Общепланетарное транспортное средство

Общепланетарное транспортное средство (ОТС) — геокосмический летательный аппарат многоразового использования для безракетного индустриального освоения ближнего космоса, выполненный в виде опоясывающего Землю в экваториальной плоскости тора; обеспечивающий индустриальные грузо- и пассажиропотоки с Земли на околоземные экваториальные орбиты и обратно; основанный на единственно возможной (с позиций физики) экологически чистой и с минимальными энергозатратами геокосмической транспортной технологии.

  • За 1 рейс сможет выводить на орбиту порядка 10 млн тонн грузов (250 кг на 1 м длины корпуса) и 10 млн пассажиров (250 человек на 1 км длины корпуса), которые будут задействованы в создании и функционировании околоземной космической индустрии.
  • За 1 год сможет выходить в космос до 100 раз.

Описание ОТС

Для достижения того, что способно сделать ОТС за 1 год, современной мировой ракетно-космической отрасли, в которую уже вложены триллионы долларов, потребуется порядка 10 000 лет. При этом затраты на доставку каждой тонны полезного груза на орбиту в настоящее время составляют несколько миллионов USD/т, что в несколько раз выше, чем при эксплуатации ОТС.

  • Конструкция ОТС

Корпус ОТС представляет собой тор, опоясывающий нашу планету в экваториальной плоскости. Снаружи корпуса ОТС крепятся гондолы с грузом и/или пассажирами, а внутри размещены ленточные маховики, приводимые системами магнитных подвесов и линейных электродвигателей в движение в прямом и обратном направлениях.

Конструкция ОТС (вариант):

1.1 и 1.2 – ленточные маховики; 2.1 и 2.2 – системы магнитного подвеса и линейного электродвигателя; 3 – корпус; 4.1 и 4.2 – контейнеры с грузом.

Специфические особенности маховичного двигателя ОТС и требования к нему

В случае с ОТС система магнитного подвеса, как и привод поезда на магнитной подушке, призвана исключить контакт движущегося ленточного маховика с линейными компонентами конструкции ОТС, прежде всего со стенками вакуумного канала. При этом конструкция геокосмического транспортного средства длиной 40 тыс. км и массой около 40 млн тонн накладывает некоторые специфические требования.

В ходе предстартового этапа геокосмического полёта, находясь на взлётно-посадочной эстакаде, ленточный маховик разгоняется до скоростей 10–12 км/с, превышающих первую космическую скорость (7,9 км/с). Созданная вращением вокруг планеты ленточного маховика подъёмная сила направлена от её центра, т. е. вертикально вверх в каждой точке экватора, и должна превзойти силу гравитационного притяжения. Подобное превышение подъёмной силы зависит от многих факторов: высоты дальнейшего подъёма (чем выше размещена орбита, тем большим должно быть превышение), КПД электроприводов ленточных маховиков и других предстоящих потерь энергии во время полёта, в частности аэродинамического сопротивления на атмосферном участке движения и энергетических потерь, связанных со сбросом балласта и прочих изменений общей полётной массы. Для исключения непроизвольного подъёма корпус необходимо зафиксировать на эстакаде по всей своей длине специальными замками.

На первой фазе полёта (после одновременного открытия замков по всей длине эстакады) ОТС начнёт подъём на заданную высоту с закреплёнными на его корпусе гондолами, заполненными пассажирами и грузом. При этом диаметр тороидального корпуса ОТС будет увеличиваться в размерах — от начальных значений, равных экваториальному диаметру Земли, до конечных, равных диаметру околоземной орбиты, куда совершается полёт. Так ОТС доставит грузы на высоту, соответствующую размещению низкой круговой околоземной орбиты.

Непременным условием, при котором груз можно считать доставленным на круговую орбиту, является его движение вокруг планеты с первой космической скоростью (7,9 км/с), так как только в данном случае он становится искусственным спутником Земли и может быть там оставлен в свободном орбитальном полёте (состоянии невесомости). Именно поэтому в ходе второго этапа полёта ОТС ленточный маховик начинает тормозиться его линейным двигателем, перешедшим в режим генерации. Корпус ОТС с закреплёнными на нём грузами в то же время получает импульс в сторону движения маховика, плавно увеличивая скорость своего вращения вокруг планеты, пока не достигнет на заданной высоте первой космической скорости для указанной орбиты.

