«Техника-молодежи» 2002 г №1, с.10-13

Ни в коем случае! Несложные расчеты и обобщение сведений об уже известных технологических разработках показывают, что космическое производство, опирающееся на космическое же сырье, абсолютно реально, более того — уже сейчас может быть экономически оправданным. Но, естественно, «бумажных» проработок тут мало, такие сложные технические комплексы должны доказать свою работоспособность в реальных условиях. На мой взгляд, лучшим доказательством работоспособности «Лунмаша» (назовем его так по аналогии с «заводом заводов» — «Уралмашем») будет постройка именно таким образом лунной энергосистемы (ЛЭС).

РЕШАЕМАЯ ЗАДАЧА. При создании ЛЭС будут продемонстрированы возможности:

— организации на Луне крупнотоннажного роботизированного промышленного производства из лунного сырья (реголита) веществ, материалов и агрегатов для создания и быстрого развертывания собственно энергоизлучательного комплекса (ЭИК);

— организации производства лунного ракетного топлива для двигателей транспортных аппаратов космической транспортной системы (ТКС), доставляющей с Земли (с околоземной орбиты) оборудование собственно лунной производственной базы, жилого комплекса и инфраструктуры лунного космодрома;

— создания и функционирования самих транспортных аппаратов — межорбитального буксира (МБ) и лунной ракеты (ЛР) как непрерывного транспортного конвейера Земля — Луна — Земля, доставляющего к Луне оборудование, к Земле — топливо пилотируемых ракет, обеспечивающего смену персонала лунной базы, а также доставку с помощью МБ с околоземной на геостационарную орбиту управляемого отражателя — ретранслятора СВЧ-лучей;

— апробации функционирования всех элементов ЛЭС, включая формирование «острого» микроволнового луча, наведение его на наземную приемную станцию и на промежуточный геостационарный отражатель, измерение реальной величины и распределения интенсивности микроволнового излучения в зоне вокруг приемной антенны в целях подтверждения безопасности населения и персонала.

Наиболее важный довод в пользу создания «мини-ЛЭС» — необходимость показать возможность создания полномасштабной системы в сжатые сроки (несколько лет). Поскольку мини-станция по уровню мощности соответствует единичному энергетическому каналу (модулю) будущей штатной ЛЭС, это явится и доказательством реализуемости будущей модульной ЛЭС тераваттного класса. Чтобы обосновать выбор очередности создания лунной производственной базы, напомним основные параметры демонстрационной ЛЭС.

Размещение ЛЭС на экваторе вблизи точки «Земля — Луна»; мощность на выходе из земной приемной антенны (ректенны) в лунный полдень — 20 млн кВт; диаметр излучающей фазированной антенной решетки (ФАР) — 20 км; масса системы ФАР + солнечная батарея (СБ) — 30 тыс. т (масса основного, массообразующего, элемента СБ — железной подложки — 25 тыс. т); масса электрогенерирующего слоя (толщиной 1 мкм) кремния — 1,5 т.

Сверхчистый кремний (так называемой «солнечной» чистоты, близкой к чистоте кремния для традиционных космических СБ из монокристаллов), наносимый на лунном заводе на железную фольгу, доставляется с Земли в виде жидкого соединения — силана (Sil-U) в баке диаметром 2 м. Ширина железных лент подложки — 0,5 м, толщина — 10 мкм, длина — до 20 км (в среднем — 17 км). Мощность единичной радиоизлучающей антенны в составе ФАР — 90 мВт. Длина волны излучения — 5,2 см, (частота — 5,7 ГГц). Мощность единичного твердотельного транзистора ФАР, работающего в режиме двухкаскадного усилителя, 28 Вт.

Один транзистор снабжает энергией по полосковым линиям 6 подрешеток с числом антенн 48 штук (шаг — 5,2 х 5,2 см). Каждая подрешетка имеет фазовращатель. Запитка транзистора СВЧ-энергией от задающих генераторов электровакуумного типа безбалонной схемы, выполненных в виде клистронов мощностью по 10 кВт, размещенных на поддерживающих ленту опорах, производится по волноводам из пенокремнезема (с пористостью около 95%), покрытым алюминиевой фольгой толщиной порядка скин-слоя (1 мкм). Масса набора всех радиотехнических элементов ФАР — задающих генераторов (ЗГ), транзисторов и фазовращателей — соответственно 50, 1000 и 1000 т. В дальнейшем изготовление их (как и сверхчистого кремния) в космосе тоже можно будет рассмотреть, но на этом, первом, этапе они доставляются с Земли.

