Инновационный аспект

Чем более выгодным местом инвестиций становиться космическое пространство, тем больше возрастает внимание к повышению эффективности геокосмического транспорта. Ракета – транспортное средство с очень низкими показателями эффективности. Это было ясно еще 50 лет назад, поэтому прогресс ракетной техники сопровождался важными теоретическими изысканиями в плане поиска если не альтернативы ракете, то, по крайней мере, серьезного ей подспорья, а так же переосмыслением основ организации геокосмического грузооборота.

Важными достижениями в этом направлении стали проекты космических накопителей вещества Димитриадиса и Марвика.

Димитриадис предложил способ аккумуляции атмосферных газов при помощи низкоорбитального спутника. Перемещаясь по орбите, у границы плотных слоев атмосферы, спутник Димитриадиса захватывает разряженный воздух, сжимает его путем газодинамического сжатия в заборнике и в компрессорах, охлаждает и выделяет жидкий кислород. Оставшийся азот используется в ядерном электроракетном двигателе для компенсации потерь на аэродинамическое сопротивление. Это решило проблему удешевления поставок ракетного топлива в орбитальные топливохранилища в связи с тем, что кислород, аккумулируемый из атмосферы, является основным по массе компонентом типичного ракетного топлива, а электроракетные двигатели (ЭРД) имеют большой ресурс работы и низкую стоимость по сравнению с термохимическими.

Марвик, в общем, решил вторую часть проблемы доставки в орбитальные топливохранилища ракетного топлива, а именно – предложил способ доставки с Земли на орбиту любых видов веществ, необходимых как для производства ракетного топлива, например, водорода, так и для достижения целей индустриализации космоса, например, алюминия и кремния для производства зеркал и солнечных батарей для орбитальных электростанций. Причем Марвик дал способ доставки грузов для целей индустриализации не только с Земли, но и с поверхности Луны.

Тем не менее, оба проекта остались нереализованными. Главная причина – не соответствие базисных положений проектов современным требованиям безопасности и уровню развития космонавтики.

Проект Димитриадиса известный как проект «PROFAC» базируется на использовании мощного источника энергии на борту космического аппарата-накопителя (КАН). В качестве такого источника энергии Димитриадис предлагал использовать ядерный ректор. Другие источники трудно использовать на борту спутника в условиях его полета на высотах от 105 до 120 км, когда сильное сопротивление атмосферы требует непрерывной поддержки полета тягой двигателей. Подъем высоты орбиты для уменьшения силы аэродинамического сопротивления, чтобы воспользоваться солнечными батареями, у которых большая парусность, в случае с проектом «PROFAC» не имеет смысла, потому что только на низких высотах КАН способен эффективно захватывать и накапливать воздух, находящийся перед ним на его пути. Для нейтрализации сил торможения при захвате воздуха КАН должен использовать около половины захваченного воздуха, но уже очищенного от ценного кислорода, в качестве рабочего вещества электроракетных двигателей. Реактивная струя должна истекать со скоростью 16000 м/с, что определяет высокую энергоемкость процесса накопления воздуха – 256 МДж/кг при 50-ти процентном КПД ЭРД. В накопленной газовой смеси содержится 46% кислорода (по массе). Поэтому для накопления в течение года работы 300 тонн кислорода требуется источник электроэнергии для ЭРД мощностью около 5,6 МВт, что очевидным образом требует применение ядерного электрогенератора. Однако, запрет наложенный международными соглашениями на использование спутников с ядерными реакторами на орбитах ниже 800 км фактически навсегда закрыл перспективный проект Димитриадиса.

В последующем появились предложения вместо ядерного источника использовать лазерную систему передачи энергии в КАН, как из космоса, так и с Земли, но пока достигнутый уровень развития требуемых технологий не позволяет реанимировать проект «PROFAC».

Проект Марвика, зафиксированный двумя патентами США (US4775120 & US5199671), базируется на использовании мощного тяжелого и громоздкого электромагнитного ускорителя масс сооруженного на Луне. Вторым условием реализации проекта является создание гипермассивных спутников на окололунной орбите в одной из точек либрации и на низкой околоземной орбите. Система Марвика работает следующим образом. С поверхности Луны электромагнитным ускорителем масс выбрасываются порции лунного грунта, обработанные соответствующим образом для придания им требуемой монолитности. Этот поток вещества при помощи не сложных способов с участием окололунного КАН перенаправляется в сторону околоземного гипермассивного КАН. Одновременно к этому же спутнику направляются грузы с Земли. На основе спутника ударами производят передачу импульса движения от высокоскоростных лунных грузов низкоскоростным земным. Поэтому вместо того, чтобы направлять ракету на высоту низкоорбитальной базы и разгонять её до полного выравнивания скоростей, ракеты, используемые для вывода грузов описываемым способом, стартуют строго в вертикальном направлении, выпускают груз и падают вниз на Землю, где проходят техническое обслуживание и используются повторно. Выпускаемый груз позиционируется таким образом, что он входит в отверстие крупной камеры, используемой для приёма грузов, затем он внутри камеры сталкивается с большой массой буферного вещества около центра камеры таким образом, что груз остаётся внутри камеры и стенки камеры остаются неповреждёнными. Грузы с Земли со скорость около 8 км/с поступают через переднее входное отверстие камеры, а грузы лунного материала со скоростью около 11 км/с поступают через заднее входное отверстие камеры. Так как вектор-сумма моментов материалов, направляемых с Земли и направляемых с Луны, приблизительно равна нулю, то высота и скорость спутника, используемого для получения грузов, остаются практически неизменными. Незначительно больший момент при получении грузов лунных материалов может компенсировать атмосферное сопротивление среды.

