Что потребуется для того, чтобы иметь такое транспортное средство, как космический шаттл, чтобы оно могло запускаться с Земли и путешествовать в космосе и было многоразовым, за исключением того, что оно также обладало способностью приземляться на Луне и возвращаться на Землю. Я пишу научно-фантастический роман, в котором это происходит ... просто нужна упрощенная теоретическая идея, чтобы сделать путешествие в книге несколько правдоподобным, даже если это пока невозможно.
Будучи очень минималистичным, вы можете совершить эту поездку со следующими Delta V.
Суммируя все это, мы получаем около 18 км/с требуемой Delta V. Однако это очень минималистский бюджет Delta V, абсолютно не допускающий ошибок или неоптимальных путей. Мало того, что при запуске с земли используются показатели плотных систем запуска, что очень оптимистично. Посадка на Луну также очень жесткая, поэтому, если расстояние будет оценено неправильно, ретроградное сжигание приведет к трате большего количества топлива. Предполагая, что нам удалось решить эти две проблемы, самая минимальная Delta V будет равна упомянутым 18 км/с.
Использование HydroLox Rockets — самый высокий ISP среди когда-либо произведенных химических ракет. Примерно через 450 секунд вам понадобится e^(18/4,5)= ~55 . Это означает, что вашей ракете понадобится корабль, который может нести в 55 раз больше собственного веса, находясь внутри земной атмосферы, с ускорением не менее 1,5G. Лучшие ракеты, которые могут обеспечить требуемое ускорение с более легким в обращении топливом, чем водород, в три раза тяжелее, чем это, а современные обычные водородные ракеты примерно в 6-8 раз больше целевого веса, поэтому ракетное топливо отсутствует.
Если мы используем двигатели NTR (Thermal Nuclear Rocket) с целевыми характеристиками проекта Timberwind и учитывая, что водородные баки имели эквивалентную массу на объем внешнего бака челнока полностью для H2. У нас было бы около 150 тонн H2, 25 тонн для танка, 9 тонн двигателей. Это реалистичная ракета до такой степени, что мы замечаем, что мы проигнорировали все другие необходимые вещи, такие как навигация, обтекатели полезной нагрузки, вся проводка, теплозащитные экраны, посадочные стойки, структуры управления и т. д., которые говорят, что Vac DeltaV:
DeltaV =1000с*ln(184/34)=1,688*1000с=16,88 км/с
Таким образом, минимальный вес не является достаточно тонким. С другим дизайном вещи начинают выглядеть лучше. Части высокой тяги обрабатываются двигателями NTR и Ion для лунного перехода и возвращения. Итак, вам понадобится:
Большая тяга 9,2+1,7+1,7=12,6 км/с = 72% веса
И еще 12 км/с для малой тяги Lunar Transfer. (для некоторых маневров с малой тягой вам нужно больше Delta V)
При скорости выхлопа 40 км/с вам еще понадобится = 33% веса.
Общий вес топлива=1-0,28*0,67=0,79
Вес полезной нагрузки + ионного двигателя ограничен 3% (100%-18%-79%=3%).
Итак, мы принимаем 1% полезной нагрузки и 2% «двигателя».
Предположим, что высокая плотность мощности составляет 500 Вт/кг. На каждую тонну наземного транспорта у нас приходится 20 кг солнечных батарей+двигатель.
10 кВт/т. Скромная эффективность 50% = 40 мг выхлопа на тонну. Всего израсходованное топливо = 70 кг
1,75 Мегасекунды = 24 дня тяги к Луне и обратно (Фактическое время должно быть в 2 или 3 раза больше, потому что порядок, в котором он был рассчитан, не принимал во внимание топливо, сжигаемое на Луне. Для всех других целей. расчеты верны)
Есть некоторые приближения, такие как 1000 секунд, это не 10 км/с, а 9,82 км/с, но результаты довольно точны в том контексте, в котором они использовались.
Вывод: сочетание двигателей NTR и двигателей Ion, игнорируя все остальное, что необходимо, кроме двигателя (достаточно хорошо для книги со значительными, но вполне научно-фантастическими улучшениями современных технологий). Или вы останавливаетесь на полпути для дозаправки. Лео перед полетом на Луну звучит хорошо, и с современными технологиями должно быть достижимо.
