CC BY
164
УДК 629.78 DOI: 10.30981/2587-7992-2018-94-1-22-31
HOW TO GET 80% CHEAPER
LUNAR base and orntal
station
- v
is
T A. ^
Alexander O. MAYBORODA
CEO, Scientific and Research Company «AVANTA-Consulting», LLC
Rostov-on-Don, Russia,
ABSTRACT I The article considers Moontrap and Sat-trap technologies as new economical technologies to construct the lunar orbital station (LOS) and the lunar base (LB). They allow for a threefold or fourfold cut of landing stage expenditures and a tenfold and more cost reduction for other stages. Within the framework of the Moontrap technology, the result is achieved by using the external brake medium, regolith and other materials, instead of on-board fuel reserves. Whereas the Sattrap technology is aimed at lunar materials export and employs cargo traps, brought to the circum-lunar orbit. The paper provides the details of both the technologies, calculations for technical and economic assessments and describes implementation options.
Keywords: lunar base (LB), lunar orbital station (LOS), soft / heavy landing, penetrator, regolith processing, extra-terrestrial resourses, orbital vehicle, low cost space access
как создать лунную базу и орбитальную станцию на 80% дешевле
Александр Олегович МАЙБОРОДА,
директор научно-исследовательской компании
ООО «АВАНТА-Консалтинг», Ростов-на-Дону, Россия,
АННОТАЦИЯ I В статье рассматриваются технологии МооПгар и Sattrap как новые экономные технологии создания окололунной орбитальной станции (ЛОС) и лунной базы (ЛБ). Они позволяют сократить затраты на прилунение в 3-4 раза на первом этапе и в 10 и более раз на последующих этапах. В технологии Мооп^ар результат достигается за счет использования при прилунении вместо бортовых запасов топлива внешней тормозной среды - реголита и других материалов. В технологии Sattrap при помощи ловушек грузов, выведенных на окололунную орбиту, решается задача недорогого экспорта лунного сырья. Приведены описания обеих технологий, технико-экономические расчеты и варианты реализации.
Ключевые слова: лунная база (ЛБ),'лунная орбитальная '
станция (ЛОС), мягкая посадка, жесткая посадка, пенетратор, переработка реголита, внеземные ресурсы, г межорбитальный буксир, недорогой доступ к космосу
й^й.. е : таз^е ■
межорбитальный буксир, недорогой доступ к космосу
AVANTA-CONSULTING оптимизирует
планы по освоению луны
Экономичная концепция освоения Луны -куда более выгодная, чем предыдущие, -представлена вниманию специалистов космических предприятий России. Компания АУАЭТА-СопзиШпд предлагает план сокращения транспортных расходов: первоначально в 3-4 раза, а затем в 10 и более раз [1-3].
Согласно предложениям научно-исследовательской компании, возвращение на Луну может оказаться и проще, и дешевле, чем считалось до сих пор, и его можно осуществить в ближайшие три-пять лет. И все это при сокращении уже имеющегося финансирования космических программ.
Новый план основан на технологии, которая была неоднократно апробирована при доставке грузов на Луну, - на использовании способа жесткой, или ударной, посадки. До сих пор он
Варианты прилунения
ЖЕСТКАЯ ПОСАДКА ,,, ПЕНЕТРАТОРОВ В ГЕРМЕТИЧНЫЙ т КОНТЕЙНЕР
1 - бустер (разгонный и/или разгонно-посадочный блок)
2 - пенетраторы (полезный груз)
3 - камуфлет (взрывная каверна с расплавом и паром из вещества груза).
4 - контейнер с тормозной средой на основе реголита, снабженный системой герметизации после поглощения пенетраторов
не осознавался как реальный способ сокращения затрат.
Жесткая посадка - это попадание на лунную поверхность без средств уменьшения скорости, в отличие от мягкой посадки - прилунения с использованием таких средств с целью сохранения целостности доставляемых грузов. Суть в том, что определенная часть грузов не портится при ударном прилунении, а если исключить посадочную ступень и запасы топлива, можно увеличить массу грузов в 4-6 раз. Соответственно, цена доставки уменьшится.
Сегодня доставка на Луну 1 кг груза в 10-20 раз дороже, чем аналогичного груза на околоземную орбиту, а возвращение 1 кг груза с Луны обойдется дороже в 30-50 раз. Понятно, что сокращение этих затрат приведет к ускорению строительства лунной базы. Передовые технологии, предложенные АУАЖА-СошиШпд, устраняют экономические барьеры на пути ее создания, поскольку строительство базы и орбитальной станции обойдется, согласно плану, на 80 % дешевле.
