- Введение
- Подъем на высоту 40-50 км.
- Подъем на высоту около 100 км
- Достоинства и недостатки
- Перспектива космического туризма и доставки людей, грузов на орбиту и дальше.
- Заключение
Введение.
Ракеты для доставки грузов или людей на орбиту земли вне зависимости от своей конструкции и эффективности стоят очень дорого, потому что для подъема используют энергию сжигания жидкого топлива, которое они несут на себе. Львиная доля топлива предназначена для подъема самого себя, соответственно и баков для горючего, и преодоление сопротивления воздуха на низкой высоте полета. Масса полезной нагрузки менее 10% от стартовой массы ракеты, что не очень эффективно. Еще до создания ракет рассматривались варианты подъема в космос на воздушных шарах наполненных водородом или гелием, проблема такого способа в том, что с подъемом на большую высоту плотность атмосферы сильно уменьшается, что влечет уменьшение подъемной силы. Есть и ряд других трудностей связанных с расширением оболочки шара, а также относительно небольшой подъемной силой газа.
Сейчас одним из рекордов подъема на стратостате является высота в примерно 40 км. Феликсом Баумгартнером в капсуле массой примерно 1.5 тонны.
Но если бы было возможно подняться на высоту гораздо выше, например до нижней границы космоса линии Кармана, условно обозначенной примерно 100 км. над землей, то можно было бы стартовать сразу в космос. (ведь до нижней околоземной орбиты совсем не далеко высота 160-200 км)
Попробую описать теоретически, что такой подъем может быть возможен, постараюсь обосновать каждый этап и привести как можно больше технических деталей.
Подъем на высоту 40-50 км.
Подъем на высоту почти 39 км. был осуществлен Феликсом Баумгартнером на гелиевом стратостате в 2012 году, шар объемом 850 000 (метров в кубе) был наполнен гелием, масса капсулы 1400 кг, подъем занял около 2 часов. Так вот подъем на высоту 40 км. практически возможен уже сейчас, а возможно даже и немного выше и вот почему:
— зная, что горячий воздух поднимается гораздо лучше холодного, то мы можем просто сделать оболочку шара черного цвета и при подъеме днем солнце будет ее нагревать. (думаю многие об этом задумывались)
— Так же мы знаем, что днем атмосфера земли нагревается и расширяется, на несколько километров, это позволит нам подняться еще выше, а также можно учесть широту на которой мы будем осуществлять подъем, вполне возможно что на экваторе толщина атмосферы больше чем на полюсах, здесь у меня нет точных данных поэтому могу лишь предположить это.
— воздушный шар мы можем заполнить Водородом, чья подъемная сила больше чем у гелия.
— Основываясь на том, что японский стратостат bu60-1 поднялся на высоту 53 км, мы можем предполагать, что подъем выше 40 км возможен даже на подъемной силе шара, хотя на этих высотах (50 км), газ в шаре уже поднимает только свою оболочку при этом масса полезной нагрузки стремится к нулю.
Итак, подведем итог, подъем на высоту 40 км и даже чуть выше, возможен уже сейчас, даже при имеющихся технологиях.
При этом мы сделаем один важный вывод, что на высоте 40 км, стратостат с полезной нагрузкой придет в относительное равновесие и почти прекратит свой подъем, замедлится. Так мы сможем поднять не один, а сколько угодно таких стратостатов и все они придут в равновесие на высоте примерно 40-50 км.
Подъем на высоту около 100 км.
Попробуем подняться выше 40-50 км. здесь конечно будет больше теории, для этого мы первым делом заправим наш стратостат водородом и дополнительно возьмем с собой еще один стратостат наполненный воздухом или кислородно-азотной смесью, подвешенный рядом или чуть ниже. Дополнительный шар с воздухом будет аналогично подниматься вверх, хоть и иметь меньшую подъемную силу. На высоте 40 км, стратосфера состоит из кислорода и азота, причем кислорода больше, чем у поверхности в процентном соотношении, но плотность во много раз меньше.
Поэтому мы можем водород из стратостата при подъеме на высоту не просто стравливать, для уменьшения давления на оболочку стратостата, а сжигать его по мере подъема, или закачивать компрессором в буфер, что даст дополнительную подъемную тягу и тепло, а достигнув высоту 40 км, начать использовать газ в стратостате в качестве топлива, этот газ будет гореть вступая в реакцию с атмосферой, которую можно нагнетать компрессором, если же она слишком разряжена то можно будет использовать воздух (кислород) из дополнительного шара.
