Межпланетный корабль на солнечной энергии.

Перейти вниз

Межпланетный корабль на солнечной энергии.

Сообщение  Admin в Пн Авг 27, 2012 5:13 pm


До первых космических полетов, освоение космоса считалось фантастикой, после появления принципиальной возможности полетов в космос, колонизация людьми ближайших планет стала делом техники.
Сейчас полеты в космос уже давно стали рутиной, но колонизация других планет по прежнему воспринимается как полу фантастические идея.
Одна из основных причин такой медлительности в отношении освоения других планет, это крайне низкая эффективность традиционных ракет на химическом топливе.
Химические ракетные двигатели используют привычную энергию горения топлива, химической реакции соединения его компонентов с окислителем. Химические двигатели достаточно простые по конструкции, технологии тепловых двигателей хорошо освоены, но энергетика реакции горения слишком слабая, по сравнению с энергией космических скоростей. Из за низкой энергетической эффективности, расход топлива для выведения на орбиту химическими двигателями в десятки раз превышает вес полезной нагрузки. Кроме того, из за высокой относительной массы двигателей и баков, ракеты приходится разделять на несколько ступеней. В результате для выведения космического корабля на орбиту расходуется машина, состоящая из нескольких секций, оснащенных собственными двигателями, сравнимая по уровню сложности и стоимости с авиалайнером. На орбиту выводится только несколько процентов стартовой массы ракеты.
Перелеты на другие планеты с низкой околоземной орбиты, тоже требуют затрат энергии намного превышающих энергетику горения химического топлива. И в результате, для того, чтобы отправить аппарат на высокую орбиту, или на другую планету приходится сжигать массу топлива многократно превосходящую вес полезной нагрузки. Ракета выводит на орбиту химический разгонный блок, цистерну с топливом, которое расходуется на межпланетный перелет, и вес которого составляет 80 - 90% веса самого корабля.
В миссии аполлон на вес лунного комплекса вместе с разгонным блоком был 130 тонн, на орбиту луны был выведен комплекс массой 47 тонн, стартовая масса посадочного модуля составила 14,7 тонн, стартовая масса взлетной ступени 4,8 тонн.
Стартовая масса аппарата Фобос грунт, на околоземной орбите, составляла 13200 килограмм, масса самого аппарата вместе с возвращаемой составляла 805 килограмм.
В миссии "Кьюриосити" для доставки аппарата на орбиту Марса использовался разгонный блок Центавр, стартовая масса которого 16258 килограмм, общая масса самого аппарата вместе с орбитальным модулем, системой спасения и марсоходом составила - 3893, вес марсохода 899 килограмм.
Таким образом в межпланетных экспедициях на другие планеты доставляются крохи от полезной нагрузки первоначально выводимой на околоземную орбиту, основная ее доля приходится на цистерны с топливом расходуемым на межпланетный перелет.
Из за такой расточительности пилотируемые полеты не выходят за рамки околоземной орбиты, доставка груза на которую обходится относительно дешево. За исключением миссии Аполлон, но она потребовала огромных ресурсов только ради нескольких посадок на луну.
Современные межпланетные экспедиции ограничиваются автоматическими зондами или роботами.
Чрезмерная прожорливость химических двигателей постоянно побуждает к мысли заменить их чем то более эффективным. И возможности технологий позволяют это сделать.
Для полетов в космическом пространстве можно использовать более экономичные "Электрореактивные двигатели", они имеют низкую мощность, но в невесомости, где не нужна большая тяга вполне способны заменить химические разгонные блоки. Перспективные плазменные электрореактивные двигатели - "ЭРД", имеют расход топлива в 5 - 50, раз меньший аналогичных по суммарному импульсу химических, этого достаточно, чтобы свободно перемещаться между орбитами разной высоты и перелетать с одной планеты на другую в пределах солнечной системы.
Для снижения затрат на космический транспорт в ближайшей перспективе предполагается разделить космический транспорт на два класса, средства выведения на орбиту на традиционных химических двигателях и многоразовые орбитальные транспортные корабли с плазменными электрореактивными двигателями. Орбитальные буксиры позволяют многократно снизить затраты на межпланетные перелеты, но они эффективны только на орбите.
