Способ реализации межпланетных сообщений и технические устройства для его реализации
Группа изобретений относится к средствам и методам пилотируемых межпланетных полетов. Предлагаемый способ реализуют с помощью ионного реактивного двигателя с внутренним и внешним (космическими газом и пылью) источниками рабочего тела. Электроэнергию получают от атомного реактора прямого преобразования энергии деления ядер в электричество. Биологическую защиту экипажа создают электромагнитным экранированием пилотской кабины, а также введением космонавтов в состояние гибернации, в котором интеллектуальной нейронной сетью с обратной связью поддерживают функциональные системы организма в заданном состоянии. Технический результат направлен на снижение затрат ресурсов и обеспечение биологической целостности экипажа при реализации длительных межпланетных полётов. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к космической отрасли и предназначено для защиты биологической целостности космонавтов в ходе пилотируемых межпланетных полетов путем использования гибернации, а также модернизации космических летательных аппаратов (КЛА) на новых принципах конструкции двигателя и систем его энергообеспечения.
Со времен К.Э. Циолковского межпланетные сообщения планировалось осуществлять пилотируемыми космическими кораблями, использующими в качестве движителя отдачу реактивной газовой струи ракетного двигателя различных модификаций, вплоть до фотонных или квантовых двигателей [Р.Г. Перельман двигатели галактических кораблей, глава 2. В поисках двигателя: Силовые установки космических кораблей. Электротермические двигатели: Изд. академии наук СССР. М.: 1962. ответственный редактор К.П. Станюкович. Режим доступа: http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/perelman-r/02.html.-02.10.2016].
Топливом современных двигателей может служить любое вещество, но предпочтительно используют углеводородное топливо, водород, ксенон или цезий. Перспективная российская космическая программа до 2035 г. подразумевает реализацию пилотируемых космических полетов на таких двигателях [«Глава Центра пилотируемых программ ЦНИИмаш летчик-космонавт Олег Котов дал интервью Rambler News Service». Режим доступа: http://aviapanorama.ru/2016/09/glava-centra-pilotiruemyx-programm-cniimash-letchik-kosmonavt-oleg-kotov-dal-intervyu-rambler-news-service. -02.10.2016]. Опубликованы проекты, одобренные нашими космонавтами, о путешествии на планету Марс целыми комплексами аналогичных кораблей [Элон Маек: «Земляне, которые отправятся на Марс первыми, должны быть готовы умереть». Режим доступа: http://www.ufa.kp.ru/daily/26587/3603305-02.10.2016]. Однако существующие космические летательные аппараты ограничены в дальности полетов из-за лимита количества топлива.
Технической целью настоящего изобретения является устранение этого недостатка КЛА и обеспечение возможности в разы увеличить скорость их передвижения в межпланетном пространстве, используя достижения в разработке ионных двигателей и космической атомной энергетики.
В конце 2011 года НАСА заключило пять контрактов с компаниями, обязавшимися за 600 тысяч долларов предоставить концепцию «буксира», который будет оснащаться ионными двигателями [Займут ли ионные двигатели главенствующее положение в открытом космосе? Режим доступа: http://vpk.name/images/i64392.html. - 02.10.2016]. В России использование ядерной энергетики в космосе перестало быть фантастикой еще в 70-х годах прошедшего столетия. Первые ядерные двигатели в 1970-1988 запускались в космос и успешно эксплуатировались на космических аппаратах (КА) наблюдения «УС-А». В них применялась система с термоэлектрической ядерно-энергетической установкой (ЯЭУ) «Бук» электрической мощностью 3 кВт. [Ядерные двигатели для космических кораблей: Режим доступа: http://fb.ru/article/192506/yadernyie-dvigateli-dlya-kosmicheskih-korabley 06.10.2016].
Наиболее близким аналогом к заявляемому нами техническому решению является межпланетный электро-ядерный корабль Prometheus-001 [Ионные двигатели для США. Режим доступа: http://galspace.spb.ru/orbita/ximdv.htm.-02.10.2016]. Существенное отличие КЛА данного класса состоит из использования ионного двигателя и компактного атомного реактора, поставляющего электроэнергию для двигателя.
Наиболее близким техническим решением по устройству двигателя КЛА является плазменный двигатель - электрический ракетный двигатель (ЭРД), рабочее тело которого приобретает ускорение, находясь в состоянии плазмы. Принцип работы электроплазменного двигателя [https://geektimts.ru/post/276426 «В России сделают плазменный ракетный двигатель для освоения дальнего космоса». Режим доступа: 20.10.2016]: Шаг 1. Инжектор подает нейтральный газ. Шаг 2. "Муфта" геликона ионизирует топливо. Шаг 3. Сверхпроводник создает магнитное поле, которое удерживает плазму. Шаг 4. "Муфта" ионно-циклотронного нагревателя (ICH coupler) разогревает плазму примерно до 1 миллиона градусов. Шаг 5. Тяга, образованная в виде плазмы, высвобождает магнитное удержание.
АО «Конструкторское бюро Химавтоматика» изготовило образец магнито-плазмодинамического двигателя мощностью до 10 кВт, а также высокочастотный ионный двигатель мощностью 300 Вт. Однако и в этом техническом решении движителем КЛА служит энергия струи ионов, получаемых из ограниченных запасов материала (топлива), заготовленного на борту КЛА. Существуют технические решения, позволяющие использовать в ионном двигателе нетрадиционные виды топлива [А.С. Дмитриев, В.А. Кошелев. Космические двигатели будущего. Глава: «Двигатели с использованием внешних источников масс». М.: Знание. 1982]. В частности, среди прочих групп источников топлива для современных КЛА рассматривается возможность использования таких факторов межпланетной среды как ионизированные газ, плазма и космическая пыль. Учтено, что космическое пространство перенасыщено пылевыми частицами, в состоящими, основном, из ионов тяжелых металлов и газами, в основном, водородом и гелием [Каплан С.А., Пикельнер С.Б. Физика межзвездной среды. М.: Наука: гл. ред. физико-математической литературы, 1979. - 591 с.]. Это означает, что запасы потенциального топлива для предлагаемого типа ионных двигателей неограниченны. Причем, из уровня техники известно, что начиная с высот 10000 км от земли, происходит полная ионизация этих источников масс. При этом Дмитриев А.С. (1982) допускает, что использование межзвездной среды в качестве рабочего тела ракетных двигателей станет возможным, если характеристики существующих источников магнитного поля для создания магнитных ловушек будут увеличены в сотни раз.
