Технологии

Проект качественно нового космического аппарата, способного выходить на орбиту без ракет и работать в качестве компонента космических солнечных электростанций. Аппарат «Гелиоплан», представляет собой легкую, надувную, конструкцию, похожую на дирижабль. Способный концентрировать солнечный свет своим дном, представляющим собой полусферическое вогнутое зеркало, в мощные световые лучи. Служащие источником энергии, как для специальных двигателей с внешним подводом энергии, так и для специальных солнечных батарей способных работать при высокой температуре.

Благодаря способности выходить на орбиту без ракет, за счет собственных двигателей, гелиопланы сильно упрощают задачу развития массовой, космической, солнечной, энергетики.

После появления в космосе первых электростанций, передающих энергию на землю в виде узконаправленных лучей, лазерных или микроволновых, внутри этих лучей можно запускать новые модификации гелиопланов. Работающих от источника излучения многократно превосходящего солнечное. А потому, более мощных, и экономичных, способных доставлять в космос не только собственный вес, но и значительную массу полезных грузов. Гелиопланы взлетающие с земли за счет энергии лучей солнечных электростанций. Будут служить качественно новыми средствами космической, транспортно энергетической инфраструктуры. Облегчающей задачи и развития космической солнечной энергетики, и развития недорогого транспортного сообщения между землей и космосом.

Гелиопланы, так же могут использоваться в качестве многоразовых транспортных кораблей на планетах с малой гравитацией. Таких как Луна, Меркурий, или малые планеты в поясе астероидов. В перспективе, гелиопланы, могут служить компонентами качественно новой космической инфраструктуры транспорта и энергетики, дающей новые возможности для индустриальной колонизации космоса.

Перспективы и возможности индустриального освоения космоса.

Колонизация космоса и переход на космический уровень, одна из важнейших задач, стоящих перед человеческой цивилизацией. Современные частные фирмы с интересом присматриваются к практическому освоению космоса. В космосе неисчислимое количество разнообразных ресурсов и широкий простор для деятельности. Первые фирмы, которые начнут индустриализацию космоса, получат выход на новый рынок, на котором нет, не конкурентов, не ресурсного дефицита, не других сдерживающих факторов.

В космосе много заманчивых перспектив, но много и сильных препятствий сдерживающих развитие крупных коммерческих проектов. Главные сдерживающие барьеры на пути к индустриализации космоса, это чрезмерно высокая цена современного космического транспорта. Недостаток технологий, способных эффективно работать в космических условиях. И слабая организация, мешающая консолидировать научно промышленные мощности и капиталы для развития крупных проектов.

Снизить цену космического транспорта, можно, если переходить на качественно новые транспортные системы. Имеющие низкую цену и высокую производительность. Известные примеры космической транспортной инфраструктуры будущего, это, многоразовые ракеты на химическом топливе, космические лифты, орбитальные пращи, орбитальные буксиры с электрореактивными двигателями, или мощные электромагнитные пушки.

Преодолеть технологический разрыв между современной земной промышленностью и будущей космической индустрией, можно, если делать проекты на основе имеющихся технологий. Чтобы они сразу начинали работать, приносить прибыль и идти в рост. А далее по мере роста, вести качественную технологическую модернизацию. Вкладывая в совершенствование технологий деньги, полученные от прибыли, чтобы не возникало угрозы длительных «Зависаний» на стадии исследований и разработок.

Преодолеть организационную разобщенность можно через взаимодействие генераторов идей и энтузиастов, с промышленностью и капиталом. Без посредничества государственных космических администраций, эти структуры закостенелые и построены под задачу исследований космоса, для его практической индустриализации они не пригодны. Создать базис для развития космической индустрии могут группы, состоящие из разработчиков проектов, промышленных фирм, научных лабораторий и банков. Но такие группы, сначала тоже должны быть, кем-то созданы.

Миссию координационного центра по подготовке к колонизации космоса берет на себя организация «DarkStar Aerospace».

