Человечество около четырех десятков лет топталось на орбите земли, но сегодня их взгляд устремился в глубины космоса. Теперь мы заинтересованы в изучении Луны, Марса и различных астероидов. Но долететь до них на существующей технике не выйдет, так как эта затея дорогостоящая.
Если рассматриваться доставку 1 кг груза на МКС, то она обходится в 20000 $, не зависимо будет ли его доставлять американский Шаттл или это осуществить отечественный «Прогресс». Дороговато конечно, но при небольших объемах и научно-коммерческих интересах – это терпимо. Но для создания и осуществления космических миссий на Марсе или даже Луне необходимо, куда большие затраты. Ведь нужно создать многотонные орбитальные комплексы, с большими запасами продовольствия, питьевой воды и различного оборудования для работы и научных исследований. Да проблема не только в финансах. На сегодняшний день не существует еще такого летательного аппарата, который смог бы все необходимое доставить в точку назначения.
Хотя некоторые физики из центра НАСА утверждают, что эта проблема будет решена в 2020 году. Для этих целей будут использоваться рельсовые электромагнитные катапульты (рейлган) и гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД). На основе данных идей команда ученных НАСА пытается создать совершено новую схему доставки грузов в космос, которая имеет название eLaunch Hypersonic Launch Vehicles (EHLV).
Как все это будет работать?
Для этих целей будет создан летающий аппарат на подобии Шаттла, но зубило подобной формы, который будет оснащен гиперзвуковыми двигателями. Такой летательный аппарат будет запускаться в небо при помощи электромагнитной катапульты, которая способна обеспечить разгон аппарата до 1800 км/ч. Длина стартовой площадки составляет 3 км, а потребляемая мощность при пуске будет приравниваться к потреблению электроэнергии небольшим городом в год(!). При затухании инерции при полете будут включены турбореактивные двигатели, которые выведут летательный аппарат до нового скоростного уровня 4500 км/ч, при этом стрелка спидометра упадет к показателю в 10Махов. При достижении высоты в 65 км, от корабля отделится грузовой модуль. При этом экипаж отправится обратно на Землю за новой партией груза, а грузовой отсек отправится к орбитальному терминалу при помощи своих двигателей. Такой летательный аппарат способен осуществить до нескольких взлетов в сутки, а стоимость таких перевозок будет исчисляться 1000 долларов США за 1 кг груза. И то эта стоимость максимально предельная, так как рассчитывалась для первичных пусков.
Сила Лоренца.
Рельсотрон длиной в 3 км – это основной элемент стартового комплекса EHLV. Мощность такой системы будет приравниваться 240 000 лошадиных сил. Сила Лоренца за 60 секунд сможет разогнать аппарат до скорости 1,5 Маха, а перегрузка при плавном нарастании скорости будет небольшой – 3g. Если сравнивать, то чуть меньшую нагрузку испытывают пассажиры авиалайнера при взлете и меньше, чем при выполнении виражей на военных самолётах.
Рельсотрон состоит из двух параллельных рельсов, которые запитаны электроэнергией, и проводниковой перемычки, которая способна разгонять аппарат за счет силы Лоренца. Основное преимущество такой системы пуска – это высокая скорость разгона снаряда. Такие системы уже применялись при разгоне объектов небольшой массы (невесомого сгустка плазмы, небольшого снаряда весом в несколько килограммов).
Другим земным ускорителем может выступить пушка Гаусса, которая является наиболее зрелой технологией в условиях современности. Такая система запуска основана на последовательности индуктивных катушек, которые вырабатывают магнитное поле и тем самым разгоняют снаряд. Включение катушек происходит последовательно друг за другом, как будто они «сопровождают» груз на выход. Разогнать груз до большой скорости пока сложно, так как такой процесс требует большой быстроты переключения индукционных катушек.
На данный момент американцы разрабатывают синхронные электродвигателя, в которых катушки поочередно создают магнитное поле, что и приводит в действие толкающий двигатель и тем самым дает возможность разогнаться всему аппарату.
