Данный пост является продолжением идей высказанных мной в предыдущем посте, если какая либо часть рассуждений кажется Вам недостаточно раскрытой возможно вы сможете найти ответ в предыдущем посте.
В одном из комментариев мне был высказан справедливый упрек что использование воды в качестве ракетного топлива довольно расточительный подход который не может являться основанием для долгосрочного стабильного освоения лунных ресурсов, также в другом комментарии был задан вопрос что именно я предполагаю постоянно перевозить с поверхности луны на низкую околоземную орбиту, данный пост, как мне кажется, должен дать ответ на оба этих вопроса.
В качестве ответа на оба приведенных выше вопроса я предлагаю полностью отказаться от производства кислород/водородного топлива из лунной воды и перейти к использованию кислорода из лунного грунта, который образуется в качестве отхода при производстве металлов. второй же компонент топливной пары, а именно водород я предлагаю экспортировать с Земли.
На незамедлительные возражения что вывод полезной нагрузки на НОО земли весьма энергозатратный я отвечу что водород составляет всего лишь 11% от полной массы топлива и при необходимости делать выбор тратить энергию поднимая водород с земли или извлекать его из столько ценного ресурса как лунная вода для меня выбор очевиден.
Так же предложение использовать лунный кислород одновременно дает ответ на вопрос что можно вывозить с ПЛ в столь значительных объемах на НОО земли и этот ответ тот же самый кислород.
Учитывая все выше сказанное рассмотрим повторно полет по маршруту ПЛ-НОО-ПЛ но уже опираясь на новые предпосылки. Для упрочения понимания опустим расчеты и будем оперировать уже готовыми цифрами приняв в качестве начальных данных следующие величины
I_SP = 4650 м/с
V_M1 = 1674 м/с
V_M2 = 0591 м/с
V_E2 = 3128 м/с
VE22 = V_E2 / 2 = 1564 м/с
КА на поверхности луны заправлен 680,7 тоннами топлива из которых 654,6 тонн это лунный кислород и 26,2 тонна земной водород ранее доставленный
КА стартует с поверхности луны на низкую опорную лунную орбиту расходуя 236,0 тонн топлива из которых 209,8 тонны кислород и 26,2 тонна водород. Остаток топлива 444,8 тонн кислорода.
КА стыкуется с с орбитальной топливозаправочной станцией ОТЗС, передает на нее 87,1 тонну кислорода и получает 6,1 тонну водорода. Остаток топлива 363,8 тонн из которых 357,7 тонн кислорода и 6,1 тонна водорода.
КА переходи на транслунную траекторию расходуя 55,3 тонны топлива из которых 49,7 тонн кислород и 6,1 тонна водород. Остаток топлива 308,5 тонн кислорода.
КА стыкуется с ОТЗС расположенной в точке Ласгранжа-1 и передает на нее 29,2 тонны кислорода. Остаток топлива 279,0 тонн кислорода.
КА выполняет аэродинамическое торможения и переходит на высокоэллиптическую орбиту с апогеем/перигеем ХХХ/ХХХ.
КА стыкуется с ОТЗС расположенной на высокоэллиптической орбите и передает на нее 87,7 тонн кислорода. Остаток топлива 191,6 тонна кислорода.
КА выполняет аэродинамическое торможения и переходит на низкую круговую орбиту земли.
КА стыкуется с ОТЗС расположенной на низкой околоземной орбите и передает на нее 100,0 тонн кислорода и получает 69,4 тонн водорода. Остаток топлива 161,0 тонна, из которых 91,6 тонн кислород и 69,4 тонны водород.
По итогу перелета луна-земля 100,0 тонн кислорода переданных на ОТЗС являются грузом который КА доставил на низкую опорную орбиту Земли.
КА выполняет разгон и переходит на высокоэллиптическую орбиту с апогеем/перигеем ХХХ/ХХХ расходуя 103,1 тонну топлива из которых 91,6 тонн кислород и 11,5 тонн водород. Остаток топлива 57,9 тонн водорода.
КА стыкуется с ОТЗС расположенной на высокоэллиптической орбите и получает от нее 87,7 тонн кислорода. Остаток топлива 145,6 тонн топлива из которых 87,7 тонн кислорода и 57,9 тонн водорода.