DarkStar Aerospace, это научная и общественная организация, поддерживающая различные инициативы, направленные на освоение космоса. И недавно она решила поменять формат своей работы. Перейти с простой поддержки на активное развитие инициатив, направленных на подготовку к колонизации космоса на земле и практическую индустриализацию солнечной системы.

На основе организации DarkStar Aerospace будет развиваться координационный центр, формирующий и поддерживающий сообщества креатров, предпринимателей, общественных деятелей и энтузиастов. С целями выработки стратегических планов промышленного освоения солнечной системы. Поддержки команд и частных фирм, развивающих проекты в области практического освоения космоса. Формирования финансово промышленных групп способных реализовать планы масштабной индустриализации космоса на практике. А так же развитию на земле предпринимательских сообществ, работающих по технологиям и принципам будущей космической индустрии. И развитию общественных движений, способствующих популяризации космической экспансии и образа жизни «Людей космической эры». С целью создания на земле промышленного, экономического и социального фундамента для будущей колонизации космоса.

Анонс создания координационного центра DarkStar Aerospace, в предыдущей публикации на Globalscience: http://globalscience.ru/article/read/28149/

Я внесистемный новатор, сторонник развития космической экспансии, «Николай Агапов». Я вошел в координационный центр DarkStar Aerospace на стадии его формирования. И у меня есть организационные и технические проекты, способные облегчить задачу индустриализации космоса.

Гелиоплан, перспективный компонент космических транспортных и энергетических систем.

Один из технических проектов, это проект качественно новой транспортно энергетической инфраструктуры. Состоящей из специализированных, космических аппаратов, сочетающих свойства ракет и орбитальных солнечных генераторов. Способных взлетать на высокую, «Геостационарную», орбиту, на которой скорость вращения спутников и земли совпадает, поэтому аппараты висят неподвижно относительно земной поверхности. Со стационарной орбиты проще передавать энергию на землю в виде лазерного или микроволнового луча, благодаря тому, что спутники неподвижны относительно земли.

Гелиопланы должны взлетать без использования традиционных ракет. За счет собственных двигателей. И после выхода на орбиту, должны работать как солнечные генераторы. Преобразующие солнечный свет в узконаправленное излучение, для передачи его на земные приемники. Объединяя множество гелиопланов, в большие скопления, можно строить мощные орбитальные электростанции.

По устройству Гелиопланы представляют собой надувные полусферические зеркала из пластиковой пленки, концентрирующие солнечный свет в узкие, мощны лучи. Лучи света высокой энергии, которые дают «Пленочные, солнечные, концентраторы», могут питать реактивный двигатель с внешним подводом энергии, потребляющий в качестве топлива – рабочего тела, водород. А после того, как аппарат выйдет на нужную орбиту, поток сконцентрированного света в менее сфокусированном состоянии, должен перенаправляться на термические генераторы, или термостойкие фотоэлементы.

Аппарат такого типа, представляет собой машину, работающую за счет энергии солнца, и способную к самостоятельному полету, я назвал его «Концентраторный, космический, Гелиоплан», или «Гелиоплан Агапова».

Устройство и возможности гелиоплана.

Гелиоплан, машина, похожая по виду на дирижабль. Он представляет собой надувной корпус имеющий форму яйца, повернутого острым концом вверх. Оболочка гелиоплана состоит из сверхтонкой и легкой, но прочной, пластиковой пленки, состоящей из полимеров сравнимых по прочности с кевларом.

Нижняя часть оболочки имеет зеркальное покрытие, на внутренней стороне. И представляет собой полусферический солнечный концентратор, работающий как вогнутое зеркало. Остальная оболочка гелиоплана прозрачна для света. Солнечный свет, падающий сверху на дно аппарата, представляющее собой вогнутое, пленочное зеркало, концентрируется в узкий луч, попадающий на верхушку аппарата. Откуда отражается зеркалом, в центр нижней части, проходит дополнительную концентрацию и попадает в двигатель.

