Проект орбитального лифта на основе МКС.

«Орбитальный лифт Агапова», проект упрощенной разновидности космического лифта, трос которого подвешен к МКС, летающей на орбите высотой около 1,5 – 3 тысяч километров, доставая концом до низкой, околоземной орбиты. Такой вариант космического лифта не самый эффективный, но относительно постой и дешевый в реализации. Трос орбитального лифта, может быть изготовлен из доступных материалов, таких как кевлар или углепластик. Орбитальный лифт, не может полностью заменить ракеты, но может увеличить их грузоподъемность на 30 – 50% и более. В перспективе, за счет постепенной модернизации, орбитальный лифт, может быть преобразован в стационарный лифт, способный поднимать грузы в космос с земли.

Проект орбитального лифта, это доступный компонент космической транспортной инфраструктуры будущего. Который можно реализовать, когда закончится срок эксплуатации МКС.

Концепция стационарного космического лифта.

Космический лифт, считается одним из перспективных компонентов космической транспортной инфраструктуры будущего. Так как это механическое средство доставки грузов в космос, позволяющее полностью отказаться от дорогих ракет.

По принципу устройства космический лифт, это длинный трос, подвешенный к массивному противовесу, расположенному на геостационарной орбите, скорость вращения на которой совпадает со скоростью вращения земли. Поэтому спутники, на геостационарной орбите, «Висят» неподвижно относительно земной поверхности. И теоретически можно натянуть длинный трос, между массивным грузом, «Висящим», чуть выше геостационарной орбиты, и земной поверхностью.

Такой, неподвижный трос, ведущий на геостационарную орбиту, может служить простым и дешевым средством доставки грузов в космос. Поднимать грузы на орбиту по тросу можно полностью механическим способом. Для этого не нужны реактивные двигатели. Не нужны ракеты, стоящие больших денег и сжигающие топлива в 30 раз больше выводимой ими полезной нагрузки.

Недостатки концепции космического лифта.

Но… у стационарного космического лифта есть свои недостатки, из-за которых его нельзя воплотить в реальности на современном уровне технологий. Такие как:

Высокая нагрузка на трос. Главный недостаток космического лифта, это запредельно большая нагрузка, которую должен испытывать неподвижный трос. Высота геостационарной орбиты, чуть меньше 36 тысяч километров (35 786 километров), если сделать трос такой длинны, не один из известных материалов не выдержит своего веса. Сейчас есть экспериментальный материал, достаточно прочный, чтобы из него сделать трос космического лифта – «Углеродные нанотрубки». Но углеродные нанотрубки, материал очень сложный в производстве и дорогой. Сейчас, удалось получить нанотрубки, длиной только несколько сантиметров. А в идеале, нужно около 40 тысяч километров. Сделать трос космического лифта на современном уровне технологий практически невозможно.

Уязвимость для метеорной пыли и космического мусора. Второй недостаток космического лифта, это уязвимость для астероидной пыли и космического мусора. В космосе, летает достаточно много песка и пыли, мелких остатков астероидов или комет. Астероидная пыль постоянно бомбардирует любой космический объект, как рассеянный поток микрометеоритов, и медленно разрушает его. Спутники и орбитальные станции, защищают от метеорной пыли экранами из тонкого металла или толстой фольги. Метеорные частицы разбиваются об экраны, не долетая до обшивки корпуса. Но противометеорные экраны слишком тяжелые для длинных тросов лифта. Некоторую защиту для тросов можно дать, если сделать их в форме узких лент. В этом случае, попадание метеорных частиц не сможет сразу перебить трос, а многочисленные попадания в ленту, ослабляют ее со временем, но не рвут сразу. По подсчетам специалистов, трос в виде ленты, в среднем может работать в открытом космосе около 5 лет. Потом будет разбит метеорной пылью, и ослаблен. Разбитый трос большой нагрузки не выдержит. А за пять лет, такое гигантское сооружение как стационарный космический лифт не успеет себя окупить. К угрозе метеорной пыли, на околоземной орбите, еще прибавляется масса мелких обломков ракет и спутников. Космического мусора. Который намного более разрушительный, чем метеорная пыль, так как его крупные частицы, могут сразу порвать трос лифта.