Конечно, есть и другие технологии открытого цикла, которые при достаточном количестве денег и десятилетии мы могли бы «легко» сделать, но выбрасывать ядерное топливо в атмосферу — не такая уж хорошая идея.
Полет с Земли в космос дешев (при довольно больших значениях дешевизны... но было показано, что ракета (ASM-135 ASAT), выпущенная с обычного истребителя (F-15A "Eagle"), может сделать это в космос (и сбить там спутник ( https://en.wikipedia.org/wiki/ASM-135_ASAT ))). Оставаться в космосе (выходить на орбиту) дорого. Большая часть топлива расходуется на то, чтобы доставить топливо в космос (и оставить его там).
Нам нужен топливный завод на Луне (или где-то рядом с Землей, это может быть астероид или что-то в этом роде). Попасть в космос с Луны и остаться там (или отправиться на Землю) чертовски дешево. Итак, если мы сможем производить топливо на Луне, мы сможем организовать дешевый шаттл с Луны на Землю. Шаттл «Луна-Земля» не приземлится на Землю, но может забрать полезный груз, который будет запущен с Земли в космос. Поскольку запускать в космос топливо с Луны дешевле, чем топливо с Земли, этот шаттл «Луна-Земля» будет использовать это дешевое «лунное топливо», чтобы резко затормозить около Земли, чтобы подобрать полезную нагрузку, а затем снова разогнаться для полета. обратно на луну. Так дешевле, чем разгонять полезную нагрузку с помощью «земного топлива», чтобы вывести ее на более низкую околоземную орбиту.
Итак, у нас будет два космических корабля, один Луна-Земля-Шаттл и один Земля-Спейс-Шаттл.
«Земля-космический шаттл» может быть обычной конструкции или, может быть, космическим кораблем с лазерным двигателем. Лазерному космическому кораблю не нужно нести с собой топливо — топливо остается на Земле, а энергия «излучается» на корабль. Одна из современных конструкций использует окружающий воздух в качестве реакционной массы. Есть и другие конструкции, несущие на борту реакционную массу.
Примечание: я не рассчитывал "орбитальные" маневры для сближения с передачей полезной нагрузки. Также не то чтобы я понятия не имел, как «добывать» (производить) топливо на Луне. LOX не может быть природным ресурсом на Луне :-). Но, по-видимому, там есть немного воды ( https://en.wikipedia.org/wiki/Lunar_water — также проверьте параграф «Собственность» для некоторых юридических вопросов). Опять же, использование астероида в качестве источника топлива также может быть вариантом ( https://www.space.com/1526-largest-asteroid-fresh-water-earth.html ).
Очевидно, что первоначальная стоимость установки топливного завода в космосе или на Луне будет огромной. И это по-прежнему не отвечает на вопрос, зачем кому-то захочется полететь на Луну (по крайней мере, теперь, когда космическая гонка закончилась). О, ну, я знаю о теории о тайной нацистской базе и о том, что Гитлер, благодаря благоприятному эффекту низкой гравитации, может быть там все еще жив. Но вы ошибаетесь. Секретная нацистская база находится на Марсе, что является очень хорошо охраняемым секретом отовсюду (когда нацисты сбили марсианский климатический орбитальный аппарат, НАСА даже придумало какую-то дрянную легенду о «несоответствии единиц измерения» (что, конечно, совершенно нелепо — зачем кому-то в США использовать устаревшую систему единиц измерения, основанную на «имперской системе»… кто-нибудь пропустил немного о Бостонском чаепитии?)).
Обратите внимание, что ОП специально не просил «жесткого научного ответа», а скорее для некоторого вдохновения для «мягкого» научно-фантастического романа. Я думаю, вы можете понять, где мой ответ отклоняется от «жесткой научной истины».
Также обратите внимание, что я интерпретирую потребность в многоразовом космическом корабле как намерение построить обычную линию челноков Земля-Луна. Отсюда моя идея о том, чтобы согласиться на гораздо более высокую начальную стоимость установки.
Другой идеей для запусков с Луны была рельсовая пушка (или линейный двигатель), как в этом вопросе: можем ли мы использовать рельсовую пушку на Луне, чтобы запускать вещи прямо на Марс? . Однако для «простого» возвращения на Землю, вероятно, не имеет смысла вкладывать средства в рельсовую пушку / линейный двигатель, поскольку запуск с Луны для возвращения на Землю в любом случае так дешев.
лиджат