Двигатели гелиопланов, по устройству похожи на ядерные реактивные двигатели, только, поступающее в них топливо – рабочее тело, нагревается не ядерным реактором, а солнечным светом. Сконцентрированный солнечный свет, проходит в двигатель сверху, через прозрачный верхний люк. И попадает на черные, многослойные решетки из углеродного волокна, или углерод – углеродного композита (Композит из углеродной ткани и графита). Активно поглощающие солнечный свет в с выделением тепла, но свободно пропускающие поток газа – рабочего тела.

Проходя через решетки, газ должен нагреваться до высокой температуры, сравнимой с температурой горения ракетного топлива, 1,5 – 3 тысячи градусов. После чего выходить через сопло, в нижней части двигателя, создавая реактивную тягу.

Термические, реактивные двигатели гелиоплана, работающие на водороде, намного эффективнее двигателей традиционных ракет на химическом топливе. Для выведения на геостационарную орбиту, традиционной ракетой нужно сжечь топлива, по весу, приблизительно 100 раз больше полезной нагрузки. Солнечно – термический двигатель на водороде, для выхода на стационарную орбиту должен расходовать водорода, приблизительно в 5 — 15 раз больше веса аппарата. То есть для него не нужна ракета, состоящая из нескольких ступеней. Для достижения рабочей орбиты, ему достаточно нескольких баков с жидким водородом. Вес топливных баков, при этом, будет только в 5 – 15 раз превышать вес гелиоплана.

Для облегчения работы солнечного, термического, двигателя, на первых этапах полета, когда гелиоплан под завязку нагружен топливом, можно использовать подачу в двигатель кислорода. С таким расчетом, чтобы частичное сжигание водорода добавляло 50 – 70% тяги, выполняя роль форсажа, или стартового ускорителя. Но при этом, баки с кислородом не перегружали аппарат. После исчерпания кислорода в первые минуты полета, кислородные баки должны сбрасываться. И далее, гелиоплан должен продолжать полет на солнечной энергии.

Для перехода гелиоплана с геопереходной орбиты на геостационарную, двигатели аппарата должны дать импульс в бок, не теряя при этом ориентацию на солнце. Для этих целей может использоваться поворотное сопло основного двигателя, с изменяемым направлением тяги. И небольшой, вспомогательный двигатель на боку аппарата, обеспечивающий центровку и управляемость во время бокового полета. Во вспомогательный, боковой, двигатель, сконцентрированный солнечный свет должен поступать с отдельного зеркала, отсекающего часть света от основного потока, в центре гелиоплана.

Долго поддерживать герметичность надувных корпусов гелиопланов в открытом космосе, невозможно. Из-за метеорной пыли, которая будет пробивать их оболочки. Поддерживать оболочки гелиопланов на орбите в надутом состоянии можно за счет электрических полей. Заполняя внутреннее пространство гелиопланов микроскопическими стеклянными шариками, по размеру меньше фотонов света. Получив электрический заряд, шарики будут отталкиваться друг от друга, и в невесомости будут выстраиваться в подобие кристаллической решетки. В электрически заряженном гелиоплане, шарики будут поддерживать слабое давление внутри его оболочки. Но не смогут вылетать в дырки от метеоров, как молекулы газа. Из-за того что не будут иметь высокой скорости, и будут отталкиваться от пленочных стенок, независимо от наличия в них мелких дырок.

После выхода гелиопланов на стационарную орбиту, они должны переходить в режим солнечных генераторов. И объединяться в сборки, состоящие из сотен, или тысяч отдельных аппаратов. Для того чтобы их было легче удерживать на орбите. И поддерживать точную ориентацию на солнце, за счет высокой массы и инерции сборок. Сборки гелиопланов на стационарной орбите, будут представлять собой небольшие солнечные электростанции. Которые в свою очередь, могут объединяться в более крупные сборки или скопления, по суммарной генерации, достигающие промышленных, гигаваттных мощностей.