Идеальным для межпланетных экспедиций был бы универсальный межпланетный корабль, способный взлететь с земли и приземлиться на другой планете, но для такого корабля нужен двигатель обладающий огромной мощностью и энерговооружонностью, способный работать не только в невесомости, но и взлететь с земли.
Отказаться от химических двигателей для ракет выводящих грузы на орбиту сложнее, им нужна высокая мощность, которую не в состоянии обеспечить электрореактивные двигатели.
Достаточную мощность могут дать перспективные "Ядерные реактивные двигатели - ЯРД", ядерные двигатели получающие тепловую энергию от атомного реактора и использующие в качестве топлива чистый водород или химическую пару с высоким содержанием водорода. Энергетика ядерных реакций значительно выше химической реакции горения, что дает ядерным двигателям почти неистощимую тепловую мощность. Мощность ядерных реакторов достаточна для того чтобы оторвать от земли и отправить в космос ракету. Расход топлива двигателей на водороде в 2 - 3 раза ниже химических.
Характеристики ядерных двигателей позволяют им выводить на орбиту одноступенчатые аппараты и при этом в баках может оставаться достаточно топлива для межпланетного перелета. Для полета в космосе ядерные двигатели могут переходить в режим тепловых электрогенераторов, использующих энергию не для непосредственного нагревания паров топлива, а для питания электричеством экономичных ЭРД.
Возможности двухрежимных ядерных силовых установок позволяют сконструировать аппарат способный перелететь с земли на луну или Марс на одной заправке топлива, как в фантастических фильмах.
Об одной из идей такого универсального корабля с гибрибным, ядерно - химическим - электрореактивным двигателем я писал на личном форуме: http://culibinforum.3nx.ru/viewtopic.php?t=19
Энерговооружонность ядерных двигателей позволяет сконструировать универсальный космический корабль, но у ядерных двигателей есть свои недостатки, они дороги, радиация представляет собой серьезную опасность, возникает проблема с защитой от радиации и утилизацией двигателей выработавших свой ресурс.
Концепция ядерного межпланетного корабля имеет определенные преимущества но из за опасности радиации ядерные двигатели скорее всего будут иметь ограниченное распространение.
Но ядерные реакторы не единственный сверхмощный источник энергии доступный в космосе. В центре галактики находится естественный термоядерный реактор - Солнце, энергия которого практически неистощима и повсеместно доступна. Недостаток солнечной энергии в том, что она сравнительно рассеяна, что осложняет получение больших мощностей. Но ее неоспоримое преимущество в чистоте доступности и неисчерпаемости, в отличие от ядерных или термоядерных генераторов, получение солнечной энергии совершенно не требует затрат топлива.
Солнце это практически вечный двигатель неисчерпаемой мощности, использовать солнечную энергию в полной мере не дают только ограниченные возможности технологий.
Межпланетные корабли использующие солнечную энергию могут стать безопасным и сравнительно не дорогим транспортным средством, позволяющим активно осваивать солнечную систему, если появятся достаточно эффективные солнечные генераторы.
Идею такого корабля предложил автор Лев Дворецкий, в своем проекте "Солнечный стратокосмоплан".
"Космоплан Дворецкого", это корабль способный летать в атмосфере как самолет, выходить на орбиту как многоразовый "Ракетоплан" или шаттл, и летать на орбите как орбитальный буксир. В принципе он дает возможность даже посадки на Марс и взлета с Марса с использованием его атмосферы и солнечной энергии, что позволяет организовать постоянное транспортное сообщение между землей и Марсом.
http://www.free-lance.ru/users/Maxus81x/viewproj.php?prjid=3557174
http://www.free-lance.ru/users/Maxus81x/viewproj.php?prjid=3557213
http://www.free-lance.ru/users/Maxus81x/viewproj.php?prjid=3578720
Транспортный мост между землей и "Красной планетой" способен дать начало ее полномасштабной колонизации.


Admin
Admin

Сообщения : 48
Дата регистрации : 2012-04-22

Посмотреть профиль http://cosmosclub.profiforum.ru

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Межпланетный корабль на солнечной энергии.