Заявляемый способ решает эту проблему.
Из уровня техники известны технические решения по использованию в космосе компактных ядерных реакторов для энергообеспечения космических полетов. В частности, известно техническое решение по повышению КПД ядерного двигателя путем прямого преобразования энергии ядерного распада в электрическую, минуя фазу использования перегретого пара [Косарев А.В. Патент РФ №122198 на полезную модель «Тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора». Бюл. №32 от 20.11.2012]. Для обеспечения энергией ионного двигателя предложена ядерная установка, состоящая из ядерных электрогенерирующих элементов (ЯЭГЭЛов). Ядерный элемент на альфа-распаде, при котором из ядра вылетают положительно заряженные альфа-частицы (ядра гелия), состоит из электрода, испускающего альфа частицы (эмиттер) заряжающегося отрицательно, и электрода, на котором накапливаются альфа-частицы (коллектор), заряжающегося положительно. Возникает разность потенциалов в несколько тысяч вольт. Кинетическая энергия положительно заряженных альфа-частиц, производя работу против поля (являясь ЭДС), превращается в потенциальную энергию электрического поля. Кинетическая энергия ядерных осколков соответствует разности потенциалов, близкой к двум миллионам вольт. Чтобы превратить кинетическую энергию ядерных осколков в энергию электрического поля необходимо обеспечить их движение против поля. В ЯЭГЭЛе это достигается следующим образом. Вокруг обычного тепловыделяющего ядерного элемента (ТВЭЛ), выступающего в роли эмиттера (минус электрода), располагается второй электрод - коллектор в форме цилиндрической обечайки. До запуска ядерной реакции деления в ТВЭЛе, на электроды подается пусковое напряжение близкое к двум миллионам вольт. На эмиттер (ТВЭЛ) - минус, на коллектор + плюс. После запуска управляемой ядерной реакции деления разность потенциалов может поддерживаться автоматически. [Косарев А.В. «Повышение эффективности АЭС на основе электрогенерирующих топливных элементов». Режим доступа: http://www.trinitas.ru/rus/doc/0016/001d/00162297.htm. - 17.09.2016]. В известном устройстве полезной модели энергетического ядерного реактора тепловыделяющий элемент, представлен трубчатым кожухом с расположенным внутри сердечником из делящегося материала, коаксиально кожуху расположен внешний электропроводный корпус, пространство между кожухом и внешним корпусом заполнено диэлектриком, при этом между кожухом и внешним корпусом создан перепад напряжений от внешнего источника, причем кожух имеет отрицательный потенциал, а внешний коаксиальный корпус - положительный потенциал, к кожуху и корпусу присоединяется электрическая цепь потребителя электроэнергии [Косарев А.В. Патент РФ №122198 на полезную модель «Тепловыделяющий элемент энергетического ядерного реактора». Бюл. №32 от 20.11.2012 г., Приоритет от 25.05.2012].
Недостатком данного технического решения является неясность конструктивного взаимодействия тепловыделяющего элемента с ионным двигателем КЛА, кроме того неясны вопросы безопасности персонала, что делает невозможным запуск ядерной установки КЛА в условиях наземных стартовых площадок.
Препятствием для реализации космических пилотируемых полетов становится биологическая непереносимость невесомости в сочетании с отсутствием гравитации и привычного магнитного поля космонавтами при пребывании в космосе, все функциональные системы организма которых приспособлены к функционированию в условиях земной гравитации. Наиболее ранимой системой является нарушение венозного оттока от мозга с развитием венозной энцефалопатии, субъективно воспринимаемой космонавтами как ощущение земного «положения вниз головой» с клиническими проявлениями симптомов отека мозга, сопровождаемого многочисленными соматическими нарушениями. Напомним, что для человека, не прошедшего длительную антиортостатическую подготовку на Земле, положение вниз головой практически через один час заканчивается смертельным исходом. Тренировки переносимости нарастающего антиортостатического положения длятся до 8 месяцев наземных тренировок космонавтов. Тех, кто не выдерживает комплекса негативных ощущений, схожих с клиникой венозной энцефалопатии, отчисляют из отряда претендентов. Для профотбора кандидатов в космонавты по биологическим показателям предложено оценивать степень развития у претендентов коллатерального кровотока по магистральным венам, участвующим в отведении венозной крови из полости черепа. Предпочтение отдано лицам с венозными структурам, выявляемыми рентгеновазографическим обследованием, эволюционно схожими с системой оттока крови от мозга у дельфинов, что делает работу их мозга устойчивой к резким перепадам внешнего давления [Герасимов Е.М. Вены головы и шеи. Издательство Ламберт, Германия, 2016. - 372 с.].
Для предотвращения патологических синдромов (Weightlessness and cosmic overload), связанных с потерей венозной кровью гравитационной составляющей, предложено дорогостоящее придание всему КЛА искусственной гравитации, которое на сегодняшнем уровне развития космической медицины может быть заменено управляемым перистальтирующим баровоздействием на паракраниальные венозные сплетения и вены шеи, индивидуально воссоздающими «земной путь» оттока крови из полости черепа [Герасимов Е.М. Проблема борьбы с космическим укачиванием астронавтов (Weightlessness and cosmic overload) в преддверье межпланетных полетов. Альманах современной науки и образования, №8 (51) 2011, 83; Герасимов Е.М. «Нужно ли пытать космонавтов на земле?» Режим доступа: http://ooomediz.narod.ru/business.html; Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. «Стимулятор венозного потока». Патент РФ №2391086, Приоритет от 17.07. 2008, опубл. 10.06.2010, Бюл. №16].
