General planetary vehicle and industrial space necklace “Orbit” as an alternative to rocket near space exploration

Full Text

Введение Существующие исследования по выводу на орбиту ракет основаны на применении движения, создаваемого реактивной струей сжигаемого топлива. Данные процессы являются экономически неэффективными, так как подразумевают затраты на перемещение топлива с Земли на орбиту для дальнейшего использования. Стоимость подобных перевозок составляет до 30 млн USD за 1 т груза[***********] [1]. К тому же отходы от сгорания реактивного топлива негативно влияют на атмосферу и биосферу планеты [2]. За всю историю ракетной космонавтики на орбиту выводилось не более 400-500 т грузов ежегодно [3]. При этом один пуск тяжелой ракеты-носителя выжигает до 1 млн т озона на 1 т груза [3]. Поскольку масса атмосферного озона составляет около 3 млрд т (0,000064 % от массы атмосферы планеты) [4], то озоновый слой Земли может быть уничтожен при выведении на орбиту в короткий промежуток времени всего лишь 3000 т грузов. Выбросы от твердотопливных ракетных двигателей и большинства жидкостных ракетных двигателей содержат свободные радикалы, такие как NO, OH, Cl, а также HCl, инертный N2 и CO2 [5]. Некоторые типы топлива также производят оксид алюминия (Al2O3) и частицы сажи в выхлопных газах, причем пропорции каждого из них зависят от типа используемого топлива [5]. Запуск ракет вызывает как локальные изменения окружающей среды в результате взаимодействия следа выхлопных газов ракеты с атмосферой, так и образование и перенос наземного облака ветром, а также глобальные эффекты, возникающие в результате дальнего распределения выбросов выхлопных газов в средних и верхних слоях атмосферы [6]. В итоге увеличение количества запусков может привести к истощению озонового слоя, что станет глобальной проблемой, которая поставит под угрозу всю биосферу планеты [2; 5] 1. Комплексная геокосмическая транспортная система как инновационный способ освоения ближнего космоса Инженером Анатолием Юницким предложено альтернативное ракетам-носителям решение - общепланетарное транспортное средство (ОТС) [7]. Оно вместо токсичного ракетного топлива использует энергетически «чистую» транспортную систему. Компоновочно-экоориентированный геокосмический транспортный комплекс состоит из трех глобальных мегаконструкций, охватывающих планету в экваториальной плоскости: - экваториальная эстакада; - ОТС; - космическое индустриальное ожерелье «Орбита» (КИО «Орбита»). Экваториальная эстакада - пусковая и посадочная площадка для ОТС, размещенная вдоль линии экватора, представляет собой транспортно-инфраструктурный объект длиной 40 075 км, более 80 % которого проходит через океанические участки. В ее состав включены: - локальные наземные транспортные системы, обеспечивающие распределение пассажиров и грузов; - продуктопроводы для рабочих жидкостей; - энергоисточники; - пересадочные узлы и логистические комплексы. Экваториальный старт позволяет максимально продуктивно использовать энергию центробежной силы Земли, уменьшая энергозатраты и увеличивая энергоэффективность системы. Экваториальной скорости вращения планеты, равной 463 м/с, недостаточно для преодоления силы тяжести, но она добавляется к скорости вращения маховиков во время движения вверх. Для выхода в ближний космос следует достичь орбитальной скорости, равной 7,89 км/с. Компенсация 1/17 части требуемой скорости приведет к существенной экономии энергоресурсов. Также такое расположение во время старта совмещает центр масс ОТС с центром масс планеты, тогда во время взлета они остаются постоянными, что исключит поперечные колебания ОТС относительно плоскости экватора и, соответственно, избавит от необходимости стабилизации системы в космосе и маневрирования перед стыковкой с космическим индустриальным ожерельем «Орбита». Общепланетарное транспортное средство - экоориентированный геокосмический транспорт многоразового использования, позволяющий осваивать ближний космос без применения ракет. Представляет собой стабилизированный летательный аппарат самонесущей конструкции, имеющей форму тора. ОТС перед стартом располагается на экваториальной эстакаде, охватывающей Землю. Внутри тора находятся приводные элементы и системы ленточных маховиков для подъема ОТС. Вдоль тора распределена полезная нагрузка - пассажиры и грузы, помещенные в специальные модули (рис. 1). В основу работы ОТС заложены принципы, опирающиеся на законы физики: маховики внутри корпуса разгоняются до скорости выше первой космической на уровне моря. ОТС за счет внутренней центробежной силы, увеличиваясь в диаметре (растягиваясь), взлетает вместе с грузом. Так как ОТС расположено в плоскости экватора и имеет форму тора, то его центр масс совпадает с центром масс Земли во всех возможных его положениях. Именно поэтому