На взриволете до Юпітера

    
Обмеженість хімічних ракет була ясна ще до початку регулярних космічних пусків. Формула Ціолковського прямо говорить, що на звичних нам двигунах можна злітати на Місяць (стартуючи на ракеті тисячі в три тонн початкової маси і повернувшись в кораблику в кілька тонн), з величезною працею долетіти до Марса (з у багато разів гіршим співвідношенням початковій / кінцевої маси ), але от підкорити Сонячну систему на хімічних ракетах можна. Тому вже в середині двадцятого століття стали з'являтися альтернативні проекти, найбільш яскравим з яких став атомний взриволет (імпульсна ракета). У цьому пості ми поговоримо про його конструкції, історію створення, перспективи в 21 столітті, а ще злітаємо на ньому до Юпітера в Orbiter'е.
 
 

Оріон

 
 
Ідея проекту
Реакції розщеплення атома і атомного синтезу дали людству джерело величезної енергії. Тому логічно, що першими придумали використовувати атомні бомби для руху в космосі розробники атомної зброї. Згідно з документом Лос-Аламоської лабораторії, Станіслав Улам , учасник Манхеттенського проекту, со-винахідник схеми водневої бомби Теллера-Улама, запропонував ідею ядерного ракетного двигуна в 1946 році. Згідно первісної ідеї, з корабля скидалася атомна бомба, яка підривалася і випаровувала диск, що скидається після бомби. У 50-х роках цю ідею розвинули Тед Тейлор і Фріман Дайсон (сфера Дайсона — теж його ідея). Отриманий проект виглядав наступним чином:
 
Кормова плита отримувала удар плазми від ядерного заряду, і імпульс плазми через два рівня амортизаторів передавався на корабель. В якості маршових зарядів використовувалися атомні пристрої, що створюють спрямований вибух:
 
Формованная оболонка з оксиду берилію і урану робила вибух ядерного заряду спрямованим, і вольфрам перетворювався на сигароподібний пучок плазми, який бив по толкателю кормової плити. Штовхач відходив у вкрай переднє положення, а потім, під дією системи амортизації, повертався у вихідне положення. Цикл повторювався.
 
 
 
Історія проекту
Проект «Оріон» розпочався в 1958 році. Це була повноцінна інженерна опрацювання, хоча, звичайно, дивує своїми масштабами — розроблювані проекти мали масу від 880 тонн для навколоземного корабля до 8 000 000 тонн для «просунутого міжпланетного». Були побудовані масштабні моделі корабля, що використовують звичайну вибухівку, для перевірки стійкості польоту.
 
Дуже коротке відео одного випробування:
  
Розсекречена хроніка 1958 року народження, випробування різних макетів:
  
У 60-х роках у проекту почалися проблеми. По-перше, апарат виходив великим і дуже дорогим. У пошуках грошей з'ясувалося, що «Оріон» зацікавив військових, але тому його довелося зробити збройним кораблем. Президент Кеннеді, побачивши макет атомного взриволета з атомними гарматами, ракетами та іншим озброєнням, жахнувся, і шанси на фінансування різко впали. По-друге, пуски всіх типів кораблів, крім самих маленьких, потрібно було проводити з Землі на маршовому ядерному двигуні, що означало сотні атомних вибухів в атмосфері, а це нікого не надихало на тлі суспільних протестів проти ядерних випробувань. По-третє, випробування корабля вагалися договором 1963 року про заборону ядерних випробувань в атмосфері, космосі і під водою. Проте, плиту штовхача встигли перевірити на парі ядерних випробувань, і, в рамках одиничних вибухів, розрахунки підтверджувалися. У підсумку, незважаючи на те, що в якийсь момент проект «Оріон» розглядався як реальна альтернатива ракетам фон Брауна і місячній програмі, в результаті «Оріон» був закритий в районі 1965 року.
 