Понадобится двигатель, небольшой, реактивный или точнее сказать ракетный, его главная цель будет создания дополнительно тяги равной массе полезной нагрузки и скажем массе оболочки самого стратостата, что позволит продолжить подъем дальше, даже при небольшом ускорении от этого двигателя. Так газ в стратостате продолжит свой подъем, если масса нагрузки и оболочки перестанет его удерживать.
Приведу пример, что сейчас есть реактивные двигатели совсем небольшого размера, которые одеваются на спину или на руки и человек может парить или даже летать. Масса такого двигателя невелика, да и работа которую он будет совершать, далека от той, что нужна для подъема многотонной ракеты. Думаю, что при современных технологиях такой двигатель будет весить не сильно много, что бы сделать невозможным наш подъем.
(или же можно использовать двигатели на самой капсуле)
Двигатель будет потреблять не много топлива, необходимой для создания небольшой подъемной силы, газа в стратостате достаточно, как мы сделали вывод раннее поднять на высоту 40 км. мы можем теоретически сколько угодно топлива в виде водорода.
Конечно, нужно предусмотреть, что бы стратостат не схлопнулся и не сложился, для этого внутри него должен быть легкий стержень в виде цилиндра, как раз это и будет канал для захвата газа из стратостата, т.е. что бы газ всасывался с середины или с вершины шара.
Этот же стержень будет помогать толкать стратостат вверх двигателю, держа оболочку шара в вертикально положении. (к тому же при сдувании стратостат может как бы складываться на этот стержень, но это уже особенности конструкции)
Еще один момент очень важный. При работе двигателя будет выделяться много тепла, мы можем пропускать часть водорода, из шара, для отвода этого тепла и возвращать нагретый водород обратно в стратостат, в нижней его части, нагретый газ частично компенсирует потерю подъемной силы и давления в стратостате, так как водород будет выжигаться из него, а также возможно даже создаст дополнительную подъемную силу, так как горячий газ будет подниматься вверх и толкать оболочку изнутри.
И так, установив такой двигатель наш стратостат мы продолжит подъем, пусть даже с небольшой скоростью 10-20 км в час, топлива у нас достаточно, система находящаяся в равновесии на высоте 40 км, начнет подъем дальше.
До какой же высоты так можно подняться? Если технических преград не возникнет, то разумным будет подъем до высоты нижней границы космоса, когда газ практически потеряет свою подъемную силу и станет только лишним грузом для нас.
А это высота около 100-120 км. На данный момент я не вижу теоретических преград для такого подъема.
Но и предел в 100 км, вполне возможно что преодолим, ведь граница атмосферы это весьма условная линия, она продолжается и дальше чем 100км, к тому же если стратостаты будут наполнены достаточным количеством водорода, то используя ракетную тягу можно продолжить подъем и выше.
Достоинства и недостатки.
Если получится подняться на высоту до 100 км, то это будет прекрасная возможность, например для космического туризма, капсулу с туристами можно спустить с этой высоты и приземлить ее на парашютах или планирую, если это будет подобие самолета.
Можно попробовать запускать ракеты или космические челноки с этой высоты, как грузовые, так и с людьми, например челнок наподобие Клипера. Конечно, масса такого корабля будет не 1,5 тонны, а в 10 раз больше (15 тон), но что мешает нам усовершенствовать нашу подъемную систему и сделать не один стратостат с двигателем, а десять таких стратостатов, которые будут прикреплены к легкой и прочной центральной балке из углеволокна, на тросах, в виде крестовины и находясь друг над другом. Полностью вся эта система будет много разовой, поднявшись на высоту 100 км (или выше), она будет отсоединяться и используя свои собственные двигатели уходить в сторону на снижение, например с помощью парашютной системы или используя оставшийся газ. Вся эта система может быть многоразовой, а стоимость топлива, водорода который можно получать из воды с помощью электролиза минимальна, это решает проблему экологическую, а также проблему космического мусора.
