Космический старт с помощью модифицированной пушки Гаусса (стр. 3 )

12. Для получения энергии для старта используем солнечные батареи. Считаем среднюю энергию на кВ. м 1кВт, световой день 10 часов, эффективность солнечных батарей 25% (уже реально испытанные образцы), тогда для получения 4*1012Дж за световой день необходимо 4*105кв. м солнечных батарей, что составляет квадрат 650*650м, если энергию аккумулировать не за один, а за несколько дней, то достаточно будет батарей 200*200м.

13. Рассчитаем емкость конденсаторов, которые необходимы для запасания энергии старта (при питающем напряжении 1МВ): C=2E/U2=8*1012/(1*1012)=8Ф, при длине ствола 2000м и длине сегмента 1,5м получаем, что нужно установить около 1300 конденсаторов. Если учесть, что плотность энергии в современном конденсаторе достигает 2*109 Дж/куб. м, то объем каждого конденсатора составит примерно 1.5куб. м.

14. Приведенные цифры максимальные, все системы находятся в предельных режимах, для большей надежности старта возможно потребуется уменьшить массу снаряда или увеличить длину тоннеля, или уменьшить магнитное поле. Также нужно учитывать, что управлять тоннелем невозможно, так что параметры орбиты придется менять с помощью двигателя. Также нужно учесть, что для успешного прохождения через атмосферу снаряд должен иметь удлинение порядка 1:6 и более (результаты артиллерийский испытаний). Если предположить, что средняя плотность снаряда равна плотности воды, то получим формулу массы снаряда M=πR2*12R*1000, если исходить из массы снаряда 26т, то получаем диаметр снаряда порядка 1,8м, длину 11м. Если диаметр шахты выбран 3м, то получается, что выталкивающий сверхпроводник будет представлять собой шайбу диаметром 3м и длиной 1,5м, на которой установлен снаряд диаметром 1,8м и длиной 11м. Даже если в итоге полезная масса запускаемого снаряда составит не 16т, а 8-10т – это уже будет очень хорошо. Запуски можно производить каждый день и стоимость запуска будет очень низкая. Фактически это будет новый уровень освоения космического пространства.

15. Рассчитаем экономическую эффективность использования пушки Гаусса для вывода грузов в космос. Учитывая, что на ствол пушки действует атмосферное давление, а также значительные импульсные перегрузки при пролете снаряда, сопоставимые с нагрузками на ствол обычной пушки, выбираем толщину стенки 2*30см (внутренняя и наружняя стенки). Естественно, для правильного выбора толщины нужен прочностной расчет. При длине 2км и такой толщине стенки, потребуется 12000куб. м керамики. Полный объем конденсаторов составит 2000куб. м, с запасенной энергией 4*1012Дж. Для удобства данные для ствола диаметром 3м сведены в таблицу 1.

Ресурс	ед. измерения	количество	цена с монтажем	Сумма
керамика на ствол	т	48 000	150 000	7 200 000 000
бетон (арматура, фундаментные работы)	куб. м	240 000	9 000	2 160 000 000
медная шина	т	4 342	380 000	1 649 960 000
конденсаторы	Дж	4E+12	0,1	400 000 000 000
неодимовый лазер	шт	3 900	250 000	975 000 000
электростанция на солнечных батареях	мВт	110	60 000 000	6 600 000 000
Сильноточные ключи	шт	3 900	100 000	390 000 000
коммуникации, строительные работы	комплект	1	300 000 000	300 000 000
системы управления и автоматизации	комплект	1	500 000 000	500 000 000
проектирование и разрешительная документация	комплект	1	1 384 247 200	1 384 247 200
		ИТОГО	млн. руб	421 159,2
Поступления от коммерческих запусков в космос
Стоимость запуска в космос 1т груза	5 000 000	$	на рынке установились цены
То же, в рублях	150 000 000	руб	6-10млн. долл. за тонну
Полезный груз в одном запуске	16	т	поэтому 5млн. долл - очень хорошая
количество запусков в год	48		цена
всего вывод на орбиту тонн в год	768
всего поступления от запусков	115 200,0	Млн. руб.	Срок окупаемости проекта:
затраты 10%	11 520,0		годы
			4,1	Без учета времени стройки
итого чистая прибыль в год	103 680,0	Млн. руб.	6,1	с учетом времени стройки
Таблица 1.

Видно, что основные затраты на проект – это конденсаторы. Если удастся оптимизировать стоимость конденсаторов, то себестоимость можно значительно снизить и проект окупится очень быстро.

16. Рассмотрим временную диаграмму запуска снаряда из пушки Гаусса. После установки снаряда в шахту и последующей зарядки каждого конденсатора все готово к старту. Старт начинается с включения электрозапала пороховой смазки. Рассмотрим работу пушки в процессе полета снаряда в канале. При подходе выталкивающей части снаряда в очередному сегменту срабатывает коммутатор запуска сегмента. После этого (с определенной задержкой, зависящей от скорости снаряда) срабатывает первый ключ (рис.4) – ток в сегменте катушки начинает нарастать. Он достигает расчетной величины за время меньше 10-4сек, после этого на первый ключ подается сигнал на размыкание (время отработки порядка 10-3сек) и одновременно замыкается второй ключ – он запускает ток катушки по кругу. Время выключения кроубаров порядка 10-2-10-3сек (определяется временем рассасывания рабочего газа в зазоре разрядника). Самое главное для ключей – отсутствие электрического пробоя в разрядном пространстве, включение должно происходить только с помощью лазерной искры, иначе невозможно будет правильно отрегулировать момент пуска тока и КПД старта значительно снизится. Чтобы не происходило самопроизвольного пробоя, подбирается рабочий газ (например, элегаз), величина и форма разрядника и его давление. За время выключения первого ключа ток сегмента замыкается на втором ключе. Ключи имеют конечную проводимость, но за время работы ключей выделение энергии незначительное для такого масштаба процессов. (Е=RI2t=10-3*1012*10-3=106Дж – соответствуют теплоте сгорания 30л природного газа). После пролета снарядом сегмента (время пролета зависит от номера сегмента) – открывается третий ключ (этот разрядник включается без лазера, просто напуском газа до нужного давления, т. к. большой точности включения тут не требуется), отключается второй – и по мере угасания тока через второй ключ, ток сегмента начинает переводиться в линию зарядки аккумуляторов для рекуперации и питания следующего запуска.