КА выполняет разгон и переходит на транслунную орбиту расходуя 98,7 тонн топлива из которых 87,7 тонн кислорода и 11,0 тонн водорода. Остаток топлива 46,9 тонн водорода.
КА стыкуется с ОТЗС расположенной в точке Ласгранжа-1 и получает от нее 29,2 тонны кислорода. Остаток топлива 76,1 тонна из которых 29,2 тонны кислорода и 46,9 тонн водорода.
КА выполняет торможение и переходит на низкую опорную орбиту Луна расходуя 32,9 тонн топлива из которых 29,2 тонны кислорода и 3,7 тонны водорода. Остаток топлива 43,2 тонны водорода.
КА стыкуется с ОТЗС расположенной на низкой опорной окололунной орбите передает на нее 6,1 тонну водорода и получает 87,1 тонну кислорода. Остаток топлива 124,2 тонны топлива из которых 87,1 тонна кислорода и 37,1 тонна водорода.
КА приземляется на поверхность луны расходуя 98,0 тонн топлива из которых 87,1 тонна кислорода и 10,9 тонн водорода. Остаток топлива 26,2 тонны водорода.
По итогам данного рейса КА доставил 100,0 тонн кислорода с поверхности луны на низкую околоземную орбиту и 100,0 тонн груза с низкой орбиты на поверхность луны израсходовав на это суммарно 554,6 тонн лунного кислорода и 69,4 тонн земного водорода.
Заранее упреждая возражения о сложности конструкции ракет с криогенными компонентами, особенно на водороде, скажу что организационные способы преодоления данной проблемы вполне реалистичны и будут пояснены в следующих постах.
Также в следующих постах, если они будут, предполагается отвезти 100,0 тонн кислорода на низкую марсианскую орбиту и привезти от туда 100,0 тонн хлора на поверхность луны для нужд химической и металлургической промышленности.
Javian
off Существуют оценки сколько лунного грунта надо переработать для получения 1 тонны кислорода? Сколько энергии потребуется? У меня ощущение, что для заправки КА 654,6 тоннами кислорода понадобится несколько лет.
vanxant
На Луну нужно отправить живых геологов, чтобы на месте побурили и проанализировали что к чему. Понятно, что кислорода в чистом виде нет, и его нужно выделять из оксидов, но вот химическая прочность этих оксидов очень разная, и технология выделения тоже.
И кстати параллельно будет изучаться вопрос по тетраоксиду азота N2O4, который тоже ракетный окислитель. При сжигании с керосином или метаном он чуть слабее чистого кислорода, зато у него вменяемая температура кипения.
SomaTayron
Тогда уж сразу:
3XeO3 + 12KOH + O3 > 3K4XeO6 + 6H2O
на выходе и супер окислитель, и водичка )))
SomaTayron
Поддержу и добавлю. Перерабатывать придется в приполярных областях (иначе опять встанет вопрос периодического нагрева, утечек, дренажа...). Ну, а приполярные области сразу дают «плохое» наклонение орбиты. Придется после выведения менять наклон, а после перелета пытаться синхронизировать орбиты с НОО «парковочной станции». Задачка та еще по топливным и временным затратам
vanxant
Ненене, смена наклонения почти ничего не стоит, если мы летаем через точки Лагранжа. Точнее, смена наклонения стоит (местная первая космическая) * синус (разницы углов наклонений). В Лагранжево первая космическая примерно равна нулю.
SomaTayron
По точкам Лагранжа в статье вообще неясность. По старту с Луны вроде как все без галоорбит — с Луны на на лунную опорную, оттуда сразу НТП, без изменения наклонения, но так на НТП не выйти
K-ILYA-V Автор
что препятствует переходу на НТП?
SomaTayron
я вроде уже писал — с какого наклонения вы хотите на НТП перейти?
K-ILYA-V Автор
с любого.
SomaTayron
хм… тогда вопрос — вы знаете, что такое низкозатратная переходная траектория? Там по определению разовое включение двигателя — это значит до безобразия точные включения двигателя, и угробить траекторию может даже слабое неучтенное возмущение. А вы предлагаете лететь с околополярной орбиты. Вы планируете вообще предварительно менять наклонение, или хотите лететь вне плоскости лунной орбиты?