Высокая сложность и цена реализации. Третий недостаток стационарных лифтов, это их высокая цена и сложность. По стоимости и сложности строительства, классические, стационарные, космические лифты, это мега проекты. Даже если удастся решить проблемы с материалами для тросов, и угрозой метеорной пыли, проекты космических лифтов будут иметь гигантскую стоимость, и будут окупать себя десятилетиями. А потому для инвесторов они малодоступны, и малопривлекательны.

Концепция орбитального космического лифта.

Орбитальный, космический лифт, это трос, натянутый с высокой орбиты на низкую. Конец которого не достигает земли. А висит на высоте низкой орбиты, примерно 200 – 400 километров, от земли. И вращается вокруг земли со скоростью на 10 – 30%, ниже орбитальной, примерно 7 – 6 километра в секунду, в зависимости от высоты противовеса. Орбитальная скорость на низкой орбите - 8 километров в секунду. Противовесом для орбитального лифта может служить тяжелая орбитальная станция. А так же возможно, легкий астероид, переведенный на земную орбиту. Или лунный грунт, доставленный на земную орбиту дешевыми, перспективными, транспортными средствами.

Приблизительная длинна троса орбитального космического лифта, может составлять от 1500 до 3000 километров. При такой длине, скорость нижнего конца троса будет снижаться на 700 - 1200 метров в секунду, относительно орбитальной. Трос будет работать в условиях пониженной гравитации, которая, приблизительно, будет варьировать от лунной до марсианской. От одной шестой до одной третьей доли земной гравитации. При такой длине троса и условиях его работы, современные материалы высокой прочности, могут выдерживать свой вес и небольшую дополнительную нагрузку. Для изготовления тросов орбитальных лифтов, могут использоваться кевлар, углепластик, полиэтилен с высокой длинной молекул, сравнимый по прочности с кевларом. Или аналогичные материалы.

Ракеты, доставляющие грузы к концу троса орбитального лифта, будут набирать скорость не достаточную для выхода на круговую орбиту. Выходить на так называемую «Суборбитальную траекторию», для которой топлива нужно меньше чем для выхода на орбиту. Чем меньше скорость суборбитальной траектории, тем больше ракеты смогут брать на борт полезного груза, при одинаковой стартовой массе.

Вес троса орбитального лифта может составлять десятки тонн.

Противовесом лифта может служить МКС, после того, как закончится срок ее эксплуатации, и станция превратиться в мертвый груз. Вес МКС около 420 тонн. Выведение на орбиту такой массы материала стоило больших денег, и было бы не разумно сжигать станцию в атмосфере, после того как она отработает свой ресурс. Но если использовать станцию в качестве противовеса лифта, она продолжит свою работу как часть нового космического транспортного средства и сможет приносить пользу в будущем.

Для усиления электрической мощности МКС, ее можно оснастить несколькими дополнительными «Генерирующими модулями». С легкими, тонкопленочными солнечными батареями большой площади, с суммарной мощностью в десятки мегаватт. Их энергию можно использовать для питания мощного электрореактивного двигателя. Этот тип двигателей имеют низкую тягу и высокое потребление энергии, но расходует мало топлива, в 5 – 30 раз меньше чем традиционные ракетные двигатели на химическом топливе. Электрореактивный двигатель поднимет станцию на высокую орбиту, не тратя на это много топлива. И в процессе эксплуатации лифта, будет медленно, но постоянно ускорять станцию, компенсируя снижение ее скорости после подъема грузов.