Недостатком данного технического решения является его неэффективность при высоких скоростях КЛА, например, приближающихся ко второй космической скорости. При этом станет неэффективным применение только шейного стимулятора [Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. «Стимулятор венозного потока». Патент РФ №2391086] или периодическое (ежечасное) центрифугирование космонавтов вдоль оси сердца [Д. Линдсли. «Человек в длительном космическом полете». Под редакцией О.Г. Газенко, М.: Мир, 1974]. Угроз для биологической целостности астронавтов много больше. Известно, что «За время межпланетного перелета мозг космонавтов может пострадать. Ученые опасаются, что покорители Марса за смелость поплатятся разумом» [Режим доступа: http://www.mk.ru/science/2016/10/10/uchenye-opasayutsya-chto-pokoriteli-marsa-za-smelost-poplatyatsya-razumom.html-20.10.2016]. Серьезным препятствием в освоении Марса может стать то, что там нет магнитного поля - столь привычного для обитателей Земли. А без него колонистам грозят психические расстройства. По крайне мере в экспериментах на животных ученые столкнулись с подобным феноменом. Влияние отсутствия магнитного поля почувствовали даже члены весьма недалекой от Земли экспедиции "Аполлона-11" во время первого посещения Луны. Рассказывают, будто бы возвратившись, Армстронг и Олдрин страшно переругались. Чуть лица друг другу не побили. Словом, нервно сорвались. Почти как крысы в российских экспериментах. Не исключено, что будущим марсианам придется создавать магнитное поле искусственно - хотя бы в "домах". [Элон Маск: «Земляне, которые отправятся на Марс первыми, должны быть готовы умереть». Колонисты поубивают друг друга. Режим доступа: http://www.ufa.kp.ru/daily/26587/3603305].
Таким образом, в техническом обеспечении пилотируемых межпланетных полетов явно недостаточно существующих мер защиты функциональных систем организма космонавтов. Известны фармакологические способы повышения адаптируемости организма к экстремальным условиям, в том числе применимых к условиям пребывания в космосе [Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. «Средство для повышения адаптируемости организма к экстремальным условиям». Патент РФ №2475257]. Однако подобные средства приспособлены только к повышению защиты паренхиматозных органов от вредного влияния избытка стрессовых гормонов и не могут защитить функциональные системы человека от влияния скоростных космических перегрузок. Из уровня техники известны способы биологической защиты тяжелобольных пациентов от последствий операционной травмы и непереносимого послеоперационного шока путем введения человека в состояние гибернации с существенным и длительным замедлением основных биохимических процессов в организме [А. Лабори и П. Гюгенар. Гибернотерапия (искусственная зимняя спячка) в медицинской практике. М.: Госиздат мед. лит., перевод с французского. O. Ozon, 1956, 271 с.]. Однако этот метод в космической медицине не применялся, но его возможности обсуждались. [Вечная молодость космического экипажа? Лев Мельников, / Техника-молодежи» 2000 г №3, с. 18-19. Электронный ресурс. Режим доступа: http://epizodsspace.no-ip.org/bibl/tm/2000/3/vechnaya.html]. Лев Мельников-академик Российской академии космонавтики имени К.Э. Циолковского считает, что только биология и медицина способны решить проблему выживаемости экипажа сверхдальних космических экспедиций. Даже полет на Марс и обратно должен занять несколько лет, что может создать для экипажа огромные психологические трудности. Академик считает, что при таких полетах экипаж должен быть помещен в специальные капсулы, но не в состоянии анабиоза, а в состоянии организма, подвергнутого так называемой гибернации. В отличие от анабиоза - полной приостановки жизнедеятельности организма в результате его глубокого замораживания с последующим оттаиванием и оживлением - гибернация представляет собой состояние, когда обмен веществ не прекращают, а снижают до минимального уровня. Суть гибернации заключается в том, что при охлаждении организма снижается расход энергии. Например, белки при зимней спячке потребляют в 50 раз меньше кислорода, чем обычно, сурки - в 100 раз, а летучие мыши - даже в 150 раз. Снижение температуры тела человека до некоторого минимального уровня уже давно практикуется в хирургии при проведении сложных операций - это так называемый гипотермический наркоз. Установлено, что все функции человеческого организма способны полностью восстанавливаться после охлаждения примерно до 18°С. Однако после охлаждения до 24°С может начаться смертельная фибрилляция желудочков сердца, и поэтому во время операций температуру тела пациентов снижают всего до 30°С. При этом интенсивность обмена веществ снижается примерно вдвое.
Целью настоящего изобретения является разработка способа реализации длительных межпланетных сообщений и технических устройств, обеспечивающих его реализацию.
Прямого прототипа заявляемому способу и комплексу обеспечивающих устройств не обнаружено. Однако известны аналоги отдельных технических решений, адаптированных нами для применения в заявляемом комплексе и в сумме обеспечивающих выполнение нового ранее не известного, но социально важного технического решения по обеспечению безопасности и эффективности межпланетных пилотируемых космических полетов.
Поставленная цель достигается тем, что в способе реализации межпланетных сообщений пилотируемыми космическими кораблями, использующими реактивную тягу ионного электрореактивного двигателя с внутренним источником ионов и электроэнергию атомного реактора мегаватного класса, запускаемых с земных платформ, при профотборе космонавтов по биологическим показателям, согласно изобретению энергию ядерного деления в атомном реакторе переводят в электроэнергию, минуя тепловую фазу, причем межпланетный космический корабль, собирают из блоков на околоземной орбите и запускают из безвоздушного пространства, при этом в качестве дополнительного рабочего тела ионного двигателя используют внешние источники масс межпланетной среды в виде межзвездных газов, ионной плазмы и космической пыли, собираемых по ходу движения корабля; при этом защиту биологической целостности экипажа от внешнего влияния космической среды, согласно изобретения, осуществляют электромагнитной защитой пилотируемой капсулы корабля, а члены экипажа помещены в гибернационные камеры, в которых интеллектуальная нейронная сеть с обратной связью регулирует в заданных параметрах основные функциональные системы организма, допустимые режимы которых устанавливаются в наземных условиях в индивидуальном порядке. При этом используют устройство ионных электрореактивных двигателей, в которых дополнительная реактивная тяга создается за счет ускоренного электрическим полем потока ионов, причем двигатель снабжен магнитным массозаборником, притягивающим ионы из космического пространства для их направления в ускорительное устройство двигателя для использования в качестве рабочего тела двигателя. При этом, согласно изобретению, устройство атомного реактора мегаватного класса межпланетных космических кораблей, состоящего из ядерных электрогенерирующих элементов, в которых при реакциях ядерного деления выделяются положительно заряженные осколки с большой кинетической энергией, движение которых направляется против электрического поля, причем внешнее электрическое поле создается вспомогательной пусковой установкой, состоящей из типовых устройств для получения поля высокого напряжения, причем ядерные электрогенерирующие элементы в сборке составлены по параллельной электрической схеме, при этом вспомогательная пусковая установка взаимосвязана с системами электроснабжения корабля и выполняет функции резервного источника энергии в периоды остановки ядерного реактора, причем атомный реактор мегаватного класса межпланетных космических кораблей, оснащен устройством запуска реакции ядерного распада и взаимодействия с магнитным полем, а сам атомный реактор имеет секции сборки для получения генератора требуемой мощности. При этом согласно изобретению, защита биологической целостности экипажа от внешнего влияния космической среды состоит в том, что пилотируемая кабина корабля оснащена электромагнитной оболочкой, защищающей экипаж от космических излучений, а члены экипажа помещены в гибернационные камеры, в которых интеллектуальная нейронная сеть регулирует в заданных параметрах основные функциональные системы организма.