данный самонесущий летательный аппарат осуществляет подъем в космос только благодаря своим внутренним силам. Рис. 1. Конструкция ОТС (вариант) [8]: 1.1 и 1.2 - ленточные маховики; 2.1 и 2.2 - системы привода; 3 - корпус; 4.1 и 4.2 - пассажирские/грузовые модули Figure 1. GPV design (variant) [8]: 1.1 and 1.2 - belt flywheels; 2.1 and 2.2 - magnetic suspension systems and linear electric motor; 3 - body; 4.1 and 4.2 - containers with cargo and passengers (visualization) Режим подъема и стыковки на орбите задается так, чтобы на любой рабочей высоте ОТС имело необходимую скорость, являлось стабилизированным и находилось в напряженном (растянутом) равновесии. При доставке груза массой mг на круговую орбиту r с расстояния R от центра Земли выполняется работа A (1) [8]: где - гравитационный параметр Земли. Для этого тело у поверхности Земли должно иметь характеристическую скорость где - вторая космическая скорость. Полная энергия Еп, которую следует затратить на вывод тела в космос: где - энергетический КПД ОТС с учетом всех предполетных и полетных потерь энергии; - кинетическая энергия тела, имеющего скорость Vx. Полная мощность N, развиваемая ОТС при выведении грузов на орбиту: где t - время работы ОТС (время подведения энергии к грузу). На рис. 2 и 3 показаны затраты энергии и мощность ОТС при выведении на орбиту груза [8]. 2 Рис. 2. Затраты энергии при выводе груза на орбиту, Vx = 104 м/c Figure 2. Energy consumption required to take cargo to the orbit, Vx = 104 m/s 3 Рис. 3. Мощность, развиваемая ОТС при выводе на орбиту груза при Vx = 104 м/c, η = 0,5 и mr равной: 1 - 1 млн т; 2 - 10 млн т; 3 - 100 млн т; 4 - 1 млрд т Figure 3. GPV generated power during taking cargo to the orbit at Vx = 104 m/s, η = 0.5 and mc equals: 1 - 1 mln t; 2 - 10 mln t; 3 - 100 mln t; 4 - 1 bln t рисунок 18_2_eng Рис. 4. Вариант конструкции подвеса ленточных маховиков ОТС Figure 4. Variant of the GPV flywheel suspension design Необходимо учитывать, что при подъеме ОТС должно расширяться (увеличиваться в диаметре, растягиваясь), поэтому согласно формуле длины окружности l = 2πR возрастает не только длина транспорта, но и высота его нахождения над поверхностью планеты. На экваториальной эстакаде вдоль поверхности Земли длина ОТС, как уже упоминалось, равна 40 075 км. На высоте 500 км длина ОТС достигнет 43 216 км. Общее удлинение составляет 7,8 %. Данное увеличение размеров реализуется конструктивно за счет телескопических и гофрированных элементов, однако при выходе на орбиту, безусловно, приведет к незначительным дополнительным затратам энергии - менее 0,1 % от общих потерь энергии. ОТС имеет уникальную конструкцию гибридного магнитного подвеса маховиков (рис. 4). В конструкцию входит система силовых постоянных магнитов, система стабилизирующих электромагнитов и линейный электродвигатель, обеспечивающий разгон маховиков, а также отбор мощности в процессе взлета ОТС. Определена результирующая сила, действующая на ротор со стороны магнитной системы, при условии отсутствия внешних воздействий, за исключением гравитации, она равна 30 Н и направлена от центра масс земли. Удельная грузоподъемность системы - 12 330 Н/м, или 1 257 кгс/м. При удельной массе маховиков и оболочки, равной 250, 225 и 200 кг/м соответственно, максимальная масса полезного груза составила 582 кг/м. Фактическая грузоподъемность - 500 кг/м. Рассмотрим работу, выполненную ОТС в качестве грузового транспорта при подъеме груза с поверхности Земли на высоту 500 км. Для подъема на заданную высоту два маховика ОТС суммарной массой 20 млн т (500 кг/м), получают кинетическую энергию порядка 1,25 × 1018 Дж (примерно 3,5 × 1011 кВт⋅ч). С учетом потерь, возникших из-за КПД линейных электродвигателей (95 %) и затрат энергии на подъем и выход на орбиту, стартовые энергозапасы должны быть больше на 15-20 %, то есть примерно 1,5 × 1018 Дж (4,2 × 1011 кВт⋅ч). Это потребует внешней мощности от энергосистем планеты, подключенных к транспортному комплексу, - 100 млн кВт (ориентировочно 2,5 кВт на погонный метр системы). Как следствие, время стартовой зарядки такого экоориентированного космического транспорта - разгон ленточных маховиков до необходимой космической скорости (почти 10 км/с) - составит около 420 ч. При увеличении мощности запитки до 1 млрд кВт, время выхода ОТС на стартовый режим равно 42 ч. При этом ОТС удерживается на эстакаде с помощью специальных фиксирующих устройств - замков. После того как ленточные маховики наберут требуемую скорость, замки раскроются и транспорт вместе с грузом поднимется вверх симметрично вокруг планеты. Стоимость первого запуска ОТС составит 420 000 000 000 кВт⋅ч × 0,05 USD = 21 000 000 000 USD при себестоимости электроэнергии 0,05 USD/(кВт⋅ч). При массе полезной нагрузки 10 млн т данный показатель будет соответствовать 