Камеру, используемую для приемки грузов, размещают на очень низкой околоземной орбите благодаря применению вертикального фала длиной около 100 км от центра масс спутниковой системы, которая также имеет верхний блок массы, на высоте 100 км от центра масс. В такой вертикальной спутниковой системе с двумя крупными блоками масс наилучшим местом расположения крупной приёмной камеры является нижний блок, т.к. легче (дешевле ввиду расхода топлива и т.п.) транспортировать грузы с Земли на меньшую высоту.

Проект Марвика при всех своих возможностях сокращения в десятки раз удельной стоимости доставки грузов в космос ракетами, тем не менее, не может быть реализован в ближайшее время из-за чрезмерно больших масс используемых устройств. Масса лунного ускорителя масс оценивается в 2000 тонн. Масса КАН – около 10 тысяч тонн каждый. Кроме того, проект не решает проблему вывода на орбиты стандартных космических аппаратов – могут доставляться только простые грузы способные переносить гиперускорения и высокотемпературный нагрев.

Известна так же заявка Марвика на изобретение не оформленная патентом. В ней предложен проект ускорения и торможения спутников для их перевода на разные орбиты с помощью серий неупругих ударов грузов из лунного вещества, направляемых либо в кормовую часть спутника для его ускорения либо в лобовую (фронтальную) часть для торможения. При этом грузы поглощались и накапливались так же как в указанных патентах Марвика. Подобным способом Марвик в одном из патентов предложил поддерживать движение аппарата типа «PROFAC». Эта ценная концепция так же не может быть воплощена по той же причине чрезмерной массивности устройств реализующих рассмотренные способы. Кроме того, в ней не содержалось решения по выводу космических аппаратов с Земли за счет кинетической энергии лунных грузов – предложение ограничивалось спутниками.

В российских патентах Майбороды (RU2398717 и RU2385275) и аналогичных заявках на получение зарубежных патентов (WO/2010/082869 & WO/2010/095977) дается решение проблем препятствовавших до настоящего времени воплощению прогрессивной концепции КАН.

Первый патент касается развития концепции «PROFAC» Димитриадиса и концепции КАН Марвика отображенной в его патентах. Второй патент развивает концепцию Марвика по использованию механической энергии внеземного вещества для ускорения космических аппаратов, отображенной в его заявке на изобретение.

В патенте 2398717 решается проблема использования неядерного источника энергии для КАН оснащенного двигательной установкой и решается проблема гипермассивности для КАН принимающего не газообразные вещества, а грузы с высокой плотностью.

В патенте 2385275 решается проблема вывода грузов с Земли в космос на основе передачи им механической энергии внеземных веществ или же, что более важно, веществ земного происхождения предварительно аккумулированных на околоземной орбите.

Решение проблемы неядерного источника энергии для КАН типа «PROFAC» состоит в модернизации «PROFAC» – изменении способа его работы – перевода его со сбора атмосферного воздуха на сбор веществ поставляемых с Земли суборбитальными ракетами по схеме подобной запатентованной Марвиком. В этом варианте орбита КАН может проходить на большей чем обычно высоте, там, где аэродинамическое сопротивление значительно слабее. Это позволяет вместо ядерного реактора использовать большие солнечные преобразователи, особенно в схеме вертикальной спутниковой системы, в которой солнечные батареи размещены на верхнем блоке (на высоте 200-250 км), а камера захвата грузов на нижнем. Часть грузов поступивших Земли расходуется в ЭРД качестве рабочего вещества вместо атмосферного азота.