Для преобразования солнечного света в электрическую энергию, должны использоваться специальные фотоэлементы. Имеющие форму тонкой и легкой пленки, и способные работать при высокой температуре. Солнечная батарея должна быть расположена в верхней части гелиоплана. На месте зеркала, отражающего свет, сконцентрированный зеркальным, вогнутым дном гелиоплана, в нижнюю часть аппарата, к двигателю. Верхнее, промежуточное, зеркало, должно представлять собой пленочную солнечную панель, покрытую тонкой зеркальной пленкой в виде лепестков. После выхода гелиоплана на стационарную орбиту, лепестки промежуточного зеркала должны разворачиваться на 90 градусов. Чтобы свет попадал на солнечную панель. И аппарат начинал работать как солнечный генератор.

Для преобразования электрической энергии в излучение, направленное на земные генераторы, должны использоваться или антенны из тонкой проволоки, излучающие микроволновые лучи. Или, легкие, плоские, полупроводниковые лазеры.

Так же, возможен вариант работы двигателя в режиме газового лазера «С солнечной накачкой». Прямо преобразующего сконцентрированный солнечный свет в лазерный луч. Но сейчас, разработка такого лазера слишком сложная задача. Современные лазеры с солнечной накачкой имеют слишком низкий КПД.

Гелиоплан первого поколения, может иметь размер около 120 метров в диаметре, и вес, бес топлива около 100 — 200 килограмм. Такой вес и размер близок к оптимальному. Если делать аппараты тяжелее, они будут слишком тяжелые, чтобы летать за счет энергии солнца. Если делать легче, они будут слишком дорогими и сложными в производстве в пересчете на вес и мощность генерируемой энергии. Стоимость научного труда вложенного в высоко технологичные изделия мало зависит от их размера, поэтому, чем больше их размер, тем меньше относительная цена.

Использование энергии солнечных электростанций для питания двигателей гелиопланов повышенной мощности.

После создания на геостационарной орбите первых скоплений гелиопланов, генерирующих мощные, узконаправленные лучи. Эти лучи можно использовать для подсветки гелиопланов стартующих с земли. Лазерные, или микроволновые, лучи исходящие с высоты геостационарной орбиты, будут давать на земле пятно, диаметр которого будет от нескольких сотен метров, до нескольких километров. Создавая поток излучения, которое может многократно превосходить солнечное по интенсивности.

Луч, исходящий с орбитальных генерирующих платформ, на земле должен падать на генераторы, и преобразовываться в электрический ток. Но он так же может служить источником энергии для аппаратов, работающих по принципу гелиоплана.

Если запускать аппараты, с реактивными двигателями, работающими от излучения, в луче исходящим от орбитальных электростанций, это многократно повысит их мощность и даст им новые возможности. Гелиопланы, рассчитанные на взлет в луче орбитальных электростанций, «Лазерные гелиопланы», или «Микроволновые гелиопланы», будут работать от многократно более мощного источника энергии, чем солнце. И к тому же, узконаправленный луч намного проще концентрировать, получая потоки излучения во много раз более высокой концентрации, чем возможно для солнечного света.

Мощный и удобный для концентраторов источник излучения даст возможности конструировать новые модификации гелиопланов. Обладающих такими преимуществами как:

Возможность конструировать аппараты многократно большего размера и веса, что снизит их стоимость. Возможность делать гелиопланы из менее прочных, но более дешевых материалов, что так же снизит их стоимость.

Возможность использовать плазменные двигатели с внешним подводом энергии, в виде лазерного или микроволнового излучения высокой концентрации. В плазменных двигателях рабочее тело изолировано от внутренних стенок двигателя, благодаря чему температура рабочего тела может достигать 5 тысяч градусов и более. Температура водорода в плазменном двигателе будет примерно в два раза выше, чем в солнечно — термическом. При этой температуре водород будет разлагаться на атомы, что в два раза уменьшит его молекулярную массу и соответственно увеличит скорость истечения. Поэтому, плазменные двигатели, работающие от узконаправленного излучения, будут намного экономичнее простых солнечно – термических двигателей.