На сегодняшний день НАСА имеет богатый опыт в сфере разработок электромагнитных ускорителей. НАСА с участием компании Maglev 2000 разработало концептуальную модель Maglifter – рельс длиной 4,8 км, который вписан в ландшафт стартового комплекса на мысе Канаверал, заключен в оболочку их кольцевых сверхпроводящих магнитов, которые способны удерживать летательный аппарат весом 450 тон на высоте 95 мм над треком.
Модель Maglifter:
Ученые считают, что ускоритель Maglifter сможет разгонять многоразовый космический самолет Argus до скорости в 890 км/ч, после чего будут включены двигатели, которые работают в атмосфере и за ее пределами на смеси водорода и кислорода. Также ученные утверждают, что такую стартовую площадку необходимо разместить на высокогорном плато, так как там снижается воздушное сопротивление, что приведет к уменьшению потребления топлива на 30%.
Но проект Maglifter так и остался на бумаге. НАСА отдает предпочтение проведению запусков на 150 метровом рельсотроне, который разгоняет беспилотные модули весом 2,6 тонн.
Гаусс остается актуальным.
Хоть использование электромагнитных ускорителей для многих считаются экзотической технологией, они нашли свое место в жизни. Компания Vekoma, которая специализируется на создании и производстве аттракционов хай-энд, создала на основе этой технологии установку для развлекательного комплекса DisneyWorld во Флориде.
Управление ВМФ США заинтересовала работа голландских инженеров, и они решили привлечь их для разработки EMALS – электромагнитного устройства для запуска самолётов с авианосцев.
При разработке аттракциона инженеры создали электромагнитный ускоритель, который разгоняет тележки до скорости 100 км/ч за 2,8 секунды. А система EMALS выстреливает многотонные боевые самолеты.
Проект EMALS считается перспективным для создания EHLV. Катапульта EMALS в данный момент проходит тестирование на военной базе ВМФ в Лейкхерсте.
В прошлом году на этой базе было осуществлено около 700 пробных запусков беспилотных модулей, и финальным аккордом стал запуск пилотируемого истребителя-бомбардировщика F/A-18E Super Hornet.
Проект EMALS считается сложнейшей электромагнитной установкой, масса которой составляет 225 тонн. Она состоит из генераторов импульсного действия, сложной системы управления и линейного синхронного электродвигателя, мощность которого составляет 100000 л.с. Такой двигатель можно назвать пушкой Гаусса. Он создан из двух спаренных вертикальных С-образных статоров с медной обмоткой, которые расположены друг от друга на расстоянии 2,5 см, а также 7 метрового подвижного снаряда оснащенного 160 неодимовыми магнитами. Перемещение снаряда и наружной траверсы-захвата осуществляется в горизонтальной плоскости при помощью специальных катков. Каждый статор имеет длину 103 метра и разделен на 149 сегментов (длина 64 см и толщина 7,6 см). Двигатель имеет КПД 70%. Остальные 30% расходуются в виде тепла. Энергетическая волна может преодолевать стометровое расстояние за несколько секунд, при этом сердечник статора нагревается до температуры 1550°С. Специальная система охлаждения позволяет снизить нагрев до 750°С за короткий промежуток времени равный 45 секундам. Если судить о процессе нагревания, то нагрев модели, которая будет создана для запуска космических кораблей, будет большим. Поэтому ученым следует задуматься о создании более производительной системы охлаждения.
Существует еще одна проблема при создании космических электромагнитных катапульт – это новые аккумуляторы, которые будут способны накопить достаточное количество электроэнергии, чтобы в последствии произвести значительный импульс. В системе EMALS данную функцию выполняет две пары роторных генератора, которые имеют пару маховиков весом 36,3 тонны(!). На атомных авианосцах электроэнергия от реактора будет раскручивать аж 6 таких маховиков до скорости 6400 об/мин за 42 секунды. Но что будет применяться в системе EHLV пока не известно.