17. За время порядка 10-2сек до вылета срабатывает гексогеновая накладка на крышку пусковой шахты – и уничтожает ее до мелких осколков, безопасных для пролетающего снаряда. Одновременно «вышибные» заряды выбрасывают осколки из ствола (рис.6). В качестве материала для производства крыши предлагается использовать лед соответствующей толщины, либо материал Пайкерит [6 ] – это смесь льда и наполнителя, например, опилок. По прочности он в два раза хуже бетона – но это при нулевых температурах. При охлаждении до азотных температур его прочность может быть очень высокой. При этом даже при нулевых температурах Пайкерит выдерживает выстрел из пистолета – и повреждается очень незначительно. Из этого материала был в середине прошлого века построен корабль весом около 1100 тонн. При выходе из ствола отстреливается несущий магнит – и добавляет несколько процентов к импульсу снаряда.

18. Рассмотрим также очень важный вопрос прочности пушки Гаусса. Мы уже определили, что на снаряд со стороны пушки действует выталкивающая сила порядка 109н, связи с этим возникают две проблемы – динамическая и статическая нагрузки на конструкции. Во первых значительная часть (порядка 0,05-0,15) от полной нагрузки приложена к последнему сегменту катушки – но действует короткое время порядка 10-2-10-4сек, т. е. фактически это очень сильный удар. И во вторых все время движения снаряда (0,33-0,13сек) эта сила статически действует на ствол, никакой ствол такого усилия не выдержит и просто сломается. Это усилие соответствует весу крупного небоскреба, поэтому ствол нужно усилить бетоном соответствующей толщины, как минимум 100кв. м железобетона в сечении, также эту бетонную направляющую нужно укрепить свайным полем на всем протяжении. (Пушка Гаусса должна монтироваться почти вертикально вдоль горного склона). Может быть даже придется делать более объемную конструкцию типа небоскреба, чтобы компенсировать возникающие моменты сил при возможном изгибе ствола. Что касается импульсной нагрузки, то она действует прежде всего на медную обмотку. При сохранении того же сечения, можно оптимизировать вид обмотки – сделать медную шину плоской, толщиной 2см и шириной 13см (при этом периметр ее сечения составит 30см, что тоже имеет значение). Рассчитаем общую площадь шины на 15 витков, на которую действует импульсная нагрузка S=2πRN*0.13=19кв. м, при этом давление получается (с учетом того, что на последнюю катушку действует порядка 10% общей выталкивающей силы) Р=109н*0.1/19кв. м=5,2*106Па. Предел текучести меди составляет 7-25*107Па [7], т. е. в таком виде обмотка выдерживает удар. Но на обмотку также действует еще и давление магнитного поля – и это уже фактор на пределе возможности меди. (п.4) Также нужно еще учитывать эффект, что при таких сильных импульсных полях возникают вихревые токи, которые вытесняются на поверхность проводника (вот почему периметр 30см лучше, чем 20см для квадратного сечения), при импульсных полях порядка 40Тл уже возникает очень сильный и неоднородный нагрев поверхности, при 80Тл внешний слой проводника начинает плавиться [7]. При этом в месте локального нагрева сильно возрастает сопротивление, тепловыделение при этом увеличивается – и жидкий металл выстреливает под действием магнитного поля, образуя каверны. Хотя при расчете получились заметно меньшие поля, но нужно учитывать, что у больших соленоидов поле у стенки может раза в 2 превосходить поле в центре, а также еще нужно учитывать, что расчетное поле – величина условная, это оптимальное поле для выталкивания снаряда, но при реальном выстреле поле может быть значительно больше, поэтому все параметры катушки должны иметь запас прочности. В разрезе стенка керамического ствола пушки Гаусса имеет внешний и внутренний прочный ствол. При этом внешняя часть ствола имеет выступающую «резьбу» на внутренней стороне цилиндра, витки резьбы имеют толщину 6см и высоту 20см, между витками навита медная шина размером 2*13см в сечении, каждый гребень резьбы входит на 7см в ответный паз в резьбе на внутреннем стволе пушки . Такая конструкция должна выдерживать нагрузки при выталкивании снаряда и нагрузки, связанные с давлением магнитного поля. При этом ствол должен быть прочно закреплен в бетонном ложементе, чтобы скомпенсировать изгибающие нагрузки. Что касается запусков к другим планетам, то нагрузки будут такие же, т. к. выводимый груз будет меньше примерно в три раза. Также очень важный вопрос – расположение лазерных ключей. Они должны быть как можно ближе к месту ввода тока в объем ствола, каждый ключ заключен в своем корпусе и имеет вакуумный насос. И обязательно нужно охлаждение ствола пушки и катушек например до азотных температур, т. к. при этом падает омическое сопротивление (у меди – очень сильно, у бронз – послабее) и возрастает прочность материалов обмотки.