«Техника-молодежи» 1971 г №5, с.22-23


ДОБЫЧА КОСМИЧЕСКИХ СТАРАТЕЛЕЙ

У

 современных космических аппаратов, как правило, жидкостные ракетные двигатели — ЖРД — питаются двухкомпонентным топливом: окислителем и горючим. В качестве окислителя можно применять жидкий кислород, а горючего — жидкий водород. При использовании такого топлива вес полезного груза составляет лишь малую часть от первоначального веса всей системы. Так, «Сатурн-V» при стартовом весе примерно в 2500 т выводит на орбиту спутника Земли 130-тонный корабль, а на траекторию полета к Луне и того меньше — 40-тонный. При полетах же к близлежащим планетам — Венере или Марсу — доля полезного груза будет незначительной. Разработаны проекты и проводятся эксперименты с гораздо более экономичными двигателями — электрореактивными. У ЭРД рабочее тело разгоняется электростатическими (ионные ЭРД) или магнитогидродинамическими силами (плазменные ЭРД). Но и для этих двигателей необходим довольно большой запас топлива.

А нельзя ли заправлять ракетные ступени прямо в космосе, по дороге?

Сооружать хранилища (по типу бензозаправочных станций для автомобилей) нерационально, ибо доставка на эти базы топлива с Земли обойдется чрезвычайно дорого. Куда выгоднее пополнять содержимое баков за счет окружающей среды (эта идея была высказана еще в трудах К. Циолковского и Ф. Цандера). Ведь используют же реактивные самолеты в качестве окислителя атмосферный кислород (на борту одно лишь горючее).

В октябре 1970 года на XXI конгрессе Международной астрономической федерации советские ученые — профессор Г. Градзовский, кандидаты технических наук Ю. Данилов и Н. Кравцов, кандидаты физико-математических наук М. Маров и В. Никитин, доктор технических наук В. Уткин — доложили об испытаниях двигательной установки, работающей на воздухе. Ионосферная лаборатория «Янтарь» (рис. 1) выводилась мощной геофизической ракетой в верхние слои атмосферы. На высоте 400 км она отделялась от носителя и продолжала движение по инерции. Начинались испытания плазменно-ионного ЭРД. Действует он так.

Рис. 2. Одна из предлагаемых схем летательного аппарата с накоплением внешней массы.



Зависимость времени удвоения веса орбитальной станции за счет накопления жидкого кислорода или воздуха от удельного веса бортовой энергетической установки.

Воздух поступает вначале в камеру, где ионизируется электрическим и магнитным полями. Затем ионы ускоряются электростатическим полем в 2,8 кв до скорости 140 км/сек. Заряд ионной струи нейтрализуется электронами в эмиттере. Коэффициент

Рис. 1. Схема устройства ионосферной лаборатории «Янтарь»: 1 — газовый плазменио-ионный двигатель; 2 — блок управления работой двигателя и измерительного комплекса; 3 — бортовые источники питания; 4 — радиотелеметрическая аппаратура; 5 — ионные ловушки; 6 — электростатические флюксометры для измерения напряженности электрического поля на поверхности лаборатории; 7 — антенны; 8 — ионизационные манометры.
нейтрализации равен 99,9%, то есть реактивная струя ЭРД практически не имеет потенциала и электрический заряд не накапливается на корпусе аппарата. Электропитание ЭРД — от бортовых источников.

Планомерные испытания космических электрореактивных двигательных систем проводятся в Советском Союзе уже несколько лет. В первой серии экспериментов (1966 год) испытывался ЭРД, работающий на аргоне. Достигнутая скорость истечения реактивной струи около 40 км/сек.

Во второй серии экспериментов использовали азот. Он гораздо дешевле. Скорость истечения была доведена до 120 км/сек. И вот наконец осенью прошлого года успешно выдержал экзамены прямоточный воздушный ЭРД.

На базе такого двигателя нетрудно создать долговременную космическую станцию на низких орбитах, лежащих в верхних слоях атмосферы Земли. Эта-то станция и может быть использована как заправочная топливная база.

На рисунке в заголовке статьи изображен общий вид базы для накопления жидкого воздуха, а на рисунке 2 — принципиальная схема «технологического процесса».

Итак, космическая станция-склад выводится на расчетную круговую орбиту. В диффузоре давление воздуха повышается примерно в 400 раз (при высоте полета около 100 км). И тем не менее оно очень мало — порядка 8·10-4 кг/см2. В ход идут дополнительные компрессорные системы нагнетания.

Однако при сжатии воздух нагревается. Его охлаждают в теплообменниках — холодильниках. Источником электроэнергии для компрессоров и холодильников служит бортовая ядерная установка (реактор — турбоэлектрогенератор). Сжатый в каскадах компрессоров до нескольких атмосфер и охлажденный до нормальной температуры воздух подается в установку для сжижения. При этом часть его поступает в ЭРД станции, который создает тягу, компенсирующую аэродинамическое сопротивление аппарата.

В установке для сжижения сжатый воздух охлаждается при расширении в дроссельных устройствах или турбодетандерах (первые турбодетандеры для сжижения воздуха были созданы в 30-х годах академиком П. Капицей).

При этом возможно разделение его на азот и кислород. Жидкий газ хранится в теплоизолированных баках.

Выгоды, которые сулит космическая база, видны из следующего примера. Для ракетного топлива, соотношение веса . Таким образом, при старте ракетные ступени (обеспечивающие выход в космос с околоземной орбиты) достаточно заправить (водородом) всего на 1/6 (1/%). Остальное топливо (кислород) они получат на базе. Учитывая, что львиная доля веса межпланетных аппаратов приходится на топливо, выгоды дозаправки на орбите очевидны.

Пройдет десятка два лет, и близ Земли и других планет будет немало подобных заправочных станций. В верхних слоях атмосферы Марса и Венеры, вероятно, можно будет собирать и накапливать углекислый газ, а в атмосфере Юпитера — водород.