Трамвай Фаэтона

Ничто так не стимулирует ум и не будит воображение, как просмотр телевизора, а все кто не согласен - просто зазомбированы фейсбуком. Предъявлю очередное доказательство этого тезиса.  Вот эта картинка из фильма вдохновила меня на изложенное ниже:Если кто не понял, тут изображена висящая в воздухе железная дорога, поддерживаемая реактивными двигателямиВ приложении к стационарной железной дороге эта идея конечно совершенно бессмысленна. Но вот как насчет того, чтобы временно поднять "железную дорогу" в верхние слои атмосферы, и разогнать по ней "поезд" до первой космической?

Переформулируем идею в менее паропанковском ключе: в верхние слои атмосферы можно временно поднять линию электропередач, которая может с земли обеспечивать энергией разгон летящего вдоль нее космического корабля с рогами-токоприемниками. Сделаем прикидки.

С человекотерпимым ускорением 3g космический корабль требует для разгона до 1й космической около 270 секунд и 1000 км, то есть именно такой длины нам потребуется ЛЭП.

Современный сверхпроводящий кабель длиной 1000 км, способный провести 30 ГВт, будет весить около 2.5 тысяч тонн¹⁾.  Пусть кабель поднимают питающиеся от него же (гипотетические) электротурбинные двигатели, возможности которых совпадают с возможностями турбореактивных двигателей: скорость до 3 мах, практический потолок 25 км. Разогнанный вверх до такой скорости кабель с такой высоты может взлететь по инерции до 70 км (если пренебречь сопротивлением воздуха), чего уже более-менее достаточно для того, чтобы сопротивление воздуха не мешало космическому кораблю разгоняться²⁾. Подъем 2500 тонн на высоту 70 км в сумме потребует полмиллиона киловатт*часов энергии.

Поднимать кабель вверх требуется не весь одновременно, а  с таким расчётом, чтобы каждый участок долетал до высоты 70 км непосредственно перед прибытием в эту точку "вагона". Соответственно, на заключительном этапе разгона за одну секунду на высоту 70 км должен подниматься участок кабеля длиной 8 км. Это дает нам минимально необходимую мощность - 15 гигаватт. Если считать, что электротурбодвигатели еще приблизительно столько же потратят на разгон воздуха для создания реактивной струи, получается, что кабель проводит мощность, достаточную для его собственного подъёма.

Заметим, что между окончанием вертикального разгона кабеля и достижения им рабочей высоты пройдет около ста секунд. То есть в течение последних 100 секунд разгона всю мощность, подводимую кабелем, можно тратить на разгон корабля, и из этого можно вычислить³⁾ максимально возможную массу корабля - 125 тонн. За сто секунд корабль с ускорением 3g разгонится с 5 до 8 км/с и пройдет большую часть пути (650 км). Необходимость предотвращения сильного снижения ускорения на участке разгона до 5 км/с накладывает  более суровое, но менее точное ограничение на массу корабля: тонн пятьдесят.

Да, и чтобы "вагон" тратил получаемую от кабеля энергию только на разгон, желательно передавать кабелю и (механический) импульс, так что мы опять приходим к чему то близкому если не к железной дороге, то, по крайней мере, к фуникулеру. Пятидесятитонный корабль для ускорения 3g должен тянуть кабель с силой в 150 тонн. Для того, чтобы кабель это выдержал, углеродные нанотрубки не нужны, хватит стекловолокна с сечением 5 см2.

Выглядеть аппарат будет как гибрид перевернутого фуникулера (едущего над проводом), "Шаттла" (крылышки будут полезны как во время подъёма в верхние слои атмосферы, так и на случай, если "вагон" сорвется с провода), и корабля из "Матрицы" (если кто не заметил - для замыкания цепи нужно как то избавляться от зарядов, и это можно сделать с помощью термоэлектронной эмиссии, для чего потребуются раскаленные докрасна электроды площадью несколько квадратных метров, из которых в нижних слоях атмосферы будут бить молнии).

В сумме, электроэнергия, потраченная на запуск, обойдется приблизительно в 200 тысяч долларов. А необходимая мощность приблизительно равна вырабатываемой китайской гидроэлектростанции "Три ущелья". Основные капитальные затраты: приблизительно столько же ниобия, сколько его в Большом Адронном Коллайдере, и несколько тысяч электро-воздушно-реактивных двигателей, которых кажется не существует даже в проекте.

Примечания:
1) Al-NbTi сверхпроводящая жила, использующаяся в установке ATLAS на БАК, выдерживает ток 60 кА, напряжение можно положить 500 кВ (как у дальних воздушных ЛЭП). Площадь сечения 5 см2, плотность ниобий-титанового сплава - 6 г/см3, но ниобий-титановые нити составляют лишь небольшую часть объема жилы, так что средняя плотность практически равна плотности алюминия, и вес жилы 1000км  длины составит около 1500 тонн. Еще конечно нужна и термоизолирующая оболочка, способная уберечь от испарения жидкий гелий в течении 10 минут, вес которой мы волевым решением положили 1000 тонн. Экспериментальные образцы сверхпроводящих кабелей выдерживают и на порядок большую плотность тока, так что высчитывать все точно нет смысла.

2) На такой высоте, при разумных габаритах КК потери энергии на трение о воздух в течении разгона составят около 10 процентов, если верить ньютоновской формуле для трения.

3) Мощность необходимая для ускорения W=mva, так что при разгоне с постоянным ускорением максимальная мощность нужна в конце.

"автор строго соблюдает законы физики" (с) один клиент science_freaks