Просто иначе вообще каша происходит — то через точки Лагранжа, то вдруг вне плоскости орбиты… Вы знаете, где эти точки расположены?
K-ILYA-V Автор
я внимательно вас слушаю, о причинах невозможности движения вне не пределов плоскости лунной орбиты.
SomaTayron
Зачем вы именно это внимательно слушаете? Я то не говорил о невозможности такого движения, а о сложность и затратности…
Если уж совсем честно, то в какой вообще плоскости вы собираетесь двигаться? После перелета планировали менять наклонение под стыковку, или корабль с Земли тоже будет выходить на околополярную орбиту?
Попробую сформулировать вопрос иначе и более детально.
1. НТП не панацея, ее используют в вынужденных ситуациях, когда:
— аппарат мал, использует унифицированных двигатель
— возможно только одно включение двигателей (маневр в конечной точке уже пассивный)
— энерговозможности аппарата на пределе
— миссия носит уникальный характер, заранее просчитывается и строится точная прогнозная модель
— временные затраты не критичны
2. в рассматриваемом вами случае:
— миссия серийная
— прогнозная модель заранее не реализуема
— КА огромный и может содержать разный набор двигателей
— предполагается маневры в том числе и в конце НТП, и обратно, в челночном варианте
— энерговозможности аппарата имеют значительный запас
Теперь по сути. В чем вы видите целесообразность перелета по НТП? Нужно для огромного КА обеспечить высокоточную систему управления для разового включения (поправок то уже не будет). Одно дело, если говорить о полетах Союзов к МКС, имея большой опыт и узкоспециализированную задачу мы сумели реализовать точную работу автоматики, минимизацию ошибки выведения и как следствие сверхкороткую схему. Но малейшее изменение входных — и вынуждены снова уходить на двухсуточную (как с последним грузовиком после изменении ГО). Получается, что для серийных пусков реализовать эту точность можно только при точных входных данных. Даже те же пуски Дрегона и то пока только по длинной схеме возможно реализовать. А в полетах с Луны мы еще и имеем разброд входных данных — масса и положение ц.м. случайного характера, выводить собираетесь прямо с НОО Луны, которая по определению нестабильная, там не просто возмущения, там конкретные провалы высоты орбиты в десятки, а то и сотни метров. Более того, желая НТП, вы показываете некритичность временных затрат. Так к чему тогда эти сложности?! Переведите НОО в высокоэлиптичную, малозатратно наклоняйте ее в апоцентре, доберите по фазе и отсюда уже начинайте перелет двигателями малой тяги по спирали.
По сути же вы говорите о самоцели в виде снижения характеристической скорости на перелет, и аргументируете, что это выгоднее. Я же показываю, что для нашего случая это лишь может иметь интерес для фанатов Понтрягина — на практике выгоду дает не теоретическая оптимизация, а практическая, т.е. если даже при большей характеристической скорости получим выгоду по расходу массы рабочего тела. Иначе говоря, вы собираетесь попасть из трясущейся пушки по отдаленной мишени, я же предлагаю применить планирующую авиабомбу с постоянной коррекцией траектории. Какая задача в итоге логичней и имеет больше шансов на успех?
K-ILYA-V Автор
«зачем вы внимательно слушаете?» — потому что мне интересно что вы скажите.
«то в какой вообще плоскости вы собираетесь двигаться?» — в плоскости наклонённой в соответствии с широтой космодрома.
«После перелета планировали менять наклонение под стыковку, или корабль с Земли тоже будет выходить на околополярную орбиту?» — в плоскость наклонённую в соответствии с широтой космодрома. которые как предполагается будут произвольно размещены по всей поверхности луны.
«Переведите НОО в высокоэлиптичную, малозатратно наклоняйте ее в апоцентре, доберите по фазе и отсюда уже начинайте перелет двигателями малой тяги по спирали.» — это очень хороший вариант, я буду использовать его в дальнейшем.