Способ реализуется следующим образом. Блоки межпланетного космического корабля по типовым технологиям изготавливают в наземных условиях и доставляют для сборки на орбитальную станцию, например, на базе существующей МКС. Отличием от существующих конструкций энергообеспечение космического корабля осуществляет новый тип ядерной установки, выполненной в блочном исполнении, предназначенных для энергообеспечения элементов КЛА (блок обеспечения движителя, блок магнитной ловушки, блок защиты камеры экипажа, блок обеспечения энергопотребления гибернационных капсул). Кроме того заявленный электроядерный двигатель отличается от принятого за ближайший аналог [Демонстрационный двигатель, созданный АО «Конструкторское бюро Химавтоматика» https://geektimes.ru/post/276426- 20.10.2016] тем, что имеет в передней части магнитную ловушку частиц массы плазмы, газов или пыли состава межзвездной или межпланетной среды, используемых как дополнительное рабочее тело двигателя. Предварительные расчеты Дмитриева А.С. показывают, что для источника магнитного поля в виде витка с током диаметром 15 метров и индукцией магнитного поля в 10 Тс площадь, с которой будет собираться поток плазмы, составит 2 км2. Двигатель с подобным заборником массы на низких орбитах при скорости истечения 100 км/с создаст тягу в 2 кгс и будет потреблять мощность на создание тяги 200 кВт. В заявляемом нами устройстве собранная магнитной ловушкой масса по дополнительному каналу направляется в ионизационную камеру двигателя, увеличивая массу рабочего тела двигателя. При этом согласно изобретению, тормозная система электроракетного плазменного двигателя представлена соплами Лаваля, взаимосвязанными с боковыми ответвлениями основного плазменного сопла, но ориентирующих часть плазменной струи в направлении, противоположном направлению движения космического корабля. Этот принцип использования кинетической энергии высокоскоростной реактивной струи для преодоления ее напора был раскрыт нами в изобретении [А.с. СССР №1327608 «Устройство для перекрытия открыто фонтанирующей скважины» Герасимов Е.М., Бабиев Г.Н] и обоснован в монографии [Герасимов Е.М. «Аварийный газовый фонтан. Проблемы и пути их решения». [(Эксперименты на управляемой модели) Оренбург, 2004, с. 176-193].
Другим существенным признаком заявляемого технического решения является наличие дополнительной электромагнитной оболочки кабины экипажа КЛА, электрообеспеченной от блока ядерной установки и выполняющей функции защиты экипажа от всех видов космических излучений. Другие технические средства защиты космонавтов представлены интеллектуальной нейронной сетью с обратной связью и набором корректирующих мероприятий (ИНС), которые позволяют регулировать отклонения от заданных параметров такие функциональные параметры физиологических систем организма как состояние функций мозга по показателям альфа-ритма, которые при отклонении от заданных параметров свидетельствуют о нарастании признаков венозной энцефалопатии, которая нивелируется включением шейного стимулятора венозного оттока из полости черепа (см. патент №2391086 «Стимулятор венозного потока»); ИНС позволяет контролировать и регулировать температуру тела по параметрам ректальной температуры тела и температуре в охлаждаемой системе гибернационных камер; степень отведения влаги из пододежного пространства по данным влагомера воздуха в системе отведения воздуха от поверхности кожи, что позволит избежать мацерации кожи, неизбежной при длительном лежании в одной позе [смотри наше изобретение а.с. №123851 «Теплозащитный костюм»]; ИНС контролирует также и время свертываемости венозной крови по показаниям минидатчиков [смотри патент РФ №110950 «Биотехнической системы ауторегуляции свертываемости крови»], что позволит избежать тромбоза микровен и пролежней; оксигемометрию, как показатель насыщения крови кислородом; учтено, что современные оксигемометры позволяют осуществлять этот мониторинг без введения датчиков в просвет сосудов; причем при снижении показателей насыщения крови кислородом предусмотрено изменение режима оксигенации камеры и системы удаления из нее избытка углекислоты. Вполне очевидно, что заданные параметры функциональных систем организма подбираются в наземных условиях и индивидуальны для каждого члена экипажа. При этом в программное обеспечение ИНС камер заложено время задействования (включения) шприца-дозатора для фармакологического выведения космонавта из состояния гибернации в соответствии с программой полета и его функциональными обязанностями как члена экипажа КЛА. Преждевременный выход из состояния «зимней спячки», также контролируемый по показателям альфа-ритма мозга, нивелируется введением действующей дозы фармакологического коктейля.
К сожалению, современное состояние космической медицины позволяет использовать телепортацию, как полностью безопасный способ пилотируемых межпланетных сообщений, не ранее 2050 года, поэтому состояние «зимней спячки» пока еще единственный способ защиты биологической целостности космонавтов [Л.Н. Мельников, академик Российской Академии Космонавтики имени К.Э. Циолковского. «Вечная молодость космического экипажа». Техника молодежи, 2000, №3, с. 18-19]
Таким образом, предлагаемая нами конструкция гибернационной камеры с управляемыми ИНС параметрами является единственным надежным инженерным средством биологической защиты космонавтов при межпланетных полетах с КЛА с ядерными двигателями.