И так после отсоединения нашей подъемной системы, одновременно с этим будет запускаться двигатель на нашей капсуле (или челноке), я ее представляю в виде много разового корабля типа Клипер, он своими двигателями выводит себя и полезную нагрузку на низкую околоземную орбиту, например на стыковку к МКС. (высота 300-400км, или ниже)
Сам Клипер полностью возвращаемый и многоразовый.
Даже если масса выводимой полезной нагрузки будет невелика, мы можем собрать станцию или космический корабль на низкой орбите земли, и далее отправить его на луну или марс, используя даже ионный двигатель (или ядерный двигатели).
Так мы решаем ряд важных задач.
-экономическая выгода, более дешевая система, стоимость запуска которой в разы меньше чем у современных ракет.
-полностью многоразовая система
-проблема экологии, и космического мусора.
-безопасность и перегрузки для космонавтов, так как подъем осуществляется с небольшой скоростью, а при возникновении нештатной ситуации, капсула будет отсоединяться и спускаться на землю на парашюте.
-отказ от лишних деталей и перегрузок всей системы, таких как обтекатели, большие металлические баки с горючим, от первой или даже от части второй ступени.
Из недостатков.
Использование водорода, очень взрывоопасного газа, особенно на старте, на земле. Так как на высоте более 1-2 км, даже при нештатной ситуации капсула может быть сброшена а газ просто сгорит, то на земле, такой возможности нет. Решением может быть несколько,
1. Самое просто, сделать всю систему с наполнением газом стратостата, автоматической, на поверхности земли, а весь персонал и капсула будет находится под землей, когда стратостаты будут наполнены, будет открывать люк и начинаться подъем, при этом капсула может быть защищена кожухом из защитной оболочки, которая может сбрасываться по мере подъема.
2. Второй вариант более сложный, но безопасный, это наполнять гелием стратостат на высоте в несколько километров, заменять гелий на водород, при этом заправляющую систему с баллонами сбрасывать на парашюте. (или методом замена одних шаров на другие, когда надуваются водородные а гелиевые шары отсоединяться)
Медленная скорость подъема, незначительный недостаток при грузовых подъемах. К тому же ожидание в 4-5 часов, без перегрузок, люди переносят достаточно хорошо.
Конструктивные особенности.
Легкий гелиевый надувной цилиндр внутри стратостата, идущий снизу до верху с отверстиями, так что бы стратостат мог сложится на него и не схлопнуться.
Компрессор в двигателе 2 камеры, для сжатия газа водорода и кислорода из атмосферы (или балона) до 1 атмосферы, или меньше, что бы потом выпустить газы в камеру сгорания.
Если будет нужно несколько стратостатов скреплять, их можно закреплять на углеродной (легкой и прочной) фермы в виде креста или звезды, + или *, таким образом можно будет создать большую подъемную силу.
Вращение стратостатов вокруг своей оси, например с оборотом 1 раз в 1-2 минуты, это не сильно быстро даже для человека, нужно для равномерного прогрева шаров от солнца.
Использование в качестве двигателя, двигатель на капсуле, таким образом отпадет необходимость в небольшом компактном двигателе.
Не решенная проблема.
Собственно возможен ли такой подъем, и какой объем топлива в виде газа потребуется, а также можно ли использовать в качестве окислителя для водорода разряженную атмосферу на высоте, до 100 км, пусть даже нам и не нужно создавать очень большие усилия.
Например: зная что, звезды красные карлики горят в тысячи раз дольше чем их большие собраться синий гиганты, которые гораздо больше, но сжигают очень много топлива, можно предположить что небольшой двигатель, который будет создавать относительно небольшую тягу сможет работать долго.
Расход нашего мини ракетного двигателя будет в 100, а может быть в 1000 раз меньше, чем у стандартного ракетного двигателя, так как работа совершаемая им на порядок меньше, что говорит о том, что теоретически даже 10-20 тон топлива может быть достаточно для подъема на высоту 100км или выше.
Но даже если ракета будет стартовать с высот 100 км., ей понадобится еще достаточно много топлива для достижения 1ой космической скорости и выхода на низкую околоземную орбиту, которая начинается от 160-200 км, где мы можем начать собирать нашу космическую станцию и поддерживать ее на этой или более высокой орбите за счет например ионных двигателей. Теоретически такая станция могла бы временно снижаться что бы состыковаться с нашей капсулой (клипером) а затем подниматься выше, или лучше использовать отдельный орбитальный буксир.
