Катапульта в космос: на что будет способен гигантский российский рельсотрон
Российский аналог «рельсотрона» — пушки, использующей вместо порохового заряда энергию магнитного поля, — может быть использован в мирных целях. Такого мнения, в частности, придерживаются разработчики этого устройства из Объединенного института высоких температур РАН. Как считает президент Российской академии наук Владимир Фортов, испытания устройства, проведенные недавно на полигоне Шатурского филиала, показали, что с помощью рельсотрона можно, к примеру, проследить за поведением вещества при экстремально высоких температурах и давлении, «приручить» термоядерную энергию и даже — понять, как устроена Вселенная. В будущем же разработка сможет заменить ракеты-носители, ведь скорости, развиваемой при помощи «рельсотрона», будет вполне достаточно для вывода полезного груза на орбиту.
По принципу направляющих
Принципиальная схема устройства предельно проста. Два параллельных электрода, напоминающие металлические рельсы (отсюда и название — «рельсотрон»), подключаются к мощному источнику электроэнергии. Тело, размещенное между направляющими, получает ускорение за счет замыкания электрической цепи и воздействия силы Лоренца (тот же эффект заставляет крутиться электродвигатели). В итоге электромагнитное поле разгоняет снаряд силой разряда, которая более чем в 30 раз превышает силу удара молнии — около миллиона ампер.
Интересно, что сам термин — «рельсотрон», был в конце 1950-х годов предложен советским академиком Львом Арцимовичем для замены существовавшего громоздкого названия «электродинамический ускоритель массы». Ученые тогда бились над созданием оригинальной системы, способной в перспективе заменить в качестве оружия обычные боевые средства, использующие энергию пороха. Было подсчитано, что скорость выпущенного при помощи пороховых зарядов выстрела никогда не сможет превысить 2,5 километра в секунду. Требовалось новое решение. И оно появилось – в виде идеи применять в качестве разгонного средства энергию электромагнитного поля.
Правда, ученые из подмосковной Шатуры акцентируют внимание именно на гражданском характере применения созданного ими устройства. В частности, завлабораторией плазмодинамических процессов Объединенного института, кандидат физико-математических наук Владимир Полищук полагает, что подобные исследования расширят возможности в работе с физикой больших энергий. «Мы выходим на новый уровень параметров в плане энергетики», — отмечает ученый.
Задача со многими неизвестными
Исследования возможностей электромагнитных ускорителей масс, разгоняющих снаряд с помощью силы Лоренца, ведутся в мире уже более полувека. Первый же действующий масштабный рельсотрон был спроектирован и построен в 1970-х годах в Исследовательской школе физических наук Австралийского национального университета. В отличие от России ставка на развитие рельсотронов за рубежом делается в последние годы только применительно к их боевым возможностям. Так, в 2005 году в рамках специальной программы военно-морских сил США была запущена программа по разработке рельсовых орудий, в которой были задействованы корпорации General Atomics и BAE Systems.
В феврале 2008 года орудие с дульной скоростью более 2,5 тысяч метров в секунду (9 тысяч километров в час) было продемонстрировано. Масса используемого снаряда составила 2 кг. Еще один испытанный образец использовал снаряд уже массой более 3 кг. В американской прессе тогда же прошли сообщения, что к 2020 году прототипы рельсотронов могут поступить на вооружение и боевых кораблей, в частности, новых эсминцев типа Zumwalt.
Однако практические испытания нового оружия на первом построенном корабле этой серии если и стартовали, то без особого прорыва. Такой вывод можно сделать, если принять во внимание отсутствие сколько-нибудь значимых сообщений в СМИ на данную тему. По мнению ряда специалистов, постановке рельсотронов на вооружение может препятствовать важное обстоятельство — отсутствие в необходимом количестве энергии, требуемой для эксплуатации такой пушки. В частности, как ранее подчеркивал в интервью «Звезде» военный эксперт Алексей Леонков, «запитать на корабле пушку, для стрельбы которой нужно 25 мегаватт энергии — очень сложная задача. Именно поэтому возникают огромные сложности с ее установкой на корабль. Разработать и внедрить исправно работающую энергетическую установку, обеспечивающую потребности не только оружия, но и всего корабля с его многочисленными электронными системами — задача практически невыполнимая».