Сборку КЛА производят на околоземной орбите и разгон осуществляют разгонным блоком реактивных двигателей после отстыковки КЛА от МКС. При этом запуск ядерной установки и маршевого двигателя производят типовыми средствами на определенном удалении от Земли. По вопросу безопасности следует учесть, что согласно международным договоренностям, включать ядерные реакторы разрешается на орбитах не ниже 800 километров [Ядерный космический двигатель - это полностью российский проект. http://www.nikiet.ru/index.php?option=com_content&view=article&id=426%3 А-2012-280812&catid=6&Itemid=5. Русские космические корабли с ядерными двигателями. Режим доступа: http://echo.msk.ru/blog/fritz_morgen/957006-echo. -27.11.2012]. На этом основании в заявляемом способе предусмотрен запуск КЛА стартовым или разгонным блоком. Этот блок выключается после включения основного маршевого двигателя. Этот относительно маломощный разгонный двигатель будет востребован при переходе КЛА на околопланетные орбиты и для мягкого торможения при посадке.
Дополнительным рабочим телом ионного КЛА является избыточное количество массы мелких частиц (космическая пыль и заряженные газы) в космическом пространстве, часть которой захватывается магнитной ловушкой в носовой части корпуса двигателя КЛА и является основой для длительного поддержания движения космического корабля.
На фигурах 1 и 2 представлено устройство прямого преобразования энергии ядерного деления атомного элемента, минуя тепловую фазу, который состоит из ядерных электрогенерирующих элементов (ЯЭГЭЛов). Электрогенерирующий элемент ядерного реактора содержит трубчатый кожух 1 с расположенным внутри сердечником из делящегося материала, коаксиально кожуху 1 расположен внешний электропроводный корпус 2; пространство между кожухом 1 и внешним корпусом 2 вакуумировано. Между кожухом 1 и внешним корпусом 2 создан перепад напряжений от внешнего источника 3, причем кожух 1 имеет отрицательный потенциал, а внешний коаксиальный корпус 2 -положительный потенциал. К кожуху 1 и корпусу 2 присоединяется электрическая цепь 4 потребителя электроэнергии КЛА, положительно заряженные ядерные осколки 5. Кожух 1 выполнен электропроводным с максимальным отношением длины элемента к его диаметру. Такая конструктивная схема топливного элемента позволит преобразовывать кинетическую энергию осколков непосредственно в электричество. Мощность атомного реактора можно изменять, увеличивая количество электрогенерирующих элементов ядерного реактора в секциях сборки, причем кожуха 1-2 ядерных электрогенерирующих элементов в сборке должны быть составлены по параллельной электрической схеме. Вариант сборки ЯЭГЭЛов представлен на фигуре 2.
Перед запуском ядерной реакции деления в ТВЭЛах, осуществляемой по традиционной схеме [Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. - М.: Наука, 1972, С. 527], на электроды подается пусковое напряжение: минус - на корпус ТВЭЛ (эмиттер) 1 на коаксиальный кожух 2 (коллектор) подается плюс. После запуска управляемой ядерной реакции деления разность потенциалов может поддерживаться автоматически по заданным программам. Собирая ЯЭГЭЛы в секции сборки можно получить энергоустановку любой требуемой мощности. При этом сборка ЯЭГЭЛов в секции осуществляется по параллельной электрической схеме. При этом внешнее электрическое поле создается вспомогательной пусковой схемой 3, состоящей из типовых устройств для получения электрического поля высокого напряжения (порядка 2-х миллионов вольт). Например, от энергии аккумуляторов (солнечных батарей) вращается электродвигатель постоянного тока, вращающий генератор переменного тока. Переменное напряжение генератора подается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора типовой конструкции на требуемое выходное напряжение. Высокое переменное напряжение, снятое со вторичной обмотки трансформатора, выпрямляется в постоянное напряжение, которое используется для запуска ЯЭГЭЛов". При этом установка получается в разы более легкой по сравнению с традиционными АЭС, использующих предварительное преобразование энергии деления ядра для получения перегретого пара. Предварительные расчеты показывают, что установка мощностью в 100 МВт, которая может энергообеспечить двигатель нового типа и позволит получать электрический ток высокой плотности и напряжения, будет весить не более 30 тонн. К примеру, наиболее распространенный атомный реактор КЛТ-40С мощностью 36 МВт имеет эксплуатационную массу в 77 т. При использовании предлагаемого нами принципа прямого преобразования энергии ядерного деления КПД установки может достигать 90%, тогда как КПД типовых АЭС не превышает 30%. Важно отметить, что блоки, составленные из «атомных батареек», выделяют значительное количество избыточного тепла, которое нужно отводить. Разработана система отвода тепла с преобразованием его в тонкопленочных термоэлектрических преобразователях (ТЭП) новой архитектуры [Косарев А.В. Патент RU на изобретение №2131156 Термоэлектрический преобразователь. Бюл. №15 от 27.05. 1999 г.]. Описание ТЭП новой архитектуры дано в журнале «Атомная стратегия» [http://www.proatom.ru/modules.php?name=News&file=article&sid=7920].
В зависимости от программы космического полета вспомогательным источником энергии для запуска ядерного реактора может служить так называемый «солнечный парус», использующий энергию волновых солнечных излучений. При этом согласно изобретению вспомогательный источник энергии, необходимый для запуска ядерного реактора, выполняет функции резервного источника электроэнергии для обеспечения потребности функциональных систем КЛА в ситуациях с отключением ядерного реактора и до его запуска. В частном случае практического применения ядерный реактор заявляемого КЛА может быть запущен с использованием блока аккумуляторов, например, литиевых южно-корейского производства, который используется как аварийный источник электроэнергии.
Таким образом, из общего уровня теоретических знаний по ионным двигателям известно, что скорость КЛА на ионных двигателях зависит от атомной массы ионов в рабочем теле двигателя и от напряжения, которое способна создать энергообеспечивающая двигатель установка [«Ионные двигатели». Режим доступа: http://studopedia.ru/8-161930-ionnie-dvigatelu.html-05.10.2016].
В заявляемом техническом решении указано, что двумя этими параметрами можно управлять.
