Об орбитальной ловушке

Идея не моя, не новая, но хорошая. Почему бы не обсудить?

Как снизить затраты на вывод грузов на орбиту? Альтернатива ракетам – орбитальная ловушка. Работает это так - поднимаем груз на высоту 200-300 км, там его ловит ловушка, движущаяся по орбите ИСЗ. При перехвате груза орбита ловушки немного снижается (закон сохранения энергии нарушить нельзя), но мы ее поднимаем с помощью электрических ракетных двигателей с высоким удельным импульсом и поэтому с низким расходом топлива.  

Прикинем, вот что это выльется.

С хорошей точностью поле Земли однородно до высоты 200-300 км, поэтому необходимую скорость найдем так:

 Mgh = mV^2/2, => v = (2gh)^(0.5). 

Если h = 300, v = 2.5 км/с. Куда лучше 8км/с, и даже на химических двигателях масса полезной нагрузки может быть 50 % и больше. 

А теперь главное – принять груз на высоте 300 км. Он несется навстречу ловушке со скоростью почти 8 км/с. Его надо затормозить без ущерба для ловушки и груза. Как?

Очевидно, ловушка должна быть длинной и довольно широкой в поперечнике. Что значит в числах, скоро посчитаем.  Дальше, чем тормозить груз? Видел упоминание о газе как тормозящей среде, но есть проблемы. Нужны створки, которые очень быстро открываются и закрываются для приема груза, и все равно часть газа будет уходить. Конечно, можно ловушку время от времени опускать в верхние слои атмосферы для забора газа, но это дополнительные сложности. С жидкостью тоже проблемы – когда тело влетает с такой скоростью, будет испарение, то есть все равно часть вещества уходит. 

А что, если использовать электростатику?

Сообщим грузу на входе в ловушку заряд – либо фотоэффектом, убрав часть электронов проводимости, либо наоборот – облучив металлическую поверхность груза электронами.

Прикинем в числах фотоэффект. 

Какой максимальный заряд Q мы сможем сообщить металлической сфере радиуса R? Пусть энергия кванта света W будет много больше работы выхода, так что ей пренебрегаем. Тогда из закона сохранения энергии 

W=keQ/R, => Q = WR/ke, e = 1.6*10^(-19)   Кл – элементарный заряд, k = 9*10^9 – константа в законе Кулона. 

Дальше, в тормозящем треке длиной L создано однородное поле напряженностью E. Тогда 

L = V^2/(2a), a – ускорение торможения груза, a = QE/M.

Получаем:

L = V^2*M/(2QE) = (V^2*M/(2E))*(ke/WR)

Это выражение связывает основные параметры процесса. 

Итак, v = 8000 м/с – это фиксировано. Пусть энергия света W = 10 эВ (ультрафиолет) = 1.6*10^(-18) Дж. Тогда

L = (32*10^6*M/E))*(9*10^9/RW(эВ)) = 3*10^16*M/(ER)

Тогда 

EL = 3*10^16*M/R

Для шара из вещества плотностью ro получаем примерно

EL = 10^17*ro*R2

Для воды EL = 10^20*R2

Фактически EL  - ускоряющее напряжение. Приняв EL = 1 МВольт, получаем характерный радиус капли 0.1 мкм, то есть поднятую на высоту 200 км воду надо распылить, и только потом ловить.