Более того — выстрел из рельсотрона, влекущий гигантский расход энергии, мгновенно раскроет корабль в радиолокационном поле. А ведь именно технологии невидимости изначально были сделаны «фирменным коньком» Zumwalt. Как считает другой российский военный эксперт, полковник в отставке Виктор Литовкин, в этой ситуации особенно остро встает вопрос боевой эффективности. «Сможет ли эсминец одновременно вести стрельбу из такого оружия и защищаться от входящих угроз», — задается вопросом он, добавляя, что для эффективной боевой работы эсминцу потребуется как минимум несколько кораблей охранения.
С прицелом на космос
В России создание устройств типа рельсотрона вполне осуществимо. Как подчеркивает директор Шатурского филиала ОИВТ РАН, кандидат физико-математических наук Алексей Шурупов, «в нашей науке есть все необходимое, чтобы создать такую систему». При этом, по словам ученого, российские специалисты готовы к внедрению устройств, работающих на скоростях более 4-4,5 тысяч метров в секунду, то есть превосходящих по своим характеристикам разработки General Atomics и BAE Systems. Максимум гиперзвуковых скоростей, который нам уже удалось извлечь — 11 км/с. По словам главы РАН академика Владимира Фортова, сейчас идет работа над тем, чтобы преодолеть трудности, связанные с износом материалов конструкции. Дело в том, что энергия пуска настолько высока, что детали устройства быстро выходят из строя. Найти оптимальное решение — одна из приоритетных задач разработчиков.
Зато уже определены сферы мирного использования рельсотрона. Как подчеркивает тот же Владимир Фортов, это может быть защита от высокоскоростных космических тел, представляющих угрозу, в том числе космического мусора и комет. А вот проблему астероидов, угрожающих Земле, рельсотрон не решит. Как считает академик Фортов, сдвинуть траекторию или разрушить это небесное тело пока невозможно — не хватит мощности. Зато куда более реальное применение устройства может стать вывод спутников на орбиту Земли. Об этом также заявляют в РАН. Кстати, интересный факт. Отец Владимира Фортова в свое время проходил службу в бывшем 30-м центральном научно-исследовательском институте Министерства обороны. Эта научная организация военного ведомства была головной по авиационной и космической технике, а проводимые здесь исследования касались как раз перспектив развития авиационно-космических комплексов, их двигателей и оборудования.
К слову, имеется информация, что разработки гигантского рельсотрона, способного доставлять на орбиту полезные грузы (а в перспективе — и людей) ведутся в Троицком институте инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ), входящем в состав «Росатома». По имеющимся сведениям, «катапульта в космос» поможет более чем в два раза снизить затраты на доставку грузов на околоземную орбиту. Правда, проблемой здесь становится то обстоятельство, что при подобной транспортировке перегрузки могут составить запредельные цифры — до 60g. То есть здесь ученым также есть, над чем поработать, чтобы найти какое-то решение.
Что же касается перспектив использования рельсотронов как электромагнитных пушек, то, по мнению экспертов, возможности их более-менее эффективного применения проявятся не ранее, чем через полвека. Такого мнения, в частности, придерживается глава российского Фонда перспективных исследований Андрей Григорьев. Что же касается новостей о разработке такого оружия в США, то по его убеждению, все это – не более чем элемент борьбы за военный бюджет. Как подчеркивает Андрей Григорьев, не решены не только явные «болячки» рельсотрона, среди которых основная – необходимость наличия мощного источника энергии, но и скрытые. А это, к примеру, отсутствие соответствующей системы наведения (рельсотрон, как полагают разработчики, может стрелять на 400 километров). В общем, все нынешние заявления США об успехах в плане продвижения электромагнитного оружия — не более чем желание показать «научно-технические подвиги» на фоне противостояния за военный бюджет, полагает эксперт.
