Возможен ли скимминг атмосферы для топлива?

Достаточно легко проанализировать это с точки зрения сохранения импульса, мы предположим, что скорость через атмосферу равна 7,8 км/с, то есть орбитальная скорость НОО - в действительности она будет немного отличаться из-за вращения Земля и эксцентриситет орбиты, касающейся атмосферы, но не настолько отличаются, чтобы изменить вывод. Теперь предположим, что корабль зачерпывает 1 кг атмосферы; логически было бы необходимо выбросить весь этот 1 кг в спину со скоростью 7,8 км / с, чтобы восстановить скорость, потерянную при его ловле, и это оставило бы корабль без прибавки реактивной массы, для фактического увеличения реактивной массы потребовалось бы выбросить часть реактивной массы. захваченный газ сзади со скоростью более 7,8 км/с.

Согласно таблице скоростей выхлопа скорость выхлопа химического ракетного двигателя достигает максимума около 4,4 км/с, что является серьезной проблемой, потому что даже если каким-то образом весь кислород и азот могут быть использованы в качестве окислителя (это невозможно, хотя, возможно, некоторые из баллон с азотом) и что топливо невесомо, скорость выхлопа все еще слишком мала, чтобы восстановить потерянный импульс.

Таким образом, этот анализ предполагает, что для химических ракет атмосферный совок совершенно не годится, он настолько далек от того, что будет работать, что нам даже не нужно учитывать все другие проблемы, такие как неэффективность. Тем не менее ядерная или электрическая силовая установка потенциально могут достичь требуемой скорости истечения, если предположить, что они могут использовать азот в качестве реакционной массы.

Что касается газовых гигантов, то с орбитальной скоростью более 15 км/с даже для Нептуна и Урана необходимая скорость истечения будет серьезной проблемой даже для электрического двигателя. Теперь, если бы атмосфера была чистым водородом, она могла бы работать только с бортовым окислителем, потому что водород настолько легок по сравнению с окислителем, что улавливание 1 кг водорода на скорости 15 км/с может быть компенсировано выбросом 5 кг H₂O на скорости 3 км/с. так что запас по скорости там есть. К сожалению, атмосфера не является чистым водородом и также содержит около 26% гелия по массе, что в значительной степени сводит на нет этот запас, если только у вас нет какого-то волшебного фильтра. Кроме того, вы будете сбрасывать окислитель, как сумасшедший, что сделает это упражнение сомнительной полезности.

Это можно заставить работать, но это будет сильно отличаться от типичного изображения в научной фантастике.

Как указывает Блейк, вы ничего не можете получить от массы, которая уже движется быстрее, чем выхлоп ракеты. Однако вам не нужно собирать газ на орбитальной скорости. В крайнем случае вы можете замедлиться до полной остановки и дозаправиться во время приземления, если ваш топливный бак достаточно большой, чтобы позволить одной ступени выйти на орбиту.

Есть серьезные планы дозаправиться таким образом на Марсе (~5 км/с) с использованием современных технологий, так что ничего невозможного нет.

Земля (~ 10 км / с) близка к практическому пределу для одной ступени - достаточно того, что мы никогда не строили ее, но это можно было бы сделать, если бы не было лучших доступных вариантов.

Если предположить, что заправка бака занимает меньше года, между орбитой и землей должна быть некоторая точка, где у вас нет чрезмерного сопротивления, но при этом вам не нужно опорожнять бак, чтобы вернуться на орбиту.

Ядерные ракеты

Использование химических ракет, вероятно, не сработает — я предпочитаю избегать атмосфер, состоящих из идеально смешанного ракетного топлива и окислителя — поэтому я начну с ядерной тепловой ракеты, которая имеет характеристики, аналогичные H2/O2, но сожжет все, что можно распылить. на раскаленные камни. Этого не существует, но кажется разумным с современными технологиями.

Я также собираюсь использовать отдельные корабли для сбора топлива, а не небольшое дополнение к более крупному кораблю — сжигание 90% собранного топлива для возвращения на орбиту даст вам полный бак только в том случае, если вы сможете совершить десять рейсов.

Марс ближе всего подходит к базовому скиммингу атмосферы - орбитальная скорость ниже скорости истечения, поэтому вам не нужно замедляться, чтобы получить небольшое количество топлива при каждом проходе через атмосферу. Возможно полное заполнение бака.

Земля требует замедления как минимум на 4 км/с ниже орбитальной скорости. Вам понадобится очень быстрый насос, так как вам нужно либо создать достаточную тягу, чтобы зависнуть, либо заполнить баки за несколько минут до того, как вы упадете на землю или в плотную атмосферу. Возвращение на орбиту израсходует как минимум половину собранного топлива. Старт с достаточным количеством топлива, чтобы вернуться на орбиту, на самом деле не вариант, поэтому насосы должны быть очень надежными, а также быстрыми.

Юпитер требует замедления на 10 км/с, так что права на ошибку действительно нет. Каждый полет в атмосферу расходует 99% собранного топлива — чтобы заполнить бак, нужны сотни полетов, а прерывание полета на орбиту невозможно даже теоретически.

Химические ракеты

Полностью заправить химическую ракету таким способом, вероятно, не получится. Если вы найдете все необходимые элементы в одном месте, это, вероятно, как вода. Энергия для переработки в ракетное топливо, вероятно, означает ядерный реактор, который вы можете просто использовать более непосредственно.

