Ракета,запитываемая лазером: способ вырваться из гравитационного колодца Земли?

[Polnoch Ксю]

Идея обсудить такую ракету возникла в теме:

https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,105165.msg2339948.html#msg2339948
https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,105165.msg2340824.html#msg2340824

Начну с банальностей, которые могут знать не все.

Почему вывод килограмма груза на орбиту так дорог? Давайте вспомним причины (если что я забыла, добавляйте):

1) одноразовость ступеней: ракета сложное инженерное решение, совсем не дешевое, которое используется лишь раз!
2) стоимость топлива (гептила, или даже если керосин с кислородом... последний тоже не дешев)
3) обслуживание инфраструктуры стартового стола
4) Низкий КПД ЖРД, используемых сейчас для вывода грузов за пределы гравитационного колодца Земли.

Начну с последнего, четвертого пункта. Если кто ее не знает, вот формула Циолковского:



Конечная скорость зависит от удельного импульса и от соотношения масс "отработавшей" и только взлетающей ракеты.
Космонавтика пошла по пути улучшения соотношения масс, для этого и придумали многоступенчатые ракеты, что бы не тащить с собой кусок корпуса (и баков) которые уже пустые, полые.

почему не пользуются способом увелечения удельного импульса? А по тому, что из ЖРД выжали все, что можно, и альтернативы ему пока не очень убедительны: для космоса есть экономичные плазменные движки с высоким УИ (а значит и КПД), на которых уже летают АМС, есть планы постройки межорбитального буксира на VASIMR,  который будет таскать грузы с низкой опорной орбиты на геостационар, и гораздо дешевле, чем современные разгонные блоки ракет, и тд.
вообще с орбиты можно очень экономично отправиться почти куда угодно.

Но для того, что бы оторваться с планеты, УИ не так важен, точнее, он вообще не важен, а важно только отношение тяги к весу ракеты (все же помнят, что вес мерят не в килограммах, а в ньютонах ?).

Вот у эффективных плазменных движков это соотношение совершенно никакое Оно хорошее только для ЖРД.

Сейчас, в качестве альтернативы, начинают предлагать воздушно-реактивные двигатели, что на самолетах,  у них УИ гораздо выше из-за малой массы топлива (не нужно с собой таскать окислитель!).

Есть много проектов, где первая ступень это, по сути, самолет с гиперзвуковым воздушно-реактивным двигателем. Но решает ли это радикально проблему стоимости? По-моему, нет! По тому, что топливо, хоть и не окислитель, все равно приходится тянуть с собой!

Мы можем радикально улучшить показатели формулы циолковского, если для первой ступени, которая летит вокруг воздуха, который может быть рабочим телом, вообще откажемся от топлива: почему бы воздух не греть до высоких температур лазером, который запитывают несколько атомных энергоблоков рядом со стартом ракеты?

Вторая-третья ступень, им уже потребуется рабочее тело, которое можно и привезти с земли, а можно и собрать по пути во время разгона первой ступени.

А еще, вторую-третью ступень можно будет запитывать с орбитального лазера: ведь ракета преодолеет уже большую часть пути в атмосфере, и лазер с высокой орбиты (который будет "видеть" сразу несколько космических стартов на планете) не будет на большом расстоянии рассеиваться воздухом.


Даже без серьезного увелечения температуры в аналоге камеры сгорания получается очень существенная энергетическая выгода, за счет полного отказа от топлива для первой ступени, и частичного для второй-третьей!


проблема номер три обычно решается тем, что космические старты предлагают делать из обычных аэропортов(особенно в случае космолетов). Конечно, сюда пара энергоблоков с лазером не вписываются, но, может, в случае массовых запусков специализированный стартовый стол приблизится в цене эксплуатации к аэропорту?

по пункту 2), нам подойдет любое дешевое рабочее тело (может быть, даже воздух!), которое может дать хороший УИ, мы опять в выйгрыше

Ну а про пункт один,  все ступени нужно делать многоразовыми. И эта идея никак не противоречит ракете, разгоняемой лазером: каждая ступень может приземляться или на парашютах в океан, как это делали боковые ускорители шаттла, или разворачивать крыло, и планировать на аэродром, как это хотят сделать для ускорителя Байкал для ракеты Ангара.