В процессе эксплуатации космического лифта, грузы доставляемые ракетами, будут цепляться к нижнему концу троса, имеющему относительно низкую скорость. И подниматься по тросу на транспортных модулях, «Тележках», приводимых в движение электромоторами. После подъема на МКС, грузы будут приобретать орбитальную скорость. После чего могут переводиться на нужную орбиту, или традиционными ракетными двигателями, или перспективными орбитальными буксирами, на электрореактивных двигателях.

Орбитальный лифт, может поднимать грузоподъемность ракет на 30 – 50%, это сравнительно не много. Но выведение на орбиту каждой тонны стоит как минимум 3 – 5 миллионов долларов. За год, при помощи лифта, можно выводить на орбиту 50 – 300 тонн грузов по сниженной стоимости.

Цена орбитального лифта, может составлять от 100 – 500 миллионов долларов. И он может себя окупить за 3 - 5 лет эксплуатации. Его нельзя назвать сверх эффективным или сверх рентабельным. Но создание такого компонента орбитальной транспортной инфраструктуры доступно по уровню технологий и уровню затрат. И реализация проекта орбитального лифта, может служить одним из первых шагов в развитии качественно новых средств космического транспорта.

Одно из достоинств орбитального лифта, это возможность менять тросы и высоту станции в процессе работы. А значит, орбитальный лифт можно многократно модернизировать. Ставя более прочные и длинные тросы, и повышая орбиту станции, в процессе его работы. Проект орбитального лифта, можно начать с самой простой и не дорогой модификации, с тросом длинной около 1500 километров. И далее, по мере наработки опыта и разработки новых, сверхпрочных материалов для троса, увеличивать длину троса до 3 – 4 тысяч километров.

Если удастся освоить в массовом производстве композиты из сверхпрочных полимеров и углеродных нанотрубок, высоту лифта можно увеличить до 5 – 7 километров и выше. Если при помощи лифта удастся снизить скорость носителей на 30 – 70% от орбитальной. Он станет высоко эффективным, с экономической точки зрения, так как доставка грузов до троса будет осуществляться недорогими и многоразовыми «Суборбитальными ракетами». Похожими на современные многоразовые первые и вторые ступени ракет «Сокол», фирмы «Спейс – Х». Имеющих низкую стоимость пуска. Эффективность ракет при этом возрастет в 3 – 7 раз.

Благодаря возможности постепенной модернизации, проект орбитального лифта может постепенно повышать свою эффективность. И в конечном итоге, может быть преобразован в стационарный космический лифт.

Таким образом, проект орбитального лифта, является одним из направлений перехода на качественно новую космическую транспортную инфраструктуру. Доступный для практической реализации и выгодный с экономической точки зрения.

Орбитальный лифт, работающий в комплексе с орбитальной пращей.

Эффективность орбитального лифта можно повысить, если на конце его троса разместить другое перспективное средство космического транспорта – «Орбитальную пращу».

По принципу устройства орбитальная праща, это противовес с вращающимся вокруг него тросом. Длинной от одного до нескольких десятков километров. Конец троса орбитальной пращи имеет собственную скорость. Современные материалы могут выдержать скорость вращения троса пращи около 1 – 3 километров в секунду на конце.

Скорость на конце вращающегося троса может быть или меньше или больше скорости самой пращи, в зависимости от положения в пространстве. Например, праща может подхватывать грузы из «Суборбитального полета», имеющие скорость ниже космической. После чего груз, поднимаясь по тросу, может разогнаться до орбитальной скорости.

Или наоборот. Праща, расположенная на околоземной орбите, может придать грузу дополнительную скорость, выводя его на траекторию полета к луне.

Орбитальная праща, так же как и лифт, считается одним из перспективных средств космического транспорта нового поколения. Так как дает возможность подхватывать грузы из суборбитального полета, выводя их на орбиту земли. Или переводить грузы на орбиту луны, или принимать грузы, летящие с лунной орбиты к земле. Не тратя на это много топлива.

