Аннотация: Вообще, второй этап для любой программы достижения Луны. Хоть Луна-Лагранж, хоть Сатурн-Аполлон. Пользуйтесь.
Луна-Лагранж: второй этап освоения Луны
Это продолжение первого этапа освоения Луны, в частности, варианта Луна-Лагранж.
Этап возможно начать только тогда, когда на первом этапе уже отработаны технологии:
1) Работы с лунными грунтами: землеройные и землеустроительные, а возможно и взрывные;
2) Получения на месте необходимых объёмов энергии - ядерные/термоядерные реакторы, солнечные батареи/турбины.
3) Получения на месте необходимых лунных ресурсов: кислорода, воды/водорода, металлов, кремния.
4) Использования этих ресурсов, как минимум, для заправки космических аппаратов, для получения металлоконструкций и кремниевых пластин.
Все эти технологии должны быть отработаны в рамках первого этапа освоения. Например, с помощью автоматических исследовательских станций Лунного Полигона.
Ориентировочно на это потребуется 15-20 лет усердной работы.
Т.е. при начале первого этапа в 2025-2030, когда запланированы первые полёты всех ныне заявленных больших лунных программ, ко второму этапу можно будет подступиться не ранее 2040-2050.
На начало второго этапа уже должен быть готов и отработан следующий пул сопутствующих космических технологий:
1) Обитаемые конструкции для вакуума - орбитальные станции и поверхностные базы, в частности, надувные.
2) Транспортно-энергетические модули с ядерными реакторами и электрическими плазменными двигателями;
3) Пилотируемый комплекс класса Земля-Луна-Земля. Например - пилотируемый орбитальный корабль + лунный посадочный корабль + пересадочная орбитальная станция + ракеты-носители достаточной грузоподъемности + средства межорбитальной транспортировки(СМТ). В случае программы Луна-Лагранж это: корабль ПТК-Л + корабль ЛК + станция ОС-Лагранж + РН Ангара-5 + ступень УРМ-2ВС + ТЭМ с ЯЭРДУ.
4) Серийные платформы и посадочные модули для АЛС различных типов. Особенно - посадочная платформа на базе ПС корабля ЛК
5) Добывающие автоматы (харвестеры) и производящие автоматы (фабрики).
Цели, которые должны быть достигнуты на втором этапе, таковы:
1) Использовать полученные технологии для получения доступа к ресурсам Луны и их освоения;
2) Расширить свое присутствие на Луне с использованием этих технологий и лунных ресурсов;
3) Провести отработку технологий технологий, позволяющих получить с Луны прибыль и пользу для Земли и освоения дальнего космоса.
А. Ресурсы Луны
Ресурсами Луны на этом этапе являются:
1) Лунный грунт;
2) Месторождения ископаемых, в т.ч. метеоритного происхождения;
3) Гелий-3 солнечного происхождения.
Лунный грунт состоит по большей части из оксидов металлов(алюминия, магния, титана, железа) и кремния. Может быть источником восстановленных металлов, кремния и газов - кислорода и гелия-3, который залегает в тонком поверхностном слое реголита. Фактически это вся поверхность Луны на глубину от 1 до 20 см, т. е. ресурс общедоступен.
Месторождения могут быть источником чего угодно, от водяного льда до радиоактивных элементов. Но, в отличие от грунта, доступны не везде - как пример, залежи водяного льда в кратерах на южном полюсе. Кроме того, потребуется их разведка, которую теоретически возможно провести на первом этапе автоматами, а также организация добычи почти классическими горными методами. Но для второго этапа такие заглубленные месторождения по большей части недоступны и в расчет их можно не брать.
Гелий можно выделить на этапе переработки реголита, но после этого он требует концентрации и выделения изотопа гелий-3, т. е. фактически обогащения на обогатительном комплексе. Впрочем, это возможно проводить уже на Земле, после доставки.
Итого на выходе можно получить готовые к применению:
1) кислород;
2) металлы;
3) кремний;
4) воду/водород.
Б. Области применения лунных ресурсов
1. Кислород.
Кислород является очень эффективным окислителем для любого ракетного топлива. На первом этапе возможно его опытное применение для дозаправки автоматических и, возможно, опытных пилотируемых взлетно-посадочных лунных комплексов. Т.е. многоразовых лунных кораблей.
