Система магнитного подвеса ОТС, 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 около 40 000 км и массой около 40 млн тонн предполагает 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, 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 (температуры воздуха, ветра, осадков 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 скорости.
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 % для каждых 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 скорость, 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.
Стоимость реализации ОТС
Общая сумма капитальных затрат на реализацию общепланетарной транспортной системы, позволяющей начать полёты ОТС, оценивается в 2,2 трлн USD, в том числе: НИОКР – 116 млрд USD; создание ОТС (с вышеперечисленными характеристиками) – 750 млрд USD, стартовая эстакада с начальной инфраструктурой – 1,32 трлн USD, включая сухопутную часть – 200 млрд USD и океаническую часть – 1, 12 трлн 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.
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 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 энергию 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.
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, т. е. 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. Согласно закону сохранения центр масс этого гигантского кольца всё время будет совпадать с центром масс планеты.
Разгрузка и высадка пассажиров
После достижения заданной орбиты и стабилизации ОТС по всей своей длине (отсутствие локальных колебаний относительно идеальной орбиты) выполняют разгрузку грузов 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 себестоимость подъёма и спуска грузов составит 1111 USD/т и 68,8 USD/т соответственно. Для двух таких рейсов в год себестоимость подъёма и уже отрицательная себестоимость спуска (дополнительный доход) будут равны 861 USD/т и –182 USD/т соответственно. Для 50 подобных рейсов в год себестоимость подъёма и доход спуска, как отмечено выше, достигнут 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 технико-экономическим обоснованиям) рыночной ставке 0,05 USD/(кВт·ч).
В анализе также рассмотрены значения себестоимости для единичного рейса ОТС за год, загруженного в обоих направлениях на 10 %, 2 %, 1 %. Даже при столь малой, как 1 %, загрузке ОТС себестоимость подъёма грузов 59 539 USD/т станет почти в 17 раз ниже перспективного тарифа на подъём в 1 млн USD/т с помощью ракет-носителей.
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). В дальнейшем предполагается рост данного эффекта.
Представленные расчёты учитывают только материальную составляющую производства и доставки продукции.
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. Самое главное, только ОТС способно спасти земную цивилизацию от угасания и гибели.
Конструкция ОТС (вариант):