Таким образом, существенное снижение массы энергоустановки атомного реактора мегаватного класса при высоком КПД может стать определяющим фактором при выборе конструкции космического летательного аппарата и одним из факторов, определяющим работоспособность ионного двигателя предлагаемого нами типа. Техническую реализацию энергоустановки атомного реактора заявляемого типа может реализовать АО «ОКБМ имени И.И. Африкантова» [Нижний Новгород, директор-генеральный конструктор Зверев Д.Л.].
Защита биологической целостности членов экипажа межпланетного пилотируемого корабля. В условиях применения электромагнитной защиты кабины экипажа космического корабля от всех видов излучений «космического ветра» и гамма-излучения атомного реактора жизнь и работоспособность космонавта в основном зависит от состояния его мозга, а еще точнее, от состояния венозного кровоснабжения мозга. Резкое снижение гравитационного влияния на отток венозной крови из полости черепа приводит к развитию венозной энцефалопатии, субъективно воспринимаемой как ощущение земного «положения вниз головой» с клиническими проявлениями симптомов венозного отека мозга, сопровождаемого многочисленными соматическими нарушениями. Напомним, что для человека, не прошедшего длительную антиортостатическую подготовку на Земле, положение вниз головой практически через один час заканчивается смертельным исходом. Поэтому одним из критериев отбора в космонавты является способность человека с полным набором летных навыков переносить дискомфорт и работать в условиях антиортостатической позы. Пороки существующей методологии подготовки функциональных систем космонавтов к жизни на орбите основаны на устаревшей модели Москаленко Ю.Е. [Москаленко Ю.Е. Динамика кровонаполнения головного мозга в норме и при гравитационных перегрузках: под редакцией академика Н.М. Сисакян т.1. Ленинград. Изд. Наука Л.О., 1967], рассматривающей мозговой круг кровообращения не как специфическую органную систему, а как часть общей системы кровообращения. При этом установлено, что невесомость напрямую не действует на мозговые структуры, так как мозг в целом плавает в черепно-мозговой жидкости и защищен многочисленными оболочками. Доказано, что кровообращение в головном мозгу в большей степени определяется активными реакциями сосудов головного мозга, но не следует пассивно за изменениями общесистемных показателей в диапазоне 80-180 мм рт.ст. [Мчедлишвили Г.И. Функции сосудистых механизмов головного мозга, 1968, с.4; Габриелян Э.С. Некоторые аспекты физиологии и фармакологии мозгового кровообращения, 1976, с.11-13]. По инерции практикуют использование противоперегрузочных костюмов, создающих отрицательное давление на нижнюю половину тела в надежде, что это снимет венозный отек мозга с предупреждением потери сознания и нередкими проявлениями венозных инсультов [А.с. СССР №595895. «Способ профилактики неблагоприятного влияния невесомости на организм человека», Газенко О.Г. «Научные результаты исследований в космических полетах». М.: Наука, 1986].
В процессе полетов использование комплексов физических упражнений на тренажерах представляет паллиативную трату времени по предупреждению атрофии мышечной системы и практически не влияет на восстановление биохимического статуса организма, нарушенного венозной энцефалопатией. Прямое подтверждение сказанному является сам факт беспрецедентного по интенсивности остеопороза всех трубчатых костей космонавтов, возвращающихся с орбиты, даже после многочасовых трат времени на спортивных тренажерах. Предложен метод борьбы с последствиями венозного отека мозга в космосе и для выживания биологического объекта при чрезмерных аэрокосмических перегрузках как предложение технически восстановить земной путь оттока венозной крови из полости черепа, используя индивидуально подогнанный портативный шейный бароворотник [Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. «Стимулятор венозного потока». Патент РФ №2391086]. Его автоматизированное применение способно предотвратить саму возможность развития венозной энцефалопатии. Методология основана на длительных морфологических исследованиях, опубликованных в монографии [Герасимов Е.М. «Вены головы и шеи». Издательство Ламберт, Германия. 2016, 372 с.], в которой фото документированы варианты путей оттока венозной крови из полости черепа у землян и показаны пути их прижизненной адаптации к идеалу независимости от влияния перемен внешнего воздействия, так как это эволюционно выработано у дельфинов. При этом предложена методика прижизненного обнаружения у претендентов в космонавты одного из оптимальных вариантов организации обеспечения работы мозга как биологический критерий отбора, обеспечивающий выживание в космическом путешествии.
Несостоятельность существующей концепции управления из внутримозгового центра регуляции мозгового кровообращения давно обосновали физиологи [Вальдман В.А. Сосудистый тонус. М., Медгиз. 1960], но этот факт игнорируют в центрах подготовки космонавтов.
Новая концепция организации управления стабильностью мозгового кровообращения изложена в материалах научно-практической конференции: [Абельмасова Е.Е., Герасимов Е.М. Новая модель регуляции мозгового кровообращения и ее значение для практики. Материалы конференции «Современные информационные технологии в науке, образовании и практике». Оренбург, 2002, c. 356-361]. Предлагаемая модель позволяет не создавать медицинские подразделения на борту КЛА, и систему сомнительных тренажеров, а техническими средствами стабилизировать систему оттока крови из полости черепа и простейшими физиотерапевтическими воздействиями на зоны регуляции мозгового кровообращения, например, ионофоретическими методами воздействия на паракраниальные венозные сплетения, ликвидировать субъективно возникающий дискомфорт еще на стадии развития преднозологии.
Известно решение Правительства России [№ЮЯ-П12-18149 от 22 мая 1993], планировавшего, но не успевшего провести испытания заявленного устройства на космической станции «Мир». Применимость этого технического решения многократно экономически и энергетически более выгодна, чем создание по всему кораблю искусственной гравитации или использование американского решения по ежечасному центрифугированию астронавтов в направлении голова-ноги для стимулирования оттока крови от головы [Д. Линдсли. «Человек в длительном космическом полете»; под редакцией О.Г. Газенко, М.: Мир. 1974]. Однако эти технические решения предназначены для защиты мозга космонавтов на орбитальных станциях, вращающихся вокруг Земли с относительно небольшой по космическим меркам скоростью. Этого будет недостаточно для защиты мозга при нарастании скоростей полета в ближнем космосе, например, к Марсу. Сегодняшнее понимание методов управления жизнеобеспечением мозга подсказывает возможность использования гибернации с резким замедлением обменных процессов и охлаждением мозгового кровообращения не ниже +33°С. Охлаждение ниже этого уровня, как показали последствия гипотермических наркозов в клиниках, приведет к необратимой гибели коры мозга. В этих условиях «астронавт-овощ», т.е. живой, но с деградированной корой головного мозга, принесет биологическую ценность для науки не большую, чем генетически адаптированное экспериментальное животное.