 
Життя після закриття
Після закриття проекту розробка перемістилася в теоретичну площину. Атомно-імпульсний привід обіцяв унікальні можливості, тому на його основі стали розробляти міжзоряні кораблі. Фріман Дайсон створив два проекти для дослідження Альфи Центавра з пролітної траєкторії без гальмування, один на сто тисяч тонн початкової маси (стомость 0,1 річного ВВП США, час польоту 133 року), другий на десять мільйонів тонн (вартість 1 річний ВВП США, час польоту 1330 років). Родинними «Оріону» є проекти «Daedalus» і «Longshot» , хоча вони використовують більш складні і ще не освоєні двигуни. Також був придуманий проект «Medusa» , де замість плити штовхача використовувався спеціальний вітрило-парашут. Незважаючи на те, що до втілення проектів ніхто не приступає і грошей не дає, групи ентузіастів придумують нові проекти. Наприклад, в 2007 році вийшла стаття з описом Mini-Mag Orion — невеликого «Оріона», в якому підрив атомних зарядів здійснювався магнітним полем.
 
 
Оцінка проекту
 Переваги: ​​
 
     
  1. «Оріон» реалізуємо вже на рівні технологій сорокарічної давності.
  2.  
  3. Унікальний двигун, що поєднує велику тягу і велику питому імпульс. У хімічних ракет велика тяга, але маленький імпульс, у ЕРД — великий імпульс, але маленька тяга.
  4.  
  5. Можливість міжзоряних подорожей. Ядерний «Оріон» теоретично може розігнатися до 3% -5% швидкості світла, термоядерний — 8% -10%, на термоядерному приводі з анігіляційних катализом — 10% і на анігіляції «матерія-антиматерія» — 50% -80%. Політ до Альфі Центавра на 0,1 с займають 44 року і по 36 днів на розгін / гальмування з прискоренням 1 g.
  6.  
 
 Недоліки:
 
     
  1. Забруднення Землі продуктами ядерних вибухів при старті з Землі і польоті в атмосфері.
  2.  
  3. Наявність рухомих частин, це вимагає безумовної надійності другого амортизатора при умовах тисяч вибухів.
  4.  
  5. Використання атомних зарядів — проблеми контролю і безпеки.
  6.  
  7. Великий і дорогою. Замкнуте коло — поки немає серйозної необхідності виводити тисячі тонн на орбіту, ніхто не дасть грошей на розробку агрегату, який ці тисячі тонн здатний вивести, і необхідність так і не з'явиться.
  8.  
 
 
Трохи міркувань
У найближчі десятиліття навряд чи людство приступить до будівництва міжзоряних кораблів, якщо, звичайно, не трапиться якихось щасливих винаходів. Тому говорити про найбільш застосовної технології для міжзоряних польотів складно. Проте, на поточному технологічному рівні «Оріон» виглядає досить непогано щодо інших методів руху. Проектний питомий імпульс взриволета, згідно документу NASA , знаходився в діапазоні 1800-6000 секунд, а на 1980-ті роки з розвитком технології обіцяли УІ 10 -20000 секунд. Що досить цікаво, східних показників вже досягли електрореактивних двигуни (вже літали ЕРД з УІ 1600 с, перспективні ЕРД обіцяють до 20 000 с). Може бути, Сонячну систему підкорити не брутальний атомний взриволет, а «культурний» ЕРД. Але без атомних пристроїв на кораблях не обійтися — тільки вони можуть забезпечити необхідні обсяги енергії для освоєння Сонячної системи.
 
 

Політ

Якщо вам не цікаво злітати до Юпітера на взриволете, подивіться ось це відео про політ до Марса, щоб мати уявлення про те, чим ми плануємо зайнятися, і можете промотувати залишок посту.
  
 
Підготовка до польоту
Крім самого Orbiter'a нам буде потрібно тільки один аддон — Orion 1.22 . Також передбачається, що ви хоча б читали мої пости за тегом Orbiter і маєте уявлення про термінологію.
 