[Polnoch Ксю]

Кстати, двух энергоблоков не хватит: мощность ракеты Восток 14 ГигаВатт, а мощность энергоблока 1-2 гигаватта. Но ведь все равно, при массовых запусках, рядом со стартом можно и десяток энергоблоков соорудить

[Polnoch Ксю]

А может, и одного хватит, если конденсаторы использовать ))

[Stalk.er]

В идеале челнок вообще должен быть безступенчатым. Так как спускать на парашютах, вылавливать, ремонтировать, тестировать, собирать их воедино и снова тестировать все эти многоразовые ступени тоже будет стоить денег, и не малых.
На самом деле тут несколько очень сложных проблем. Передатчик энергии (лазер или мазер или еще) ТАКОЙ МОЩНОСТИ (гигаваты!), И сам двигатель. Рабочее тело воздух не подходит. Его плотность резко падает с ростом высоты. Придется везти рабочее тело с собой. Вот если двигатель будет вообще без рабочего тела))) мечты, мечты.

[Алькатрас]

Слушайте, а как вообще устроена эта ваша лазерная ракета, что она из себя представляет?

[Космический мусор]

Идея сэкономить на "обслуживании инфраструктуры стартового стола" (кстати, никто не знает что это такое?) с помощью "лазера, который запитывают несколько атомных энергоблоков рядом со стартом ракеты" да еще и с привлечением орбитального лазера - чудо как инновационна. )))

[Sergey from Sydney]

А еще, вторую-третью ступень можно будет запитывать с орбитального лазера

А откуда будет получать энергию орбитальный лазер?

[Космический мусор]

А откуда будет получать энергию орбитальный лазер?

из нескольких атомных энергоблоков рядом с орбитальным лазером.

[Sergey from Sydney]

из нескольких атомных энергоблоков рядом с орбитальным лазером.

А, понятно. Атомные энергоблоки будут на орбите. А запущены они (а также орбитальный лазер) туда будут ракетами, которые будут запитываться лазером, расположенным на Земле.

[Anatoly]

... можем радикально улучшить показатели формулы циолковского, если для первой ступени, которая летит вокруг воздуха, который может быть рабочим телом, вообще откажемся от топлива: почему бы воздух не греть до высоких температур лазером, который запитывают несколько атомных энергоблоков рядом со стартом ракеты?

на всякий случай (раз не упомянули - может пригодиться?) вот рабочая моделька такой лазерно-воздушной схемы - Интересное будущее - В космос на лазере!

Вторая-третья ступень, им уже потребуется рабочее тело, которое можно и привезти с земли, а можно и собрать по пути во время разгона первой ступени.

тут проблемка немаленькая имеет место быть - набор рабочего тела из окружающей среды в движении означает и передачу значительного импульса этому рабочему телу - а с учетом высокотехнологичности данного процесса (сжимание? сжижение? и тп - прямоточная схема начиная с некоей высоты уже не будет работать) энергозатраты на набор рабочего тела будут много большими, чем если бы его просто тащили с поверхности - ИМХО, схема невыгодна и энергетически и технологически...

А еще, вторую-третью ступень можно будет запитывать с орбитального лазера: ведь ракета преодолеет уже большую часть пути в атмосфере, и лазер с высокой орбиты (который будет "видеть" сразу несколько космических стартов на планете) не будет на большом расстоянии рассеиваться воздухом.

ИМХО это можно рассматривать только лишь "в идеале" - а вот в реале схема наведения лазера никогда не сможет обеспечить 100% гарантию непопадания лазера по "наземным целям" - а исходя из потребной мощности лазеров - в качестве "побочных последствий" системы выведения возникает и "высокоточное оружие", стреляющее в произвольный момент времени в произвольно выбранные точки поверхности вблизи траектории полета
Ну и нельзя забывать про естественное рассеивание любого лазерного луча (как благодаря атмосферной турбулентности если стрелять с поверхности, так и вообще если стрелять из космоса) - а это, кроме удорожания системы на стоимость сверхвысокореактивной адаптивной оптики, тоже и значимые энергопотери и немалый фактор риска как для самого аппарата (для которого без "анти-лазерного" абляционного? покрытия похоже не обойтись будет), так и для окружающего аппарат пространства...

Даже без серьезного увеличения температуры в аналоге камеры сгорания получается очень существенная энергетическая выгода, за счет полного отказа от топлива для первой ступени, и частичного для второй-третьей!

насчет первой ступени, движущейся в плотных слоях атмосферы, хоть как-то можно согласиться, а вот насчет второй и далее ступеней - уже не получится...

космические старты предлагают делать из обычных аэропортов(особенно в случае космолетов). Конечно, сюда пара энергоблоков с лазером не вписываются, но, может, в случае массовых запусков специализированный стартовый стол приблизится в цене эксплуатации к аэропорту?