Согласно изобретению, на этапе средней скорости перемещения в пространстве задачу биологической выживаемости космонавтов предлагается реализовать использованием гипотермической камеры, изготовленной на базе охлаждаемой индивидуальной барокамеры, в которой поддерживают повышенное давление с заданным соотношением концентраций кислорода и углекислоты и повышенным содержанием гелия, вдыхание которого способствует оптимизации легочной вентиляции и профилактике ателектазов ацинусов альвеол, т.е. способствует профилактике мелкоочаговых пневмоний, неизбежных при длительной гиповентиляции легких. При этом с помощью ИНС осуществляется мониторинг и коррекция состояния следующих функциональных систем организма космонавта, введенного в состояние фармакологической гибернации:
1) контроль альфа-ритма коры головного мозга, как показатель ее жизнеспособности; причем при любых нарушениях автоматически включается шейный баромассажер [Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. «Стимулятор венозного потока». Патент РФ №2391086], как средство ликвидации нарастающего венозного отека мозга;
2) мониторинг пульса, систолического и диастолического артериального давления, как общий показатель состояния сердечнососудистой системы; учтено, что снижение систолического артериального давления ниже 60 мм. рт.ст. опасно для нормального функционирования мозговых структур и предусмотрены корректирующие фармакологические мероприятия;
3) мониторинг состояния свертывающей-антисвертывающей систем крови, заданный как пониженный почти вдвое от исходного (наземного), для предотвращения возможного «в длительном положении лежа» внутрисосудистого тромбообразования; причем технически эту задачу решает наша разработка по биотехнической ауторегуляции свертывания крови [патент РФ №110950 на полезную модель «Биотехническая ауторегуляция свертывания крови». Авторы Герасимов Е.М., Третьяк Л.Н. опубл. 10.12.2011]; при этом мониторинг состояния противосвертывающей системы крови рекомендуем вести по обобщающему показателю - «времени свертывания»;
4) мониторинг ректальной температуры, как показатель температурного состояния внутренней среды организма;
5) оксигемометрия, как показатель насыщения крови кислородом; учтено, что современные оксигемометры позволяют осуществлять этот мониторинг без введения датчиков в просвет сосудов; причем при снижении показателей насыщения крови кислородом предусмотрено изменение режима оксигенации камеры и системы удаления из нее избытка углекислоты.
Интеллектуальная нейронная система (ИНС), анализирующая состояние функциональных систем организма космонавта и степень отклонений их параметров от наземных условий, предназначена инициировать корректирующие мероприятия.
В качестве чисто гипотетических возможностей (требующих специальных исследований), можно предположить парентеральное введение фармакологического коктейля, усиливающего глубину гибернации и несущей дозы питательной подкормки для обеспечения жизнеспособности паренхиматозных органов. Основу этого коктейля составляют изотонические растворы этанола, гормоны коры надпочечников с добавлением антистрессовых гаммк-содержащих медиаторов, типа ноотропила. Для быстрого введения в состояние гибернации в состав коктейля мы предлагаем вводить малые дозы барбитуратов, обеспечивающих наркотическую гибернацию без явлений переохлаждения и ознобления, но в дальнейшем наркотическое состояние и пойкилотермность обеспечивается сочетанием в крови гормонов коры надпочечников и раствора этанола.
Справочно: 1. Переохлаждение - это патологическое состояние, которое характеризуется избыточной отдачей тепла организмом и ведет к сбоям в компенсаторных реакциях организма с дальнейшим угнетением функций центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы и органов дыхания. Общее переохлаждение с летальным исходом может наступить при 0°С, если человек находится в данных условиях без движения более 10 часов. Если такая же температура воды, тогда необратимые последствия могут наступить уже через полчаса пребывания. [Первая медицинская помощь при переохлаждении/ Электронный ресурс. Режим доступа: http://zdorovi.net/bolezni/pereohlazhdenie.html; http://MVD.GOV.BY/MAIN.ASPX?GUID=60583 - 27.12.20161.
2. Пойкилотермия - состояние организма, при котором температура тела живого существа меняется в зависимости от температуры внешней среды [Чернова Н.М., Былова A.M. Общая экология. Учебник. - М.: Дрофа, 2004; Электронный ресурс: «Пойкилотермия»: https://ru.wikipedia.org/wiki]. Пойкилотермность - это подчинение организма ходу внешних температур [http://www.studfiles.ru/preview/1093217/page:5]. У человека средняя температура мозга, крови, внутренних органов приближается к 37°С. Физиологический предел колебаний этой температуры составляет 1,5°. Изменение температуры крови и внутренних органов у человека на 2-2,5°С от среднего уровня сопровождается нарушением физиологических функций.
3. Избежать смертельного исхода при длительной гипотермии космонавтов можно только путем фармакологического блокирования многоступенчатой структуры регуляции теплопродукции и теплообмена организма (фигура 3).
Именно для этих целей в состав поддерживающего гибернацию коктейля введены барбитураты. При этом основной задачей было углубление наркотического состояния не только коры головного мозга, но и подкорковых образований в первую очередь центра терморегуляции (Thalamus opticus) в подкорке. Предпочтение отдано растворам тиопентал-натрия, так как известно, что его седативное и снотворное действие связано с угнетением ядер ретикулярной формации ствола мозга. Кроме того, известно, что наркотический эффект происходит за счет прямого угнетения коры больших полушарий, причем снижается возбудимость как чувствительных, так и двигательных моторных зоне. [Пойкилотермия, гетеротермия, гомойотермия. Электронный ресурс. Режим доступа: http://megaobuchalka.ru/4/32856.html-27.12.20161.