Вместе с тем, при достаточно низком опускании подвешенной на тросе камеры приема грузов (до высот 120-130 км) и при относительно малом (в процентном отношении) аэродинамическом сопротивлении троса, возможно, так же как и в предыдущих схемах, накопление воздуха вместе с параллельным ему приемом грузов, поднимаемых суборбитальными ракетами. Такой гибридный способ накопления веществ был бы полезен при создании орбитальных запасов высококипящего (не криогенного) ракетного топлива в виде соединений азота с водородом (гидразин) и азота с кислородом (азотный тетраоксид) так как в этом случае ракеты доставляли бы только бы водород, доля которого в составе гидразина всего 12,5%. В действительности доля поставляемого ракетами горючего будет выше из-за необходимости производства также некоторого количества несимметричного диметилгидразиина, в состав которого вместе с водородом входит и углерод. Вместе с тем, ряд взрывчатых соединений, производимых только на основе соединений азота и кислорода, позволяет обойтись в производстве ракетного топлива на орбите без поставок углеводородного сырья суборбитальными ракетами. Это становится возможным в схемах получения тяги за счет использования известных пульсирующих детонационных двигателей.

В качестве решения проблемы энергоснабжения двигательной установки КАН в патенте предложено, вместо ЭРД использовать тросовый электродвигатель. Такое решение хорошо сочетается с рассмотренной гибридной схемой накопления, как ракетных грузов, так и атмосферных кислорода с азотом на основе описанной вертикальной тросовой спутниковой системы. Тросовый электродвигатель не требует расхода рабочего вещества, имеет КПД до 90% и цену тяги в 4 раза меньшую, чем у ЭРД.

Проблема гипермассивности для КАН принимающего грузы, имеющие высокую плотность, решается путем отказа от предложенной Марвиком схемы приема груза единой порцией одной большой камерой с большим запасом буферных веществ, которые защищают ее от ударных волн, и замены сплошной порции потоком мелких порций, доставляемых также одной суборбитальной ракетой. Камера с буферным веществом должна быть, как минимум в 10000 быть больше массы груза принимаемого со скоростью около 8000 м/с. Соответственно, дробление единого груза на 10-100 тыс. порций, то есть превращение его в поток или струю вещества, части которой поэтапно входят в камеру и тормозятся в ней, такое дробление также в 10-100 тыс. раз уменьшает потребную массу приемной камеры с буферным веществом. В результате этого запатентованного решения массу приемной камеры КАН удается снизить с 10000 тонн в проекте Марвика до 1 тонны в проекте Майбороды. В технологическом аспекте камера приема груза, подаваемого в виде потока вещества есть аналог ракетного двигателя только действующего наоборот, примерно такой же как, например, холодильные установки, работающие по обратному циклу Брайтона, и двигатели внутреннего сгорания, работающие по прямому циклу Брайтона или как генератор электрического тока и электромотор.

На практике предложенный способ подачи грузов в камеру КАН представляет собой подъем суборбитальной ракеты на высоту орбиту КАН и выброс ею струи жидкости или разматывание троса в верхней части своей траектории по линии параллельной орбите КАН, т.е. перпендикулярно вектору радиальной составляющей скорости ракеты. Выброс потока груза ракеты начинает производится за 30-60 секунд до достижения максимальной высоты с той целью, что бы в этот момент КАН прошел этот участок с рассредоточенным вдоль него веществом и на момент захвата заборным устройством, выброшенное вещество было максимально широко распределено вдоль накопительного участка траектории КАН.

Проблема вывода грузов с Земли в космос на основе передачи им импульса от грузов уже находящихся на околоземной орбите решается аналогично рассмотренной предыдущей. Аппараты Марвика, которые увеличивают скорость только под воздействием входящих с кормы лунных грузов должны иметь массу на несколько порядков превышающую массу единичного груза. В случае использования потока вещества (жидкого или твердого) равного по массе единичному грузу, масса камеры приема груза сокращается в тысячи раз. Однако, она оставалась бы еще достаточно большой если бы входящий в камеру поток вещества оставался в аппарате и накапливался так же как в КАН. Поэтому, во втором патенте Майбороды для разгона космического аппарата кинетической энергией орбитальных грузов накопление грузов отсутствует – используется (в физико-теоретическом смысле) упругий удар. Входящий в камеру поток отражается в обратную сторону, что снижает массу камеры до значений близких к значениям существующих ракетных двигателей. Таким образом, масса летательного аппарата в абсолютном и в удельном значениях доводится до величин позволяющих совершать запуски таких аппаратов с Земли, вначале (на первой стадии) обычным ракетным способом на высоту в 100-150 км, а затем с использованием запатентованного способа, который состоит в том, что сформированный специализированными аппаратами многокилометровый трек вещества, движущийся со скоростью от 8000 до 11000 м/с, сталкивается с летательным аппаратом и непрерывно толкая его в корму за несколько минут разгоняет его до орбитальной скорости. Масса такого разгонного трека приблизительно равна массе запускаемого аппарата. Если, например, масса выводимого в космос аппарата равна 10 тоннам, и он выводится на эллиптическую орбиту с апогеем на высоте 400 км, а орбитальный трек имеет скорость 10000 м/с в перигее на высоте 100 км в точке встречи, то масса трека тоже будет около 10 тонн. Веществом трека может быть замороженный азот (а так же его низколетучие жидкие и твердые соединения с кислородом или же такой некриогенный продукт как гидрат гидразина), армированный волокнами кевлара или полиэтилена в количестве 1% от массы азота. С ночной стороны Земли такой разгонный трек может использоваться без ущерба для сохранности благодаря отсутствию солнечного излучения. Тогда требуемая масса азота могла бы быть аккумулирована КАН типа «PROFAC» за 1 месяц работы при тяге его двигателей всего в 30 Ньютонов. Если тяга КАН создается тросовым электродвигателем, то электрическая мощность солнечных батареей, питающих двигатель будет не выше 0,3 МВт (с учетом захода в теневую часть орбиты). За 1 год работы такая система выводит на орбиту 12 аппаратов с суммарной массой 120 тонн. Грузом таких аппаратов, в отличие от проектов Марвика, могут быть и люди и различное оборудование. При последующем выходе на геостационарную орбиту, каждый такой транспортный аппарат будет доставлять двух-трёх тонный спутник связи. А при мощности солнечных батарей в 0,9 МВт предлагаемая система обеспечит выведенные на низкую орбиту аппараты запасом ракетного топлива массой в 240 тонн. В общем нет принципиальных ограничений на объемы дозаправок топлива в низколетящие спутники – объемы поставок могут быть сколь угодно большими исходя из расчета производства ракетного топлива 33 тонны в месяц на каждый 1 МВт электрической мощности солнечных батарей КАН.