Как разогнать летательный аппарат на сверхнизких высотах?
Будем надеяться, что инженерам из НАСА удастся создать мощную установку для запуска космических аппаратов (рейлган). Но если самолет оторвется от разгоняющей платформы, он будет терять ускорение при прохождении через атмосферу. Такой самолет надо снабдить комбинированной силовой установкой, которая объединит в себе турбореактивный двигатель с максимальной скоростью разгона 4 Маха, и прямоточный воздушно-реактивный двигатель с гиперзвуковым двигателем. Также предусмотрена установка ракетных двигателей для орбитального маневрирования.
Ученые утверждают, что скоростную планку с 5 Махов можно поднять до 25 Махов. Это можно добиться при создании особой геометрической формы корпуса самолета
В осуществление программы EHLV вовлечены все подразделения НАСА. Исследовательские и конструкторские центры им. Лэнгли, Драйдена и Эймса занимаются разработкой самих гиперзвуковых летательных аппаратов. Центры им. Кеннеди, Годдарда, Драйдена и Маршалла работают над созданием электромагнитной катапульты. В Центре им. Кеннеди будет сооружен первый испытательный стенд, длина которого будет составлять 3 км. В течении этого года НАСА сделает выбор в сторону одной из технологий, а уже в 2012-2013 годах начнется строительство трехкилометровой пусковой площадки. По предварительным прогнозам в 2016 году в космос отправится первый испытательный модуль длиной 10 метров и весом 4 тонны. К концу этого десятилетия ученные НАСА должны создать первый гиперзвуковой летательный аппарат, который будет весить 12 тонн и разгоняться до предела 6 Махов. А в 2021 году НАСА планирует доставить на орбиту при помощи гиперзвукового пилотируемого модуля первый спутник.
Если рассматриваться доставку 1 кг груза на МКС, то она обходится в 20000 $, не зависимо будет ли его доставлять американский Шаттл или это осуществить отечественный «Прогресс». Дороговато конечно, но при небольших объемах и научно-коммерческих интересах – это терпимо. Но для создания и осуществления космических миссий на Марсе или даже Луне необходимо, куда большие затраты. Ведь нужно создать многотонные орбитальные комплексы, с большими запасами продовольствия, питьевой воды и различного оборудования для работы и научных исследований. Да проблема не только в финансах. На сегодняшний день не существует еще такого летательного аппарата, который смог бы все необходимое доставить в точку назначения.
Хотя некоторые физики из центра НАСА утверждают, что эта проблема будет решена в 2020 году. Для этих целей будут использоваться рельсовые электромагнитные катапульты (рейлган) и гиперзвуковые прямоточные воздушно-реактивные двигатели (ГПВРД). На основе данных идей команда ученных НАСА пытается создать совершено новую схему доставки грузов в космос, которая имеет название eLaunch Hypersonic Launch Vehicles (EHLV).
Как все это будет работать?
Для этих целей будет создан летающий аппарат на подобии Шаттла, но зубило подобной формы, который будет оснащен гиперзвуковыми двигателями. Такой летательный аппарат будет запускаться в небо при помощи электромагнитной катапульты, которая способна обеспечить разгон аппарата до 1800 км/ч. Длина стартовой площадки составляет 3 км, а потребляемая мощность при пуске будет приравниваться к потреблению электроэнергии небольшим городом в год(!). При затухании инерции при полете будут включены турбореактивные двигатели, которые выведут летательный аппарат до нового скоростного уровня 4500 км/ч, при этом стрелка спидометра упадет к показателю в 10Махов. При достижении высоты в 65 км, от корабля отделится грузовой модуль. При этом экипаж отправится обратно на Землю за новой партией груза, а грузовой отсек отправится к орбитальному терминалу при помощи своих двигателей. Такой летательный аппарат способен осуществить до нескольких взлетов в сутки, а стоимость таких перевозок будет исчисляться 1000 долларов США за 1 кг груза. И то эта стоимость максимально предельная, так как рассчитывалась для первичных пусков.