1. Структура «Лунмаша» (в варианте «Лунэнергостроя»).

Собственно лунное производство, которое и обсуждается далее, должно обеспечивать выработку 25 (а с учетом возможности изготовления опор — 30) тыс. т железа.

Конечно, было бы идеальным изготовить на месте вообще все, но — опираясь на реальные технологии — технологическое оборудование, а также компоненты жилого комплекса и инфраструктуры космодрома в основном доставляются с Земли. Это осуществляется двухзвенной грузовой ТКС (см. «ТМ», № 4 за 2001 г.), все космические аппараты которой работают на лунном топливе. В качестве видов топлива ЛР приняты двухкомпонентные: кремний + кислород и алюминий + кислород. Окислитель — жидкий (криогенный) кислород — перед подачей в камеру сгорания охлаждает околокритическую часть сопла и стенки камеры, после чего, вместе с порошкообразным горючим — кремнием, подается в камеру сгорания. Аналогично устроен и двигатель (условно — ЖРД) на компонентах алюминий + кислород, где горючее — также порошкообразный алюминий. Кислород используется и как рабочее тело электроракетного двигателя межорбитального буксира. Незначительное количество кислорода используется также в жилом комплексе.

Количественной характеристикой эффективности такой ТКС является отношение массы доставленного на поверхность Луны груза Мгр к массе лунных топлив ЛР и МБ — Млт (с учетом многоразовости ЛР и МБ, в том числе затрат на транспортировку рабочего тела МБ на окололунную орбиту с помощью ЛР). Приняты следующие параметры ТКС: массы ЛР и МБ — по 200 т (заправленные); «сухие» массы — 20 и 40 т, соответственно; мощность СБ МБ — 10 МВт; масса СБ — 20 т. Баллистические энергозатраты в двустороннем рейсе ЛР — 4 км/с и МБ — 16 км/с. Удельный импульс тяги ЖРД ЛР — 250 с (скорость истечения струи из сопла — 2,5 км/с); удельный импульс ЭРД — 8000 с.

При этих предпосылках выявилось, что для доставки массы полезного груза в 1 т Мпг на поверхность Луны с околоземной орбиты суммарная масса топлива Млт (включая топливо — рабочее тело ЭРД МБ) составит 6 т; то есть Млт/Мпг = 6.

Функционирование ЛЭС по полной программе возможно только после того, как будут развернуты наземные приемно-преобразовательные антенны (ректенны), выведен на геостационарную орбиту отражатель-ретранслятор массой примерно 70 т и завершено создание собственно лунного энергоизлучательного комплекса (ЭИК), жилого комплекса и лунного космодрома.

РЕСУРСЫ ПОЗВОЛЯЮТ. Собственно лунное производство состоит из ряда «заводов», сильно различающихся как по типу и номенклатуре исходных продуктов и полуфабрикатов, так и по конечному продукту. Основной исходный материал завода №1 (лунное сырье) — базальтоподобный реголит в сильно раздробленном виде (диаметр частиц — 0,1 — 0,3 мм). Химический состав реголита: кислорода — 41%, кремния — 21 %, алюминия — 7%, железа — до 13% (в среднем — 10%); кроме того, в его состав входят в заметных количествах кальций и магний (8 и 6 %, соответственно, а также ряд других элементов).

С точки зрения лунного производства сырье имеет следующие особенности.

1. Почти на 70% реголит представляет собой «лунное ракетное топливо» (хотя и с неоптимальным, с точки зрения ЖРД, соотношением окислителя и горючего).

2. Большая часть железа, являющегося основным массообразующим элементом ЭИКа (передающей антенны) сосредоточена в ильмените (титанистом железняке FeTiO₂), где доля железа составляет 36%, а доля самого ильменита в реголите — 10%. Существенное повышение доли железа в исходном сырье достигается обогащением — магнитной обработкой реголита.

Это предопределяет и структуру заводов, и масштабы переработки сырья, исходя из того, что из ильменита, полученного обогащением реголита, извлекается на отдельном заводе только железо (полуфабрикат для ЭИК); все остальное отправляется в отходы. Ракетное топливо (криогенный кислород и порошкообразные кремний и алюминий) — полностью готовый продукт — производится на другом заводе.