Важным аспектом использования кинетической энергии орбитальных запасов азота и других, легко накапливаемых веществ, является применение этой технологии не только для геокосмических путешествий, но и для совершения межконтинентальных трансатмосферных перелетов. Известные модели пассажирских самолетов с турбореактивными и ракетными двигателями, например, Space Plane компании EADS Astrium, разработанные для туристских полетов за атмосферу, запасов топлива которых хватает только на простой прыжок в высоту на 100-110 км, могли бы получая ускорение от орбитальных систем Майбороды, совершать межконтинентальные перелеты по схеме Зенгера на расстояния до 20 тысяч км. Такие летательные аппараты, оснащенные также кинетическими двигателями Майбороды, по самолетному стартуя с обычного аэродрома, затем на высоте около 110-120 км при помощи орбитальных ускорителей, обращающихся над планетой в различных направлениях, набирали бы суборбитальную скорость и после перелета по волнообразной зенгеровской траектории совершали бы посадку на обычном аэродроме.

При таком способе энергообеспечения полета нет необходимости в обязательном разгоне таких самолетов до максимально высоких субкосмических скоростей при полетах на дальние расстояния – всегда есть возможность дополнительно разогнать самолет в космосе небольшими импульсами от соответствующих маршруту орбитальных потоков, что бы компенсировать аэродинамические потери энергии на нижних частях волнообразной траектории и таким образом сколь угодно долго держать самолет в воздушно-космическом пространстве, например, на средней скорости 11 тысяч км/ч, резко повышая её, в случае необходимости, до 20-25 тысяч км/ч.

Экономический аспект

Реализация описанных в патентах Майбороды способов геокосмического грузооборота в виде рассмотренной геокосмической транспортной системы (ГКТС) приведет к существенным изменениям цен в сфере космических транспортных услуг и соответственно в сферах экономики пользующимися настоящими услугами. Рассмотрим поочередно первую и вторую сторону изменений.

Экономические сведения по современной космической технике, позволяют провести адекватный анализ ГКТС и обосновать перспективность его использования вместо классических ракет.

Удельная стоимость вывода грузов на орбиту в ГКТС складывается из двух основных стоимостных показателей. Первый – удельная стоимость вертикального подъема грузов суборбитальными ракетами-носителями (РН). Второй – удельная стоимость операции захвата и ускорения грузов на борту КАН. Второй экономический показатель основан на очень благоприятных технических параметрах КАН – его основные системы имеют ресурс работы более трех лет и в пределе работоспособны до 15-20 лет.