EHVL – это комбинация сбалансированной системы электромагнитной рельсовой конструкции и 4 реактивных двигателей, каждый из которых выполняет свою функцию. Грузовой модуль имеет свои двигатели-носители и отделяется от самолета на скорости 10 Махов.
Сила Лоренца.
Рельсотрон длиной в 3 км – это основной элемент стартового комплекса EHLV. Мощность такой системы будет приравниваться 240 000 лошадиных сил. Сила Лоренца за 60 секунд сможет разогнать аппарат до скорости 1,5 Маха, а перегрузка при плавном нарастании скорости будет небольшой – 3g. Если сравнивать, то чуть меньшую нагрузку испытывают пассажиры авиалайнера при взлете и меньше, чем при выполнении виражей на военных самолётах.
Рельсотрон состоит из двух параллельных рельсов, которые запитаны электроэнергией, и проводниковой перемычки, которая способна разгонять аппарат за счет силы Лоренца. Основное преимущество такой системы пуска – это высокая скорость разгона снаряда. Такие системы уже применялись при разгоне объектов небольшой массы (невесомого сгустка плазмы, небольшого снаряда весом в несколько килограммов).
Другим земным ускорителем может выступить пушка Гаусса, которая является наиболее зрелой технологией в условиях современности. Такая система запуска основана на последовательности индуктивных катушек, которые вырабатывают магнитное поле и тем самым разгоняют снаряд. Включение катушек происходит последовательно друг за другом, как будто они «сопровождают» груз на выход. Разогнать груз до большой скорости пока сложно, так как такой процесс требует большой быстроты переключения индукционных катушек.
На данный момент американцы разрабатывают синхронные электродвигателя, в которых катушки поочередно создают магнитное поле, что и приводит в действие толкающий двигатель и тем самым дает возможность разогнаться всему аппарату.
На сегодняшний день НАСА имеет богатый опыт в сфере разработок электромагнитных ускорителей. НАСА с участием компании Maglev 2000 разработало концептуальную модель Maglifter – рельс длиной 4,8 км, который вписан в ландшафт стартового комплекса на мысе Канаверал, заключен в оболочку их кольцевых сверхпроводящих магнитов, которые способны удерживать летательный аппарат весом 450 тон на высоте 95 мм над треком.
Модель Maglifter:
Ученые считают, что ускоритель Maglifter сможет разгонять многоразовый космический самолет Argus до скорости в 890 км/ч, после чего будут включены двигатели, которые работают в атмосфере и за ее пределами на смеси водорода и кислорода. Также ученные утверждают, что такую стартовую площадку необходимо разместить на высокогорном плато, так как там снижается воздушное сопротивление, что приведет к уменьшению потребления топлива на 30%.
Но проект Maglifter так и остался на бумаге. НАСА отдает предпочтение проведению запусков на 150 метровом рельсотроне, который разгоняет беспилотные модули весом 2,6 тонн.
Гаусс остается актуальным.
Хоть использование электромагнитных ускорителей для многих считаются экзотической технологией, они нашли свое место в жизни. Компания Vekoma, которая специализируется на создании и производстве аттракционов хай-энд, создала на основе этой технологии установку для развлекательного комплекса DisneyWorld во Флориде.
Мы предлагаем визуально прокатиться на аттракционе от компании Vekoma:
Управление ВМФ США заинтересовала работа голландских инженеров, и они решили привлечь их для разработки EMALS – электромагнитного устройства для запуска самолётов с авианосцев.
При разработке аттракциона инженеры создали электромагнитный ускоритель, который разгоняет тележки до скорости 100 км/ч за 2,8 секунды. А система EMALS выстреливает многотонные боевые самолеты.
Проект EMALS считается перспективным для создания EHLV. Катапульта EMALS в данный момент проходит тестирование на военной базе ВМФ в Лейкхерсте.