попробуйте прикинуть стоимость такого сооружения с учетом среднего КПД лазера, стоимости обеспечения и содержания "зоны отчуждения" (под лазерный луч чтоб ничего случайно не залетало), систем безопасного рассеивания энергопотерь, систем теплоотвода зеркал и стоимости всех "расходных материалов" для работы гигаваттного лазера - окажется, что выведение с помощью ЖРД будет дешевле лазерно-воздушной схемы как минимум на порядок... И к тому же при этом еще и безопаснее как для наземного так и надземного пространства...

[Polnoch Ксю]

на всякий случай (раз не упомянули - может пригодиться?) вот рабочая моделька такой лазерно-воздушной схемы - Интересное будущее - В космос на лазере!

Спасибо, не видела. Но тема вообще почти не обсуждается Я на идею в первый раз наткнулась только на сайте Алекса Семенова в 2012-ом году, тогда как про лазерный парус форварда слышала еще в детстве...

тут проблемка немаленькая имеет место быть - набор рабочего тела из окружающей среды в движении означает и передачу значительного импульса этому рабочему телу

для ВРД (хоть турбореактивных, хоть прямоточников, хоть прямоточных гиперзвуковиков) Ваша логика не работает, их УИ существенно выше, чем УИ ЖРД

ИМХО это можно рассматривать только лишь "в идеале" - а вот в реале схема наведения лазера никогда не сможет обеспечить 100% гарантию непопадания лазера по "наземным целям"

Космический лазер для второй-третьей ступени будет просто в том диапазоне длин волн, что интенсивно поглащается атмосферой, поэтому никакой страшной угрозы он представлять для Земли не будет....

насчет первой ступени, движущейся в плотных слоях атмосферы, хоть как-то можно согласиться, а вот насчет второй и далее ступеней - уже не получится...

Посмотрите на УИ плазмеников и VASIMR: у последнего УИ сильно падает с ростом тяги, но все же во много раз выше, чем у ЖРД. Вы сами-то подумайте: мы можем использовать ЛЮБОЕ рабочее тело (а не гептил, или жидкий кислород!!), которое будет дешево хранить, использовать, и с ним будет удобно взлетать, им будет удобно охлаждать "камеру сгорания"

окажется, что выведение с помощью ЖРД будет дешевле лазерно-воздушной схемы как минимум на порядок..

У нас система массового запуска По сути промышленная, потоковая. Как Вы думаете, что будет дороже, космический лифт, если его когда-то смогут построить, или однопуск протона или Ангары ?

Чем нагружать такую систему, это отдельный вопрос. Понятно, что цивилизация эпохи возрождения, если бы ей подарили супертанкер, или даже обычный контейнеровоз вряд ли нашла бы под него товаров, которые можно было бы туда загрузить.

Просто давайте предположим, что есть нагрузка, требующая каждый день запускать по пять Протонов с едким гептилом, Вы все еще считаете, что Протоном будет дешевле?

В идеале челнок вообще должен быть безступенчатым. Так как спускать на парашютах, вылавливать, ремонтировать, тестировать, собирать их воедино и снова тестировать все эти многоразовые ступени тоже будет стоить денег, и не малых.

Может быть, крылатая ступень Ангары Байкал лучший выход А вот одноступенчатость это сильный минус в формуле Циолковского. Наверное, как минимум, должна быть двухступенчатость: первая ступень под воздушно-реактивные лазерные гиперзвуковые прямоточники, а вторая ступень уже под фактический вакуум с другим рабочим телом, для вывода груза (или людей) на низкую опорную орбиту, где груз (или кабину с людьми) подберет межорбитальный буксир с VASIMR.

Рабочее тело воздух не подходит. Его плотность резко падает с ростом высоты.

Любители первой ступени на ВРД (когда топливо берут с собой, а окислитель из воздуха) предлагают разгоняться по пологой кривой, а не вертикально.

[Sergey from Sydney]

Космический лазер для второй-третьей ступени будет просто в том диапазоне длин волн, что интенсивно поглащается атмосферой

Так все-таки: откуда возьмет энергию космический лазер?

[Polnoch Ксю]

Космический лазер для второй-третьей ступени будет просто в том диапазоне длин волн, что интенсивно поглащается атмосферой

Так все-таки: откуда возьмет энергию космический лазер?

Может быть, солнечные электростанции ? Пара гигаватт это не так уж и много!

[Stalk.er]

Может быть, солнечные электростанции ? Пара гигаватт это не так уж и много!

Пара гигават - это солнечная батарея диаметром километра 3

[Sergey from Sydney]

Пара гигават - это солнечная батарея диаметром километра 3

Зато в свободное от запусков время можно будет устраивать искусственные солнечные затмения: на высоте 300 км (а она вряд ли будет выше) ее угловой диаметр будет 34'. Как раз. Представляете: заказать для своего мероприятия солнечное затмение, как сейчас можно заказать фейерверк.