Сообщение  Admin в Вт Июн 04, 2013 4:52 pm

Концепция Стратокосмоплана, предполагает использование солнечных панелей большой площади из сверхлегких «Пленочных фотоэлементов», в качестве крыльев для полета в атмосфере. Одновременно, солнечные панели, дают аппарату достаточно энергии, для питания экономичных тепловых двигателей работающих на водороде, для выхода корабля на орбиту. И для питания электрореактивных двигателей, для полетов в космосе, между орбитами или между планетами.
Таким образом, можно получить космический корабль, для выведения, на орбиту которого не нужна ракета и для полетов в космосе не нужны разгонные блоки. В отличие от перспективных ядерных кораблей, солнечный космоплан работает за счет чистой энергии и он сравнительно дешев, что позволяет использовать корабли подобного типа массово, для разных целей.
У солнечного космоплана, есть и свои недостатки, ограничивающие его возможности. В первую очередь это  низкая мощность двигателей, ограничивающая его грузоподъемность. Несмотря на явный прогресс в области пленочных фотоэлементов, толщина которых снижена до микрона (Микрон – Микрометр, тысячная доля миллиметра) их мощности недостаточно, чтобы вывести на орбиту тяжелый аппарат. Вес космопланов, скорее всего не будет превышать десятков килограмм, хотя, нельзя исключать, что в некоторой перспективе удельную мощность солнечных батарей удастся значительно поднять.
К тому же, как показывают расчеты, энергетика солнечных батарей не позволит получить нужную мощность на начальных участках траектории выведения. Недостаток мощности можно компенсировать только за счет сжигания химической пары, топливо  - окислитель. Поэтому концепция аппарата не позволяет полностью отказаться от химических двигателей. Но в космоплане можно использовать гибридный двигатель, потребляющий одновременно и электрическую энергию и основное «Рабочее тело», водород, и окислитель, кислород, по мере необходимости. На начальном этапе, двигатель будет работать как химический, с дополнительным подогревом водорода электрическим током, но по мере разгона, вместе со снижением массы топлива и земного притяжения, доля электрического двигателя и водорода в истекающих газах будет возрастать. Скорость истечения водорода, в 2,5 раза выше паров воды, поэтому, вместе с увеличением доли водорода будет возрастать и общая экономичность силовой установки.
Силовая установка аппарата должна быть универсальной, многорежимной, способной работать и как ракетный двигатель на траектории выведения, и как электрореактивный двигатель на межпланетной траектории. Два отдельных двигателя плохо укладываются в массовые ограничения.  
Многорежимный двигатель, можно сделать на основе плазменного, двигатели этого типа достаточно универсальны и не требовательны в выборе компонентов топлива. Плазменные двигатели представляют собой генераторы плазмы, в которых рабочее вещество нагревается до температуры нескольких тысяч градусов под действием электрического тока. Генераторы плазмы больше известны под названием «Плазмотроны», они применяются в основном в порошковой металлургии, для сварки и резки металлов. Плазмотроны, еще называют «Электрическими горелками» за их внешнее сходство с «Ацетиленовыми» газовыми горелками и сходную температуру истекающей газовой струи.  
В коммерческих плазмотронах, обычно струя рабочего вещества протекает через электроды, между которыми горит дуговой разряд, превращающий рабочее тело в плазму. Для перспективных космических плазмотронов наиболее оптимальным, считается нагревание плазмы электронным лучом, микроволновым радиоизлучением, или высокочастотными колебаниями магнитного поля, что избавляет двигатель от электродов, прямо контактирующих с плазменной струей и потому подверженных быстрому износу.  
В плазменных двигателях, плазма изолируется от контакта с внутренними стенками магнитным полем, что так же увеличивает их ресурс и избавляет от необходимости в интенсивном охлаждении. В коммерческих плазматронах, чаще применяется изоляция струи плазмы от стенок слоем холодного воздуха, что делает эти устройства проще и дешевле.
Для плазменного двигателя нет принципиальной разницы в выборе рабочего вещества, что делает его потенциально многотопливным. Плазменные двигатели, так же могут в широких пределах менять температуру плазменной струи и потреблять химические компоненты топлива, дополнительно разогревая химическое пламя электрическим током, что делает их потенциально многорежимными.