Если на конце троса орбитального лифта, разместить небольшую орбитальную пращу, это даст лифту дополнительную эффективность. Снизит скорость грузов поднимаемых лифтом из суборбитального полета на 1 – 3 километра в секунду. И соответственно, дополнительно снизит затраты на выведение в 2 – 4 раза.

Недостаток такой комплексной системы состоящей из орбитального лифта с пращей на конце, в том, что она не сможет принимать из суборбитального полета тяжелые грузы. Приблизительный вес пращи, несколько тонн. Она займет своим весом резерв прочности троса орбитального лифта. И при этом, сама сможет принимать только легкие грузы, весом от нескольких десятков, до нескольких сотен килограмм. Поэтому комплекс из орбитального лифта и пращи, сможет принимать только легкие грузы. Суммарная грузоподъемность комплекса пращи и лифта, будет такая же, как и у лифта, только принимать грузы он будет малыми порциями.

Вместо одного груза весом в несколько тонн, доставляемого до конца троса тяжелой ракетой. Праща, расположенная на конце троса будет принимать множество легких грузов, доставляемых легкими ракетами или челноками.

Доставлять в суборбитальный полет полезную нагрузку для комплекса лифта и пращи, может группировка специализированных легких ракет. Или группировка многоразовых суборбитальных челноков, ракетопланов.

Комплекс из лифта и пращи, может выводить на орбиту детали спутников или других космических аппаратов, для их последующего монтажа на орбитальных станциях. И грузы, для которых габариты не имеют значения, такие как топливо, или другие расходные материалы.

Космическая станция добычи топлива из атмосферы на базе орбитального лифта.

У орбитального лифта есть еще одна особенность. Конец его троса можно опускать в верхние слои атмосферы. Где при помощи специального заборного устройства можно постепенно собирать разреженный воздух. И потом поднимать баллоны со сжиженным воздухом по тросу на МКС. Или сразу, в заборном устройстве, преобразовывать основную часть воздуха в тетраоксид азота, окисляющий компонент ракетного топлива с низкой температурой сжижения. Его можно хранить в баллонах без охлаждения, при нормальных условиях.

Тормозящее действие заборного устройства, и подъема воздуха на станцию, должен компенсировать мощный электрореактивный двигатель на МКС.

Сжиженный воздух или азотный тераоксид, на орбитальной станции, может использоваться в качестве окислителя для химического ракетного горючего. Или как топливо - рабочее тело для электрореактивных двигателей.

В химическом ракетном топливе, паре горючее – окислитель, окислитель занимает основную массу, его по весу в 3 – 8 раз больше чем горючего. Поэтому наличие окислителя на орбите дает возможность многократно снизить суммарный вес химического топлива, доставляемого на станцию.

Воздух, азот, или азотный тетроксид, может использоваться в качестве рабочего тела электрореактивных двигателей. Особенно не привередливые к свойствам топлива «Плазменные двигатели».

Электрореактивные двигатели имеют другой принцип действия. Топливо в них нагревается и ускоряется электрическим током. Само топливо при этом не горит, это нейтральное вещество, поэтому его химические свойства не имеют большого значения. В плазменных двигателях топливо – рабочее тело нагревается до состояния плазмы, электропроводящего газа, и удерживается магнитным полем, изолированно от стенок двигателя. Поэтому плазменные двигатели могут работать на окислителе, без риска сгореть.

Ионные двигатели более чувствительны к химическим свойствам топлива. В них атомы рабочего тела получают электрический заряд и ускоряются в электрическом поле. Кислород или оксиды азота для ионных двигателей опасны, способны сжечь электроды. Но ионные двигатели могут работать на азоте.

На станции, противовесе лифта, так же можно использовать термические двигатели. Работающие от энергии солнечных лучей, сконцентрированных вогнутыми, пленочными зеркалами. И потребляющими в качестве топлива – рабочего тела, водород, доставляемый с земли. Водородные, термические двигатели, дают скорость истечения реактивной струи в два - три раза больше химических. Они менее экономичные, чем электрореактивные, но намного более мощные. Термические двигатели могут использоваться как вспомогательные, в периоды усиленной работы лифта.