[-Asket-]

вот рабочая моделька такой лазерно-воздушной схемы

Ground and Flight Tests of a Laser Propelled Vehicle

The microwave thermal thruster and its application to the launch problem

[Проходящий Кот]

Идея сэкономить на "обслуживании инфраструктуры стартового стола" (кстати, никто не знает что это такое?) с помощью "лазера, который запитывают несколько атомных энергоблоков рядом со стартом ракеты" да еще и с привлечением орбитального лазера - чудо как инновационна. )))

У меня была мысль, что именно этим ребята в Чернобыле занимались.......Но перестарались.....

[Инопланетянин]

Кстати, двух энергоблоков не хватит: мощность ракеты Восток 14 ГигаВатт, а мощность энергоблока 1-2 гигаватта.

Это если выкидывать в космос полезную нагрузку массой как сейчас вся ракета. А если только ту крохотульку, которую, собственно, и выводит ракета, то потребуется гораздо меньше. Суть то, именно в том, чтобы избавиться от проклятия формулы Циолковского.

Лазером на порядок дороже, говорите? Но даже если полезной массой будет вся ракета целиком, то это тоже выгоднее. Больше массы выведем, космонавтам не придётся ютиться в тесных отсеках.

[Anatoly]

тут проблемка немаленькая имеет место быть - набор рабочего тела из окружающей среды в движении означает и передачу значительного импульса этому рабочему телу

для ВРД (хоть турбореактивных, хоть прямоточников, хоть прямоточных гиперзвуковиков) Ваша логика не работает, их УИ существенно выше, чем УИ ЖРД

как я уже упоминал выше, прямоточник (любой) начиная с некоторой высоты уже не сможет работать (падение плотности атмосферы вызовет уменьшение поступления  рабочего тела) - соответственно для второй и далее ступеней рабочее тело должно быть уже "свое", а не "внешнее" - и при заборе этого запаса рабочего тела на низших высотах и будет иметь место энерго- и техно- удорожание системы...

ИМХО это можно рассматривать только лишь "в идеале" - а вот в реале схема наведения лазера никогда не сможет обеспечить 100% гарантию непопадания лазера по "наземным целям"

Космический лазер для второй-третьей ступени будет просто в том диапазоне длин волн, что интенсивно поглощается атмосферой, поэтому никакой страшной угрозы он представлять для Земли не будет....

А чуть поконкретнее можно схему? - какая длина волны лазера рассматривается, какой будет механизм ее генерации, преобразования (и потерь) при передачи от источника потребителю, приема и утилизации в двигателе - и какой итоговый КПД всей системы (и, соответственно, какие энергопотери и как и куда утилиризуемы) - для проверки работоспособности (не говоря уже об эффективности) модели ИМХО общей идеи/принципа недостаточно и придется углубляться в частности/детали, в которых обычно и возникают "мелкие затыки", способные похоронить изначально красивые идеи...
И какой планируется механизм защиты аппарата от "промахов" лазера мимо энергоприемника?

Просто давайте предположим, что есть нагрузка, требующая каждый день запускать по пять Протонов с едким гептилом, Вы все еще считаете, что Протоном будет дешевле?

думаю да, по сравнению с рассматриваемым лазерным наземно-орбитальным комплексом запуск и Протонами и Ангарой будет дешевле, Falcon'ом еще дешевле, а запуск какими-либо многоразовыми авиационно-космическими системами - и еще дешевле, а если планер будет с нормально отработанным по безопасности ядерным реактором в виде источника энергии и для воздушного пространства (хоть прямоточник, хоть иные схемы) и для космоса (для выхода на орбиту - ЯРД на водороде, а далее ионник/плазменник/итп для минимизации потребной массы рабочего тела...) - так и еще дешевле - по причине того, что цепочка передачи энергии от генератора до двигателя будет много короче (и соответственно, выше КПД и меньше общая энерго- и ресурсо- затратность), чем в "лазерной схеме"...
ИМХО, для энергоэффективности "лазерно-воздушной схемы" пока что непроизвольно напрашивается аналогия типа "испарить Каспийское море чтобы запустить МКС"

[Константин С.]

 Всем - добрый день.
 Разогрев воздуха в качестве рабочего тела ракеты с поверхности возможен, но будет разгреваться воздух и внутри луча. Фокусировка будет терятся. С этим уже сталкивались на полигоне Сары-Шаган при разработке лазерного оружия. Что будет при нештатном отклонении ракеты от курса? А при отказе или снижении мощности лазеров? Уводить ракету от старта (и энергоблоков) нечем. Не очень понятно как можно разогревать рабочее тело с орбиты на вертикальном участке полёта.