2 100 USD/т, что примерно в тысячу раз меньше стоимости современных запусков и сопоставимо со стоимостью авиаперевозок между странами. Вместе с тем затраты указанной энергии на полезную транспортную работу во время выхода в космос и обратной посадки достигнут порядка 10 % (остальная энергия будет рекуперироваться между корпусом и маховиками ОТС и останется внутри системы), поэтому стоимость энергии на выведение груза на орбиту - около 200 USD/т. Пятипроцентные потери в системе при движении ротора приводят к нагреву самого ротора и несущих магнитов на нем от действия вихревых токов, что отдает предпочтение Al-Ni-Co-Fe магнитам с высокой температурной стабильностью - до 550 °С. На рис. 5 приведена диаграмма вихревых токов, наведенных в статоре ОТС движущимися магнитами ротора. Функция магнитной индукции принята соответствующей пульсирующему магнитному полю с постоянным по ширине зазором и зависящим от одной координаты значением Аz,m(r), то есть: . Эта функция принята как мера упрощения расчета вихревого тока. Рис. 5. Вихревые токи в статоре ОТС Figure 5. Eddy currents in the GPV stator Расчеты вихревых токов проведены на базе методики, представленной и использованной в [9; 10]. Вихревые токи рассмотрены в плоскости листов сердечника статора и считаются возбужденными магнитным полем с заданной функцией магнитной индукции. Тепловой нагрев статора обусловлен потерями энергии согласно закону Джоуля - Ленца. Потери энергии можно рассчитать по формуле Энергия потерь перейдет в тепловую. Выделившаяся мощность, равная 7,5 × 1016 Дж, отводится системой охлаждения. 2. Преимущества общепланетарного транспортного средства Расчетная стоимость программы ОТС свыше 2 трлн USD [8], что превышает суммарный бюджет NASA за несколько десятилетий2[†††††††††††] [11]. Однако ее создание имеет сильные преимущества [12]: - экологически чистая транспортировка грузов на орбиту и обратно; - оптимизация средств связи (за счет снижения количества спутников, тем самым уменьшая загруженность околоземной орбиты); - сбор и переработка космического и земного мусора; - противометеороидная защита Земли и добыча ресурсов из космических тел (астероидов, метеороидов и т. д.) без их повреждений в плотных слоях атмосферы; - перенос экологически вредного и организация чистого промышленного производства без негативного влияния на биосферу (при обеспечении безопасной для озонового слоя утилизации отходов производств); - возможность увеличения содержания озона в верхних слоях атмосферы в процессе движения ОТС, тем самым способствуя восстановлению озонового слоя; - максимально эффективное использование солнечной энергии; - космический туризм; - снижение стоимости организации и проведения космических миссий; - производство высокотехнологичных материалов. Космическое индустриальное ожерелье «Орбита» - это производственно-жилой комплекс (рис. 6), опоясывающий планету вокруг экватора на заданной высоте [8]. Основная цель постройки КИО - создание на орбите Земли постоянной станции, состоящей из производственных и жилых модулей. Каждый биосферный жилой модуль - ЭкоКосмоДом (ЭКД) - обеспечит проживание нескольких сотен человек в природно-климатических условиях, моделирующих земные субтропики (для сравнения - сейчас на МКС работают максимум семь астронавтов) [13]. Производственные и жилые модули соединены транспортными, энергетическими и информационными коммуникациями. Изображение выглядит как спутник, ночное небо Автоматически созданное описание Рис. 6. Вид космического индустриального ожерелья «Орбита» с находящимися на нем ЭкоКосмоДомами (визуализация) [9] Figure 6. Design of the Space Industrial Necklace “Orbit” with the EcoCosmoHouses (visualization) [9] КИО «Орбита» позволит размещать на орбите планеты требуемое для работы количество людей и грузов. Самое важное, КИО «Орбита» послужит площадкой для выноса вредного производства с поверхности планеты. Использование Солнца в качестве источника энергии позволит уйти от зависимости от ископаемых видов топлива и исключит загрязнение атмосферы отходами промышленности. Заключение Предварительная аналитика показывает возможность реализации проекта по безракетной индустриализации космоса путем создания ОТС как альтернативного и экологически чистого способа транспортировки грузов на орбиту. Приведенная в статье оценка затрат на строительство и эксплуатацию ОТС многократно превосходит реализованные проекты по освоению космоса. В дополнение стоимость вывода 1 т полезной нагрузки на околоземную орбиту более чем в тысячу раз ниже стоимости вывода с использованием ракет-носителей. Строительство и использование ОТС и КИО «Орбита» может решить экологические проблемы, вопросы выживания человечества, послужит толчком для дальнейшего активного освоения космического пространства, сделает космос доступным.