Собирать только более тяжелый окислитель более разумно, но, вероятно, в большинстве случаев оно того не стоит — даже если бы Юпитер имел атмосферу из чистого кислорода, вы бы использовали 99 тонн водорода, чтобы получить 8 тонн кислорода.

На Земле вы могли бы выйти вперед — начиная со 100 тонн водорода, вы могли бы собрать 800 тонн кислорода и вернуться на орбиту с 50 тоннами водорода и 400 тоннами кислорода.

Инженерные проблемы

Сама ракета относительно несложная — уже существует несколько подходящих конструкций, хотя ни одна из них не летала.

Чтобы хранить собранное топливо, вам нужно что-то вроде размера и веса внешнего бака космического шаттла, что достаточно просто, но он также должен быть в состоянии выдержать вход в атмосферу, возможно, сотни раз, не добавляя слишком много массы, чтобы вернуться. на орбиту.

Чтобы поместить в резервуар полезное количество воздуха, вам, вероятно, потребуется его сжижение. Баллон высокого давления также может подойти, но он, вероятно, тяжелее. В любом варианте выделяется много тепла. Обычно это не проблема, но вы пытаетесь сделать это, летая на скорости 10 махов, подключенной как к ядерному реактору, так и к ракетному двигателю.

Стоит ли это делать?

На Земле это могло бы произойти, если бы достаточно надежная технология уже использовалась для чего-то другого, но в остальном есть варианты получше. Использование наземной первой ступени в стиле сокола дает вам большую часть преимуществ без какого-либо риска.

Планета, похожая на Землю, без инфраструктуры может иметь смысл, но вам, вероятно, лучше приземлиться — используйте ракету, которая может выйти на пустую орбиту или действовать как первая ступень для большой загрузки топлива.

Венера на самом деле выглядит как достойный вариант — производство топлива в воздухе так же опасно, как и где-либо еще, но среда на поверхности оказывается еще более неприятной.

Юпитеру нужно либо много полетов, либо много кораблей. Если у вас достаточно местной инфраструктуры, чтобы поддерживать сотню кораблей, вы можете построить космический лифт или что-то в этом роде. Без этого вход в атмосферу газового гиганта зарезервирован для действительно безумного капитана звездолета, который каким-то образом пропустил все луны и кольцевую систему, полную легкодоступного водяного льда.

В настоящее время ЕКА (2018 г.) изучает очень похожий проект . Короче говоря, он использует не кислород, а любой газ в верхних слоях атмосферы для питания ионного двигателя вместо того, чтобы летать с баллоном с газом для питания этого двигателя.

Как отмечали другие, скорость истечения должна быть выше, чем орбитальная скорость. Некоторые приблизительные скорости для низких круговых орбит вокруг различных тел:

Венера 7,2 км/с
Земля 7,8 км/с
Марс 3,5 км/с
Юпитер 42 км/с
Сатурн 25 км/с
Уран 15 км/с
Нептун 17 км/с

Скорость выхлопа Lox/водорода 4,4 км/с примерно такая же высокая, какую вы собираетесь получить с химическим топливом. Я понимаю, что 30 км / с выполнимо с ионом. Но трудно представить себе ионные двигатели, обеспечивающие достаточную тягу для поддержания орбиты, проходящей через верхние слои атмосферы тела.

Однако

Одним из моих любимых сновидений в научной фантастике были вертикальные лифты, закрепленные на Фобосе. К этому вопросу относится мой взгляд на нижний трос Фобоса .

Нижняя часть 5800-километрового троса, спускающегося с Фобоса, скользит через верхние слои атмосферы Марса во время перицентра Фобоса. Скорость стопы троса относительно окружающей атмосферы будет около 0,6 км/с. Около 2 Маха. Конкорд обычно делал бы это в гораздо более плотной атмосфере.

Нога троса, проходящая через верхние слои атмосферы Марса, может собирать CO2 и аргон. Сбор урожая также может вращать турбины, обеспечивающие электроэнергию. Да, это вычтет из импульса Фобоса. Но при весе 1,1 e16 кг Фобос представляет собой банк инерции, который мы могли бы использовать в течение тысячелетий без особого эффекта.

В настоящее время я не думаю, что такая привязь возможна с использованием существующих материалов, таких как ксилон. Но, учитывая крутящиеся трубки, преимущества такой привязи могут перевешивать затраты.

Да, это несколько надуманная научная фантастика. Но если мы говорим о снятии атмосферы с ледяных гигантов, то это уже очень маловероятно. Ножный скиммер Фобоса — самая правдоподобная схема скимминга, которую я могу придумать.

Чтобы на борту 1 кг газа требовалось много кг выхлопных газов на скорости ниже орбитальной.

Ключ к этому заключается в том, чтобы корабль сжигал атмосферу во время движения, а не приводил ее в состояние покоя относительно корабля, что требует ускорения в неправильном направлении.

Вместо этого используйте подход ГПВРД:

Сжигайте столько, сколько необходимо, снимая небольшое количество, чтобы сохранить.

Может ли такой двигатель работать на достаточно высоких оборотах? Большая часть литературы представлена ​​в единицах Маха, а не в км/сек (и эффекты нагрева газа, которые изменяют скорость звука, делают все это немного запутанным), но, кажется, есть уверенность в 10 Махах (примерно 25 необходимых), предположение о 17, и некоторые приблизительные аргументы, что тяга/масса делает 25 маловероятным. Но идеи имеют тенденцию улучшаться со временем....

И если вы готовы выбросить ступень, сначала ГПВРД, а затем ракета могут вернуть вас на орбиту.