Первая и вторая фазы геокосмического полёта осуществляются одновременно по специальной программе согласно маршрутному заданию, которое составляется на каждый полёт с учётом весовой загрузки, внешних условий на атмосферном участке пути (температура воздуха, ветер, осадки и др.) и иных факторов. Возвращение ОТС на Землю выполняется в обратном порядке.

Ещё один (второй) ленточный маховик нужен для эффективной передачи импульса и момента импульса между ленточными маховиками и корпусом с грузами. Торможение первого маховика происходит благодаря его линейному двигателю, перешедшему в режим генератора. В подобном случае высвобождающуюся энергию можно не сбрасывать в окружающуюся среду, а использовать для разгона второго ленточного маховика. Его ускорение в противоположном направлении обеспечит не только эффективную рекуперацию энергии, но и передаст двойной импульс на корпус ОТС с грузами. Таким образом будет достигнута максимальная эффективность и высокий общий КПД ОТС при совершении геокосмического полёта с Земли в околоземное космическое пространство с получением орбитальной скорости, равной первой космической.

Масса двух ленточных маховиков должна быть достаточной, чтобы при начальных (полученных ещё на Земле) скоростях в 10–12 км/с, не намного превышающих первую космическую скорость, внутри ОТС возник необходимый запас энергии, импульса и момента импульса, требуемый для выхода на орбиту только за счёт внутренних сил замкнутой системы, без какого-либо силового взаимодействия с окружающей средой.

Учитывая космические скорости движения ленточных маховиков и недопустимость их трения о воздушную среду во время полёта ОТС в нижних плотных слоях атмосферы, они должны быть изолированы внутри вакуумных каналов с безопасным расстоянием до стенок.

Особенности функционирования, связанные с удлинением всех линейных элементов конструкции ОТС (корпус, система магнитной левитации, линейный электродвигатель и др.) на 1,57% каждые 100 км подъёма над поверхностью Земли, налагают ещё одно существенное требование – конструктивно обеспечить возможность удлинения геокосмического транспортного средства до 6,5% (для случая подъёма на околоземную орбиту высотой около 400 км). Принципиальным подходом к выполнению данного требования является линейная компоновка всей конструкции и систем ОТС с использованием сегментов двух видов: основных функциональных, стабильной длины (первый вид), которые с определённым шагом будут разделены специальными удлиняемыми модулями (второй вид), несущими кроме этого коммуникационные линии всех бортовых систем ОТС, включая линии энергетики и связи.

Наибольшую сложность для решения вопроса удлинения вызывают корпус ОТС, вакуумные камеры, системы магнитной левитации и линейного электропривода, а также ленточные маховики, являющиеся линейно-непрерывными по своей конструкции элементами и имеющие растягивающую силовую нагрузку. Значит, их удлинение обеспечивается или на основе упругих конструкций (включая сильфоны, плоские и тарельчатые пружины), или благодаря подвижным сочленениям. Вместе с тем ленточные маховики могут быть собраны без использования специальных удлиняемых сегментов и увеличиваться в своих линейных размерах только за счёт упругих свойств специальных материалов, в том числе сверхпроводящих композитов и постоянных магнитов. Что касается систем магнитного подвеса и линейного электродвигателя, то их сегментирование не представляется особо сложным, так как разделение на модули будет аналогично движению нескольких подвижных составов по общему круговому маршруту.

Принимая во внимание такие важные для любого летательного аппарата требования, как лёгкость и надёжность конструкции, наиболее подходящей системой магнитного подвеса и линейного электродвигателя для привода ленточных маховиков выступает технология самостабилизирующегося электродинамического подвеса EDS с использованием охлаждаемых до криогенных температур сверхпроводящих магнитов. Вместе с тем, учитывая, что приводимые в движение ленточные маховики движутся со скоростями, превышающими первую космическую, и не могут применяться для размещения сложных систем, а прямая коммутация с ними невозможна, сверхпроводящие магниты с системой их криогенного охлаждения должны быть расположены на стороне корпуса ОТС, где размещены все без исключения бортовые функциональные устройства.