Не сложно определить максимальную удельную стоимость вертикального подъема грузов ракетами-носителями (РН) на высоту орбиты КАН. Подъем полезного груза (ПГ) на высоту 200–250 км, без существенного разгона по горизонтали, современные многоступенчатые РН производят за счет работы первой ступени. Масса первой ступени РН составляет приблизительно две трети стартовой массы. Например, для РН «Протон» доля первой ступени составляет 65 процентов. В связи с тем, что в проекте ГКТС, в тех вариантах, где не требуется дальнейший разгон РН по горизонтали, масса ПГ доставляемая к КАН с помощью одноступенчатого аналога «Протона» может составить 35 процентов стартовой массы. Это приблизительно в 10 раз больше массы ПГ в трехступенчатой версии РН «Протон». В ценах текущего периода удельная стоимость вывода груза на орбиту высотой 200 км равна 2900 долл./кг для РН «Протон» и «Зенит» (2600 долл./кг для РН «Союз»). Соответственно, десятикратное увеличение доли ПГ в одноступенчатой версии РН «Протон» при неизменной стоимости запуска дает снижение удельной стоимости до 290 долл./кг. Однако, в связи с тем, что в стоимости РН около 50% стоимости приходится на стоимость первой ступени, и, соответственно, вторая половина стоимости (и даже больше) приходится на другие ступени, которые устраняются и заменяются на грузовой блок, цена снизится до 145 долл./кг. Предстартовое обслуживание одноступенчатой РН также дает необходимое снижение расходов, но еще большее сокращение, как известно, дает использование воздушного старта, поэтому при его использовании вероятная цена в 145 долл./кг при использовании одноступенчатого РН однократного применения должна быть признана обоснованной верхней границей цены.

Вместе с тем, наряду с проектами воздушного старта, имеются проекты, частично многоразовых многоступенчатых РН, например «РН-35», в которых обеспечивается сохранение первой ступени. Спасаемыми ступенями являются так же крылатые версии «блока А» РН «Энергия», которые являются модификациями действующей РН «Зенит». Известен так же проект ракетного ускорителя «Байкал» – крылатая версия ракетной ступени РН «Ангара» с кратностью использования до 25, а так же вариант подобной ступени для ракеты-носителя Ariane-5. Предполагается, что кратность использования первой ступени «РН-35» будет равна 100. В этом случае, применительно к одноступенчатому варианту многоразовой РН можно ожидать снижения удельной стоимости в 2–4 раза и достижения цены в 36–73 долл./кг, тогда как для полностью многоразовой двухступенчатой «РН-35» прогнозируемая цена будет 500–1000 долл./кг.

Представление о нижнем пределе доставки грузов на орбиту можно получить, приняв во внимание то обстоятельство, что в структуре коммерческих цен услуги по подготовке и осуществления пуска составляют в среднем 17% всей стоимости запуска. Тогда применительно к цене 145 долл./кг для модифицированных одноступенчатых РН «Протон» и «Зенит», доля космодромных услуг по обеспечению пуска в цене фиксированной части составит около 25 долл./кг, а доля переменных затрат, зависящих прежде всего от количества повторного использования РН, составит около 120 долл./кг. При количестве пусков многоразовой РН равном 100, переменная часть сократится до 1,2 долл./кг, при условии, конечно, что стоимость многоразовой РН будет такой же, как и одноразовой. Для первых ступеней РН (малой грузоподъемности) это почти так и есть, часто их спасение обеспечивается применением парашютов и посадкой на воду. В этом случае цена увеличивается, но не значительно. Если же принять, что все же цена на многоразовую РН возрастает существенно, например, в 2 или 5 раз, то переменная часть цены примет значения равные 2,4 долл./кг и 6 долл./кг. С учетом фиксированной части в 25 долл./кг нижний предел удельной стоимости запуска составит от 27 до 31 долл./кг.

Прогнозные цены для ГКТС рассчитаны на основе РН большой грузоподъемности, что будет справедливо для ГКТС второго поколения, тогда как ГКТС первого поколения должны будут основываться на РН малой и предельно малой грузоподъемности, в качестве аналогов которых можно определить такие послевоенные одноступенчатые ракеты как «Аэроби-Хи» (стартовая масса порядка 500 кг) и «Викинг» (стартовая масса порядка 4500 кг). Современным прототипом такой одноступенчатого ракетоплана может быть многоступенчатая РН «Микрон» (стартовая масса 7000 кг) запускаемая с борта самолета МиГ-31. Использование этих средств доставки грузов малыми партиями на орбиту КАН, по всей видимости, не даст существенных отличий в ценообразовании – как показал опыт, использование микроносителя «Микрон» не обходится дороже запусков РН типа «Протон» в расчете за единицу выводимого груза.

Результаты анализа, учитывающие возможный срок амортизации ГКТС в 7-15 лет при различных типах двигателей, КПД, типах орбит, показывают, что суммарная удельная стоимость доставки грузов в космос в виде сырья на низкую опорную орбиту в лучших вариантах ГКТС стремится к удельной стоимости суборбитальной доставки грузов к КАН и может составить 50–100 долл./кг с перспективой дальнейшего снижения по мере совершенствования суборбитальных носителей. Таким образом, реализация даже простейших вариантов ГКТС, работающих в качестве орбитальных заправочных станций, при нынешних высоких ценах на доставку ракетного топлива на орбиту, открывает путь к превращению космического пространства в выгодную сферу капиталовложений, при условии начала НИОКР в ближайшее время.