Механизм действия тиопентал-натрия связывают с торможением передачи нервных импульсов за счет блокады натрий-калиевых насосов на уровне пре- и постсинаптических мембран нервных клеток. Возбудимость нейронов понижается вследствие стабилизации потенциала клеточных мембран. Потребление кислорода головным мозгом падает на 30-50% за счет уменьшения функциональной активности и угнетения окислительных процессов мозговых клеток. При этом печень, почки, обмен веществ -практически не затрагиваются. [«Лекции по Фармакологии»/ лекции / Средства для наркоза /тиопентал-натрия /Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.studfiles.ru/preview/536410-27.12.2016.]. Учтено, что Thalamus opticus - структура, в которой происходит обработка и интеграция практически всех сигналов, идущих в кору головного мозга от нейронов спинного мозга, среднего мозга, мозжечка, базальных ганглиев. Возможность получать информацию о состоянии множества систем организма позволяет ему участвовать в регуляции и определять функциональное состояние организма в целом [Функции таламуса. Электронный ресурс. Режим доступа: http://doctor-v.ru/med/functions-diencephalon].
В заявляемом техническом решении мы используем разработанную нами ИНС с новой конфигурацией формального нейрона, обладающего обратной связью, что позволило решить проблему миниатюризации системы и быстродействия взаимосвязи мониторинговых показателей с корректирующими мероприятиями. Суть концепции новой ИНС раскрыта в патенте, учитывающем закономерности управления биотехнологическими процессами, организованными по принципу «Черного ящика» [Патент 2396101 РФ, МПК 7 В01В 1/00, G05B 19/418. Способ управления процессом пивоварения. ОГУ/ Третьяк Л.Н., Герасимов Е.М., Зобков М.С.; №2008142637/12; заявл. 27.10.2008 - опубл. 10.08.2010, Бюл. №22 - 11 с.]. Предлагаемые технические средства защиты биологической целостности экипажа КЛА могут быть изготовлены на специализированном предприятии СПб филиал ФГУП ЭПМ ФМБА России - СКТБ «БИОФИЗПРИБОР». Детальная проработка существенных признаков гипотермической камеры, включая предлагаемые механизмы мочеотведения и использования влаги мочи, а также стабилизации микрофлоры толстой кишки, будут раскрыты в дополнительном изобретении.
Дальнейшее увеличение скорости передвижения космических аппаратов, приближающихся к 2/3 скорости света, делает невозможным осуществление пилотируемых полетов до тех пор, пока космическая медицина не освоит технологию телепортации. Этот рубеж может быть достигнут уже к 2035-2050 годам. [Технологию телепортации собираются внедрить в России к 2035-му году. /Режим доступа: http://echo.msk.ru/news/1788754-echo.html - 20.10.2016]. Такая задача предусмотрена программой «Национальная технологическая инициатива». Причем 7,8 из требуемых 10 миллиардов рублей в ближайшие два года на реализацию технологической «дорожной карты» оплатит федеральный бюджет.
На сегодняшний день смоделировать нечто похожее на телепортацию удалось лишь ученым из США. В лабораторных условиях они переместили несколько атомов рубидия на расстояние в полметра. До внедрения телепортации управление кораблем могут взять на себя роботы, так как дистанционное управление полетами себя уже исчерпает из-за огромного времени прохождения управляющего сигнала.
Таким образом, согласно изобретению, заявляемый способ реализуется новыми принципами конструкции и взаимодействия основных функциональных блоков космического летательного аппарата для межпланетных пилотируемых полетов, а именно разгонного блока→ маршевого двигателя ←ядерного реактора ←вспомогательного источника электроэнергии→ блоков жизнеобеспечения экипажа КЛА ↔ кабины управления КЛА. Заявитель отказался от идеи запуска заявляемого космического аппарата с наземных платформ, например с морской платформы «Морской старт», приобретенной российским бизнесменом Владиславом Фи левым [«Дочка S7 займется космическими запусками с платформы "Морского старта"» Космос 14 сентября, 15:10. Режим доступа: http://special.tass.ru/kosmos/3620749 http://tass.ru/kosmos/3620749] на том основании, что разгонный блок, необходимый для выведения всего космического аппарата на безопасное для Земли расстояние, потребует большого расхода горючего на преодоление земного притяжения и сопротивление земной атмосферы. При этом отделяемые ступени ракеты разгонного блока невозможно будет использовать в дальнейшем для маневрирования КЛА при посадке на целевой космический объект. Этот факт, согласно изобретению, вынуждает использовать монтаж блоков космического корабля на околоземной орбите при доставке отдельных блоков корабля, например, с «Морской платформы» на МКС, используя новый тип ракеты, например, работающую на метане, изготавливаемую НПО «Энергомаш» [Для космодрома "Морской старт" разработают новую ракету вместо украинской. Электронный ресурс. Режим доступа: https://ria.ru/science/20160826/1475346389.html 13:1826.08.2016].
Таким образом, современное состояние отечественной промышленности, обеспечивающей жизнеспособность российской космической программы, позволяет практически реализовать заявляемый способ межпланетных сообщений и изготовление технических средств его реализации. При этом внедрение заявляемых технических решений позволит привести российскую космическую программу пилотируемых межпланетных полетов к современному уровню научно-технического прогресса в области пилотируемого освоения космоса.
1. Способ реализации межпланетных сообщений пилотируемыми космическими кораблями, использующими реактивную тягу ионного электрореактивного двигателя с внутренним источником ионов и электроэнергию атомного реактора мегаваттного класса, запускаемыми с орбитальных платформ, при профотборе космонавтов по биологическим показателям, отличающийся тем, что энергию ядерного деления в атомном реакторе переводят в электроэнергию, минуя тепловую фазу, причем межпланетный космический корабль собирают из блоков на околоземной орбите и запускают из безвоздушного пространства разгонным блоком, причем в качестве дополнительного рабочего тела ионного двигателя используют внешние источники масс межпланетной среды, например, в виде межзвездных газов и космической пыли, собираемых по ходу движения корабля, при этом кабина корабля оснащена электромагнитной оболочкой, защищающей экипаж от космических излучений, а защиту биологической целостности экипажа осуществляют с применением интеллектуальной нейронной сети, управляющей состоянием функциональных систем организма при использовании гибернации.
2. Система защиты биологической целостности экипажа космического корабля от внешнего влияния космической среды, отличающаяся тем, что кабина пилотируемого корабля имеет электромагнитную оболочку, защищающую экипаж от космических излучений, при этом система снабжена гибернационными камерами, в которые помещают членов экипажа и в которых интеллектуальная нейронная сеть регулирует по заданным параметрам основные функциональные системы организма.