Силовая установка космоплана должна работать два разных типа топлива. На участке выведения оптимальное топливо, водород, у него самая низкая масса и самая высокая скорость истечения из всех возможных вариантов, на первых этапах выведения двигатель должен потреблять пару водород – кислород, с постепенно возрастающей долей водорода. Водород можно хранить в виде жидкости только при сверхнизких «Криогенных температурах», поэтому он не хранится долго, быстро выкипает. Топливо для длительных орбитальных полетов должно быть «Долгохранимым». Для космоплана лучше всего подходит «Литий», легкоплавкий щелочной металл, который легко хорошо проводит электричество, легко переходит в состояние плазмы и имеет высокую скорость истечения паров, превышающую скорость водяного пара, продуктов разложения спирта, керосина, гидразина или аммиака, уступая только водороду. Литий можно хранить в баках в виде дробовидных шариков, в таком виде, его можно легко подавать в двигатель. В системе подачи двигателя литиевые шарики должны плавиться, температура плавления лития всего 180 градусов по Цельсию, в жидком состоянии, литий может точно дозироваться системой подачи, после чего он должен испаряться и служить рабочим телом для генератора плазмы.  
В качестве космического топлива, так же можно использовать «Нитрат аммония» - аммиачную селитру, в форме шарообразных гранул, похожих на гранулировано удобрение, в виде которого селитра продается в розничных сетях. Нитрат аммония имеет сходную с литием температуру плавления, он уступает литию по скорости истечения, и его сложнее перевести в состояние плазмы. Но селитра значительно дешевле лития, и переход на это топливо возможен в перспективе, когда космопланы начнут использоваться массово, и на них станет жалко тратить литий, который используется в аккумуляторах высокой емкости.  
Плазмотроны для выведения, работающие на водороде и кислороде и для орбиты, потребляющие литий, это по сути дела два отдельных двигателя, с разными параметрами. Один должен потреблять большие объемы топлива и иметь низкую температуру плазмы, второй должен работать на малых порциях топлива, но иметь большую температуру плазмы и скорость истечения. Совместить эти два качества в одном двигателе, можно за счет двухконтурной схемы.  
В двухконтурном плазменном двигателе, маленький плазмотрон, работающий на литии, может быть размещен на входе в основной плазмотрон. В этом случае в режиме двигателя выведения, поток литиевой плазмы будет служить электродом «Поджигающим» основное топливо. В режиме орбитального двигателя, струя плазмы, истекающая из первого плазмотрона, будет дополнительно разогреваться, и ускоряться во «Втором контуре». Второй контур на орбите, должен работать в импульсном режиме, выбрасывая облака плазмы микро порциями, за счет пульсаций магнитного поля, что позволяет повысить скорость истечения и свести к минимуму передачу тепла внутренним стенкам второго контура.  
В «Ракетном режиме» на траектории выведения, второй контур должен работать не как плазмотрон, а как камера сгорания и сопло традиционного химического ракетного двигателя. Для защиты стенок двигателя от действия плазмы, более выгодно вместо магнитного поля, использовать слой холодного водорода, по аналогии с коммерческим плазмотроном. Охлаждающий водород, должен истекать сквозь слой термостойкого минерального волокна с высоким коэффициентом отражения, выстилающим внутреннюю поверхность двигателя. В электрореактивном режиме, этот слой минерального волокна должен служить теплоизолятором.
Двухконтурная схема позволяет «Поджигать» не только топливо, запасенное в баках, но и воздух, забираемый из атмосферы, что позволяет экономить топливо при полете в атмосфере с низкими скоростями.  
В атмосфере Космоплан, должен стартовать с земли, с аэродрома или пусковой установки и взлетать до высоты практического потолка. Для такого аппарата, легкого и с крыльями большой площади, практический потолок находится на высоте около 40, 60 километров. Далее космоплан, должен развернуться вертикально, с небольшой, дозвуковой скоростью выйти за пределы атмосферы, на высоту около 120 километров. После чего развернуться солнечными батареями к солнцу и выйти на разгонную траекторию.
Наиболее оптимальная схема планера космоплана, стреловидное монокрыло, похожее на дельтаплан, но с более высокой стреловидностью, около 45 градусов. Двигатель должен быть размещен в задней части фюзеляжа и иметь изменяемый в больших пределах вектор тяги. Центр тяжести машины должен быть в месте крепления двигателя, в космосе это позволит разворачивать солнечные панели аппарата, ориентируя их на солнце, независимо от вектора тяги и траектории полета. Для лучшей управляемости аппарата, основание силовой установки можно оснастить выдвижной силовой фермой, что позволит управлять положением аппарата за счет тяги основного двигателя. Силовая ферма, так же может, смонтирована на шарнире, с возможностью отклонения на 45% в плоскости перпендикулярной плоскости крыла, что позволит управлять креном аппарата за счет основного двигателя.
Для лучшей управляемости аппарата, а так же для сохранения подвижности в случае выхода из строя главного двигателя, космоплан можно оснастить двумя маломощными вспомогательными двигателями, расположенными на концах крыльев. Двигатели управления, должны иметь изменяемый вектор тяги, без выдвижных силовых ферм. Двигатели управления должны потреблять литий, из подвесных топливных баков расположенных на концах крыльев.  Вспомогательные двигатели, позволят сохранить управляемость и подвижность аппарата, хоть и при меньшей мощности, давая ему возможность самостоятельно вернуться на базу, для ремонта, при потере основного двигателя.
 