я считаю что дальнейший рост вычислительных мощностей и уточнение модели земля-луна позволит значительно поднять точность маневров, особенно когда это станет носить не только научное значение но и коммерческий интерес.
SomaTayron
Поясню, почему я переспрашивал.
Первично я упоминал, что длительное накопление топлива вроде водорода возможно только в приполярных областях — хоть лед на Луне и размещен более равномерно, чем раньше считали, для работы с этими газами противопоказаны периодические пересечения терминатора — от такого нагрева в считанные часы потеряем все, что копили пару недель.
Исходя из этого ограничения получаем точки взлета. Если взлетать с приполярной области Луны, так как наклонение орбиты не может быть меньше широты точки пуска, получаем начальную полярную орбиту. Конечно можно подгадать по прецессированию момент, когда линия пересечения плоскости этой орбиты с орбитой Земли будет направлена в точку прогноза, но это достаточно долго. Проблема проявится в другом — если мы летим в плоскости, нормальной к эклиптике (затратно конечно, но в общем можно) — то стыковаться мы сможем только с объектами, выведенными снова на полярные орбиты (Земли). Значит придется или стартовать из гравитационного колодца Земли на полярную орбиту сразу, или поворачивать на последующих маневрах, с соответствующим ростом затрат.
Ну, а по остальному… В общем то потому и появляется интерес к ионным и плазменным движкам большой мощности. Да в общем и для меньших аппаратов такие методы пытаются использовать (тот же израильский Берешит).
Рост электронных мощностей тут к сожалению слабый помощник. Математически полеты Земля-Луна и наоборот намного сложнее полета Земля-Марс. Сфера действия Земли в два раза больше радиуса лунной орбиты, поэтому в полете мы сталкиваемся с уникальной ситуацией, когда попадаем в сферу действия Луны (66 тыс), одновременно оставаясь в сфере действия Земли. Это уже краевая задача и она сводится к ограниченным задачам только на отдельных участках. Даже изучив все гравитационные неоднородности Луны построить однозначную модель для перелета не получится, все равно нужна коррекция. И в этом случае решения с малой тягой (где по сути имеем постоянную обратную связь) оказываются проще, дешевле и надежнее. Хотя конечно и более громоздки
Lapland_Man
В лунном грунте кислорода около 40%, так что 2.5 тонны грунта = 1 тонна кислорода
15 МДж на кг кислорода должно хватить при любом составе грунта
K-ILYA-V Автор
Несколько это сколько? будем считать что больше чем один, минимальное целое число больше чем один это два. значит нужно производить 897 килограмм топлива в сутки. современное производство нефти в России в день составляет 1,5 миллиона тонн.
SomaTayron
Нефть не производят, а добывают уже готовую и перерабатывают. Если бы перед переработкой ее бы еще и пришлось синтезировать… Но речь немного о другом. Если говорить по аналогии с нефтью, то нужно говорить не то, сколько нефти теоретически есть, а каков процент теоретически извлекаемой нефти. В зубной эмали тоже есть 3% воды, но маловероятно, что то то найдет этот источник добычи разумным
вот хим состав, определенный китайским «зайцем»
cdn25.img.ria.ru/images/98754/20/987542057_0:0:1269:685_600x0_80_0_0_80547e271254c667e77173b06d38f028.jpg.webp
Магний, алюминий, кремний, калий, кальций, титан, хром и железо, следы стронция, иттрия и циркония.
Извлечение из оксидов сейчас весьма избирательное — по классике оксид железа с водородом, плюс добавка метана. Но это в общем противоречит нашей цели, ведь водород и метан мы хотим тоже получать, а не тратить… Последние попытки — оксиды алюминия, железа и кремния с хлористым кальцием в роли электролита и нагревом до 950 — на выходе алюминий, железо, кремний, кальций и кислород. Процесс долгий, на 50 часов и с бешеной энерготратой. Опять же из 8 распространенных в породе элементов используются только классические оксиды и только трех — и из 40% планка резко опускается до пары процентов в лучшем случае.
K-ILYA-V Автор
я нахожу классический способ использование водорода как наиболее оптимальный, ведь конечный продуктом этого процесса является вода, которая может быть подвергнута гидролизу для повторного использования.
Zenitchik
del. ошибся.