Про бороздение просторов вселенной⁠⁠

Часть 2

@Littlesmileman должно быть интересно

Зачем нужен разгон в космосе?
Планеты имеют массу и соответсвенно притягивают к себе все что могут, планеты летят вокруг солнца (Земля, например, со скоростью 29,8 км/с). У каждой есть свои первая и вторая космическая скорость (соотвественно для полёта на низкой орбите и отлёта от планеты, для Земли это 7.9 и 11.2 км/с). Единственный способ, пока не научатся разрывать пространство/время является разгон на одной орбите и переход по эллиптической, параболической, гиперболической траектории на орбиту другой планеты. На Венеру/Меркурий теоретически можно падать по прямой по направлению к солнцу, погасив орбитальную скорость земли). Плюс кроме разгона, необходимо также тормозить, чтобы не пролететь мимо целевой планеты и выйти на орбиту.

Общая сумма скоростей, на которые необходимо разогнать и затормозить аппарат для полёта к какому либо космическому телу называют запасом характеристической скорости.

Для более удобного ориентированиях прикрепляю рисунок - складываете цифры от Земли до цели и получаем требуемый запас скорости.

Вот некоторые величины для полёта от НОО Земли с выходом на низкую орбиту у целевой планеты (это без возврата и без спуска):
- на Венеру 6.79 км/с;
- на Марс 5.71 км/с;
- на Каллисто 12.41 км/с;
- на Титан 11.43 км/с;
- на Нептун 15.35 км/с.
Если захотим вернуться обратно, то надо удвоить.
Можно неплохо сэкономить в запасе скорости, если не выходить на орбиту, а пролететь мимо, но тогда не удастся подробно изучить планету.
Также можно увеличивать скорость, совершая гравитационные манёвры (из делают практически все зонды, летящие за Марс, например «Юнона»).

В принципе, по схеме с пролетом, практически любая ракета может отправить спутник массой пару сотен килограмм с разгонным блоком мимо любой планеты.

Как видно из запасов характеристической скорости, полёты с околоземной орбиты на орбиту Венеры/Марса удобно (дёшево и быстро) отправлять на химических двигателях, а вот на планеты дальше Марса уже проблемы.

Теперь представим, что надо долететь до Каллисто и выйти на орбиту, сбросить зонд на орбиту для изучения и спускаемый модуль на поверхность с последующей доставкой образцов грунта/льда на орбиту Земли.

Каллисто

Для простоты:
- не будем учитывать гравитационные манёвры (хотя судя по тому, что маршрут ядерного буксира при полёте к Юпитеру лежит через Венеру - его будут применять) и эффекты Оберта;
- принимаем, что старт (разгон) аппарата происходит с низкой опорной орбиты Земли, а не сразу после пуска ракеты с потенциальным разгоном до скоростей для выхода на ГСО;
- принимаем, что топливо не улетучивается и не греется во время полёта.

Затраты характеристической скорости туда обратно (без учета спускаемого модуля) составят 24.8 км/с.
Масса посадочного модуля (Каллисто сопоставима с луной) примем как в 8 тонн. (Лунный модуль 15 тонн, но на орбиту надо возвращать существенно меньше массы, пусть будет 1 тонна, поэтому и масса ниже).
Масса спутника дистанционного зондирования с разгонным блоков (нужен для изменения наклонения орбиты на полярную) будет примерно 1 тонну
Дополнительно добавим 1 тонну на антенну скоростной дальней связи, чтобы передавать все изображения полученные со спутника зондирования за приемлемое время, и конструкцию которая все это удерживает вместе. Но тут пальцем в небо для красивой цифры.
Итого масса для доставки - 10 тонн, из них 1 тонну надо вернуть обратно.

Расчёт массы топлива для химического двигателя:
- при полёте сюда для возврата 1 тонны надо иметь соответсвенно 18.2 тонны топлива ( удельный импульс 4.2 км/с, характеристическая скорость 12.41 км/с).
- при полёте туда надо разогнать 19.2 тонны (10 тонн целевой нагрузки + массу топлива для возвращения 1 тонны на Землю), т.е необходимо 350 тонн топлива. (это необходимо 6 вывода Super Heavy с баками с топливом для сборки на орбите).
Для внимательных, масса конструкции для удержания топлива тут не учитывается. При относительной массе 6.7% удалось отыграть повышением удельного импульса до 4.5 км/с.

Итого для такой конструкции, массой 370 тонн, надо 6 запусков Heavy и один Falcon 9, скорее всего сборка при помощи манипуляторов и выходов в открытый космос из МКС, при этом вернётся на землю килограмм 200 льда и грунта.

Для справки масса МКС - 420 тонн.

Теперь такую же задачу решает аппарат на ионных двигателях с удельным импульсом 50 км/с.
Если для химического двигателя запас топлива был необходим в 18.2 раза больше чем пустой аппарат, то для ионных топлива необходимо всего 28% от массы пустого аппарата.
Тут правда возникает проблема электропитания ионных двигателей, но на помощь приходит «ядерный буксир».
Верхний предел массы такого буксира по технологиям 50-х годов (реактор 1 мВт на самолёте NB-36N весил порядка 16 тонн, соответсвенно для 3.8 мВт, которые нам обещают - это около 60 тонн. В литературе, обещают до 1.6 тонны на 1 мВт. Лучший способ определить массу - это по выводимой нагрузки РК Протон - 23 тонны, что является вполне достижимое цифрой.

Таким образом получаем:
- полёт обратно требует возврата буксира 23 тонны + 1 тонна возвращаемой нагрузки, это потребует 7 тонн ксенона (рабочего тела) для ионных двигателей;
- полет туда потребует разгона 31 тонны и соответсвенно 9 тонн ксенона.

Итого получаем аппарат 40 тонн, и вывод 1 Falcon Heavy.

Что имеем в итоге:
- химические двигатели требуют сборки аппарата на орбите массой 370 тонн (7 запусков ракет с Земли для отправки);
- ионные двигатели требуют 40 тонн (один запуск ракеты с земли для отправки).

Другой плюс - после возвращения на орбиту Земли, теоретически можно выполнить замену топливной сборки в реакторе, замену турбин, дозаправку ксеноном и гелием, замену ионных двигателей. Трудоемкость этих работ не слишком больше чем собрать 370 тонн на орбите.
Это все обеспечит один запуск ракеты Falcon 9.
И снова в путь

Если сравнить величину запаса характеристической скорости аппарата с ионными двигателями при массе в те же 370 тонн, то получим цифру в 100 км/с. Это

Тут подходим к другому ограничению, по запасу энергии на борту (надо иметь достаточный запас урана, а то может выгореть раньше, чем такой скорости достигнем, заявленного запаса в 200 кг высокообогащенного урана должно хватить в притык), но это другая история.


Вывод:
Ядерный буксир на ионных двигателях нужен для того, чтобы для полетов к Юпитеру и дальше иметь массу стартовую в 10 раз меньше, либо иметь возможность слетать при той же массе вместо одной планеты сразу ко всем внешним.


Дальше будет про разгоны на ионниках и длительность полётов.