Области применения космоплана.
Первоначально предложенная автором концепции область применения космоплана, регулярные полеты между землей и другими планетами, в первую очередь марсом, судя по результатам подсчетов, практически мало осуществима и, на мой взгляд, нуждается в пересмотре. Основания для этого следующие:  
Грузоподъемность аппарата при старте с земли по сравнению с традиционными ракетами очень низкая, всего около нескольких килограмм. Низкий вес полезной нагрузки не позволяет использовать космоплан в качестве альтернативного средства выведения, учитывая высокий уровень сложности и технологичности аппарата, выведение на орбиту с его помощью будет значительно дороже, чем традиционными ракетами. Химическая ракета, состоящая из цистерны с топливом, нескольких турбинных насосов и сопел, способна выводить серьезную полезную нагрузку измеряемую сотнями килограмм или десятками тонн, значительно проще и мощнее космоплана в качестве средства выведения. Кроме того, несколько килограмм полезной нагрузки, это не серьезная величина по меркам космонавтики, их хватит только для легкого, научного оборудования.
Взлететь с земли и приземлиться на поверхность Марса, на одной заправке топлива космоплан не сможет. Возможности силовой установки этого аппарата, позволяют взять на борт только топливо для выхода на орбиту, и небольшой запас топлива для полетов в космосе. На орбите плазменные двигатели расходуют топливо экономно, поэтому аппарат сможет выйти на орбиту марса и даже вернуться обратно на орбиту земли на одной заправке, но он не сможет приземлиться на поверхность этой планеты. Чтобы аппарат смог войти в атмосферу и при этом не сгореть, ему сначала нужно погасить космическую скорость, которая на Марсе не на много ниже, чем на земле, и сделать это нужно достаточно быстро, на одном витке. То есть нужно использовать жидкое химическое топливо. Но на марсианской орбите взять его негде. Брать топливо с собой аппарат не может, для старта с земли он должен быть заправлен под завязку, резервов по грузоподъемности нет, к тому же, жидкое топливо не долгохранимо.  
Низкая грузоподъемность космоплана, если брать в расчет полезную нагрузку, которую он может взять на борт при старте с земли, позволяет использовать его только в качестве исследовательского зонда. В этом качестве мощность орбитальных двигателей дают космоплану ощутимое преимущество, благодаря высокой скорости аппарат сможет делать сравнительно быстрые межпланетные перелеты. Скорость особенно важна для исследований удаленных объектов, таких как астероиды, или спутники планет гигантов. Мощность космоплана, так же облегчает исследование комет, это относительно быстро движущиеся объекты, их скорость на десятки километров в секунду выше планет, и траектории комет не привязаны к плоскости вращения планет. Подлеты к кометам с химическими разгонными блоками или традиционными, маломощными «Ионными», электроракетными двигателями сложная задача, одни требуют большого расхода топлива, другие длительного времени на разгон, но космоплан сможет без труда летать по подобным траекториям.
Космоплан, можно использовать в качестве спутника, в этом качестве он имеет преимущества в энерговооруженности, но низкая несомая полезная нагрузка фактически сводит это преимущество на нет.  Хотя остается возможность использования космопланов в качестве «Экстренного» средства связи, имеющего небольшую информационную пропускную способность, но обладающего преимуществом быстрого развертывания, благодаря возможностям космоплана быстро стартовать и занять любую нужную орбиту. В этом качестве, космопланы позволяют временно поддерживать связь при выходе из строя спутников, до замены их новыми.  
Космоплан так же может использоваться военными, в качестве истребителя спутников. Способность стартовать независимо от космодромной инфраструктуры, свободно перемещаться в околоземном орбитальном пространстве, маневренность и достаточно высокая тяговооруженнсть, делают его потенциальным орбитальным истребителем. Военный космоплан, может атаковать спутники легкими ракетами или маломощными пушками, в невесомости мощность орудий не имеет большого значения. Скорость космоплана позволяет ему уходить с траектории противоракет противника, прежде чем они смогут его поразить. Правда с оговоркой, что он не сможет делать орбитальных маневров в тени земли, но у каждого оружия есть свои преимущества и свои недостатки.