Детально производство железа здесь не рассматривается. Предполагается, что железо восстанавливается из ильменита водородом (при 800°С), а из получившейся воды электролизом выделяется кислород. Оставшаяся твердая двуокись титана сбрасывается в отвал (возможно, в карьер, где добывался исходный реголит), газообразный кислород — в атмосферу (разумеется, можно предусмотреть дальнейшее использование всех «отходов», но нужно посчитать, оправдает ли ожидаемый эффект усложнение конструкции; в конце концов, отвалы могут подождать, а кислорода у нас будет даже много); водород же после электролиза возвращается в замкнутый контур к началу процесса. Для «запуска» процесса определенное количество водорода доставляется с Земли в составе компактных соединений, удобных для космической транспортировки (вода или гидрид калия). Производство железа будет осуществляться на заводе №3 (рис. 1).

2. Структурная схема завода ракетного топлива.

Для производства потребных 30 тыс. т железа необходимо 90 тыс. т ильменита, для чего, в свою очередь, объем переработки исходного реголита должен составлять свыше 900 тыс. т. При массе «хвостов», оставшихся после извлечения ильменита (800 тыс. т), и доле топлива 70% общая масса лунного топлива может составлять свыше 560 тыс. т. Если оценивать долю топлива для доставки и смены персонала базы в 10% от общего его количества, то реальный располагаемый объем топлива только для грузовых перевозок составит более 500 тыс. т. Это позволит доставить на поверхность Луны оборудование заводов, жилого комплекса и космодрома общей массой до 85 тыс. т. Как показали предварительные оценки, реальный выход топлива будет заметно ниже, но и его будет более чем достаточно для подтверждения тезиса о возможности реализовать «самообеспеченность» лунной базы.

В данной статье внимание уделю лишь одному, зато ключевому заводу — по производству лунного топлива — как определяющему звену всей транспортно-технологической цепочки.

Создание подобной ЛЭС имеет смысл лишь при том условии, что все работы будут завершены в крайне сжатые сроки. Обоснованно предполагается, что сама транспортировка оборудования не явится критическим звеном.

Срок наработки необходимого количества лунного топлива для доставки оборудования условно определен в два года; предполагается, что заводы функционируют только в дневные лунные периоды. От продолжительности наработки топлива (то есть от темпа производства при заданном суммарном объеме) зависит, с одной стороны, масса топливного завода (чем меньше срок наработки, тем больше масса оборудования и тем больше численность парка аппаратов ТКС); с другой стороны, увеличивая срок наработки топлива, можно снизить и массу собственно топливного завода, и общую массу ТКС.

Однако при увеличении продолжительности этапа транспортировки и при сохранении заданного срока развертывания будет уменьшаться время на собственно производство и монтаж ЭИК, что потребует увеличения производительности оборудования и его массы. Более строгий анализ позволит для любой суммарной продолжительности выявить такое соотношение между временем транспортировки оборудования и изготовлением ЭИК, которое позволит получить минимум суммарной массы парка «сухих» ТКА и всего доставляемого оборудования. В любом случае, сперва надо проанализировать номенклатуру оборудования всех заводов и, в конечном счете, их массу и энергопотребление. В качестве первоочередной задачи определим состав и производительность оборудования топливного завода, в плане возможностей транспортной системы.

ТОПЛИВНЫЙ ЗАВОД — типичное крупнотоннажное производство кислорода, кремния и алюминия из практически необогащенного реголита. Другие важные вещества, также содержащиеся в реголите в заметных количествах, соизмеримых с долей алюминия (например, магний и кальций), которые, в принципе, могли бы использоваться и как горючее в составе топлива, и как конструкционный материал для ЭИКа, — ради упрощения технологической схемы завода извлекать не предполагается, и они идут в отвалы.

Ввиду приоритетности извлечения кислорода, доля которого в сырье максимальна (и доходит до 41%), тип и параметры основных технологических процессов на заводе, а также состав оборудования выбираются «под кислород». Вообще, известно свыше десятка способов извлечения кислорода из реголита, однако нам предпочтительны низкотемпературные, упрощающие решение проблемы стойкости и ресурса оборудования и при этом позволяющие также извлекать кремний и алюминий. Этому требованию удовлетворяют химические методы, в частности, метод фторирования сырья, где уровень температур не превышает 700° С. Другие способы, например, термический (пиролизный) и электрохимический (с электролизом расплавленного реголита) требуют существенно больших температур (2800° С и 1500° С, соответственно).