Орбитальный буксир. На высоте 200 км, так как этот проект РКК Энергия, и планировался к использованию с Клипером, то в случае его использования достаточно было бы подняться на высоту 200км. и достигнуть первой космической скорости. (7,9 км/с)
Сравнение с Falcon 9 и запуском Crew Dragon.
Отделение первой ступени происходит на высоте 100 км, вторая ступень разгоняет корабль до скорость 28000 км/ч и поднимает на высоту 200км, масса второй ступени, сухая 4т, а с топливом 112 тон, масса полезной нагрузки корабля Crew Dragon 6-12 тон, в зависимости от назначения грузовой или пассажирский, а также нужно учесть что головной обтекатель нам не нужен, массой 1.7 тонны.
Делаем вывод, что на необходимо поднять на высоту 100 км, массу примерно 120 т., с учетом того, что необходимо будет разогнать корабль до 1-ой космической скорости, то нагрузка вырастит еще, возьмем приблизительно цель 150 т.
Так как рассмотренный нами подъем системы в 1,5 тонны на высоту 100 км. теоретически возможен, а также можно предположить что и 15 возможны к поднятию на высоту 100 км, можно сделать вывод, что вывести на орбиту мы можем примерно 500-1200 кг. Полезной нагрузки, это может быть спутник или груз на МКС.
Перспектива космического туризма и доставки людей, грузов на орбиту и дальше.
Если же теоретически можно будет увеличить высоту подъема до 100-120 км, при этом масштабируемость подъемной системы не будет ограничена, то теоретически мы сможем поднять 2-ю ступень вместе с космическим кораблем на высоту 100+ км, откуда и запустить. Получается, мы откажемся от первой ступени ракеты, но целесообразно ли это экономически? Если уже сейчас первая ступень ракеты может быть полностью возвращаемой?
Получается что такая система подъема с использованием водородных стратостатов и двигателя, может быть выгодной только при суборбитальных полетах, например туристов на высоте 100 км, откуда они могут потом плавно спуститься на оставшемся гелиевом шаре или на суборбитальном планере.
Подъем полезной нагрузки возможно для небольших объектов массой около 500-1000 кг, чем больше будет масса, тем сложнее будет вся конструкция и тяжелее ее элементы. Фактически мы можем реализовать замену первой ступени ракеты носителя, что в принципе может быть очень выгодно с экономической точки зрения. Так как первая ступень занимает примерно 70-76% массы от стартовой массы ракеты.
Немного пофантазируем.
Представим стартовую площадку, ночью еще до рассвета над землей виднеются надуваемые водородом стратостаты, они крепятся за счет сверхпрочных и легких тросов, к легкой и сверхпрочной ферме в виде снежинки *, их около 10 штук, самый большой по центру, но сама капсула находится под землей, после наполнения стратостатов подземный люк открывается и стратостат начинает подъем, до высоты 40 км. вся конструкция поднимается за счет подъемной силы, излишки водорода из стратостатов сжимаются компрессором в топливные баки на капсуле, а также используются для придания подъемной силы, начиная с высоты 40 км, начинают включаться дополнительные двигатели под стратостатами. Двигатели сначала работают на минимальной мощности, но с подъемом все выше и выше их мощность возрастает и достигая высоты 100 км, они включаются на полную мощность поднимая всю конструкцию еще выше уже за счет реактивной тяги, также придавая горизонтальное ускорение, по баллистической траектории, но водород быстро заканчивается и на высоте 140-150 км, вся подъемная конструкция отсоединяется, в этот же момент двигатели на капсуле запускаются и выталкивают капсулу на высоту до 200 км, разгоняя ее при этом до 1-ой космической скорости, топливо остается минимум, но на этой высоте капсулу уже ждет орбитальный буксир для того чтобы пристыковаться и поднять ее на более высокую орбиту к МКС. Следующим запуском будет доставлен груз и топливо для дозаправки буксира.
Расчет.
1000м3 = 600-700 кг — подъемная сила водородного шара.
Плотность 0,9 кг/м3, 1м3 водорода = 90 гр, 1000 м3 = 90 кг, водорода. У поверхности земли на уровне моря.