Строительство ОТС

Создание ОТС включает в себя 5 основных векторов работы, выполняемых параллельно (срок реализации: 20–25 лет (с 2020 г. по 2040–2045 гг.).

  1. 1. Научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР) по направлениям:
    • Взлётно-посадочная экваториальная эстакада «5 в 1», совмещённая с транспортно-инфраструктурными комплексами UST.
    • Инфраструктура — транспортная, логистическая, промышленная, жилая, энергетическая и информационная.
    • Общепланетарное транспортное средство.
    • Транспортно-инфраструктурный и индустриальный комплекс на орбите, включающий новые космические отрасли — промышленную, энергетическую, информационную и жилую.
  2. 2. Подготовка и строительство экваториальной стартовой эстакады, а также зданий, сооружений, инфраструктуры (промышленные и жилые комплексы, электростанции, линии электропередач, системы управления и связи).
  3. 3. Изготовление и монтаж ОТС (протяжённость 40 382 км; общая масса, без полезной нагрузки, — 30 млн тонн), пуско-наладочные работы.
  4. 4. Строительство экваториального линейного города как транспортно-логистического комплекса геокосмической транспортной системы, а также строительство в составе его «городской черты» экваториальной линейной индустрии как земной компоненты космической индустрии.
  1. 5. Организационная подготовка полётов, в том числе согласование с гражданскими и военно-техническими авиакосмическими ведомствами всех стран мира, сбор космического мусора, представляющего угрозу для ОТС и создаваемой космической индустрии (должно быть начато заранее, с помощью техники, его породившей, — ракет), корректировка правил и международных законодательных актов в области воздушного и морского права; иное, по необходимости.
Стоимость реализации ОТС

Общая сумма капитальных затрат на реализацию общепланетарной транспортной системы, позволяющей начать полёты ОТС, оценивается в 2 204 млрд USD, в том числе: НИОКР – 116 млрд USD, создание ОТС (с вышеперечисленными характеристиками) – 750 млрд USD, стартовая эстакада с начальной инфраструктурой – 1 322 млрд USD, включая сухопутную часть – 200 млрд USD и океаническую часть – 1 122 млрд USD. Кроме этого, в качестве капитальных затрат приняты расходы на электроэнергию неснижаемого запаса кинетической энергии маховиков для подъёма собственного веса ОТС без груза – 16 млрд USD.

Условия выхода ОТС на околоземную орбиту

Предстартовая подготовка

Перед стартом ОТС линейные маховики должны иметь достаточный запас кинетической энергии, чтобы поднять всю систему массой в десятки миллионов тонн на заданную орбиту, с учётом всех последующих потерь энергии:

  • Аэродинамическое сопротивление на атмосферном участке.
  • Потери в магнитной подушке и линейных электродвигателях.
  • Затраты энергии на растяжение/увеличение длины кольца ОТС по мере набора высоты и увеличения его диаметра.
  • Затраты энергии на подъём системы (ОТС) на высоту h₀.
  • Потери энергии при обратном спуске на планету (если будет отсутствовать дозаправка энергией на орбите и на этапе спуска).
Необходимые условия

Для обеспечения ОТС стартовой электрической энергией целесообразнее иметь собственные электростанции, что позволит распределять её внутри геокосмической системы по себестоимости – порядка 0,05 USD/(кВт·ч). Кроме того, дополнительную энергию можно брать из сети стран экваториального пояса планеты, по территории которых пройдёт стартовая эстакада ОТС. Наиболее выгодно это делать именно ночью, так как ночные тарифы ниже дневных в 2–2,5 раза.

