Аннотация: Концепция спутниковой добывающей системы, которая может использоваться в частности для противодействия астероидной угрозе. 11.11.2013
В настоящее время за рубежом проводится множество работ, направленных на освоение качественно нового уровня изучения космоса, которое теперь можно полноценно считать освоением. Изучается использование Луны и астероидов в качестве источников сырья, разрабатываются новые технологии для их использования и технологии, упрощающие освоение. Например, упрощение и удешевление вывода грузов в космос.
В России отсутствуют средства и возможности для проведения аналогичных работ. Из-за отстутствия же успешных лунных и межпланетных миссий и как следствие отсутствия опыта по разработке межпланетных аппаратов успешность таких работ в теоретическом случае их проведения получение успешных результатов практически маловероятно. Аналогично с дорогими и сложными разработками средств удешевления и упрощения выведения в космос.
Стоит отметить, что при успехе зарубежных разработок в области выведения Россия потеряет и те проценты рынка космических услуг, которыми в настоящее время обладает за счёт развитой ракетной отрасли.
При этом разработка, создание и использование околоземных спутниковых систем и орбитальных станций в России являются вполне отработанной областью космической индустрии. В связи с этим представляется возможным создать и развернуть ресурсную добычу в наибольшей близости к Земле. На низких околоземных орбитах доступными материальными ресурсами являются атмосферные газы.
Орбитальная система сбора и использования атмосферных газов представляет сеть из космических аппаратов(КА) трёх видов: 1) сборщиков(драг); 2)заправщиков; 3)носителей(трекеров).
Система маневрирующих спутников-сборщиков предназначена для сбора газов
атмосферы Земли на высоте до 200 км.
Расчёты с использованием данных по средней плотности ионосферы на высоте 140 км показывают, что использование одной драги с радиусом воздухозаборника 10 метров позволяет собирать в течение месяца порядка 10 тонн газов. Увеличение числа драг пропорционально увеличивает вес добытого вещества. После заполнения ёмкостей драга доставляет собранную материю на аппарат-заправщик(2).
В качестве двигательной установки КА-сборщика возможно использовать различные электрические двигательные установки — на базе производящихся СПД, перспективных плазменных РД с ВЧ-ионизацией рабочего тела(геликонных РД) или электродинамических тросовых систем. Работы по геликонным РД и по ЭДТС проводятся и в России, в частности, существует патент RU 2092401, а эксперимент Трос-МГТУ на МКС запланирован на 2016.
Для энергопитания таких низкоорбитальных спутников различные авторы предлагают ядерную энергию(исходный проект PROFAC), снабжение по лучу с орбитальной солнечной энергостанции(проект PHARO) или солнечные панели/газотурбинные установки.
2)
КА-заправщик предназначен для хранения и переработки азотнокислородной смеси газов в тетраоксид азота, а так же хранения продукции и заправки продукцией других КА. Аппарат может быть выполнен на базе ТК Прогресс или корпуса модуля орбитальной станции. Использование КАЗ в составе орбитальной станции(ОС) возможно, но неудобно из-за высокой активности и токсичности реагентов. Возможно, удобно будет использовать КАЗ в составе ОС, но без гермоконтакта с ОС, на тросовой или жёсткой связи.
Обработка сырья производится следующими реакциями: собранные азот N2+кислород O2 сжигаются при н.у. до оксида азота NO, после чего NO, как полученный в результате реакции, так и собранный, реагирует с кислородом до образования диоксида азота NO2, после чего последний охлаждается до жидкого или твёрдого тетраоксида азота(N2O4, АТ)(температура кристаллизациии -11 *С при нормальных условиях). Полученный таким образом АТ может быть сразу непосредственно применен для заправки КА и разгонных блоков, что позволяет экономить до половины стартового веса миссии, то есть, например, пилотируемого полёта к Луне. Также вполне возможно использование отдельно кислорода в системах жизнеобеспечения и, при сжижении, для заправок КА, и азота для использования в системах наддува и для заправки КА с двигателями ориентации на сжатом газе и/или ионными двигателями. Также АТ и азот с аппарата-заправщика могут быть доставлены на аппарат-носитель(3).