About the authors

Anatoli E. Unitsky

Astroengineering Technologies LLC; Unitsky String Technologies Inc

Email: a@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0003-1574-3539

Ph.D, general design engineer, Astroengineering Technologies LLC; general design engineer, Unitsky String Technologies, Inc.

33 Zheleznodorozhnaya St, Minsk, 220089, Republic of Belarus

Sergei A. Pronkevich

Unitsky String Technologies Inc; Belarusian State University

Email: s.pronkevich@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0001-9200-4110

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Head of the Engineering Calculations Design Bureau, Unitsky String Technologies, Inc; Associate Professor of Bio- and Nanomechanics Department, Belarusian State University

33 Zheleznodorozhnaya St, Minsk, 220089, Republic of Belarus; 4 Prospekt Nezavisimosti, Minsk, 220030, Republic of Belarus

Sergei V. Artyushevsky

Unitsky String Technologies Inc; Belarusian State University of Transport

Author for correspondence.
Email: s.artyushevskiy@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0003-0838-9228

deputy general designer for science, Unitsky String Technologies, Inc.; master’s student, Belarusian State University of Transport

33 Zheleznodorozhnaya St, Minsk, 220089, Republic of Belarus; 4 Prospekt Nezavisimosti, Minsk, 220030, Republic of Belarus

Vitali V. Looksha

Unitsky String Technologies Inc

Email: v.luksha@unitsky.com
ORCID iD: 0000-0003-4553-0016

leading electronics engineer

33 Zheleznodorozhnaya St, Minsk, 220089, Republic of Belarus

References

Supplementary files