Применение ГКТС на базе КАН «PROFAC» в виде вертикальной тросовой системы и кинетического двигателя на суборбитальных аппаратах дает возможность выводить в космос значительные кванты грузов, включая пилотируемые аппараты, без использования тяжелых РН типа Saturn V или Space shuttle. Например, одноступенчатая ракета на базе РН «Зенит-2» при оснащении блока полезной нагрузки кинетическим двигателем Майбороды, способна с высоты 100 км выводить на орбиту груз массой около 200 т, одноступенчатый вариант РН «Протон» – около 300 т, одноступенчатые варианты РН Space shuttle и РН Saturn V – соответственно до 800 т и до 1200 т. Экономический выигрыш от такой инновации – экономия бюджетов на разработку и внедрение в эксплуатацию тяжелых РН объемом в десятки миллиардов долларов, экономический эффект от существенного сокращения сроков начала запусков больших грузов и их эксплуатации, снижение удельной стоимости запусков. Что же касается современных грузов с небольшой массой в пределах 5-10 т, то для их вывода на орбиту достаточно использовать одноступенчатые РН со стартовой массой 15-25 т. Стоимость услуг по осуществлению таких запусков в основном определяется сроком службы основных устройств ГКТС и соответственно величиной амортизационных отчислений. Физические условия работы системы по аккумуляции воздуха и последующего формирования орбитальных треков из замороженного воздуха настолько благоприятны, в отличие от альтернативных систем, что можно обоснованно прогнозировать рабочий ресурс в 10-20 лет.

Мировой рынок пусковых услуг в полном объеме достаётся владельцам технологии ГКТС, поскольку цену запусков по рассматриваемому способу всегда можно сделать значительно ниже цены запуска обычным ракетным способом при любой степени модернизации РН. Конкуренцию со стороны классически ракетного способа могли составить ракеты с пульсирующими ядерными двигателями, использующие для получения тяги серию взрывов плутониевых зарядов за кормой летательного аппарата. Однако применение таких аппаратов для старта с Земли абсолютно исключено, по крайней мере в коммерческих целях, из-за катастрофических последствий радиоактивного заражения, а в космическом пространстве действует запрет на ядерные взрывы, причем даже отмена ядерных взрывов в околоземном космическом пространстве не откроет дорогу таким аппаратам – электромагнитные импульсы от взрывов уничтожат электронную аппаратуры действующих спутников связи и навигации.

При нынешних ценах на пусковые услуги реализация многих очень необходимых мировой экономике космических проектов оказывается нерентабельной. Но если стоимость доставки снизить только до 1000 долларов за килограмм, то, как показывают исследования, начнется настоящий космический бум. По оценкам специалистов тогда в околоземное пространство будет "забрасываться" ежегодно 3-4 тысячи тонн грузов (в 5-8 раз больше, чем нынче). Это основательно изменит земную экономику. Еще большую динамику глобальной экономике придаст ГКТС вследствие снижения цен до уровня ниже 100 долларов за килограмм.

Первым направлением коммерческой эксплуатации ГКТС будет создание орбитальных хранилищ ракетного топлива и системы дозаправок низкоорбитальных спутников, прежде всего тех, которые должны выводиться на геостационарную орбиту. Доля топлива необходимого для вывода спутника с низкой орбиты на геостационарную в среднем составляет 75% от стартовой массы разгонного блока на низкой опорной орбите. Соответственно, создание службы дозаправки средств доставки геостационарных спутников, даёт четырехкратный выигрыш в коммерческой нагрузке РН. Вместо запасов топлива можно вывести еще три дополнительных спутника. Кроме того, сами геостационарные спутники имеют собственный запас топлива для двигателей коррекции, который рассчитан на 7-15 лет работы спутника. Этот запас составляет приблизительно 80% массы спутника уже выведенного на геостационарную орбиту, т.е. здесь масса аппарата с топливом в 5 раз больше массы полезного оборудования спутника. С учетом возможности дозаправки этой массы ракетного топлива также на орбите, а не на Земле, полезная нагрузка РН может быть в итоге увеличена в 20 раз.

Вторым направлением коммерческой эксплуатации ГКТС будет запуск спутников и межпланетных космических аппаратов. В виду того, что теперь РН должны расходовать топливо только на вертикальный подъем с получением только радиальной скорости, а поперечную составляющую скорости обеспечивает контакт с орбитальным потоком, полезная нагрузка РН при подъемах на высоту около 100 км возрастает до 50% стартовой массы, а стоимость одноступенчатой РН снижается в 2 раза. При увеличении массы конструкции РН на 15-25% для создания апробированных систем спасения РН в целях последующего многократного использования, удельные затраты на запуск снижаются до 50-100 долл./кг, точно так же как и в случае определения стоимости доставки топлива в орбитальные хранилища.