МЯГКАЯ ПОСАДКА
ЖЕСТКАЯ ПОСАДКА ПЕНЕТРАТОРА
В РЕГОЛИТ
*
JÜ- Ж- Ю- &'
РЕГОЛИТ
¥
БАЗАЛЬТ
способ первый: Moontrap
Способ, получивший наименование Moontrap, применим к доставке большей части грузов (> 90 %), необходимых для строительства и ежегодного обеспечения лунной базы, таких как конструкционные материалы, компоненты ракетного топлива и химические реагенты для переработки лунного грунта.
Доля массы космического аппарата (КА) на подлете к Луне перед началом торможения составляет около 33 % от его начальной массы на низкой околоземной орбите (НОО). После посадки доля полезного груза составляет около 5 % массы аппарата на НОО. Например, масса полезного груза КА «Луна-17» составила всего 13,5 % от массы КА перед началом торможения, а масса полезного груза КА «Луна-21» - 14,7 %.
Доля полезного груза уменьшается за счет запасов топлива и массы посадочной ступени, необходимых для мягкой посадки. Вместе с тем большая часть грузов не нуждается в дорогостоящей безударной посадке. Например, конструкционные материалы (слитки металлов) могут быть доставлены в район строительства базы жесткой посадкой, подобной доставке вымпела КА «Луна-2» и таких ударных зондов, как серия КА Ranger, КА Lunar Prospector, SMART-1 и Chandrayaan-1.
Груз в форме пенетратора - ударного проникающего зонда, внедряющегося в грунт, - совершает жесткую посадку аналогично лунным ударным зондам. Таким способом могут доставляться не только конструкционные материалы, но и компоненты ракетного топлива, и реактивы для разложения реголита на кислород, металлы и кремний. Технология Moontrap исключает взрывной разлет вещества слитка за счет создания камуфлета на заданной глубине и концентрации доставленного металла в камуфлете (рис. i). Извлекается металл при помощи стандартного оборудования лунной базы - экскавационных и транспортных механизмов.
Современные проекты лунных баз предусматривают включение в состав базы землеройных машин для экскавации грунта и роверов для его перевозки, а также принтеров аддитивной печати, или 3Б-принтеров. Поэтому извлечение металла из-под слоя реголита значительно проще и дешевле мягкой посадки какого-либо металлического изделия с таким же весом. Масса данных механизмов может составлять всего 1 % от проектной массы базы, что не требует значительных расходов для их доставки на Луну способом мягкой посадки. Таким образом, большая часть конструкционных материалов, необходимых для постройки базы, может быть доставлена с затратами в 3-4 раза меньшими.
Академик РАН Эрик Галимов по поводу перспектив аддитивной технологии на Луне констатирует: «С Земли есть смысл везти только то, что нецелесообразно делать на Луне: электронику, блоки управления. Это не так много весит. А вот титановый корпус хоть на 50 тонн там можно сделать автоматически - сегодня у нас есть 3Б-прин-теры. На Луне достаточно поставить солнечные батареи, чтобы получить нужную энергию для запуска производства» [4].
На этапе развертывания базы доставка сырья для 3Б-принтеров с Земли на Луну по технологии Moontrap выгоднее производства сырья из реголита непосредственно на Луне:
1) производство алюминия из реголита требует 20 кВт * ч/кг, что в 180 раз больше энергии (398,4 кДж/кг), необходимой для расплавления готового алюминия, извлеченного из камуфлетов, производство титана - 30 кВт * ч/кг, что в 275 раз больше энергии (392,8 кДж/кг), необходимой для расплавления готового титана;
2) аннулируются затраты на доставку оборудования и реагентов, необходимых для переработки реголита - перерабатывающее оборудование изготавливается непосредственно на базе методом 3Б-печати, включая новые 3Б-принтеры;
3) запасы углерода (и твердофазных соединений хлора и фтора) для химико-металлургических реакторов поставляются параллельно с металлами способом жесткой посадки.
Доставка жидких и летучих веществ на лунную базу способом ударной посадки также возможна, но требует более сложной технологии и использования вспомогательного оборудования - коллектора грузов, предварительно доставленного на Луну.