Источник
Космическая катапульта SpinLaunch привлекла 30 миллионов долларов инвестиций
Что, если вместо запуска груза в космос на ракете мы могли бы закидывать его при помощи катапульты? Именно эта грандиозная и немножко сумасшедшая идея легла в основу SpinLaunch. В 2014 году стартап секретно основал Джонатан Яни, который ранее создал стартап по разработке дронов на солнечной энергии Titan Aerospace и продал его Google. Как сообщает TechCrunch, ссылаясь на три источника, SpinLaunch привлек 30 миллионов долларов на разработку технологии катапульты.
Идея в том, чтобы создать более дешевый и рабочий способ доставлять, например, спутники с Земли в космос без использования химического топлива. Катапульта могла бы решить вопрос с топливом и дорогими ракетами-носителями, которые используются компаниями вроде SpaceX и Blue Origin.
SpinLaunch планирует использовать центрифугу, вращающуюся с невероятной скоростью. Затем весь этот импульс будет использоваться для катапультирования ценного груза в космос на скорости, которая может превышать 6000 километров в час. При достаточном импульсе объекты будут выбрасываться в космос. В качестве альтернативы катапульта могла бы обеспечивать некоторую мощность, необходимую для того, чтобы груз мог задействовать небольшие ракеты и выйти за пределы атмосферы.
Слегка поколебавшись (как-никак четыре года тайной разработки), Яни согласился рассказать TechCrunch о своем секретном стартапе и показать рендер будущего ангара запуска SpinLaunch. «С самого начала освоения космоса ракеты были единственным способом получить доступ к космосу. Тем не менее за 70 лет технология продвинулась не сильно», говорит Яни. «Чтобы действительно коммерциализировать и индустриализировать космос, нужны технологии, раз в десять лучше».
До недавних пор о SpinLaunch было известно очень немногое. Даже сайт защищен паролем. Но в прошлом месяце в государственном сенате штата Гавайи был предложен законопроект о выпуске облигаций на сумму 25 миллионов долларов США для оказания помощи SpinLaunch в «частичном создании электрической системы запуска небольших спутников». Гавайи надеются получить контракты и рабочие места, а также действуют в соответствии с правительственными целями, помогая SpinLaunch.
Документы SEC показывают, что Яни привлек 1 миллион долларов уставного капитала в 2014 году, когда был основан SpinLaunch, 2,9 миллиона в 2015, 2,2 миллиона в долг в середине 2017 года и еще 2 миллиона в долг в конце 2017. Теперь Яни подтверждает, что SpinLaunch поднял в общей сложности 10 миллионов долларов и что он сам является инвестором. Что касается следующих 30 миллионов долларов, он говорит: «Мы пока встречаемся с потенциальными инвесторами и пока не получили приличного предложения».
Яни создавал стартапы с 2000 годов, среди которых TriVane и Moretti Designs. Но любовь к аэронавтике привела его к тому, что он налетал свыше 1000 часов в кресле пилота и начал разрабатывать Titan Aerospace. В 2014 году стартап купил Google, и Яни начал работу над SpinLaunch.
Яни объясняет, что достижение орбитальных скоростей обычно «требует, чтобы ракета перевозила огромное количество пропеллента, оставляя лишь небольшую долю (несколько процентов) от общей массы транспортного средства для «груза». Но SpinLaunch заменяет ракету-носитель несколькими наземными ускорителями массы, которые разрабатывались еще в 1960-х годах. Современные приспособления включают электромагнитные рельсы и катушки, электротермические химические пушки, легкие газовые пушки и ускорители ударной волны».
NASA исследовало возможность запусков с участием катапульты, которая запускается с трассы вместо центрифуги, но их разработки не стали достаточно экономичными, чтобы успешно использоваться для коммерческого запуска объектов в космос.