На втором этапе заправка лунным кислородом взлетно-посадочных лунных комплексов является стандартным методом.
Кроме того, необходимо снабжение кислородом обитаемых объемов - на орбите и на Луне.
Возможно применение в техпроцессах.
2. Металлы.
Магний, алюминий, железо и титан являются удобными конструкционными материалами. Кроме того, щелочные металлы можно применять как эффективное топливо.
3. Кремний.
Кремний является сырьём для электроники. Например, из лунного грунта можно напрямую производить кремниевые солнечные панели. Выделенный кремний можно обрабатывать для получения сырья электронной промышленности, и непосредственно получать пластины для производства интегральных схем на орбитальных фабриках. Последний этап, собственно производство микросхем, возможен пока только на Земле.
Возможно, на этом уровне, такое производство уже возможно будет развернуть в космосе.
4. Водород/вода.
Вода является необходимой потребностью для обитаемых объемов, а так же применима в техпроцессах и может использоваться в качестве ракетного топлива в топливных парах "водяной лед - алюминий" и (после электролиза) "водород - кислород".
В. Применение лунных ресурсов для расширения присутствия на Луне
Под этим в частности понимается посещаемая или обитаемая лунная база. Возможно, несколько баз. Для создания лунной базы логично использовать местные конструкционные материалы (металлы и реголит), а также частично обеспечить её снабжение за счет местных кислорода и воды. Этот путь значительно эффективнее использует вложенные ресурсы, чем путь полного формирования блоков лунной базы на Земле и полного же снабжения. В случае с использованием лунных ресурсов потребуется забрасывать значительно меньшие начальные объемы грузов, в основном необходимое для достройки обитаемых объемов, а так же потребуется значительно меньший постоянный грузопоток снабжения лунной базы(базы).
Кроме того, обкатанные технологии и методы постройки лунной базы из местных ресурсов очень важны для реализации цели N3.
Так же можно сказать, что при постройке лунной базы возможно использовать отдельные модули лунной базы, создаваемые на Земле и доставляемые на Луну. Например, начальный жилой модуль ("бытовка"). Это имеет смысл, например, для модулей, оборудование которых малопригодно для доставки отдельно от конструкции.
Г. Отработка технологий, позволяющих получить с Луны прибыль.
Такими технологиями являются в частности технологии дешевого транспорта Луна-Земля, Луна-ОЛО или Луна-Лагранж.
Технологии дешевого транспорта, разработанные в теории на настоящий момент:
1)Многоразовые транспортные корабли на лунном топливе;
2)Ракетные снаряды, производящиеся на Луне, на лунном топливе;
3)Неракетные способы вывода в космос - магнитные ускорители, обменно-импульсные системы(ротоваторы), спутники-сборщики рассеянных грузов.
Многоразовые лунные корабли на лунном топливе (как минимум окислителе - кислороде) являются основным транспортным средством ОЛО/Лагранж-Луна-ОЛО/Лагранж на этом этапе, обеспечивая транспортировку автоматов, пилотируемых экспедиций, комплексов лунного полигона и систем лунной базы(лунных баз).
Ракетные снаряды, производящиеся полностью на месте из лунных материалов и использующие лунное топливо("лунный ракетный двигатель"), могут являться средством доставки грузов к окололунным орбитальным станциям, а также, возможно, к Земле. В этом случае возможно их нестандартное применение в роли баллистических ракет Луна-Земля.
Для точной доставки груза РС на станции требуется орбитальный приемник. Например, лазерно-магнитная система захвата, объединяющая лазерный абляционный двигатель и магнитный ускоритель, из концепции коллеги Цеппелина с ФАИ(см. приложение).
Магнитные ускорители(масс-драйверы), позволяющие отправлять с Луны грузы без затрат ракетного топлива, используя только электроэнергию, могут быть произведены на этом этапе с помощью технологий возведения лунной базы из местных ресурсов. Как минимум опытный экземпляр.
В сочетании с орбитальными ротоваторами для довыведения на орбиту тяжелых моногрузов, спутниками-сборщиками для сбора сыпучего груза, находящегося на суборбитальной траектории, и станционных систем захвата, масс-драйверы могут составить эффективную систему выведения в космос лунных ресурсов и продукции.