Коллекторы (ловушки) грузов - это легкие герметичные оболочки со специальными приемными шлюзами для пропуска грузов-пенетрато-ров, заполненные тормозной средой на основе реголита (рис. 1). Масса этого оборудования составляет менее 1 % от массы компонентов ракетного топлива, что обеспечивает доставку на базу топлива и других высоколетучих веществ методом жесткой посадки.
Побочные эффекты взаимодействия доставляемых веществ и реголита, применяемого в качестве тормозной среды, будут способствовать сокращению стоимости снабжения базы конструкционными металлами, например железом, а также водой и кислородом. При поглощении грузов-пенетраторов, содержащих углерод, метан, водород или другие активные вещества, в коллекторе начнутся восстановительные реакции (при соответствующем подводе теплоты). Результатом поглощения порции груза станет образование дополнительных продуктов.
Если в качестве тормозной среды применять ранее доставленные вещества (алюминий, титан, литий, воду), в коллекторах накапливаются чистые вещества, не нуждающиеся в очистке от примесей из реголита. Масса тормозной среды, исключающая испарение: алюминий - 8 кг на 1 кг пенетратора из алюминия; титан - 8 кг на 1 кг пенетратора из титана; литий - 7,5 кг на 1 кг пенетратора из лития; водяной лед -9,5 кг на 1 кг пенетратора из водяного льда.
Таким образом, для захвата типичной порции массой в 50 кг требуются коллекторы с массой тормозной среды от 400 до 500 кг. При быстром отводе тепла из коллектора грузовой КА на основе разгонного блока «ДМ» (в различных модификациях) за 100 оборотов вокруг Луны забросит в такой специализированный коллектор груз общей массой 5 т. Полученного груза достаточно для заполнения тормозной средой десяти малых коллекторов или одного большого. Оболочки новых коллекторов доставляются с Земли способом мягкой посадки, а в последующем изготовляются методом каменного литья из реголита и/или способом аддитивной печати.
По расчетам РКК «Энергия», удельная стоимость доставки полезного груза на Луну с помощью разгонного блока с ЖРД типа «ДМ» (по данным 2011 года) составила 52 000 долл/кг [5]. Соответственно, обратный полет с Луны на Землю корабля с экипажем будет дороже в 4-6 раз, то есть будет иметь удельную стоимость 200-300 тысяч долл/кг, что экономически препятствует созданию обитаемой лунной базы. Технология Moontrap устраняет этот барьер, так как в 3 раза сокращает затраты на поставки ракетного топлива и обеспечивает взлетно-посадочные модули ракетным топливом по цене около 17 000 долл/кг.
В перспективе цены сократятся с 17 000 долл/кг до 500 долл/кг: технология Moontrap выгодно сочетается с технологиями обработки углеродом и водородом обогащенного магнитной сепарацией реголита, в результате чего получаются металлы для 3Б-принтеров и сырье для производства ракетного топлива - углекислый газ и вода. Например, подача водорода в коллектор с лунным ильменитом при температуре 300 °С на 1 кг водорода дает почти 28 кг железа и 9 кг воды. Таким образом, выход продукции составляет 37 кг, что эквивалентно доставке груза на Луну в среднем по цене 460 долл/кг (17 000 долл/37 кг = 460 долл/кг). Это в 10-20 раз меньше нынешних цен доставки грузов на НОО. Последующая переработка сырья в компоненты топлива и металлический порошок (и/или проволоку) для зБ-прин-теров дает лишь незначительное удорожание. Таким образом, снимаются нынешние финансовые ограничения на создание обитаемой лунной базы. Возможные отпускные цены этой продукции - 1000-2000 долл/кг.
При таких ценах на конструкционные материалы и ракетное топливо, которые обеспечивает технология Моопйар, лунная промышленная база станет рентабельным поставщиком материалов для создания различных объектов на геостационарной (ГСО) и других околоземных орбитах (текущие цены на вывод объектов на ГСО доходят до 50 000 долл/кг). С учетом того, что мировой рынок пусковых услуг по выводу КА на околоземные орбиты составляет около 6 млрд долл/год, а мировой рынок производства КА -16 млрд долл/год, создание базы на Луне по технологии Моопиар станет рентабельным предприятием даже без учета спроса на топливо для разработки ресурсов астероидов.
способ второй: saттrap
Вместе с тем возможен второй путь сокращения затрат на базу и орбитальную станцию.
