НАБРОС
Система запуска «Черная лента»
Вспомним для начала «пусковую петлю», проект системы безракетного запуска.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Пусковая_петля
Это система весьма сложна, громоздка и дорога для реализации, но нам от нее сейчас нужна только одна деталь: разгоняемый аппарат предлагалось зацеплять за быстро движущийся металлический сердечник петли с помощью магнитного поля, а разгонятся он был должен за счет взаимодействия его поля с токами Фуко, возбуждаемыми в сердечнике.
Как известно, переменное магнитное поле возбуждает в проводнике токи, поле которых противодействует изменению первичного поля. Из-за этого при поднесении магнита к проводнику возникает отталкивающая сила, а при движении магнита параллельно поверхности проводника – тормозящая. Кинетическая энергия магнита в конечном итоге переходит в нагрев проводника токами Фуко.
Представим два спутника движущихся друг за другом вокруг Земли по одной и той же эллиптической орбите. Спутники соединены лентой из электропроводной углеродной ткани. Перигей орбиты находится примерно на 200 км над поверхностью Земли.
В момент прохода первого спутника через перигей, с помощью (многоразовой) одноступенчатой ракеты поднимаем на высоту чуть выше перигея груз, оснащенный мощными магнитами. Груз сажается на стремительно движущуюся под ним ленту и зацепляется за нее своим магнитным полем. Рассеивая кинетическую энергию (которую имеет груз в системе отсчета ленты) на нагрев углеродной ткани, груз тормозится относительно ленты. То есть скорости груза и ленты постепенно выравниваются. Когда нужная скорость груза относительно Земли достигнута, груз отцепляется и продолжает свое космическое путешествие уже самостоятельно.
Для удобства, орбиту системы лучше всего выбрать с периодом обращения, в целое число раз меньшим одних звездных суток. Тогда один раз в сутки при прохождении перигея система будет оказываться над одной и той же точкой земной поверхности. Положим в дальнейших оценках, что период обращения равен 1/15 суток (94 минуты). Апогей такой орбиты будет на высоте 900 км над поверхностью Земли.
Скорость в перигее будет 8 км/с. При ускорении 3.3g, груз разгонится до такой скорости, пройдя путь 1000 км. То есть лента должна иметь длину 1000 км.
При разгоне груза, почти половина кинетической энергии, затраченной системой, будет рассеяно токами Фуко и уйдет на нагрев ленты, т.е. КПД такой схемы разгона – 50%. Это накладывает ограничения на материал и массу ленты. Она должна быть иметь достаточную теплоемкость, чтобы не нагреться до таких температур, при которых она разрушится.
Обратим еще внимание на такой момент – при фиксированном ускорении количество энергии, переданного грузом единице длины ленты, постоянно (мощность пропорциональна скорости, но и расстояние, проходимое за единицу времени, пропорционально мощности). Так что после прохода груза, все участки ленты нагреются до одинаковой температуры.
Как сообщает нам википедия, углеродное волокно не теряет прочность при температурах до 2000С. Если полагать, что после прохода груза углеволокно нагревается до такой температуры, для разгона груза массой 1 кг нужно около 10 кг углеволокна. Но лента должна выдерживать не только нагрев, но еще и силу, с которой ее растягивает тормозящийся относительно нее груз (к счастью, в отличии от проектов вроде пусковой петли, лента не должна выдерживать собственный вес, так как она развернута вдоль орбиты). Для ускорения груза 3.3g и вышеописанном соотношении масс натяжение ленты будет 7 гигапаскалей, а самое прочное углеволокно имеет предел прочности 3.5 гигапаскалей.
Поэтому мы в дальнейших оценках будем полагать, что на 1 кг груза приходится 40 кг ленты. При таком соотношении углеволокно при разгоне груза нагреется до примерно 700С (если начальная температура 300K), а натяжение ленты будет в 2 раза меньше предела прочности.
Наименьшая поверхностная плотность среди углетканей, имеющихся в свободной продаже, составляет 200г/м2. Полагая такую поверхностную плотность у нашей ленты, получаем, что при вышезафиксированном соотношении масс лента/груз ширина лента составит 20см/тонну груза.
Чтобы помешать груз на начальном этапе разгона упасть сквозь ленту вниз под действием силы тяжести Земли, он должен отбрасывать ленту вниз со скоростью примерно 30 м/с. Регулировать скорость отброса вниз можно регулируя «угол атаки» магнитного брюха груза по отношению к плоскости ленты. В свою очередь, регулируя скорость отброса, можно регулировать расстояние между магнитным подвесом и лентой, таким образом определяя силу токов Фуко и ускорение торможения.
В момент прохождения груза на участком ленты, участок ленты приобретает скорость 30м/с по вертикали и 100 м/с по горизонтали, так что он испытывает большое ускорение. Если, например, длина магнитного подвеса 10 метров, ускорение будет порядка 10000g, что сравнимо с ускорением снаряда при выстреле пушки. Чтобы такое ускорение не порвало ленту в клочья, магнитное поле на поперечном сечении ленты должно быть достаточно однородным. И магнитный подвес надо делать как можно более длинным, для минимизации ускорения.
Из-за различия скоростей движения в перигее и апогее, расстояние между концевыми спутниками в апогее будет примерно на 10% раз меньше, чем в перигее. Так что надо так рассчитать расстояние между спутниками, чтобы в перигее лента натягивалась, будучи не натянутой в остальных точках орбиты.
Энергия на разгон груза и нагрев ленты берется из кинетической энергии орбитального обращения системы. Полагая, что масса ленты составляет 80% от общей массы системы, получаем, что после одного запуска скорость системы в перигее уменьшится на 160 м/с, так что апогей понизится на 600 км, до высоты 335 км над поверхностью Земли. Так что после каждого запуска апогей системы надо поднимать.
Простейший вариант – с помощью ионных двигателей. Положим удельный импульс двигателей в 70 км/с и удельную энерговооруженность 10 Вт/кг (предполагаемая удельная энерговооруженность пресловутого ядерного буксира – 50 Вт/кг электрической мощности, так что 10 Вт/кг получится, если система на 80% по массе –углеродная лента, а на 20% - буксир). Тогда система поднимет орбитальную скорость до исходной примерно за 8 дней. Однако, при этом она израсходует рабочее тело массой примерно в 1/10 часть от массы запущенного груза. Так что не менее чем каждый десятый запуск придется делать для того, чтобы снабжать ксеноном саму систему (или лучше уж аргоном, так как ксенон редкий и дорогой, и при интенсивном грузопотоке это будет существенно).
При эксплуатации системы с максимально возможной интенсивностью, за год с лишним она доставит на орбиту массу грузов, равную ее собственной. Это, так сказать, время удвоения мощности транспортной инфраструктуры.