 
Трохи теорії
У космічній балістиці є поняття «Гомановская траєкторія» (Hohmann transfer orbit). Це траєкторія найбільш економічного пересування між орбітами. Вона складається з двох імпульсів, перший з яких дається в перицентре і піднімає апоцентр до потрібної висоти, а другий дається в апоцентре і піднімає перицентр до потрібної висоти. Якщо ж ми хочемо перейти на більш низьку орбіту, то дії зворотні. Перше — опускання перицентра, друга — опускання апоцентра. Ось картинка, що ілюструє ідею:
 
Очевидно, що, якщо ми летимо, наприклад, до Юпітера, він далеко не завжди виявиться в протилежній старту точці орбіти до моменту нашого прибуття туди. Тому гомановская траєкторія можлива тільки в певні часові відрізки — стартові вікна. Поза стартового вікна політ можливий, але він вимагатиме більших витрат палива і буде складніше.
Також, плануючи наш політ до Юпітера, ми виходимо з того, що летимо ми «на око», вручну, без серйозних балістичних розрахунків або додаткових МФД. Тому наш політ буде вельми неефективним з точки зору витрат палива, але цікавим, і ми прилетимо з відмінною для польоту «на око» точністю.
 
 
План польоту
Наш політ складатиметься з наступних етапів:
 
     
  1. Розгін з орбіти Землі.
  2.  
  3. Корекція траєкторії після покидання зони гравітаційного впливу Землі.
  4.  
  5. Корекція траєкторії — поєднання нахилень орбіт (орбіта Землі і орбіта Юпітера мають трохи різний спосіб).
  6.  
  7. При необхідності — корекція траєкторії при підльоті до Юпітера.
  8.  
  9. Перехід на орбіту навколо Юпітера.
  10.  
 
 
Етап 1. Розгін з орбіти Землі
Нам потрібен сценарій «Orion 20m», в якому відкрито стартове вікно до Юпітера:
 
 Російську версію лаунчера можна взяти тут .
 
На першому етапі найважливішим для нас є Transfer MFD. Перемкнемо лівий МФД в режим Transfer (Лівий Shift — F1 , Лівий Shift — X ). В якості тіла звернення вибираємо Сонце (Лівий Shift — R , вибрати Sun в меню). Вибираємо режим старту з орбіти іншого небесного тіла (Лівий Shift — S , вибрати Earth ). MFD прийме наступний вигляд:
 
 
 Зліва — оригінальний вид, праворуч — пояснення індикації.
 
Виберемо в якості мети Юпітер (Лівий Shift — T , вибрати Jupiter в меню). Включимо режим HTO (кнопка HTO на MFD), перемістимо точку старту трохи вперед від нашого місця розташування (Лівий Shift — </> ) і встановимо розрахункове збільшення швидкості до орбіти Юпітера клавішами Лівий Shift — ± . Результат буде такою:
 
 
 
Невелике розбіжність точки дотику орбіти і положення Юпітера не страшно, ми його потім виправимо.
Для розгону нам потрібні два параметри:
 Кінцева швидкість обчислюється як поточна орбітальна швидкість OS + прирощення швидкості dV. Обидва параметра підсвічені на скріншоті. Рахуємо: OS + dV = 7,558 k +8,839 k = 16, 397 k, тобто 16,4 км / с. Враховуючи, що ми будемо віддалятися від Землі з кожною секундою, і наша швидкість буде зменшуватися, краще в якості кінцевої швидкості взяти швидкість на 1-2 км / с менше, тобто наша кінцева швидкість складе 15 км / с , потім поправимо.
 Напрямок вектора розгону . З точки зору балістики був би потрібен нульовий крок — зменшення способу орбіти або поправка на нахил орбіти при розгоні. На щастя, в сценарії нахилення початковій орбіти незначне. Включаємо режим автоподдержанія положення по вектору орбітальної швидкості (Prograde, [) Чекаємо, поки ми не опинимося на орбіті на лінії Сонце — Земля із зовнішнього боку (в тіні), в цей момент коротка лінія індикатора утворює пряму з лінією Сонце — Земля:
 
 
 
У цей момент стабілізуємо корабель режимом KillRot (Num 5 ). Ми будемо розганятися на наступному витку. Двигун «Оріона» дуже потужний, тому починаємо розгін, коли до вектора орбітальної швидкості буде 8-10 градусів:
 
 
 
Красиво:
 
 
По досягненні необхідної швидкості вимикаємо двигун. На правому МФД видна гіперболічна орбіта тікання.
 