Технология Моопйар является частью более широкой технологии БаШар, которая позволяет обеспечить экономную доставку грузов с поверхности Луны на окололунную орбитальную станцию и на околоземные орбитальные станции. На основе технологии БаШар решается задача малозатратной передачи грузов с низкой околоземной орбиты на высокоэнергетические орбиты и ГСО, а также с поверхности Земли на НОО. На технологию выданы патенты: иБ 8882047 В2 и ЕР 2390188.
Порции грузов подаются в орбитальную ловушку суборбитальными ракетами или механическими катапультами. Контейнер с реголитом может выполнять функцию ловушки грузов на окололунной орбите так же успешно, как и на поверхности Луны. Рассмотренный способ передачи грузов с Земли на Луну является частным случаем доставки грузов с Земли на любые околоземные спутники, будь то астероиды, выведенные на околоземную орбиту, или искусственный спутник Земли (ИСЗ). Точно так же порции различных веществ могут подаваться с поверхности Луны и перехватываться коллектором на орбите.
Основное отличие здесь в том, что из-за малой массы коллектора он будет испытывать торможение при захвате грузов, что требует оснащения его межорбитальным буксиром для компенсации потерь скорости (рис. 2). Часть вещества, поглощаемого буксиром, расходуется как рабочее тело электроракетных двигателей для компенсации тормозного импульса при столкновении с грузами-пенетраторами. Остаток образует собственно полезный груз, экспортированный с Луны на окололунную станцию.
При тормозном импульсе, равном 10 кг х 1680 м/с, компенсирующий импульс может быть равен 1 кг х 16 800 м/с. Остаток груза - 9 кг. Это дает
Лунный орбитальный промышленный комплекс
Облачная ЛОС
■ " " ^ чр".
5
6 ■
2
Орбитальный комплекс по производству топлива из реголита доставляется к месту назначения при затратах в 4 раза меньших, чем доставка такого же комплекса на Луну
9 Лунная база
1. Лунный комбайн - ровер, оснащенный катапультой для метания концентрата ильменита, устройствами для сбора реголита, его магнитной сепарации и гранулирования.
2. Поток гранулированного реголита в точку встречи с орбитальным коллектором реголита.
3. Орбитальный коллектор реголита.
4. Автономный химико-технологический модуль для переработки реголита и осуществления аддитивной печати из металлов и керамики.
5. Автономный технологический модуль ОКА-Т для изготовления фотоэлектрических преобразователей и т. п.
6. Орбитальное депо ракетного топлива и заправляемый ракетный модуль.
7. Пилотируемая лунная орбитальная станция (ЛОС).
8. Продукция ЛОС - теплозащитный аэродинамический экран для спасения вторых ступеней РН.
9. Лунная база (ЛБ) образованная землеройными аппаратами, модулями переработки реголита, хранилищами топлива, взлетно-посадочными модулями.
Технология полного спасения РН для повторного использования
1 ■■
Стыковка теплозащитного экрана и второй ступени РН (ракеты носителя)
Торможение в атмосфере
I '
Мягкая посадка первой ступени
Сброс
теплозащитного экрана
1. Лунная орбитальная станция (ЛОС) с автономным модулем-коллектором реголита, модулями аддитивной печати лунным сырьем
и химико-технологическими модулями производства топлива из реголита.
2. Теплозащитные экраны (абляционного действия), изготовленные из реголита для вторых (орбитальных) ступеней РН.
3. Вторая ступень РН.
4. Первая ступень РН.
5. Международная космическая станция (МКС) - место монтажа теплозащитного экрана на возвращаемую ракетную ступень.
Мягкая посадка второй ступени РН
7
8
2
3
возможность использовать компоненты реголита в качестве рабочего тела (РТ) электроракетного двигателя (ЭРД). Например, суммарное содержание магния и кальция в реголите 12,5-16,5 %, что позволяет использовать их в качестве РТ наряду с другими компонентами. В РКК «Энергия» ис-пытывался электроракетный двигатель с литиевым рабочим телом мощностью 500 кВт, на котором были получены вполне удовлетворительные характеристики [6]. Замена лития на магний (содержание в реголите 4,6-5,8 %) или кальций (7,9-10,7 %), добываемые на лунной базе, не приведет к заметному ухудшению тяговых и энергетических характеристик, так как потенциалы ионизации этих металлов близки.
Могут применяться буксиры как с фотоэлектрическими преобразователями, так и с ядерными источниками энергии.