1м3 — 0,09кг.
1000м3 = 90 кг.
100 000м3 = 9 т.
100 шаров, по 1000м3, подъемная сила 60-70 тон, масса водорода 9 тон.
Объем РедБул стратос 850 000м3, на земле его объем должен быть примерно в 100 раз меньше, приблизительно 8500 м3. а это приблизительно 765 кг. водорода.
Поэтому для подъема достаточного количества топлива в виде водорода, потребуется большое количество больших стратостатов.
Дирижабль на водороде.
И так полный сомнений в возможности данного метода, а также даже в если и теоретически все реализуемо, то будет ли действительно правильно и рационально подниматься в космос на водородных стратостатах, я решил посмотреть уже существующие или существовавшие подобные решения и вспомнил про дирижабли на водороде, и уведенная информация воодушевила меня.
Возьмем, к примеру, самый большой водородный дирижабль “Гиндербург”, сделанный сто лет назад, его объем 200 000 м в кубе, при этом грузоподъемность 100 тонн, да такой полезной нагрузки будет достаточно, чтобы поднять необходимую нам массу, для вывода на орбиту, 100тон это приблизительно масса 2-ой ступени ракеты которая запускается на высоте 100км и выводит полезную нагрузку на орбиту. А что если мы возьмем 10 таких дирижаблей, еще и современных с гораздо большим объемом, приблизительный объем водорода в одном из них будет чуть меньше 2000 кг, т.е 2 тонны, а в 10-ти дирижаблях суммарно получится примерно 20 тонн водорода. И подъемная сила на старте 1000 тонн. (объем водорода в 1 м в кубе примерно 0,09-0,08 кг., в 1000 м в кубе примерно 0,8-0,9 кг.)
Вот теперь действительно можно призадуматься всерьез, может ли эта конструкция подняться на высоту до 100 км, или даже чуть выше и затем уже стартовать?
Но есть существенная оговорка, так как плотность атмосферы с подъемом существенно меняется то и размер самого стратостата сильно изменится примерно в 15-100 раз в объеме. Для того чтобы компенсировать это расширение нам потребуется сбрасывать давление, т.е. переливать газ водород в другие шары, стратостаты, например в такие как были у Баумгартнера, их потребуется еще 5 штук, так как их объем примерно по 800 000м3. При запуске они будут свернуты, но по мере подъема они будут наполнятся излишками водорода из дирижабля.
Необходимо подумать и о кислороде, который нужен нам для сжигания водорода на высотах выше 40 км, его нужно будет брать в отдельных баллонах или же в отдельных шарах, которые будут подниматься за счет нагрева этого газа солнцем или теплом от двигателя, в обоих вариантах есть как плюсы так и минусы. Если топливо, кислород нести в баллонах то это упрощает конструкцию, но при этом создает дополнительную нагрузку при подъеме, а если же брать кислород в виде наполненных стратостатов то потребуется значительно усложнить конструкцию учитывая его расширения при подъеме и необходимость создания положительной подъемной силы. Ограничение 20 км, не сможет подняться такой шар наполненный воздухом, возможно нужна будет какая то смесь газов, горючих с водородом например азотно-кислородная.
Заключение.
Я не являюсь специалистом в области космоса или ракетостроения, но все что я описал, на мой взгляд, теоретически возможно и даже практически реализуемо, с текущим уровнем технического развития, и нет преград уже сегодня, чтобы попробовать этот способ. Если это действительно возможно, то такая система будет иметь огромные экономические и экологические преимущества, над привычными ракетными запусками в космос.
Данную систему можно было бы использовать хотя бы для запуска не больших спутников на орбиту земли, так как опасность водорода и долгий подъем не как не повлияют на аппарат, к тому же масса спутников обычно относительно невелика. (наблюдается тенденция к миниатюризации спутников)
А главное это космический (суборбитальный) туризм это самый оптимальный вариант для использования, будет стоить не дорого, нет больших перегрузок, а вся система может быть более безопасной и многоразовой, к тому же подъем капсулы в 1,5-3 тонны на высоту до 100 км, будет не так сложен.
Пожалуйста, напишите, что вы думаете, и если описанный мною способ невозможен, обоснуйте это хотя бы теоретически.
Спасибо.