Третьим направлением коммерческой эксплуатации ГКТС будет создание службы очистки околоземного пространства от так называемого космического мусора. На базе систем дозаправки ракетным топливом будет создана группировка межорбитальных буксиров-перехватчиков. Количество рейсов для каждого межорбитального аппарата до его капитального ремонта для работы на высотах до 3000 км может быть определено в 1000 – это 3-5 часов суммарной работы жидкостного ракетного двигателя (ЖРД) аппарата-чистильщика. Тогда для выполнения основных объемов работ по расчистке пространства достаточно 100 межорбитальных транспортных аппаратов.

Четвертым направлением будет оказание услуг по удалению с Земли части накопленных радиоактивных отходов. Например, технологии обращения с жидкими радиоактивными отходами (РАО) требуют весьма высоких затрат. Стоимость переработки и хранения жидких РАО составляет 5 – 10 тыс. долларов/м³. Практика показывает, что за год работы на АЭС образуется от 0,5 до 1,5 м³ среднеактивных жидких отходов в расчёте на 1 МВт электрической мощности энергоблока. Это даёт более 1000 т в год в качестве груза для ГКТС. Достаточно дорого обходится обращение с твёрдыми радиоактивными веществами. В западной Европе коммерческие заводы по витрификации высокоактивных РАО пропускают через переработку порядка 1000 тонн в год. Исходя из возможности осуществления захоронения некоторых видов отходов в космосе по цене 1000-2500 долл./кг, объем услуг в этом направлении составит первоначально не менее 1000 т в год.

Пятое направление коммерческой деятельности – транспортировка сырья, конструкционных материалов, деталей конструкций и агрегатов для сооружения спутниковых солнечных электростанций по известным планам Германии, Японии и США. Низкая стоимость услуг – основа получения большей доли этого рынка. Это направление перспективно еще тем, что электростанции, собираемые частями на орбитах, могут быть одновременно или какой-то период времени частью системы ГКТС и таким образом обеспечивать самим себе недорогую транспортировку с Земли в космос. Напомним, что 1 МВт электрической мощности солнечных батарей ГКТС обеспечивает доставку 33 т грузов с Земли в месяц или 400 т в год, что означает, при планах создания электростанций гигаваттной мощности, возможности по выводу оборудования для станций общей массой до 33 тысяч тонн ежемесячно на 1 ГВт мощности станций при доставке на низкую орбиту и не менее 10 тысяч тонн ежемесячно на геостационарную орбиту.

Шестое направление деятельности – космический туризм, который по подсчетам компании Space Adventures (при нынешних гипервысоких ценах) составляет около 1 миллиарда долларов в год.

Опросы показали, что значительная часть жителей развитых стран готовы совершить космическое путешествие. Например, в Японии был проведён опрос населения, определивший, сколько именно средний японец, желающий слетать в космос, готов за это заплатить. О таком намерении заявило около 70% опрошенных, причём каждый второй из них готов был расстаться в обмен на полёт со своей зарплатой за три месяца. Аналогичный опрос, проведённый в США, показал, что хотят в космос 42% американцев, а средняя сумма составила 11 тыс. долларов.

Для таких массовых клиентов в обозримом будущем подойдут короткие путешествия на орбиту длительностью 2-3 часа, в том числе не столь сложный облёт планеты по волнообразной суборбитальной траектории Зенгера, с чередованием невесомости и кратких перегрузок. А пока на рынке продаж космических туров с 2-4 недельным посещением орбитальной станции или космического отеля существует очередь из клиентов готовых платить от 15 до 35 млн. долларов за тур. При снижении цен до уровня менее 1 млн. долларов за тур следует ожидать резкого увеличения спроса. Главными клиентами в этом секторе являются такие компании как Bigelow Aerospace и Galactic Suite, заинтересованные в существенном снижении цен доставки пассажиров в орбитальные отели и снижения затрат на сооружение самих отелей.

Седьмое направление деятельности – гиперзвуковые пассажирские авиаперевозки. Доля межконтинентальных перелетов в общем авиатрафике составляет 12-16%. Поэтому можно прогнозировать, что при незначительно больших, чем обычно ценах минимум 1,5% от числа всех авиапассажиров в мире ежегодно будут пользоваться суборбитальными межконтинентальными перелетами. При ценах соизмеримых с ценами на перелеты сверхзвуковыми лайнерами (приблизительно на 1 порядок выше обычных) пассажиропоток будет на аналогичном уровне – 110 тысяч человек в год, как у системы «Конкорд». Следует обратить внимание на то, что такая авиационная система будет потреблять горючее только на этапе взлета с аэродрома, прыжка на высоту свыше 100 км и посадке на аэродром. А большая часть энергии для полета со скоростью несколько километров в секунду будет сообщаться самолету-ракетоплану потоком замороженного воздуха, орбитальным треком, созданным за счет электроэнергии, которая вырабатывается солнечной электростанцией ГКТС.