Для использования солнечной энергии подходят тонкопленочные солнечные батареи с центробежной стабилизацией. На борту ТГК «Прогресс» проведены первые успешные эксперименты с высокоэффективными бескаркасными центробежными солнечными батареями с удельной мощностью до 2,5 кВт/кг [7]. Такие батареи имеют низкую стоимость и массу из-за отсутствия каркаса, высокую плотность укладки и возможность переориентации на гироскопическом принципе без затрат рабочего тела.
Для использования ядерной энергии подходят реакторы из советского космического наследия - «Эльбрус-400/200». Вырабатываемая мощность в форсированном режиме 400 кВт, в номинальном режиме 200 кВт. Время работы: до полугода в форсированном режиме; до 20 лет в номинальном режиме. Полная масса: 7000 кг. Тепловая мощность реактора в номинальном режиме ~ 2 МВт [8]. Этот бонус может выгодно использоваться для переработки реголита и создания литых каменных корпусов промышленных блоков орбитальной станции. Использование лития в качестве теплоносителя между реактором и 3Б-принтером снимает проблемы с радиационным облучением сырья.
На орбитальную станцию выгодно передавать не готовую продукцию, полученную в результате переработки реголита, а сам реголит. В этом варианте обеспечивается экономия на доставку химико-металлургических модулей на поверхность Луны. Запуск промышленных модулей станции с Земли на окололунную орбиту в 3-4 раза дешевле доставки модулей на поверхность Луны. Таким образом, лунный орбитальный коллектор (ловушка грузов и буксир) решает проблему малозатратного создания промышленного комплекса.
В настоящее время орбитальная станция дешевле лунной базы, но абсолютно бесполезна без производства ракетного топлива и конструкционных материалов из лунных ресурсов. А лунная база решает задачу производства топлива, но имеет начальные затраты превышающие бюджетные лимиты. Орбитальный коллектор реголита снимает проблему. На поверхность Луны необходимо доставить только оборудование по сбору реголита, возможно, также оборудование по магнитной сепарации реголита в целях выделения ильменита, оборудование по гранулированию обогащенного реголита и установку для создания периодических потоков частиц реголита, метаемых с лунной поверхности на высоту орбиты коллектора в моменты его пролета над базой. Все прочее наиболее массивное оборудование размещается на орбите возле обитаемой лунной станции - вариант «станция-облако» (рис. 2).
Производство ракетного топлива на орбите из обогащенного реголита проще в энергетическом аспекте - фрагменты реголита, поступающие в ловушку на скорости 1680 м/с, испытывают тормозной нагрев (1,4 МДж/кг). А при термическом воздействии ильменит разлагается на железо и кислород.
Цена доставки груза в орбитальный коллектор (ловушку и буксир) в основном определяется амортизацией оборудования в расчете на единицу груза. Расчет цены производится по приближенной формуле:
(Цд + Ци)-Мк + Цэдух 1Уэду (1)
цэ=-'
Тхмг
где Цэ - цена экспорта или доставки груза на орбитальный коллектор, Цд - уд. стоимость доставки оборудования с Земли на орбиту ИСЛ, ЦИ - уд. стоимость изготовления оборудования, Мк - масса конструкции коллектора, ЦэдУ - уд. стоимость энергодвигательной установки, Wэду - мощность энергодвигательной установки, Т - рабочий ресурс оборудования, Мг - масса грузов доставленного на ИСЛ в течение года.
Цена доставки груза на орбитальный коллектор ЦЭ будет равна 390 долл/кг при следующих условиях: цена доставки оборудования на окололунную орбиту Цд равна 35 000 долл/кг; цена изготовления конструкции коллектора ЦИ -15 000 долл/кг; масса коллектора МК - 2000 кг; ЦэдУ- 50 000 долл/кВт, Wэ¡RУ - 43,5 кВт (стоимость энергодвигательной установки Цэду х Wэду = 2,172 млн долл.); рабочий ресурс коллектора Т -3 года; масса экспортированного груза в течение 1 года - 87 300 кг (4850 оборотов/год х 2 захвата/оборот порции груза в 10 кг за вычетом 1 кг в качестве РТ ЭРД).
Потоки сырья с Луны на станцию решают также проблему защиты экипажа от радиации на орбите. Из реголита и продуктов его переработки можно создать защитные антирадиационные экраны. Засыпать жилые блоки трехметровым слоем реголита теперь можно непосредственно на орбите.
Важным направлением работы станции станет производство из реголита одноразовых теплозащитных тормозных экранов для спускаемых аппаратов разгонных блоков. В настоящее время сложно обеспечить многоразовое использование последних ступеней ракет-носителей (РН). Недорогие теплозащитные оболочки, доставляемые с окололунной станции на НОО, обеспечат возвращения последних (орбитальных) ступеней РН и их повторное использование (рис. 3). Таким образом, РН станут полностью многоразовыми.