У Яни другой метод. SpinLaunch использует метод ускорения вращения, задействуя угловой момент для постепенного ускорения транспортного средства до гиперзвуковых скоростей. Этот подход использует значительно более дешевую архитектуру с гораздо меньшей мощностью. SpinLaunch нацеливается на стоимость запуска менее 500 000 долларов, в то время как все существующие ракетные компании требуют от 5 до 100 миллионов за запуск.
Источники сообщают, что физики, которые изучили компанию, заявили, что потенциальной проблемой может быть воздушное сопротивление после срабатывания катапульты. Атмосфера Земли настолько плотная, что после выброса может оказаться так, что груз словно столкнется с кирпичной стеной. Любая электроника или другие чувствительные материалы в грузе должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать интенсивные перегрузки. Все это объясняет остроконечный, аэродинамический пусковой аппарат, который стоит в ангаре на изображении выше.
Остается вопрос доставки этого корабля в космос. «В течение последних трех лет разрабатывалась, прототипировалась, тестировалась основная технология, и большая часть технического риска отошла в сторону», говорит Яни. «Оставшиеся проблемы связаны со строительством и смежными областями, с которыми сталкиваются все очень крупные проекты в области разработки и строительства оборудования». Коснуться небес – удовольствие не из дешевых, поэтому SpinLaunch ведет переговоры с крупными институциональными фирмами, которые могут позволить себе финансировать следующие раунды.
Если SpinLaunch сможет преодолеть технические барьеры, она сможет и демократизировать доступ к космосу, снизив затраты на запуск. Это может ускорить эпоху инноваций с нулевой гравитацией, от космических путешествий до разработки астероидов.
Источник
В космос без ракеты: американская SpinLaunch разрабатывает электромагнитную «катапульту»
До сих пор вывод космических аппаратов использует старые добрые процессы сжигания химического топлива, и его с собой на борт приходится брать немало, что снижает полезную нагрузку. Альтернативы этому нет, хотя появление воздушного старта могло бы снизить потребность в топливе и сделать запуск дешевле. Кстати, по этому вопросу появились свежие мысли.
Прототип пусковой установки SpinLaunch
На днях сайт Wired рассказал о деятельности молодой компании SpinLaunch и даже попытался с точки зрения физики обосновать проект этого разработчика. Как считают в SpinLaunch, спутники весом до 100 кг можно было бы запускать без ракетоносителя — с помощью большой электромагнитной центрифуги. Спутник раскручивается в центрифуге в вакууме до нужной скорости, а затем шлюз открывается, и аппарат как из пращи выстреливается в космос.
Звучит невероятно? Тем не менее, в SpinLaunch уже инвестировали несколько серьёзных компаний, включая Alphabet (Google) и Airbus. Летом прошлого года они и другие инвесторы выдали SpinLaunch $40 млн.
Согласно предварительному проекту SpinLaunch, пусковая установка будет диаметром 100 метров. В момент запуска спутник весом до 100 кг (плюс, вероятно, служебая платформа аналогичного веса) будет вращаться со скоростью 450 об./мин. На раскрутку должно уходить 1 час 30 минут. Угол запуска ― 35 градусов. Скорость аппарата в момент отрыва от центрифуги будет составлять около 7500 км/ч. Этого значения не хватит для выхода на низкую орбиту, поэтому проект SpinLaunch всё-таки предусматривает включение вспомогательных двигателей в атмосфере на высоте около 60 км.
Теоретически подобный запуск возможен. В компании утверждают, что они смогут выполнять по несколько запусков в сутки по цене до $500 тыс. за старт. Это примерно в 20 раз дешевле, чем с помощью ракет-носителей. Но остаются технические проблемы. Например, в момент отрыва ускорение будет до 10 тыс. g, что может выдержать далеко не всё оборудование и, конечно, не человек. Для людей пределом является ускорение 10 g. Также проблемой станет удар об атмосферу в момент выхода и трение о воздух, что предъявляет высочайшие требования к материалам снаряда.
Проект пусковой установки SpinLaunch
Согласно утечкам, первый опытный запуск SpinLaunch может произойти до конца текущего года. Первый коммерческий запуск должен состояться в 2022 году. Неужели получится?
Источник