Стоимость полной энергии Е0, необходимой для первого запуска ОТС, составит: 420 млрд кВт·ч × 0,05 USD/(кВт·ч) = 21 млрд USD, а удельная (при общей массе полезной нагрузки в 10 млн тонн) будет равна 2100 USD/т. Причём однажды разогнанные маховики могут вращаться внутри вакуумных каналов годами, потому что магнитная подушка на постоянных магнитах, как и вакуум, не станет создавать сопротивление при их движении с космическими скоростями. Значит, энергозатраты для второго и последующих полётов ОТС будут связаны только с частью полной энергии, пропорциональной перевозимому грузу, а также с внутренними потерями энергии, оцениваемыми не выше 10%. Хотя теоретически их можно уменьшить до 5% и даже ниже, до 2–3%. В случае, когда ОТС станет подниматься вверх, оно передаст энергию земному грузу, а при спуске, по аналогии с падающей водой гидроэлектростанции, наоборот, груз из космоса передаст свою потенциальную и кинетическую энергии ОТС. Учитывая, что после образования космической индустрии основной грузопоток будет осуществляться из космоса на Землю, то ОТС перестанет тратить и начнёт генерировать электроэнергию, сообщаемую грузами из космоса, работая в том числе и как гигантская экваториальная динамо-машина общей мощностью около 100 млн кВт.

  • Включение системы магнитного подвешивания маховиков и подключение к внешним источникам электрической энергии линейных электродвигателей (привода) ОТС.

    После этого ленты маховиков, не испытывающие сопротивления (они находятся в вакууме), приходят в движение вдоль вакуумного канала, и, соответственно, вдоль корпуса, а также — во вращение вокруг планеты с осью вращения, проходящей через центр масс Земли

  • Когда лента маховика, охватывающая планету, достигнет в вакуумном канале первой космической скорости (на нулевой высоте в плоскости экватора она равна 7908 м/с, на высоте 400 км — 7671 м/с), она станет невесомой

    Если разогнать маховики до ещё большей скорости, то появится избыточная подъёмная сила, достаточная для подъёма на заданную орбиту всего комплекса ОТС вместе с полезной нагрузкой

ОТС готово к взлёту

После набора расчётной скорости ленточных маховиков ОТС удерживается от подъёма по всей своей длине с помощью специальных стопорных замков, установленных на опорах эстакады. После погрузки грузов и размещения пассажиров в подвесных гондолах, замки освобождают корпус по всей его длине.

Поскольку маховики разогнаны до скоростей, которые обеспечивают превышение центробежных сил над весом каждого погонного метра ОТС, то каждый погонный метр самонесущего транспортного средства, охватывающего планету, начинает перемещаться от центра вращения маховиков, то есть подниматься вертикально вверх в плоскости экватора, проходящей через центр масс Земли. При этом кольцо ОТС будет увеличиваться в диаметре, симметрично во все стороны относительно центра, а его корпус — удлиняться, растягиваться. Центра масс этого гигантского кольца, согласно закону сохранения, всё время будет совпадать с центром масс планеты.

  • Подъём ОТС

    Ускорение вертикального подъёма в космос зависит от избытка центробежных сил. Например, если подъёмная сила, действующая на каждый погонный метр, будет больше веса каждого погонного метра ОТС на 5%, то его корпус начнёт подниматься вверх с комфортным для пассажиров ускорением 0,5 м/с², или равным 5% от ускорения свободного падения. При движении с таким ускорением ОТС поднимется (расширится в плоскости экватора) на высоту 100 км через 5 минут 16 секунд и будет иметь скорость вертикального подъёма на этой высоте, равную 570 км/ч.

  • При подъёме на каждые 100 км над землёй, корпус ОТС должен удлиниться на 1,57% (как и диаметр), что легко достижимо конструктивными и технологическими решениями, например, телескопическими соединениями по длине между короткими участками корпуса, или пружинными (сильфонными) компенсаторами и другими известными и апробированными в технике приёмами.