 
Летіти нам далеко, так що ось ембієнт в дорогу:
  
 
Етап 2. Корекція траєкторії після покидання зони гравітаційного впливу Землі
Прискоренням часу промотувати політ то тих пір, поки вплив Землі (G внизу правого МФД) не опиниться менше 0,05. Перемикаємо лівий МФД в режим відстеження нас, а не Землі (Лівий Shift — S , By name , ввести ім'я корабля Lewis ).
 
 
 
Упс, ми занадто розігналися. Значить, по-перше, треба загальмувати.
 
 
 
Наступна проблема — незважаючи на наші старання, Юпітер опиниться позаду нас, коли ми опинимося на його орбіті. Тому нам треба змістити орбіту за годинниковою стрілкою. Для цього ми займаємо положення під кутом 90 градусів до вектору орбітальної швидкості, вручну, автопілота такого немає.
 
 
 
Займаємо необхідне положення і включаємо двигун. Корабель на курсі 90 градусів треба утримувати вручну, на щастя, це не складно. З точки зору балістики такий маневр — варварство, але, тим не менш, він працює:
 
 
Перемикаємо правий МФД в режим суміщення нахилень орбіт (Правий Shift — F1 , правий Shift — A ), вибираємо метою Юпітер (Правий Shift — T , Jupiter вибрати в меню).
 
 
 
Наступний вузол у нас спадний (Descending Node), тому корекція повинна бути «вгору» від площини польоту. Підказки ігноруємо, промотувати час до низхідного вузла.
 
 
Етап 3. Корекція траєкторії — поєднання нахилень орбіт.
 
 
 
Виявляється, Земля нас ще трохи загальмувала. Тому, крім суміщення орбіт, виконаємо ще й корекцію траєкторії. Підказка: у корабля дуже потужні двигуни орієнтації, невеликі зсуви можна давати ними в лінійному режимі.
 
 
 
Груба корекція проведена. Проведемо тут же точну корекцію. Перемкнемо правий МФД в режим Sync Orbit (Правий Shift — F1 , правий Shift — Y , вибрати мету правий Shift — T , вибрати Jupiter) і, згадуючи пост про стикування, маневруючи, зменшуємо параметр DTmin до значення близького до нулю.
 
 
 
Якось так. Значення коливатиметься, це нормально. Тепер вже включаємо прискорення до підльоту до Юпітера і довго чекаємо.
 
 
Етап 4. Корекція траєкторії при підльоті до Юпітера.
Ми провели хорошу корекцію, тому цей етап не потрібен. Але якщо у вас DTmin виросло більше мільйона, або з'явилися інші ознаки необхідності корекції, можете її провести на підльоті до Юпітера. Але не прагніть звести DTmin зовсім до нуля, інакше треба буде ухилятися від Юпітера, щоб вийти на орбіту, а не врізатися в нього.
 
 
Етап 5.Переход на орбіту навколо Юпітера.
 
Підлітаючи до Юпітера, переведемо лівий МФД в режим Orbit (Лівий Shift — F1 , лівий Shift — O , виберемо тіло звернення лівий Shift — R , Jupiter ). Перевіримо, що ми пролетимо повз, а не вріжемося в планету. У Orbiter'e Юпітер дуже красивий, показаний ефект обертається атмосфери. Дочекаємося перицентра, розгорнемо корабель проти вектора орбітальної швидкості і почнемо гальмувати.
 
 
 
Все, ми прилетіли!
 
 
 
 

Висновок

 Російськомовний мануал .
Для навігації: пости за тегом «Orbiter» .
    
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.