При наличии топливозаправочной станции на орбите марса, космоплан обладает возможностью погасить орбитальную скорость, войти в атмосферу марса, и длительное время продолжать полет в атмосфере в качестве летающего исследовательского зонда. Для поддержания круглосуточного полета без посадки, аппарат может днем набирать большую высоту, а ночью медленно планировать, для этой цели так же можно использовать аккумуляторы высокой емкости.  
Чтобы не тратить дополнительные средства на доставку топлива на марсианскую орбиту, его можно буксировать с помощью самих космопланов. В этом случае несколько космопланов, должны забрать на околоземной орбитальной станции необходимое оборудование и материалы и отбуксировать его на около марсианскую орбиту. Компоненты топливной пары, водород и кислород, лучше перевозить и хранить в виде жидкой воды или в виде ледяных шариков в контейнерах, защищенных от солнечного тепла зеркальным покрытием. Один космоплан, может буксировать аппарат для разложения воды, и емкости для хранения криогенных компонентов, остальные быки с водой или контейнеры со льдом. После выхода на марсианскую орбиту, один космоплан может использоваться в качестве источника энергии для элетролизеров и холодильников, охлаждающих криогенные компоненты. Другие по мере выработки химического топлива, заправляться и тормозиться, переходя в марсианскую атмосферу.    
В качестве источника воды для марсианской заправочной базы  так же можно использовать естественные космические тела, такие как небольшие астероиды, группы углистых хондритов, орбита которых проходит между землей и марсом, углистые хондриты содержат до 10% воды. За счет использования астероидной воды можно снизить затраты на выведение полезной нагрузки на околоземную орбиту, но астероидные материалы дают низкий выход, около 90% их массы приходится на бесполезный в данном случае грунт.  
Теоретически вместо астероидов можно использовать небольшие кометы, летящие по подходящим траекториям, вещество комет состоит в основном из водного льда. Но кометы в отличие от астероидов имеют высокую скорость и непредсказуемые орбиты, что может сильно усложнять их буксировку. Комета может быть захвачена космопланом, в том случае если она будет лететь в нужное время по подходящей орбите и иметь подходящую массу, но это дело случая.
 Топливозаправочные станции на орбите марса принципиально позволяют космопланам входить в его атмосферу, но скорее всего такой способ исследования марса не получит распространения. Космопланы машины не дешевые, много полезного груза на борт взять не могут, для исследований поверхности и атмосферы марса в летающих машинах нет жизненной необходимости, те же задачи могут выполнить зонды на орбите и поверхности. Летающие атмосферные зонды, если и получат распространение, то небольшое.  
Космопланы могут быть использованы в качестве средства защиты от астероидов. Эти машины способны взлететь практически в любой нужный день, без привязки к космодромам и практически без предстартовой подготовки, они имеют высокую скорость и маневренность в космосе. Полезная нагрузка, которую космоплан может взять с земли, не велика, но старт космоплана будет дешевле, чем старт традиционного носителя, а ядерные или термоядерные боевые части вполне укладываются в массу несомой полезной нагрузки космопланов. Кроме того, космопланы могут брать на борт более тяжелые термоядерные боевые части, хранимые на орбитальных станциях.  
Противоастероидные космопланы, могут атаковать угрожающие земле астероиды или кометы ядерными боевыми частями, уничтожая их или отклоняя их траекторию, в зависимости от размера и массы. Легкие объекты массой в десятки тонн, такие как «Челябинский метеорит» , космопланы могут уводить с опасных орбит за счет тяги собственных двигателей, без применения ядерных боеприпасов. Для отклонения астероидов, космопланы могут использовать оптимальный с точки зрения максимизации мощности режим работы двигателей, выбрасывая в сопло холодную плазму, что позволяет многократно увеличить мощность. Но, в этом случае аппараты должны быть под завязку заправлены долгохранимым топливом на орбитальных станциях или брать на борт подвесные топливные баки.
Космоплан в качестве орбитального буксира.  
 Самая потенциально востребованная область применения космопланов, в которой они могут получить массовое распространение, это буксировка полезных грузов на орбите. В качестве орбитальных буксиров космопланы дешевле и эффективнее традиционных кораблей, корабли подобного типа потенциально способны стать основой космических транспортных систем нового поколения.  
 Возможно, концепция крылатого аппарата использующего для движения солнечную энергию не позволит полностью отказаться от использования химических носителей для выведения на орбиту. Удельная энергетика пленочных фотоэлементов текущего поколения не дотягивает до такого уровня, который позволит использовать плазмотроны для выведения.
Поэтому возможно космопланы придется выводить на орбиту при помощи традиционных химических носителей, но в любом случае они могут служить эффективными орбитальными транспортными кораблями. Если отказаться от «Солнечного» метода выведения, то имеющиеся технологии позволяют разработать функциональный и эффективный орбитальный космоплан. А с учетом того, что стоимость выведения для космопланов не имеет решающего значения, по всей вероятности первые модификации аппаратов этого типа будут рассчитаны на выведение химическими носителями.

