Искусственные внешние ресурсы для освоения космоса

Это, по существу, промежуточный вариант между чисто "упругим" газо-кинетическим двигателем, (для которого всё топливо находится вне ракеты, но скорость снаряда должна быть больше скорости ракеты), и основным вариантом термо-кинетического двигателя, (при котором ракета несёт половину всего топлива, но зато скорость не ограничена). Для новой модификации, есть возможность разогнать ракету немного быстрее снаряда (в 2–3 раза), всё ещё без затрат топлива самой ракеты, но удельный импульс с ростом скорости будет постепенно уменьшаться (хотя КПД может быть постоянным и достаточно высоким, на уровне 70 % и более).

Вообще-то, мы уже рассматривали очень схожий по свойствам двигатель давным-давно, ещё в I части данного трактата, когда изучали возможность безракетного запуска грузов на околоземную орбиту. Там тоже было тело (топливный шнур), движущееся независимо от ракеты, и превращающееся в газ, только источником энергии для этого были химические реакции. Но принцип действия газа после его образования тот же. В рассматриваемом теперь случае будет больше относительная скорость и удельная энергия газа, но формулы преобразования энергии будут похожи.

Таким образом, мы теперь имеем 3 базовых типа двигателя на внешних ресурсах:

1) Пушечный ("упругий") газо-кинетический двигатель: всё топливо вне ракеты, подаётся из пушки ей вслед, предельная скорость ракеты на 3 % меньше начальной скорости снаряда. Удельный импульс лучший из всех вариантов (ракета вообще не тратит топливо), КПД на уровне десятков процентов. При лазерном разгоне снарядов, можно достичь скорости 0,5 с…

Пока есть возможность, надо использовать этот тип. Но он имеет ограничения: нужна пушка, и его сложно применять в атмосфере.

2) "Неупругий" термо-кинетический двигатель с внутренним запасом топлива: половину топлива несёт ракета, снаряды летят ей навстречу, и чем быстрее летит ракета, тем лучше он работает. Удельный импульс 30 % от суммы (ну то есть разности) скоростей ракеты и снаряда. Есть минус — ракета тратит топливо. И есть плюс — внешнее топливо может быть вообще неподвижно, удельный импульс зависит только от разности скоростей.

В принципе, позволяет обойтись вообще без пушки, если есть возможность придать ракете начальную скорость как-то иначе. Но максимальная скорость ограничена тем, что ракета всё-таки теряет массу.

3) И "внешне-внешний" термо-кинетический двигатель, химическая модификация которого (с внешним топливным шнуром) была рассмотрена ещё в конце I части, а кинетическая сейчас.

Всё топливо находится вне ракеты, как в первом варианте.

Топливо нагревается за счёт кинетической энергии при столкновении, как во втором (возможны варианты, когда нагревается за счёт химической или ядерной энергии, лазерного излучения, электрического тока).

Максимальная скорость ракеты в принципе не ограничена, но реально будет ограничена падением эффективности преобразования энергии при росте отношения скорости ракеты к скорости расширения газа.

Если максимальная теоретически возможная радиальная скорость (V₁) свободного расширения газа в пустоту (при отсутствии сопла двигателя) фиксирована, (и равна половине разности скоростей сталкивающихся тел), то максимальная разность скоростей ракеты и центра масс газа (V₂-V₀) будет определяться физическими и геометрическими свойствами сопла двигателя и эффективностью преобразования внутренней энергии газа в работу.

Для нейтрального газа при небольшой температуре, и металлического сопла (или пакета кольцевых металлических лопаток, как мы когда-то рассматривали для химической модификации в I части), предел отношения (V₂-V₀)/(V₁) будет, по-видимому, примерно равен 2,5…3, и главным образом будет определяться не столько геометрией самого сопла или лопаток, сколько температурой газа, хотя при импульсном действии допустимая температура может составлять десятки тысяч градусов.

Для плазменного магнитного сопла, при очень большом коэффициенте расширения газа и низких потерях, это отношение, вообще, может быть довольно большим, возможно на уровне 5-10, что в принципе позволяет даже при не очень горячей плазме достичь большой скорости. По существу, это будет распределённая в пространстве цепочка взрывных разгонных устройств с плазменной накачкой энергии от внешнего источника, взаимодействующих с магнитным полем разгоняемого аппарата.

1.8 Сифонный

(U-образный) газовый упруго-кинетический двигатель

Для упруго-кинетического двигателя (т. е. когда снаряды догоняют ракету и передают ей импульс, превращаясь в газ) мы в III части рассмотрели простейший вариант сопла — просто входной патрубок, он же выходной, с определённым профилем сечения. Позже мы предложили "парашютный" вариант сопла — очень большой купол из тонкой плёнки, улавливающий и отражающий струю разреженного газа, при этом диаметр струи газа, и точность попадания в сопло, может быть порядка сотен метров.

Но вариантов взаимодействия сопла с газом ещё очень много.