  • После выхода из плотных слоёв атмосферы (на высотах более 10 км) включается на тормозной (генераторный) режим линейный электропривод ленты маховика, разогнанной на земле до космической скорости в направлении вращения планеты. Вырабатываемая при этом электрическая энергия направляется на разгон второго ленточного маховика в противоположном направлении. В результате корпус ОТС получает двойной импульс и начинает вращаться в сторону вращения планеты. Если ускорение вращения составит те же комфортные 0,5 м/с², то корпус и весь груз, прикреплённый к нему (в том числе и пассажиры, размещённые в гондолах), наберут расчётную орбитальную, то есть круговую, скорость, например, равную 7671 м/с (для высоты 400 км) ровно через 4 часа.

  • Режимы набора высоты и орбитальной скорости подбирают таким образом, чтобы на заданной высоте, например, равной 400 км, ОТС имело орбитальную скорость (то есть 7,67 км/с) и находилось в равновесии — его вертикальная скорость была бы равна 0. Для этого в процессе выхода в космос задействуют, при необходимости, специальную балластную систему. В качестве балласта используют экологически безвредные вещества, например, воду и кислород (сжатый или сжиженный). Если распылять такой балласт в заранее определённом количестве в озоновом слое планеты и выше (высоты от 10 до 60 км), то можно будет регулировать содержание кислорода и озона в верхних слоях атмосферы, а также экологически безопасно управлять погодой и климатом на планете.

Разгрузка и высадка пассажиров

После достижения заданной орбиты и стабилизации ОТС по всей своей длине (отсутствие локальных колебаний относительно идеальной орбиты), выполняют разгрузку и высадку пассажиров в орбитальный кольцевой (охватывающий планету) комплекс.

Грузоподъёмность ОТС — 250 кг/м или 10 млн тонн. Этого достаточно, чтобы при первом же запуске ОТС начать создание вокруг планеты Земля космического индустриального ожерелья «Орбита» (КИО «Орбита»).

Себестоимость геокосмических перевозок ОТС

Проведён анализ устойчивости показателей себестоимости геокосмических грузо-пассажирских перевозок ОТС: для различных степеней загруженности рейсами в год, различной загруженности однонаправленных грузопотоков и неполной загруженности единичного рейса в год. Расчёты проделаны для двух энерготарифов – покупного (0,05 USD/кВт·ч) и партнёрского (0,02 USD/кВт·ч).

Для единственного рейса в год с полной загрузкой ОТС в обоих направлениях и покупной электроэнергией себестоимости подъёма и спуска грузов составят 1111 USD/т и 68,8 USD/т соответственно. Для двух таких рейсов в год себестоимость подъёма и уже отрицательная себестоимость спуска (дополнительный доход) будет равна 861 USD/т и –182 USD/т соответственно. Для 50 подобных рейсов в год себестоимость подъёма и доход спуска, как отмечено выше, достигнет 620 USD/т и –422 USD/т соответственно. При потреблении собственной электроэнергии по льготному тарифу произойдёт практически пропорциональное снижение себестоимости подъёма. Так, для одного, двух и 50 рейсов в год она станет 798,7 USD/т, 548,3 USD/т и 307,8 USD/т. На себестоимость спуска изменение энерготарифа не влияет, потому что на спуске энергия не расходуется, а генерируется и затем реализуется по фиксированной (согласно ТЭО) рыночной ставке в 0,05 USD/кВт·ч.

В анализе также рассмотрены значения себестоимостей для единичного рейса ОТС за год, загруженного в обоих направлениях на 10%, на 2%, на 1%. Даже при столь малой, как 1%, загрузке ОТС себестоимость подъёма грузов в 59 539 USD/т станет почти в 17 раз ниже стандартного сейчас тарифа на подъём в 1 млн USD/т.

Экономический эффект от использования ОТС

Экономический эффект от использования ОТС для геокосмических перевозок на трассе Земля–Орбита–Земля определяется разностью стоимости перевозок между существующими ракетами-носителями и ОТС. Эта разница составляет около 10 млн USD/т (по самым низким средневзвешенным ценам доставки грузов ракетами на орбиту).