Возможность нести значительную полезную нагрузку. В отличие от солнечных гелиопланов, мощность которых не позволяет брать на борт дополнительный груз. Гелиопланы на лазерной или микроволновой подсветке, благодаря высокой мощности и экономичности двигателей, можно использовать как недорогие и эффективные средства доставки грузов на орбиту. Что сделает их качественно новым, массовым, средством космического транспорта.

Гелиопланы в качестве космических челноков для планет с малой гравитацией.

Гелиопланы, можно использовать в качестве многоразовых средств выведения на орбиту, космических челноков. Для планет с малой гравитацией, таких как Луна, Меркурий, или малые планеты в поясе астероидов. Малая гравитация и малая орбитальная скорость дадут возможность гелиопланам брать на борт значительную полезную нагрузку. И возможность делать рейсы с планеты на орбиту и обратно. Или с орбиты на планету и обратно, на одной заправке топливом.

Такие гелиопланы — челноки, могут использовать в качестве топлива водород, получаемый из воды. Или даже воду получаемую изо льда. Но у гелиопланов работающих на воде, сильно снизится грузоподъемность и повысится расход топлива. В качестве рабочего тела для транспортных гелиопланов, так же можно использовать жидкий кислород, который можно получать из грунта, независимо от источников воды. Но на кислороде, у гелиопланов будет самая низкая эффективность.

Возможности создания и преимущества использования гелиопланов.

На уровне современных технологий, создание гелиопланов довольно сложная задача. Сейчас для создания таких машин не хватает многих технологий и технологических традиций. Но с другой стороны, технологический разрыв, стоящий перед массовым производством гелиопланов не критичный. Не нужно делать чего-то совершенно нового или сверхсложного или сверхдорогого. Необходимые для производства гелиопланов технологии сейчас есть в зачаточном состоянии, нужно просто довести их до высокого уровня, сделать массовыми и дешевыми.

Разработка первых серийных гелиопланов задача сложная, но это не мега проект. Начать производство гелиопланов, могут и небольшие частные команды, с бюджетом в десятки миллионов долларов. Для сравнения разработка новой серийной ракеты обходится в миллиарды долларов.

Разработка первых серийных гелиопланов, даст возможность приступить к строительству орбитальных электростанций с малыми инфраструктурными затратами. Солнечная энергия это один из главных ресурсов космического пространства.

Энергия солнца чистая и неисчерпаемая, в космосе она не зависит от времени суток и погодных условий. Строить промышленные, солнечные электростанции в космосе дорого. Но другой стороны, в космических условиях, при отсутствии силы тяжести и атмосферы, для концентрации солнечного света можно использовать самые легкие и дешевые материалы. Зеркальную пластиковую пленку, толщиной в сотые доли микрона, которая почти ничего не весит и мало чего стоит.

Преобразовывать солнечный свет в электричество можно пленочными фотоэлементами микронной толщины, вес которых тоже небольшой. Концепция гелиопланов, для строительства орбитальных электростанций, в полной мере использует преимущества пленочных конструкций. Эти аппараты состоят из сверхтонкой пленки, имеют минимальный вес и способны самостоятельно взлетать на геостационарную орбиту. Позволяя приступить к строительству космической энергетической инфраструктуры не располагая при этом дешевой и массовой, космической, транспортной инфраструктурой.

Для строительства орбитальных солнечных электростанций из сборок гелиопланов, не нужны дорогие инфраструктурные транспортные системы, такие как орбитальные пращи, или электромагнитные пушки. Не нужно увеличивать производство традиционных ракет на химическом топливе.

Хотя, химические ракеты для запуска первых гелиопланов могут понадобиться. Гелиопланы, проще запускать за пределами атмосферы. Поэтому, вероятно, первые машины будут стартовать из «Суборбитального подскока», с высоты около 100 километров. Для вывода гелиопланов в суборбитальный полет, понадобятся специальные химические ракеты. Но суборбитальные ракеты простые, и не расходуют много топлива. Их задача не разгон груза до орбитальной скорости, 8 километров в секунду, а подбрасывание груза на высоту около 100 километров, для чего топлива нужно в 20 раз меньше. С высокой вероятностью, это будут многразовые, одноступенчатые ракеты с вытеснительной подачей топлива. Такие ракеты простые в производстве, дешевые, и почти не требуют обслуживания между полетами.