Перспективным коммерческим направлением может стать проведение взрывных экскава-ционных работ на Земле за счет кинетической энергии пенетраторов - ударников из лунного материала.
До подписания договоров о запрещении испытаний ядерного оружия США планировали использовать ядерные заряды в горном деле, создании бухт-ковшей на морском побережье, строительстве каналов и тому подобного по программе Р1ошэЬаге («Плуг»). Аналогичные проекты были созданы и реализованы в СССР [9]. Наряду с правовым ограничением использования мирных ядерных взрывов и негативных экологических последствий их применение ограничено избыточной мощностью.
В этом аспекте пенетраторы из лунного материала, использующие чистую кинетическую энергию (около 50 МДж/кг), при невысоком тро-тиловом эквиваленте порядка 1000 т, могли бы эффективно использоваться в горном деле, строительстве каналов, искусственных водохранилищ и морских портов.
конечная цель saттrap -выгодный космос
Следующим этапом развития технологии БаШар станет производство на окололунной орбите новых орбитальных ловушек грузов и межорбитальных буксиров. Часть этих систем будет переводиться с окололунной орбиты на околоземные орбиты, что дешевле их запуска с Земли. На первом этапе используются типовые лунные орбитальные ловушки. При диапазоне
характерных для Луны скоростей перехвата груза в 1500-2000 м/с орбитальные ловушки грузов эффективны для передачи грузов, например компонентов топлива, от ИСЗ, находящихся на НОО, на ИСЗ, находящиеся на высокоэнергетических орбитах.
В качестве примера рассмотрим систему из двух ИСЗ: первый ИСЗ расположен на НОО, второй ИСЗ, представляющий собой коллектор грузов (ловушку с буксиром), расположен на высоко эллиптичной орбите (рис. 4). Орбиты синхронизированы. Для удобства рассмотрения примем, что период обращения коллектора равен 6 часам, а период ИСЗ, передающего грузы, равен 1,5 часа. Высота НОО в данном случае - 282,5 км. Параметры орбиты коллектора - перигей на высоте 282,5 км и апогей на высоте 20 504,2 км. Встреча коллектора с передающим грузы низкоорбитальным ИСЗ в перигее происходит каждые 6 часов с относительной скоростью 2060 м/с.
В качестве грузопередающего ИСЗ может использоваться грузовой блок, выведенный на полуторачасовую орбиту традиционной ракетой космического назначения. Его груз -сырье для получения компонентов ракетного топлива и/или сырье для космического 3Б-принтера, например в виде ленты, намотанной на бобину.
Груз передается на коллектор следующим способом: лента вытягивается из блока и далее, под действием сил трения с остаточным воздухом в окружающем пространстве, расправляется в виде шлейфа, тянущегося за блоком. Масса ленты - 10 кг. В перигее орбитальный коллектор, двигаясь по траектории, совпадающей с траекторией движения ленты, догоняет ленту и поглощает ее с относительной скоростью около 2000 м/с. Время поглощения - 10 с. Сила торможения, действующая на коллектор при поглощении ленты - 2000 Н. За счет многократных встреч общая масса передаваемого груза составляет 14 600 кг за год или 1200 кг за месяц. Компенсация аэродинамического сопротивления двигателями коррекции потребует расход около 100 кг топлива химических ЖРД за год обращения грузового блока по низкой орбите или 8 кг за месяц.
Тормозной импульс ловушки компенсируется работой солнечного теплового ракетного двигателя (СТРД), использующего водород в качестве РТ. Близкий по параметрам СТРД разработан ФГУП «Исследовательский центр имени М.В. Келдыша» [п;12]. СТРД защищен патентами РФ № 2126493, № 2145639, № 2150054, № 2176767, № 2197630.