В первый же год эксплуатации ОТС, когда на орбиту будет выведено порядка 100 млн тонн грузов, экономический эффект составит 1000 трлн USD (при экономии на доставке каждой тонны груза на орбиту 10 млн USD). С годами предполагается рост данного эффекта.

Представленные расчёты учитывают только материальную составляющую производства и доставки продукции.

Объёмы и себестоимость геокосмических перевозок ОТС по первым 20 годам эксплуатации (оптимальный вариант геокосмической логистики)
Год (с начала эксплуатации ОТС) Годовой объём перевозок, млн т Составляющие удельных затрат на геокосмическую транспортировку тонны груза, USD/т Удельная себестоимость перевозок, USD/т, (-)-прибыль
На орбиту На Землю Энергия груза Энергия потерь Зарплата Амортизация Прочее

1

100

10

429,55

190,91

90,91

55,2

7,5

774,06

2

200

50

315,00

168,00

40,00

55,2

7,5

585,70

3

300

100

262,50

157,50

25,00

55,2

7,5

507,70

4

400

150

238,64

152,73

18,18

55,2

7,5

472,25

5

500

200

225,00

150,00

14,29

55,2

7,5

451,99

6

500

250

175,00

140,00

13,33

55,2

7,5

391,03

7

400

300

75,00

120,00

14,29

55,2

7,5

271,99

8

300

350

- 40,38

113,08

15,38

55,2

7,5

150,78

9

200

400

- 175,00

140,00

16,67

55,2

7,5

44,37

10

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

11

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

12

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

13

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

14

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

15

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

16

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

17

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

18

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

19

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

20

100

500

- 350,00

175,00

16,67

55,2

7,5

95,63

Итого: 4000 7310
Анализ данных, приведённых в таблице выше, позволяет сделать следующие выводы:
  1. 1. Себестоимость геокосмических перевозок с использованием ОТС в размере 775 USD/т в 1-й год эксплуатации обусловлена значительными затратами энергии для первоначальной раскрутки маховиков, а также — относительно малым годовым объёмом перевозок.
  2. 2. 2–7 годы, по мере роста объёма перевозок (как с Земли, так и на Землю), их себестоимость снижается.
  3. 3. В 10-й и последующие годы эксплуатации, когда обратный грузопоток (с орбиты на планету) существенно превысит прямой грузопоток (с планеты на орбиту), себестоимость перевозок примет отрицательные значения. Это означает, что ОТС станет приносить прибыль не как транспорт, а как гигантская линейная кинетическая электростанция протяжённостью более 40 тыскм, с двумя ленточными маховиками с общей массой в 20 млн тонн, способными рекуперировать потенциальную и кинетическую энергию космического груза в электрическую энергию.

Более детальное технико-экономическое обоснование проекта представлено в данной статье, а также в программе «ЭкоМир».

Влияние ОТС на экономическое развитие
  1. 1. Создание нового поколения инфраструктуры, а также современного, продвинутого, высокоэффективного и экологичного транспорта, способного выводить за один рейс на орбиту порядка 10 млн тонн грузов и до 10 млн пассажиров, на что современной космонавтике понадобилось бы более 10 тыс. лет.
  2. 2. Получение более качественного по сравнению с земным производством продукта космической индустрии.
  3. 3. Потребление сырьевых ресурсов космоса — добыча на астероидах железно-никелевой руды, платины, кобальта и других минералов; последующая их доставка на земную орбиту.
  4. 4. Активное использование солнечной энергии и других энергетических ресурсов космоса.

Стоит добавить, что невозможно лишь с финансовой точки зрения оценить эффект от улучшения качества жизни на Земле, стабилизации экологической обстановки в земной биосфере в целом, создания условий неограниченного развития человечества в будущем в связи с переходом на космический этап развития.

Предлагаемое Astroengineering Technologies LLC общепланетарное транспортное средство основано на экологически чистой геокосмической транспортной технологии, которая может обеспечить любые грузо- и пассажиропотоки на орбиту и обратно, и, самое главное, только ОТС способно спасти земную цивилизацию от угасания и гибели.