По данному аппарату также необходимо провести ряд НИОКР, направленных на отработку производственного цикла и заправки разгонных баков на орбите. Уже есть работы на эту тему, например, патент RU 2265131. Исследовательские работы по заправке спутников, не предназначенных для перезаправки, ведутся NASA, например, эксперимент RRM. Но в США в качестве источников топлива для орбитальных заправщиков рассматриваются Земля и астероиды, к тому же, рассматриваются в-основном криогенные компоненты.
Как пример появляющихся при запуске ОСС возможностей, есть возможность в связи с использованием долгохранимого топлива использовать многопусковую схему запуска пилотируемого полёта к Луне с использованием только ракет 20-тонного класса, когда отдельными запусками выводится разгонный блок(РБ) с заправленным баком НДМГ и пустым баком для АТ и пилотируемый КК. РБ заправляется на орбите, следующим пуском на орбиту доставляется ПКК и стыкуется с РБ, после чего комплекс отправляется к Луне.
3)
Маневрирующий аппарат-носитель(далее "трекер") предназначен для генерации твёрдых зарядов или треков задаваемой массы и плотности из находящегося на борту азотного тетроксида на произвольных орбитах. Под зарядом понимаем тело, длина которого близка с другими размерностями, а плотность постоянна. Под треком - последовательность зарядов достаточно большой длины, причём плотность может быть переменна от заряда к заряду, а заряды связаны между собой.
АТ удобен для генерации твёрдых тел тем, что при температуре ниже -11 *С находится в кристаллической форме. При дополнительном переохлаждении и насыщении поверхностного слоя заряда/трека газообразным азотом можно обеспечить существование заряда/трека достаточное для выполнения задачи время, при этом заряд/трек не становится космическим мусором на низкой орбите, испаряясь и рассеиваясь через некоторое время. Регулировать общую плотность заряда/трека так же можно при помощи насыщения твёрдого вещества заряда/трека газообразным азотом.
Заряды и треки, создаваемые носителем, предназначены для перехвата различных космических объектов и смены их орбит. К таким космическим объектам относятся:
1)Угрожающие Земле либо отдельным её регионам астероиды и метеороиды;
2)враждебные космические аппараты, ракеты и боеголовки на высоте более 100 км;
3)средства выведения с кинетическими прямоточными реактивными двигателями.
Перехват и разрушение либо изменение орбиты угрожающего планете астероида или метеороида при помощи трекера требует последовательного решения следующих задач:
1)Точное определение орбит спутника и небесного тела;
2)Изменение орбиты трекером для выхода на траекторию перехвата небесного тела, при наличии такой возможности;
3)Определение массы и плотности заряда/трека, необходимых для успешного разрушения либо отклонения небесного тела;
4)Генерация заряда с требуемыми параметрами;
5)Отделение и вывод заряда на траекторию перехвата;
6)Уклонение трекера от перехвата, возврат к КА-заправщику.
При решении задачи 3 может возникнуть проблема, что даже предельной массы заряда трекера, даже с учётом перпендикулярного либо встречного курса и высокой химической активности материала трека, не хватает не только для разрушения астероида, но и для достаточного отклонения астероида с угрожающего курса. В таком случае могут быть использованы несколько трекеров, наносящих последовательные либо одновременные удары. А разрабатываемые в России транспортно-энергетические модули ТЭМ с ЯЭРДУ весьма удобны для обеспечения трекеров большей энергией и расстоянием контакта, т. е. для выведения их на такое расстояние от Земли, где для нейтрализации астероида хватит даже малого угла отклонения его траектории.
Для перехвата объектов из списка под номером 2 выполняются те же, но имеются различия. А именно - при перехвате зарядом мишени необходима значительно большая точность, чем при поражении астероида-метеороида, как по пространственным параметрам, так и по временным, т.е. по скоростям, в том числе относительным, из-за достаточно небольшого времени возможного контакта и малой точности определения координат цели. Энергии же встречного или перпендикулярного столкновения на скоростях порядка десяти километров в секунду, что выше скорости любого артиллерийского снаряда, будет достаточно для разрушения даже очень прочных целей и значительного изменения их траектории.