Принятый химический способ предполагает обработку реголита сухим газообразным фтором при температуре 700°С и давлении 1 атм. Затраты фтора, доставляемого для начала процесса с Земли, — 0,9 кг на 1 кг реголита. Фторирование производится в химических реакторах, нагреваемых либо напрямую Солнцем, либо электричеством. В качестве материалов, стойких к воздействию сухого газообразного фтора, могут использоваться медь, никель и плавленый кварц.

3. Солнечная печь для производства О2 и SiF4. Цифрами обозначены: 1 — солнечные лучи; 2 — зеркало; 3 — опора; 4 — выход газообразных продуктов реакции; 5 — теплоприемник — реактор (кварцевая труба длиной 8 ми диаметром 300 мм); 6 — направление вращения реактора; 7 — направление вращения никелевой трубы подачи фтора; 8 — подача фтора; 9 — положение зеркала в лунный полдень.

Технология производства кислорода, кремния и алюминия такова. Путем электролиза привозимого с Земли KF при температуре 676° С и энергозатратах 10 кВт/ч KF разлагается на металлический калий, используемый на последующих стадиях технологического процесса, и газообразный фтор, который и начинает процесс обработки реголита. В результате образуются газообразные кислород и SiF₄, а также смесь твердых фторидов остальных металлов — алюминия, магния и кальция, с небольшим количеством фторидов железа и титана, не полностью извлеченных с ильменитом на заводе №1.

Газообразная, относительно высокотемпературная смесь кислорода и SiF₄ тут же удаляется из реактора. После охлаждения ее до температуры -78°С затвердевает SiF₄, который отделяется от газообразного кислорода. Последний же охлаждается до -178° С, ожижается и направляется в термостатируемый бак на космодроме. SiF₄ направляется в нагреватель перед электролизером. При температуре 300°С и энергозатратах в электролизе 1 кВт/ч на 1 кг реголита он разлагается на кремний, получаемый в виде порошка (готовое горючее кислород-кремниевого ЖРД лунной ракеты), и газообразный фтор, возвращаемый в замкнутый цикл к началу процесса.

Металлический калий, полученный ранее, при температуре примерно 500°С добавляется к смеси твердых фторидов, образовавшихся после первоначальной обработки реголита фтором и отделения кислорода и SiF₄. При этом образуется металлический алюминий, а также оставшиеся в следовых количествах в реголите после отделения ильменита железо и титан.

Выделение алюминия, например, из смеси с железом, осуществляется путем ее медленного охлаждения. Первым затвердевает железо, затем смесь железа с алюминидом железа AlFe₃. После этого, при температуре 700°С, оставшийся жидким алюминий подается в распылитель, где методом распыления в лунном вакууме получается лунный порошок, являющийся также готовым горючим технической чистоты для кислород-алюминиевого ЖРД. Характерный размер твердых частиц алюминия —10 мкм.

Упрощенная схема топливного завода представлена на рис. 2 (цикл воспроизводства калия отдельно не показан). Хранение порошкообразных алюминия и кремния на Луне возможно в негерметизированных контейнерах, поскольку, в отличие от Земли, здесь нет опасности возникновения окисной пленки на поверхности частиц, препятствующей воспламенению их в кислородно-избыточной среде камеры сгорания. В баках же ЛР горючее находится под давлением нейтрального газонаддува, применительно к комбинированным системам подачи горючего типа «шнековый насос + эжектор».

Для обработки 1 кг реголита требуются:

— 0,9 кг фтора;

— 1,8 кг калия (в составе 2,7 кг KF);

— 11 кВт.ч электроэнергии;

— солнечная печь с температурой 676°С;

— холодильная установка с уровнем температуры до -178° С;

— электролитическая ванна для электролиза расплавленного KF.

Особенностью такого крупнотоннажного химического производства с суммарным расходом сырья 850 тыс. т (производительностью 850 тыс. т в год при двухлетней работе с учетом ночных перерывов) является высокий абсолютный расход оборотного фтора, что ставит проблему утечек через уплотнения при расходе фтора примерно 2 тыс. т в сутки. Практически в промышленности многие проблемы борьбы с утечками газов уже решены. Так, в атомной промышленности при газодиффузионной технологии разделения изотопов урана-235 и урана-238 и использовании весьма агрессивного и токсичного шестифтористого урана в замкнутом цикле работа многочисленных компрессоров продолжается по много лет без утечек за счет высокой герметизации уплотнений. Для рассматриваемого здесь топливного завода допустима относительная утечка 0,002%, а абсолютная — 30 г/мин, что, по-видимому, технически вполне реализуемо.

ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ. В заключение напомним, что главная цель настоящей статьи — конкретизировать технологические цепочки топливного завода и приближенно определить масштаб достижимого выхода топлива при заданном объеме переработки первичного сырья. Этот выход определяется суммарным объемом выпуска товарного железа на заводе №3. Конечная же цель — оценить возможности кораблей транспортной системы по доставке на полученном топливе оборудования всех остальных заводов и промышленных зон лунного производственного комплекса.

Помимо топлива для лунной ракеты, в случае использования топливной пары алюминий-кислород необходимо предусмотреть производство до 10 тыс. т электротехнического алюминия для кабелей электропитания всех заводов, космодрома и жилой зоны, а также коммутирующих элементов на поверхности радиоизлучающей антенной ленты. Подробная проработка конструкции электролизера для получения сверхчистого электролитического алюминия, а также прокатного производства самих кабельных жил, не проводилась, однако при таких малых масштабах массы их, по-видимому, невелики.

Оценим возможный масштаб (массу) наработки лунного топлива при различных предпосылках о глубине переработки исходного сырья (имеется в виду процент выхода готовой продукции от теоретически возможного). Учтем также, что, помимо идеального случая использования сырья, когда созданы оба двигателя (и кислород-алюминиевый, и кислород-кремниевый) вполне реальным может оказаться вариант с двигателем только на одном из горючих. И наконец, учитывая конкретную эффективность транспортной системы (Млт/Мгр = 6), оценим окончательный располагаемый диапазон масс доставляемого на Луну оборудования заводов и живого комплекса.

Так, при полном использовании сырья (850 тыс. т) и 100%-ном выходе всех компонентов предельная, теоретическая масса лунного топлива составила бы 570 тыс. т, в том числе 350 тыс. т кислорода, а грузопоток на Луну — 96 тыс. т при использовании двигателей на обоих горючих. При создании только двигателя на топливе кислород-кремний и 40%-ном выходе кислорода выработка топлива составит примерно 245 тыс. т, а грузопоток на Луну — 40 тыс. т. При аналогичном выходе кислорода и использовании только двигателя на горючем кислород—алюминий, выработка топлива составит 145 тыс. т, а грузопоток на Луну — 25 тыс. т.

В случае применения для доставки персонала с помощью одноступенчатых лунных ракет с более надежными и безопасными кислород-метановыми ЖРД, при схеме «метан — с Земли, кислород — с Луны», затраты лунного кислорода для пилотируемых ракет составят менее 1 % от общей добычи кислород-алюминиевого топлива.

Рассмотренный в качестве примера вариант производства компонентов лунного топлива химическим способом, обладающим одним несомненным преимуществом — низкой температурой процесса, не следует, однако, считать единственно возможным. Недостатком его, помимо необходимости завозить с Земли «пусковой» фтор и калий и в дальнейшем подпитывать ими для компенсации потерь, являются значительные затраты электроэнергии на многократный электролиз KF. Это неизбежно потребует значительной мощности электропитания и, соответственно, приведет к росту массы привозной электростанции на СБ. Снижение массы СБ даже при химическом способе возможно путем продления срока развертывания. В то же время не исключено использование иных, высокотемпературных, технологий получения топлива (например, электролизной и пиролизной), где суммарная масса оборудования и СБ может оказаться ниже, чем для «химического» варианта.

Опыт и достижения последних лет в области ракетного двигателестроения и атомной энергетики, где, в частности, освоено охлаждение высокотемпературными жидкометаллическими теплоносителями, позволяет надеяться, что и для этих технологий проблема охлаждения также будет решена.

И наконец, не следует пренебрегать и более экзотическим способом выведения грузов с Луны на окололунную орбиту, предлагавшимся еще 25 лет назад — с использованием электромагнитной пушки. Это позволит существенно (примерно в 3 раза) снизить потребное производство топлива для лунных ракет.

Итак, оценки показывают: возможна доставка на поверхность Луны 25 — 45 тыс. т грузов, что заведомо выше, чем масса потребного оборудования в любом из вариантов. Таким образом, подтверждается возможность самообеспечения транспортной системы при создании демонстрационной ЛЭС.

Рисунки Михаила ШМИТОВА