Л Способ малозатратного создания запасов ракетного топлива на высоноэллиптичесной орбите
I - ФАЗА Н - ФАЗА III - ФАЗА
Передача в пери- Стыковка в перигее Продолжение ускорения разгон-
гее порции веще- разгонного блока с ного блока за счет новой порции
стваог грузового гопливнык депо для топлива ^
блока 8 ловушку дозаправки Ж ^ црф^
грузов
Л^ - — —^->ч
Н
Г
и
¥ Ш
253 кт \ 4
20 500кт
X*
1. Грузовой блок с запасом топлива на НОО
2 Депо топлива и коллектор компонентов ракетного топлива: ловушка и буксир с СТРД
3 Разгонный блок, стыкующийся с депо то гш ива
Имеющиеся в России разработки этого двигателя обеспечивают скорость истечения РТ до 8000 м/с. Благодаря модернизации удельный импульс двигателя может быть поднят до 9000 м/с. Таким образом, за счет более высокого импульса, дающего почти двукратное сокращение расхода РТ, увеличится масса груза, который переносится на высокоэнергетические орбиты - переходные на пути к геостационарным и лунным станциям.
Стоимость передачи компонентов ракетного топлива по этой технологии составит около 2000 дол л/кг. Расчеты производятся по формуле (1).
Цена доставки груза на орбитальный коллектор Цэ будет равна 2230 долл/кг при следующих условиях: цена доставки оборудования на околоземную орбиту Цд равна 5000 долл/кг; цена изготовления конструкции коллектора Ц^, -15000 долл/кг; масса коллектора Мк - 2000 кг; ЦзДУ - 50000 долл/кВт, \Уэду - 440 кВт (при КПД равном 0,8 и удельном импульсе равном 8000 м/с); рабочий ресурс коллектора
Т - 5 лет; масса экспортированного груза в течение 1 года -11388 кг (1460 оборотов/год х 1 захват/оборот порции груза в 10 кг за вычетом 2,2 кг в качестве РТ СТРД).
Цена вывода КА с НОО на ВЭО традиционными ракетно-космическими технологиями составляет 15-30 тысяч долларов. Таким образом, грузовые КА, направляемые к Луне, вместо скорости около 3000 м/с набирают меньшую скорость, равную 1500-2000 м/с, что дает увеличение полезной нагрузки в несколько раз, затем стыкуются в перигее с коллектором, выполняющим функцию заправочной станции, заправляют топливные баки и продолжают полет к Луне или на ГСО. Цена топлива в этих ОЗС на ВЭО превышает цену вывода на НОО всего на 2230 долл/кг.
На завершающем этапе за счет низкой стоимости реголита и лунных конструкционных материалов на НОО создаются коллекторы для улавливания грузов многоразовых суборбитальных ракет-носителей (МСРН) с относительной скоростью до 7800 м/с.
Технико-экономические параметры МСРН:
• Стоимость - 1,5-2 млн долл.
• Межполетное обслуживание - 2000 долл.
• Ресурс 1 - до 200 полетов (до 3,5 ч. работы ЖРД).
• Ресурс 2 - до 6000 полетов (до 100 ч. работы ЖРД).
• Полезный груз - 50-100 кг.
• Цена доставки - 95-240 долл/кг (ресурс 1) плюс стоимость топлива.
• Цена доставки - 23-47 долл/кг (ресурс 2) плюс стоимость топлива.
Цена доставки сокращается до 20-50 долл/кг. На этой стадии преодолевается ценовой барьер, препятствующий превращению космонавтики в рентабельное направление промышленной деятельности. Масштабирование технологии БаИгар понижает стоимость доступа к космосу до 1 долл/кг.
Литература
1. Майборода А. О. Лунная и инопланетная база - новые возможности создания и эксплуатации. // Актуальные проблемы российской космонавтики: Труды XXXVII академических чтений по космонавтике. Москва, январь-февраль 2013 г. / Под общей редакцией А. К. Медведевой. - М.: Комиссия РАН по разработке научного наследия пионеров освоения космического пространства. 2013. С. 293-296.
2. Майборода А. How to build a Moon base cheaply // ROOM No. 1. 12. 04. 2017. С. 70-73.
3. Уваров В. Б. 5 марта в Точке кипения Агентства стратегических инициатив состоялось очередное заседание Спейс-нет. // Журнал «Крылья Родины» в социальных сетях. 7 марта 2018 г. Национально-авиационный портал KR-media. http://kr-media.ru/news/kosmos/5-marta-v-tochke-kipeniya-agentstva-strategicheskikh-initsiativ-sostoyalos-ocherednoe-zasedanie-spey /(Дата обращения 10.03.2018).
4. Иван Чеберко. Академик Галимов: «Нужно налаживать производство на Луне». / Известия iz. ru. 29 ноября 2016.
5. Луна - шаг к технологиям освоения Солнечной системы // Под научной редакцией В. П. Легостаева и В. А. Лопоты. - М.: РКК «Энергия». 2011. С. 528.