Мы рекомендуем вам посмотреть видео об испытаниях электромагнитной катапульты EMALS:
В прошлом году на этой базе было осуществлено около 700 пробных запусков беспилотных модулей, и финальным аккордом стал запуск пилотируемого истребителя-бомбардировщика F/A-18E Super Hornet.
Проект EMALS считается сложнейшей электромагнитной установкой, масса которой составляет 225 тонн. Она состоит из генераторов импульсного действия, сложной системы управления и линейного синхронного электродвигателя, мощность которого составляет 100000 л.с. Такой двигатель можно назвать пушкой Гаусса. Он создан из двух спаренных вертикальных С-образных статоров с медной обмоткой, которые расположены друг от друга на расстоянии 2,5 см, а также 7 метрового подвижного снаряда оснащенного 160 неодимовыми магнитами. Перемещение снаряда и наружной траверсы-захвата осуществляется в горизонтальной плоскости при помощью специальных катков. Каждый статор имеет длину 103 метра и разделен на 149 сегментов (длина 64 см и толщина 7,6 см). Двигатель имеет КПД 70%. Остальные 30% расходуются в виде тепла. Энергетическая волна может преодолевать стометровое расстояние за несколько секунд, при этом сердечник статора нагревается до температуры 1550°С. Специальная система охлаждения позволяет снизить нагрев до 750°С за короткий промежуток времени равный 45 секундам. Если судить о процессе нагревания, то нагрев модели, которая будет создана для запуска космических кораблей, будет большим. Поэтому ученым следует задуматься о создании более производительной системы охлаждения.
Существует еще одна проблема при создании космических электромагнитных катапульт – это новые аккумуляторы, которые будут способны накопить достаточное количество электроэнергии, чтобы в последствии произвести значительный импульс. В системе EMALS данную функцию выполняет две пары роторных генератора, которые имеют пару маховиков весом 36,3 тонны(!). На атомных авианосцах электроэнергия от реактора будет раскручивать аж 6 таких маховиков до скорости 6400 об/мин за 42 секунды. Но что будет применяться в системе EHLV пока не известно.
Как разогнать летательный аппарат на сверхнизких высотах?
Будем надеяться, что инженерам из НАСА удастся создать мощную установку для запуска космических аппаратов (рейлган). Но если самолет оторвется от разгоняющей платформы, он будет терять ускорение при прохождении через атмосферу. Такой самолет надо снабдить комбинированной силовой установкой, которая объединит в себе турбореактивный двигатель с максимальной скоростью разгона 4 Маха, и прямоточный воздушно-реактивный двигатель с гиперзвуковым двигателем. Также предусмотрена установка ракетных двигателей для орбитального маневрирования.
Ученые утверждают, что скоростную планку с 5 Махов можно поднять до 25 Махов. Это можно добиться при создании особой геометрической формы корпуса самолета
В осуществление программы EHLV вовлечены все подразделения НАСА. Исследовательские и конструкторские центры им. Лэнгли, Драйдена и Эймса занимаются разработкой самих гиперзвуковых летательных аппаратов. Центры им. Кеннеди, Годдарда, Драйдена и Маршалла работают над созданием электромагнитной катапульты. В Центре им. Кеннеди будет сооружен первый испытательный стенд, длина которого будет составлять 3 км. В течении этого года НАСА сделает выбор в сторону одной из технологий, а уже в 2012-2013 годах начнется строительство трехкилометровой пусковой площадки. По предварительным прогнозам в 2016 году в космос отправится первый испытательный модуль длиной 10 метров и весом 4 тонны. К концу этого десятилетия ученные НАСА должны создать первый гиперзвуковой летательный аппарат, который будет весить 12 тонн и разгоняться до предела 6 Махов. А в 2021 году НАСА планирует доставить на орбиту при помощи гиперзвукового пилотируемого модуля первый спутник.
