Немного про ядерный буксир Космос, Ракета, Марс, Юпитер, Ионный двигатель, Длиннопост

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.

Немного про ядерный буксир Космос, Ракета, Марс, Юпитер, Ионный двигатель, Длиннопост

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.