оставшейся части вещества.
То есть при равной начальной массе и кинетической энергии вещества, и равной эффективности механизмов преобразования энергии, мы получим примерно равный результат, хотя физические механизмы взаимодействия могут сильно отличаться.
Физический смысл всего этого манёвра заключается в том, что мы сбрасываем некоторую массу вещества в достаточно глубокую потенциальную яму, а часть высвобождающейся гравитационной энергии передаём другой массе вещества, в данном случае в виде кинетической энергии. В общем, обычная гидроэлектростанция, аналог водяной мельницы.
В данном случае мы сбросили 11 тонн льда из бесконечности в атмосферу Юпитера, с теоретическим гравитационным потенциалом 1,8 ГДж/кг; общие затраты энергии 20.000 ГДж; полезная кинетическая энергия вещества, опять улетевшего на бесконечность, 2,3 ГДж/кг, и всего энергии 11,5 ТДж. Стало быть, КПД нашей гравитационной мельницы 57 %, что немного меньше, чем КПД гравитационных гидроэлектростанций на Земле.
Правда, мы здесь оптимистично забыли, что сможем извлечь и использовать только часть этой кинетической энергии.
Если бы целью данного манёвра было просто улететь из системы Юпитера, то мы могли бы использовать всю энергию ракеты. Но наша цель другая — мы хотим получить замкнутый энергетический цикл, перерабатывающий вещество спутников Юпитера, и позволяющий выводить часть вещества и энергии за пределы системы для других потребителей.
Поэтому КПД рабочего цикла окажется меньше примерно на треть.
Если "сухой" вес ракеты 1 тонна, и она берёт на борт 9,5 тонн льда, то на выходе его останется 4 тонны. Эти 4 тонны будут улетать от Юпитера со скоростью 70 км/с, и их можно частично использовать для возобновления цикла, а частично отправить на другие нужды.
Саму ракету надо затормозить, развернуть и снова заправить, и на всё это уйдёт от 10 до 50 % полученной энергии, в зависимости от того, где брать воду (точнее мы определим немного позже). Так что за пределы системы мы сможем отправить всего 2–3 тонны льда, и 40–70 % полученной энергии.
Мы можем оценить мощность такой системы. При длительности цикла 12 суток, или миллион секунд, сухой массе ракеты 1000 кг, и энергии на выходе 5.000 ГДж, средняя мощность электростанции составит 5 МВт, а удельная мощность 5 кВт/кг сухого веса ракеты, что и не мало, и не много.
1.10 Экономичный
(низкоимпульсный) термо-кинетический двигатель
Раньше мы рассматривали (и ещё будем рассматривать в следующих частях) возможные типы двигателей на внешних ресурсах с точки зрения получения максимальной скорости и удельного импульса, для максимально эффективного разгона космических аппаратов.
Но есть задачи, для которых требуется только лишь вполне определённая скорость и величина изменения импульса, например, для массовой доставки потока грузов внутри околопланетной системы по экономичной траектории, и в этом случае для эффективного использования энергии и вещества оптимальным будет не слишком большой удельный импульс двигателя, примерно в 1,5–2 раза больший, чем требуемое приращение скорости груза.
В этом случае можно использовать двигатели с внешним нагревом газа за счёт разных источников энергии: электрическим, лазерным, за счёт химических реакций, или кинетической энергии. При этом также существуют два основных варианта способа размещения топлива (рабочего тела): внутри ракеты, или вне её, в частности неподвижно относительно поверхности планеты (в виде неподвижного топливного шнура или цепочки зарядов, как мы рассматривали когда-то давно для химического варианта).
Мы здесь рассмотрим для сравнения два типа систем с внешним кинетическим нагревом рабочего тела:
— ракетный двигатель (с внутренним запасом рабочего тела, и его внешним кинетическим нагревом), и
— безракетную стационарную систему с внешним хранением рабочего тела и его внешним кинетическим нагревом, (почти идентичную той, что была предложена для вывода грузов на околоземную орбиту, за исключением способа нагрева рабочего тела, что позволит получить больший удельный импульс, чем при химическом нагреве).
Для стационарной системы запуска ракет с крупных спутников Юпитера второй вариант лучше, но надо сравнить его с другими.
Какой именно тип двигателя, по способу нагрева и размещению рабочего тела, окажется наилучшим, будет определяться конкретными условиями, в частности, доступностью того или иного вида местного топлива. Я считаю более эффективными для начального разгона ракет системы с внешним стационарным размещением топлива (в виде шнура или капсул), но при небольших скоростях возможны и автономные варианты (ракетные).
Возможны более сложные модификации стартовой системы, с непрямым нагревом рабочего тела за счёт кинетической энергии, когда энергия вначале вырабатывается в стационарном генераторе, и затем подаётся к разгонным устройствам в электрическом виде. Такой вариант проще и удобнее с точки зрения управления и использования, при этом система с раздельным приёмом и использованием энергии может иметь высокий КПД, но требует больше начальных затрат при создании.
Для старта с небольших планет, размером примерно с Луну, возможны также пушечные (газовые) варианты, но они жизнеспособны при требуемой скорости не более 5–6 км/с. Электромагнитные катапульты не имеют такого ограничения, и могут быть эффективными для запуска небольших снарядов, но требуют значительных начальных затрат на создание системы.
Ракеты с обычным химическим топливом (кислородно-водородным или метановым) тоже могут быть жизнеспособны при скоростях до 5–6 км/с, при наличии источников получения такого топлива, но мне кажется, что расходы на получение и использование двухкомпонентного жидкого топлива будут выше, чем для термо-кинетического двигателя с внешним размещением рабочего тела и его внешним нагревом.
В системах Юпитера и Сатурна наиболее доступным веществом будет вода в виде льда, причём её запасы там очень велики, и в первую очередь надо рассматривать варианты использования воды в исходном виде.
Использование водорода даёт некоторые преимущества, но если его придётся получать из воды, то эффективность добычи топлива снизится на порядок, так как 90 % массы (в виде кислорода) пойдёт в отходы. Водородная топливная система оправдана в том случае, когда либо есть потребность в получаемом попутно кислороде (для нужд обитаемой станции), либо есть запасы водорода или хотя бы метана, чего следует ожидать в более холодных системах, либо непосредственно в атмосфере планет-гигантов, но извлекать топливо оттуда невыгодно.
Рассмотрим сначала варианты с водой.
Принцип нагрева топлива будет один и тот же, независимо от того, хранится это топливо (рабочее тело) в баках ракеты, или полностью вне её. Во втором случае более эффективно используется полученная газом энергия, но принцип нагрева газа во всех случаях будет один.
Допустим, у нас есть некоторая масса вещества (например льда, хотя в принципе можно использовать что угодно, даже силикатный песок), которую мы как-то смогли разогнать до скорости 70 км/с, относительно другой массы вещества (которую мы считаем неподвижной). Кинетическая энергия 1 кг носителей составляет 2450 МДж/кг.
При столкновении этого вещества с существенно большей массой (неподвижного) рабочего тела, в соотношении 1:150, выделится избыток