Со временем, технологии гелиопланов будут развиваться, и будут разработаны машины способные подниматься в верхние слои атмосферы самостоятельно, как дирижабли. И стартовать с высоты 40 – 50 километров.

После создания на орбите первых мощных электростанций, способных генерировать лучи превосходящие по мощности солнечное излучение, у земли. Запускать новые гелиопланы станет намного проще.

Гелиопланы взлетающие по лучу будут мощнее, дешевле, экономичнее. И смогут взять на себя функции массового, недорогого, средства доставки грузов на орбиту. Работая как компонент космической транспортной инфраструктуры нового поколения.

Гелиопланы, один из самых дешевых и доступных в реализации, проектов космической инфраструктуры, энергетики и транспорта. Запустить производство гелиопланов могут средние или крупные фирмы. Или стартап команды, обладающие достаточной квалификацией и финансированием.

Вместе с началом серийного производства гелиопланов, стоимость энергии космических электростанций, основанных на гелеопланах, значительно снизится. Если стоимость космической солнечной энергии станет ниже энергии тепловых электростанций, начнется массовое строительство электростанций на орбите. В космос потекут инвестиции в сотни миллиардов и триллионы долларов.

Крупные стройки в космосе, будут стимулировать развитие других сфер индустриальной деятельности за пределами земли. Таких как, обслуживание, производство, развитие флота орбитальных буксиров, развитие орбитальных индустриальных центров на основе пилотируемых станций, добыча внеземных сырьевых ресурсов, строительство баз на Луне и астероидах.

Земные предшественники космических гелиопланов.

Прежде чем приступать к разработке космических гелиопланов, логично запустить в производство их упрощенные земные аналоги, рассчитанные на работу в атмосфере, «Атмосферные гелиопланы».

Атмосферные гелиопланы, это дирижабли, состоящие из пластиковой пленки, способные генерировать электричество, и самостоятельно передвигаться за счет солнечной энергии. Они смогут работать как транспортные дирижабли с неограниченной дальностью полета. Или воздушные, солнечные электростанции, способные самостоятельно передвигаться. Летающие солнечные электростанции удобны тем, что могут самостоятельно передвигаться от мест производства к заказчикам. Могут быть размещены почти в любом месте, и могут легко менять место дислокации, независимо от наземной транспортной инфраструктуры.

Проекты атмосферных гелиопланов, намного проще в реализации, чем космические. Но они будут способствовать отработке технологий, развитию промышленных мощностей, которые позже, можно направить на индустриализацию космоса. Будут способствовать консолидации интеллекта и капитала, которые позже будут работать в космических проектах.

Гелиопланы в координационном центре DarkStar Aerospace.

Задачи координационного центра DarkStar Aerospace, вести подготовку к началу колонизации космоса на земле и развивать проекты, способствующие индустриализации солнечной системы.

Проект гелиоплана хорошо соответствует целям центра DarkStar Aerospace. Так как это компонент качественно новой космической, транспортно энергетической, инфраструктуры, относительно простой и дешевый в реализации.

Гелиоплан, один из проектов, которые предполагается развивать в составе координационного центра.

Основные этапы развития проекта, это:

Популяризация концепции, ее возможностей и перспектив.

Создание интеллектуального сообщества работающего над проектом. Его детальная теоретическая проработка.

Развитие проектов земных, атмосферных гелиопланов. Создание атмосферных гелиопланов не требует недоступных или дорогих технологий. Но земные проекты могут способствовать развитию солнечной энергетики, развитию сообществ интеллектуалов и предпринимателей, накоплению промышленных мощностей и финансовых ресурсов, которые позже смогут работать в космических проектах.

Проект гелиоплана пока находится на стадии концепции. Команда для работы над проектом не сформирована. И к проекту могут присоединяться все кому он интересен.

Николай Агапов.