Решение третьей задачи определяется условиями работы кинетического прямоточного реактивного двигателя с попутным поступлением рабочего тела(КПРД).
КПРД работает, в частности, на законе сохранения импульса. Т.е. количество движения ударного трека, движущегося по круговой или эллиптической орбите со скоростью 8 км/с и более, передаётся движущемуся со скоростью от 0 до 2 км/с средству выведения(СВ) с КПРД. В зависимости от соотношения импульсов, после передачи энергии трека СВ, СВ может быть выведено на низкую круговую или эллиптическую орбиту. Таким образом, СВ с КПРД теоретически не использует на конечном участке выведения собственное топливо, используя для разгона энергию трека. То есть уже при оснащении верхних ступеней современных РН КПРД можно добиться значительного повышения весовой отдачи. А именно - вес заправленной третьей ступени РН Союз-2 вместе с полезным грузом составляет около 30 тонн, при этом на орбиту выводится примерно 10 тонн, из которых 2,5 тонны - вес пустой ступени. При использовании КПРД на третьей ступени РН Союз-2 можно ожидать выведения на орбиту примерно 27 тонн ПГ и 2 тонн ступени с КПРД, то есть почти в 4 раза больше. А выведение 7 тонн ПГ в данном случае обеспечивается РН Ангара-1.2 с КПРД на второй ступени. При использовании же РН Протон обеспечивается выведение ~70 тонн(ПГ + КПРД на третьей ступени).
Для решения задачи довыведения с помощью трекера СВ с КПРД, необходимо решить следующие задачи:
1)Точное определение орбиты трекера и точки пересечения с траекторией выведения СВ;
2)Изменение орбиты трекером для выхода на траекторию перехвата;
3)Определение массы и плотности трека;
4)Генерация трека;
5)Отделение и вывод заряда на траекторию перехвата с высокой точностью по координатам точки встречи, продольной и поперечным скоростям;
6)Уклонение трекера;
7)Ориентация и предварительная подготовка СВ к контакту с треком;
8)Удержание траектории и ориентации в процессе работы КПРД;
9)Окончательная коррекция орбиты СВ.
Задачи 7, 8 и 9 являются новыми по сравнению с предыдущими двумя случаями из-за необходимости обеспечить сохранность тела, подвергающегося воздействию ударного трека, при изменении траектории. Они решаются, в частности, с использованием двигателей ориентации СВ.
Кроме того.
В данном случае при провале решения задачи 5 возникает необходимость уклонения СВ от контакта с треком. Это так же выполняется двигателями ориентации СВ.
Для решения задачи 1 необходимо использование системы глобальной навигации, то есть ГЛОНАСС.
Для решения задачи 2 и 6 трекеру необходимо использовать маршевые ракетные двигатели. Двигатели ЖРД позволяют быстро изменять орбиту, для точной ориентации при генерации и запуске трека желательно использовать электрические двигатели.
Для решения задач 4 и 5 необходимо провести ряд НИОКР по изучению генерации азоттетраксидного льда с включениями азота в газообразной форме в форме заряда и последовательности зарядов в невесомости, а также НИОКР по самому КПРД.
Одной из практических оценок, которую можно произвести в настоящее время, является минимально необходимая масса трека в разных случаях. В связи с очевидной недостаточностью практически любой массы трека при перехвате астероидов, точнее, возможностью использования любой массы трека для разных результатов, и достаточностью относительно малых зарядов(~1 тонна) для перехвата искусственно созданных объектов, оценим массу трека для выведения грузов с помощью РН Союз-2-КПРД. При скорости трека в 10000 м/с и скорости СВ на момент контакта 2500 км/с, а также массе СВ 30 тонн, теоретически необходимая для выведения масса трека составляет менее 20 тонн.