Если в космосе забирать воздух из верхних слоев атмосферы, его выведение на орбиту будет очень дешевым, почти бесплатным.

Орбитальный лифт с заборным устройством на конце троса, может служить источником дешевого топлива для орбитальной группировки. Снижая своей работой стоимость космического транспорта и любой космической деятельности.

От орбитальной лаборатории к новой космической инфраструктуре.

Концепция создания орбитального лифта, возможно с функций добычи топлива из атмосферы, на основе МКС, это одно из направлений создания качественно новой космической транспортной инфраструктуры. С использованием работающей сейчас орбитальной станции.

МКС создавалась как самая большая научная станция для исследований космоса, периода государственной, научно демонстрационной космонавтики. И с началом частной космонавтики, ориентированной на практическое освоение и промышленную колонизацию космоса, МКС может получить вторую жизнь, как часть новой космической инфраструктуры.

Проект создания орбитального лифта на основе МКС, благодаря своей гибкости может служить переходным мостом от современной космонавтики к качественно новым этапам освоения космоса.

Преобразование МКС в орбитальный лифт, нужно начинать пока станция еще работает как научная. Вести разработку троса и электрореактивной двигательной установки. Увеличивать вес станции, накапливая на ней мусор, баки старых ракет и другие не нужные вещи. Которые не будут мешать работе станции, но сделают ее тяжелее, увеличивая ее эффективность в качестве противовеса лифта.

Есть два потенциальных направления использования МКС в составе индустриальной орбитальной группировки будущего. Первое, оставить станцию на низкой орбите, превратив ее в транспортный центр, для ракет и орбитальных буксиров. И базу для обслуживания спутников и развития производства. Втрое сделать на ее основе орбитальный лифт. Оба эти направления нужны и каждое из них имеет свои преимущества.

Если Спейс икс, в ближайшее десятилетие перейдет на серийное производство сверхтяжелых ракет. Из пустых баков этих ракет можно построить новую станцию, служащую индустриальным центром. Ее просторные модули будут удобнее в качестве рабочих цехов. В этом случае, старую МКС можно будет переделать в противовес орбитального лифта без сожалений.

На МКС после преобразования ее в лифт, можно вести научную и практическую деятельность через дистанционно управляемых роботов и костюмы теле присутствия. Противовес лифта будет выходить за пределы нижних магнитных поясов, поэтому долго держать там людей будет опасно? из-за повышенной радиации. Так что роль научной лаборатории и одного из центров космической индустрии для МКС в составе лифта будет сохранена, только людей заменят роботы.

Начинать преобразование МКС, в противовес орбитального лифта нужно в ближайшем будущем. И в первую очередь вести популяризацию и продвижение идеи такого преобразования.

Я внесистемный сторонник колонизации космоса «Николай Агапов», автор концепции орбитального лифта на основе МКС и назвал проект своим именем – «Орбитальный лифт Агапова». Я передаю проект в британский координационный центр подготовки к колонизации космоса – «DarkStar Aerospace». Подробнее в предыдущей публикации: http://globalscience.ru/article/read/28149/ И сам буду вести работу над проектом в составе DarkStar Aerospace, привлекая к нему внимание широкой общественности, других частных космических игроков и промышленных участников.

Николай Агапов.

• Магнитные вихри на полюсах Юпитера
• Уникальный диск вокруг Веги: что раскрыли телескопы Hubble и Webb
• Учёные готовятся к амбициозному исследованию тёмной материи и энергии
• Объяснено происхождение рентгеновского излучения от черных дыр
• Космический корабль DART NASA навсегда изменил форму и орбиту лунного астероида
• Учёные выявили человеческое влияние на рост озона в верхней тропосфере
• Новая модель опровергла ведущую теорию о формировании континентов Земли
• Сверхмассивная черная дыра растет как младенческая звезда