Планирование данного этапа зависит от сроков и успехов предыдущего этапа. За Т=0 разных процессов можно принять:
1) момент готовности кислород-производящей лунной установки (из лунного грунта или льда);
2) успешность опытов по заправке местным кислородом, например, многоразовой автоматической взлетно-посадочной платформы или её опытного образца;
3) момент готовности многоразового лунного посадочного корабля/универсальной многоразовой взлетно-посадочной платформы;
4) момент готовности технологий "лунного ракетного двигателя".
5) успешность опытов по производству грунтовых работ и металлоконструкций лунными установками;
6) успешность опытов по производству кремниевого электронного сырья, а также, например, фотопанелей.
Итого на этом этапе можно выделить три направления, по каждому из которых требуется отдельное планирование.
Направление первое - "лунное топливо".
а) Производство кислорода из реголита, и/или водород-кислородного топлива из водяного льда;
г) Создание и производство РС на "лунных ракетных двигателях".
д) Создание орбитального приемника для неуправляемых грузов.
Направление второе - "лунная база".
а) Проведение грунтовых работ на Луне;
б) Добыча металлов, кремния и других веществ из реголита или легкодоступных месторождений;
в) Производство конструкций из полученного сырья;
г) Сборка продукции(конструкций лунной базы, поверхностных солнечных электростанций или лунных РС) из полученного металла, например, методами трехмерной печати.
Направление третье - "лунная пусковая система".
а) Проведение опытов с орбитальными импульсно-обменными системами (ротоваторами);
б) Проведение опытов со спутниками-сборщиками рассеянных грузов;
в) Проведение опытов с магнитными катапультами и постройка на Луне масс-драйвера(-ов).
Приложение:
Лазерный уловитель массы для орбитальных станций
Согласно расчетам О'Нейла, запускаемая с поверхности Луны "посылка" прибудет в точку Лагранжа L1 со скоростью не меньше 200 метров в секунду относительно L1, что составляет известную проблему при ее перехвате. Учитывая, что количество таких "посылок" может составлять несколько штук в минуту, проблема уловителя массы - устройства, обратного масс-драйверу, и предназначенного для замедления и захвата запущенной "посылки" - стоит достаточно остро.
Идея: - Каждая "посылка" представляет собой снаряд в алюминиевой оболочке. Алюминий добывается на месте (т.е. на Луне) путем переработки алюмосиликата кальция с помощью KF в нагреваемом солнечными лучами химическом реакторе замкнутого цикла. - Оболочка "посылки" имеет форму цилиндра с двойными стенками - В пространство между внешними и внутренними стенками циллиндра заряжается полезная нагрузка - 10 кг реголита (возможно, прессованного, спеченного или даже выплавленного монолита), предварительно подвергнутого пиролизной обработке в солнечной печи с целью высвобождения содержащихся газов - Полученная при пиролизе реголита газовая смесь хранится в резервуарах, и лунной ночью - охлаждается до жидкого состояния, заряжается под давлением во внутреннюю полость "посылки" и охлаждается до замораживания. Реголит вокруг играет роль теплоизоляции. Снаряд запаивается. - При запуске снаряду-"посылке" сообщается скорость 2,37 км/с - либо запуском как головной части лунного РС, либо как снарядом масс-драйвера. Траектория снаряда проходит через точку Лагранжа L1. При запуске снаряд раскручивается до максимально выдерживаемого числа оборотов. - В точке L1 лазерная установка, питаемая от бортовой энергоустановки станции, фокусирует излучение на торцевой части приближающегося снаряда, обеспечивая испарение сначала алюминиевой оболочки, а затем - находящейся внутри газовой смеси. В результате получаем грубую форму лазерного ракетного двигателя, исполняющего роль тормозного. Теоретически, при весьма низком удельном импульсе около 500 м/с, десяти килограммов газа должно хватить, чтобы изменить скорость 10 кг полезной нагрузки на 350 метров в секунду.
- При этом основная задача лазерного ракетного двигателя - коррекция траектории снаряда таким образом, чтобы он вошел в рабочую зону станционного масс-драйвера. В магнитном поле масс-драйвера производится окончательное торможение снаряда, после чего его складируют.