Итого запас АТ для генерации трека составляет около 20 тонн. Объём бака для АТ составляет более 15 м3. Для обеспечения более чем 20-титонному трекеру (в заправленном состоянии) ХС около 1000 м/с, что достаточно для двукратного изменения высоты круговой орбиты с 200 до 1000 км(высота парковочной орбиты ТЭМ), необходим запас топлива АТ+НДМГ около 10 тонн, из которых 60%(6 тонн) составляет тот же АТ с заправщика.
Таким образом, трекер такого класса имеет заправленную массу более 30 тонн и ХС для выхода на орбиту генерации трека около 1000 м/с.
Расчёты по сети импакт-трекеров показывают, что для обеспечения всех российских пусков работой трекеров(данные за 2012 год) при времени перезарядки трекера в 2 месяца и шестикратном его использовании в течении года необходимо менее 10 аппаратов. Для скорости набора 20 тонн АТ за 2 месяца необходимо работа 1-2 драг и 1 аппарата-заправщика с ёмкостью хранилищ в несколько десятков тонн. При времени перезарядки одного трекера в 2 месяца. Для 10 трекеров число аппаратов обеспечения увеличивается в 10 раз.
К числу недостатков трекеров как системы довыведения относится то, что работа трекерной системы довыведения обеспечивается лишь в некотором достаточно узком коридоре наклонений орбиты, в отличие от системы перехвата, а также недостаточно широкие стартовые окна и очень высокая необходимая точность, из-за чего её можно рассматривать как дополнительный необязательный бонус.
Итог
Для системы ОСС требуется провести следующие научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Для КА-драги:
- Системы сбора и хранения собранных газов;
- Двигательной системы;
- Системы электропитания.
Для КА-заправщика:
- Системы получения, хранения и передачи жидкого окислителя;
- Системы переработки в невесомости N2,О2 и NO в N2O4 и разделения продукции в невесомости(N2O4, O2, N2);
- Системы заправки КА окислителем, в том числе неприспособленных КА.
Для КА-трекера:
- Системы генерации зарядов/треков из твёрдого азотного тетроксида;
- Исследования времени существования и поведения зарядов/треков.
Система ОСС может разворачиваться в несколько этапов, таких, как исследовательский, опытный, заправочный и трекерный.
На исследовательском этапе проводятся испытания отдельных элементов спутников системы: системы воздухозабора, перспективные двигатели, химические системы переработки, разделения и хранения газов, и генераторов треков.
На опытном этапе проводятся испытания опытного спутника-сборщика и опытного спутника-заправщика, в частности, последний может проводить опыты на доставленном с Земли сырье. С момента вступления в строй двух рабочих спутников, т.е. 1 драги и 1 заправщика, можно считать сеть рабочей в заправочном режиме с объёмами добычи в тонны в год.
На заправочном этапе система уже работает и позволяет проводить снабжение АТ и газами различных КА. При необходимости число драг или заправщиков может быть увеличено. Трекер или трекеры на данном этапе могут эксплуатироваться в опытном режиме с использованием тетраоксида азота с заправщика.
На трекерном этапе расширенная сеть драг и заправщиков обеспечивают как заправку АТ и газами различных КА, так и снабжение АТ имеющихся и применяющихся аппаратов-трекеров.
Системой ОСС в результате использования достигаются следующие цели:
- Поддержание промышленности, поддержку научных и конструкторских кадров;
- Подготовку освоения Россией дальнего космоса и поддержку освоения дальнего космоса вообще;
- Повышение срока использования различных спутников путём их дозаправки;
- Осуществление защиты России и Земли от космических угроз;
- Удешевление грузопотока с Земли на орбиту;
- Увеличение грузопотока на околоземных орбитах, в частности, тех, где недопустимо применение тяговых средств с ядерной энергетикой(высота до 1000 км).
Стоит отметить, что за рубежом уже ведутся работы в области сбора атмосферных газов(проекты PROFAC — Propellant Fluid Accumulation — и PHARO - Propellant Harvesting of Atmospheric Resources in Orbit) и создания орбитальных систем заправки КА (NASA CRYOGENIC Propellant STorage And Transfer (CRYOSTAT) Mission), но не в области трекеров.