Admin
Admin

Сообщения : 48
Дата регистрации : 2012-04-22

Посмотреть профиль http://cosmosclub.profiforum.ru

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Межпланетный корабль на солнечной энергии.

Сообщение  Admin в Пт Июл 05, 2013 10:05 pm

Концепция коспоплана двухдвигательной схемы способного стартовать из атмосферы.


Подсчеты показывают, что вес стреловидного крыла будет слишком большим для старта аппарата из атмосферы, даже при условии, что появятся пленочные фотоэлементы с достаточной удельной мощностью. Треугольное крыло имеет относительно низкую площадь поверхности и его несущие конструкции сильно нагружены. Из за чего, несущие фермы будут обладать большим относительным весом, и стреловидная схема не позволяет значительно снизить вес конструкций. Поэтому для повышения массового совершенства крыла нужна схема обладающая более простой геометрией и большей площадью относительно размеров. Стреловидную схему придется пересматривать.
Нагрузка на несущие фермы крыла возрастает пропорционально квадрату увеличения их длинны. Двукратное увеличение длинны вызовет рост веса конструкции в 4 раза, десятикратное соответственно в 100 раз. Относительный вес длинных стреловидных крыльев будет недопустимо высоким, и значительно снизить его будет не возможно. Есть способы радикально разгрузить несущие конструкции, если оснастить основные фермы дополнительными, расположенными под углом, это сделает конструкцию треугольной, а так как нагрузка пропорциональна квадрату толщины, минимально необходимый вес конструкций при этом уменьшится в десятки раз. Для этих целей можно использовать так же нити из прочных материалов, кевлара или углепластика. Нити очень легкие. Подобные конструкции усиленные нитями, использовали при строительстве самолетов, этажерок, первых поколений.
Но треугольными фермами или нитями можно усилить крыло только простой геометрии. Если укрепить стреловидное крыло снизу, это вызовет рост нагрузки в плоскости крыла. Нагрузка с крыла будет не снята, а только перераспределена из одной плоскости в другую, при этом будет возникать риск сильных деформаций крыла. Укрепить стреловидные крылья космоплана дополнительными фермами или нитями, которые бы превратили стреловидную схему в прочный треугольник нельзя. Фермы или нити расположенные в задней части аппарата будет пережигать реактивная струя двигателя.
Облегчить конструкцию аппарата можно если отказаться от стреловидной формы крыла в пользу более простой геометрии. Крыла в форме треугольника, квадрата или круга. Упрощение геометрии позволит в несколько раз увеличить относительную площадь пленочных фотоэлементов, в несколько раз снизить относительную нагрузку на несущие фермы, и даст возможность дополнительно усилить фермы треугольными конструкциями или нитями. Благодаря упрощению геометрии крыла, вес несущих конструкций можно будет снизить в десятки раз. Массовое совершенство при этом возрастет до величин приемлемых для аппарата стартующего из атмосферы.