6. Агеев В. П., Островский В. Г. Магнитоплаз-модинамический двигатель большой мощности непрерывного действия на литии // Изв. РАН. Энергетика. 2007. № 3. С. 82-95.
7. После даты необратимости ничто не остановит глобальное потепление / Коммерсанта Наука 21.04.2015. https://www. kommersant.ru/doc/2718294 (Дата обращения 10.03.2018).
8. Ядерные энергетические установки для космических аппаратов высокоор-
битального базирования/База данных «Федерального информационного фонда отечественных и иностранных каталогов на промышленную продукцию». 2005 год. http://xn -80aajzhcnfck0a.xn -p1ai/PublicDocuments/0520627.pdf (Дата обращения 10.03.2018). 9. Александр Грек. Взорвать по-мирному: Мы по взрывам - впереди планеты всей/«Популярная механика» № 12, Декабрь 2006. https://www.popmech.ru/made-in-russia/5908-vzorvat-po-mirnomu-my-po-vzryvam-vperedi-planety-vsey/(Дата обращения 10.03.2018).
References
1. Mayboroda A. O. Lunnaya i inoplanetnaya baza - novye vozmozhnosti sozdaniya i ehkspluatacii. // Aktual'nye problemy rossijskoj kosmonavtiki: Trudy XXXVII akademicheskih chtenij po kosmonavtike. Moskva, yanvar'-fevral' 2013 g. / Pod obshchej redakciej A. K. Medvedevoj. - M.: Komissiya RAN po razrabotke nauchnogo naslediya pionerov osvoeniya kosmicheskogo prostranstva. 2013. pp. 293-296.
2. Mayboroda A. How to build a Moon base cheaply // ROOM No. 1. 12. 04. 2017. pp. 70-73.
3. Uvarov V. B. 5 marta v Tochke kipeniya Agentstva strategicheskih iniciativ sostoyalos' ocherednoe zasedanie Spejsnet. // ZHurnal «Kryl'ya Rodiny» v social'nyh setyah.
7 marta 2018 g. Nacional'no-aviacionnyj portal KR-media. http://kr-media. ru/news/kosmos/5-marta-v-tochke-kipeniya-agentstva-strategicheskikh-initsiativ-sostoyalos-ocherednoe-zasedanie-spey/(Retrieval date: 10.03.2018).
4. Ivan CHeberko, Akademik Galimov: «Nuzhno nalazhivat' proizvodstvo na Lune». / Izvestiya iz. ru. 29 noyabrya 2016.
5. Luna - shag k tekhnologiyam osvoeniya Solnechnoj sistemy // Pod nauchnoj redak
ciej V. P. Legostaeva i V. A. Lopoty. - M.: RKK «EHnergiya». 2011. p. 528.
6. Ageev V. P., Ostrovskij V. G. Magnitoplazmo dinamicheskij dvigatel' bol'shoj moshchnosti nepreryvnogo dejstviya na litii // Izv. RAN. EHnergetika. 2007. № 3. Pp. 82-95.
7. Posle daty neobratimosti nichto ne ostanovit global'noe poteplenie/Kommersant. ru Nauka 21.04.2015. https://www. kommersant.ru/doc/2718294 (Retrieval date:10.03.2018).
8. Yadernye ehnergeticheskie ustanovki dlya kosmicheskih apparatov vysokoorbital'nogo bazirovaniya / Baza dannyh «Federal'nogo informacionnogo fonda otechestvennyh i inostrannyh katalogov
na promyshlennuyu produkciyu». 2005 god. http://xn -80aajzhcnfck0a. xn - p1ai/PublicDocuments/0520627.pdf (Retrieval date: 10.03.2018).
9. Aleksandr Grek. Vzorvat' po-mirnomu: My po vzryvam - vperedi planety vsej/«Populyarnaya mekhanika»
№ 12, Dekabr' 2006. https://www.popmech. ru/made-in-russia/5908-vzorvat-po-mirnomu-my-po-vzryvam-vperedi-planety-vsey / (Retrieval date: 10.03.2018).
© Майборода А. О., 2018 История статьи:
Поступила в редакцию: 12.03.2018 Принята к публикации: 13.03.2018
Модератор: Бурдакова Т. В. Конфликт интересов: отсутствует
Для цитирования:
Майборода А. О. Как создать лунную базу и орбитальную станцию на 80% дешевле // Воздушно-космическая сфера. 2018. № 1. С. 22-31.