Восьмое направление деятельности – транспортировка астероидного вещества, в основном железа и никеля, в околоземное пространство для извлечения железа и цветных металлов для потребителей на Земле, а так же лунного сырья и воды для орбитальных станций с одновременным использованием кинетической энергии потоков внеземного вещества для вывода на орбиту аппаратов запускаемых с Земли на Луну и в дальний космос. На Земле рынок стали превысил 1 млрд. тонн в год, а никеля 1 млн. тонн в год. С учетом того, что астероидное железо представляет собой фактически готовый продукт (в виде сплава железа с никелем с содержанием до 9%), а его перевод с на околоземную орбиту сам себя окупает выводами новых грузов с Земли за счет его даровой кинетической энергии, то можно рассчитывать на первоначальный спрос в объеме, по меньшей мере, 0,1% рынка мировых продаж стали. В тоже время астероидные металлы, особенно редкоземельные при низких ценах доставки обеспечиваемой ГКТС, могут полностью удовлетворить спрос в цветных металлах.

Девятое направление деятельности – использование слитков аэродинамической формы из астероидных металлов и лунного базальта для переноса с минимальными потерями их кинетической энергии сквозь атмосферу из космоса на земную поверхность для взрывных работ вместо экскавационных ядерных взрывов. В ряде стран существуют детально проработанные планы реконструкции пустынь Африки и обводнения других безжизненных регионов планеты, воздвижения речных и морских плотин, создания новых морских бухт для портовых сооружений, вскрытия и закрытия карьеров для извлечения полезных ископаемых, прорезывания гидроканалов, разрушения айсбергов угрожающих судоходству. Но эти проекты рассчитаны на использование ядерных взрывов и потому заморожены на неопределенный период. В то же время, в исследованиях прошлого века показано, что тела цилиндроконической формы при определенных массогабаритных параметрах, могут почти без потерь кинетической энергии проникать сквозь атмосферу со скоростями более 10 км/с. При этом энергия столкновения таких болванок в форме пестов из астероидных железа или базальта с поверхностью при относительно небольших размерах может быть соизмерима с энергией ядерных зарядов. Удельная энергоемкость вещества бросаемого с Луны в 12-14 раз больше энергоемкости обычной взрывчатки. Пест с массой 700 т при ударе выделит энергию эквивалентную ядерному заряду мощностью 10 000 т тринитротолуола. Длина такого песта из базальта 30 метров, его диаметр – 3 метра, а железного песта – 28 метров и 2 метра соответственно (без учета длины наконечника и аэродинамических стабилизаторов).

Десятое направление – тезаврационная деятельность. ГКТС может производить доставку и складирование на орбитах различных веществ в объемах превышающих текущие потребности клиентов. Но с учетом реальной ценности таких запасов для космической индустрии, например, алюминия, кремния, технического углерода, тетраоксида азота и гидразина, а также надежности их сохранения, например, в хранилищах на «вечной» круговой орбите высотой более 800 км, там, где силы торможения остаточной атмосферы ничтожно малы, возможна биржевая продажа космических запасов. В определенном смысле это привлекательнее скупки и аккумуляции нефти, цветных металлов и продовольствия для создания стратегических и иных запасов на Земле. В последующем, к веществам, поступающим в тезаврационные хранилища с Земли, добавятся астероидные цветные металлы. С учетом хронического мирового финансового кризиса для многих государств и финансовых организаций участие в создании таких космических банков должно быть весьма привлекательно.

Вот основные десять направлений коммерческого использования рассмотренной геокосмической транспортной системы. Одиннадцатым направлением можно было бы обозначить услуги по мониторингу из дальнего космоса астероидной опасности и коррекции орбит астероидов, угрожающих Земле. Но, очевидно, что это направление будет автоматически реализовано в случае осуществления остальных десяти направлений использования ГКТС в современной экономике.

Источники:

1. Описание изобретения к патенту ru2398717 «Способ доставки грузов в космос и система его осуществления»

http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?db=rupat&rn=9327&docnumber=2398717&qid=854d4b35-2a63-4747-a0f9-a6a9fd00642a&typefile=html

2. Описание изобретения к патенту ru2385275 «Способ передачи рабочего вещества для двигателей космических летательных аппаратов и система его реализации»

http://www1.fips.ru/fips_servl/fips_servlet?db=rupat&rn=7027&docnumber=2385275&qid=0a4ea86a-1215-408d-acfe-e6071eaedb3f&typefile=html

3. Method for delivering cargoes into space and a system for implementation of same (способ доставки грузов в космос и система его осуществления)

Pub. No.:wo/2010/082869 international application no.:pct/ru2010/000036

http://www.wipo.int/pctdb/en/ia.jsp?ia=ru2010000036&display=status

4. Method and system for feeding jet engines (Способ и система питания реактивных двигателей)

Pub. No.:wo/2010/095977 international application no.:pct/ru2009/000739

http://www.wipo.int/pctdb/en/ia.jsp?ia=ru2009000739