Крыло простой геометрии не позволяет разместить двигатель в центре тяжести. Для сохранения управляемости аппарата можно разместить два двигателя с изменяемым вектором тяги на концах крыльев аппарата. Двухдвигательная схема, позволяет разворачивать аппарат, ориентируя его на солнце при любом направлении полета. В случае необходимости, аппарат сможет переходить на один двигатель, разворачивая двигатель параллельно курсу. При полете на одном двигателе, двигатель будет не в центре тяжести и аппарат нельзя будет разворачивать в любом ракурсе, только перпендикулярно солнцу, или под углом к солнцу, что вызовет потерю мощности солнечных батарей. Но и этого будет достаточно для продолжения полета при потере одного двигателя.
Самые оптимальные формы крыла для двухдвигательного аппарата, это квадрат с треугольными концами крыльев, квадрат в форме ромба, развернутый в форме углом к направлению полета аппарата, или круг с небольшими треугольными крыльями по сторонам, на концах которых будут расположены двигатели. Такая форма, даст возможность оптимально распределить нагрузку по основной несущей ферме, имеющей форму рамы, позволит заменить вспомогательные фермы нитями натянутыми на раму, что снизит вес крыла и даст возможность укрепить крыло нитями или треугольными дополнительными фермами в вертикальной плоскости, что многократно снизит вес основной несущей рамы.

Аппарат двухдвигательной схемы с крылом простой геометрии может быть достаточно легким и мощным, для старта из атмосферы. При условии, что появятся пленочные фотоэлементы достаточной эффективности. Но космоплан однодвигательной схемы со стреловидным крылом, лучше подходит на роль орбитального буксира. Он проще, легче, дешевле, его энерговооружонность и другие характеристики полностью соответствую задачам орбитального транспортного корабля. В условиях микрогравитации прочность крыльев не имеет большого значения, а следовательно несущие фермы можно облегчить не меняя стреловидную схему крыла. Концепция однодвигательного орбитального космоплана со стреловидным крылом отвечает всем необходимым запросам для орбитального буксира серийного производства.

Концепция двухдвигательного космоплана остается в рассмотрении до появления возможностей доведения до реализуемого изделия. Скорее всего она будет оставаться перспективной, так как пленочных фотоэлементов субмикронной толщины, так же как и других источников энергии достаточной удельной мощности в серийном производстве пока нет. Возможно проблему источников энергии с нужным массовым совершенством удастся решить за счет использования других источников энергии имеющих другие принципы работы, или комбинированных подходов.


Admin
Admin

Сообщения : 48
Дата регистрации : 2012-04-22

Посмотреть профиль http://cosmosclub.profiforum.ru

Вернуться к началу Перейти вниз

Re: Межпланетный корабль на солнечной энергии.

Сообщение  Спонсируемый контент


Спонсируемый контент


Вернуться к началу Перейти вниз

Вернуться к началу

- Похожие темы

 
Права доступа к этому форуму:
Вы не можете отвечать на сообщения