лишнюю энергию.
В варианте с резинкой, которая сама выполняет также и функцию грузика, она совмещает уже три функции — 2, 3 и 4, и только придание ей начальной скорости выполняется другим устройством. Это хорошо в конструктивном смысле, но плохо с точки зрения энергии, так как способность материала к накоплению упругой энергии ограничена первыми десятками кДж/кг, и является тонким местом всей системы.
Помимо этого, упругость резинки при растяжении не постоянна и трудно управляема, что усложняет расчёт параметров и не позволяет грузу двигаться равномерно или с постоянным ускорением.
Поэтому мы уберём резинку. То есть, заменим её жёстким тросом. Преимущество этого в том, что трос при равной прочности намного легче резинки, что позволяет значительно увеличить его длину, а почти всю массу сосредоточить в виде дискретного груза на его конце, что улучшает энергетические параметры и упрощает расчёт траектории и управление.
Разматываясь под действием усилия натяжения, трос с прочностью 10ГПа (при плотности материала 2,5 г/см3) может передать на расстояние механическую энергию до 4 МДж/кг, в сотни раз больше, чем резинка. Но, он не может эту энергию запасти — только передать между двумя точками. Поэтому теперь потребуется отдельное устройство, которое эту энергию принимает, преобразует в другую форму, и (желательно) обратимо запасает.
В принципе, избыточную кинетическую энергию можно и просто рассеивать в тепло, пассивно тормозя трос с определённой силой во время его движения вверх вместе с грузом. Сила торможения, приложенная к движущемуся вверх тросу, будет поднимать аппарат независимо от того, преобразуется ли совершаемая работа далее в тепло, в химическую, упругую или электромагнитную энергию.
С силовой точки зрения, вариант с пассивным торможением троса не хуже других. Но если тормозное устройство сможет прикладывать силу к тросу только пока он движется вверх, и не будет потом активно тянуть груз обратно, получая дополнительный импульс во время его добавочного ускорения вниз, то полёт продлится меньше по времени и дальности. При этом уменьшится вес бортовых устройств, но увеличится расход энергии.
В более экономичном варианте, можно при движении троса вверх тормозить его устройством, обратимо переводящим энергию в другую форму для её последующего использования, например электрическую, химическую и т. д. Тогда, после достижения равенства скоростей груза и аппарата (минимума кинетической энергии), можно за счёт запасённой энергии ещё некоторое время тянуть груз вниз с ускорением, получая дополнительный импульс. Хотя, снова разгонять груз до максимальной скорости, видимо, не следует, так как тогда появится проблема утилизации кинетической энергии при возвращении груза на поверхность или в приёмное устройство, и общий расход энергии возрастёт.
Вероятно, самым экономичным будет вариант, когда при вытягивании троса вверх он тормозится "квазиупругим" устройством, типа обратимого электрического генератора, и высвобождаемая кинетическая энергия запасается, так же, как это было бы при использовании резинки; но потом, при втягивании троса обратно, лишь небольшая часть этой энергии снова передаётся грузу, (то есть усилие при втягивании груза обратно должно быть меньше, чем при его движении вверх). Тогда кинетическая энергия груза при его возвращении (на поверхность или аппарат) будет существенно меньше, и снимается проблема её почти мгновенной утилизации приёмным устройством (или потери при ударе о грунт).
Менее экономичным, но более простым технически, будет вариант, когда большая часть (или вся) энергия при торможении троса рассеивается механическим тормозом, но потом, при втягивании троса обратно, к нему прикладывается некоторая сила активным устройством (электродвигателем или обратимым генератором в режиме двигателя), для того, чтобы обеспечить управляемое втягивание и сматывание троса и возвращение груза в точно определённое место. При этом возвращающая сила может быть в несколько раз меньше, чем пассивная при торможении (аналог "плохой резинки" с большой диссипацией энергии).
При любом варианте, лучше иметь несколько грузов (2 или более), летящих под разными углами к горизонту, для обеспечения максимальной длительности, дальности и равномерности полёта, и мягкой посадки. Это позволит на протяжении всего полёта создавать необходимые по величине и направлению силы, и управлять движением грузов и самого аппарата.
В отличие от резинки, упругие свойства которой изначально заданы и их трудно регулировать, силу, приложенную к жёсткому тросу, можно мгновенно изменять, что позволит в любой момент создавать нужные по величине силы, и даже произвольно маневрировать в некоторых пределах.
Эти варианты различаются экономичностью (то есть степенью повторного использования энергии), и весом бортовых устройств для преобразования энергии; но максимальная дальность и время полёта у них будут сравнимыми, и определяться тем, какую начальную скорость может придать грузу бортовая катапульта. (При прочих равных условиях, дальше всех прыгнет самый лёгкий из аппаратов, то есть с наиболее простой и экономной конструкцией вспомогательных устройств, обеспечивающей их минимальный вес, хотя по расходу энергии он может быть не лучшим).
При прочности троса в 10 ГПа, и начальной скорости груза в 1 км/с, максимальная скорость аппарата может достичь 500 м/с, а дальность и высота полёта (на Луне) 50-100 км, при времени непрерывного полёта 5–7 минут. При этом ускорение (вагончика с туристами) при старте, на протяжении всего полёта и при посадке может не превышать 1 g.
9.4 Лунный вертолёт на планете Земля
На Земле есть атмосфера; где то она мешает, где то помогает, но в целом это скорее преимущество, чем недостаток.
Мы можем точно также выстрелить вверх груз со скоростью 200–300 м/с, и он достигнет высоты в несколько километров. Только теперь он не должен быть настолько тяжёлым: на Луне мы могли использовать только силы инерции и опору на грунт; на Земле есть ещё воздух.
В верхней точке, на высоте 2–3 км, раскроем лёгкий зонтик или купол, или складной/надувной ротор, и станем тянуть его лебёдкой вниз (а летательный аппарат, соответственно, вверх). Если купол достаточно большой, то скорость его движения вниз будет менее 10 м/с, а время движения 3–5 минут, что позволит улететь на несколько километров.
В качестве транспортного средства такой аппарат всё же будет не очень удобным (хотя он позволит, например, бесшумно взлетать в условиях городской застройки); но подобное устройство может иметь интересное применение в качестве части ветроэнергетической установки.
Мы можем пойти дальше, и последовательно усовершенствовать нашу машину для земных условий. Например, ротор можно сделать активным (с собственным приводом); а чтобы не передавать энергию на большое расстояние, и эффективно компенсировать момент вращения, вместо длинного троса возьмём короткую жёсткую штангу или вал… такая машина имеет множество достоинств, и только один недостаток — она уже существует. Но хорошая юридическая компания наверняка смогла бы запатентовать её.
9.5 Прыгоходы: самый эффективный тип транспорта с точки зрения экономичности и, особенно, проходимости, но до сих
