Масс-драйвер

TL;DR

  • Назначение: Электромагнитная катапульта для запуска зеркал на орбиту
  • Параметры: Длина 1 км (базовый), скорость 5 км/с, ускорение 1275g
  • Масса: ~500 тонн (~99% местные материалы)
  • Производительность: 600 запусков/сутки, 60 тонн зеркал/сутки
  • Энергия: ~165 МВт комплекс (33 МВт запуски + ~124 МВт производство + 1 МВт роботы)
  • Роботы: 49 роботов на 1 МД

*При необходимости снижения нагрузки: 2 км (637g) или 3 км (425g).

Обзор

Масс-драйвер — электромагнитная пушка, разгоняющая зеркала до второй космической скорости Меркурия (4.3 км/с) для вывода на орбиту и формирования Роя.

Базовые параметры

Физика запуска

Меркурианский масс-драйвер — электромагнитная пушка, разгоняющая 116 кг контейнер с зеркалом до второй космической скорости Меркурия.

Параметр Значение
Вторая космическая Меркурия 4.3 км/с
Целевая скорость 5 км/с (запас 16%)
Длина трека 1 км (базовый вариант)*
Ускорение 12 500 м/с² (1275g)
Время ускорения ~0.4 сек

*При необходимости снижения нагрузки: 2 км (637g) или 3 км (425g). Все варианты имеют ≥20× запас vs доказанных 25,000g.

Почему 5 км/с, а не 4.3 км/с?

  • 4.3 км/с — теоретический минимум для выхода из гравитационного колодца
  • +0.7 км/с запас на коррекцию траектории, потери на рассеяние, маневрирование в Рое

Варианты длины трека

Базовый вариант (1 км) выбран для максимальной скорости строительства:

Параметр 1 км (базовый) 2 км 3 км
Ускорение 1275g 637g 425g
Время разгона 0.4 сек 0.8 сек 1.2 сек
Масса МД ~500 т ~875 т ~1300 т
Время строительства ~25 дней ~40 дней ~60 дней
Запас vs 25,000g 20× 39× 59×
Пиковая мощность 11.8 ГВт 5.9 ГВт 3.9 ГВт

Выбор финализируется при детальном проектировании с учётом: - Результатов тестов на лунном прототипе (~640g) - Реальной выживаемости упаковки при высоких g - Доступной производственной мощности

Энергия запуска

Масса контейнера: 116 кг (100 кг зеркало + 15 кг контейнер)
Скорость: 5000 м/с

E = ½ × m × v²
E = ½ × 116 × (5000)² = 1.45 ГДж

Энергия на тонну зеркал: - 1 контейнер = 100 кг зеркала - 10 контейнеров = 1 тонна - 14.4 ГДж/тонну зеркал

КПД масс-драйвера

Электромагнитный ускоритель имеет потери на: - Сопротивление обмоток (джоулево тепло) - Вихревые токи в рельсах - Паразитные магнитные поля

Материал обмоток КПД при +20°C КПД при -180°C
Медь (Cu) 40-45% — (нет на Меркурии)
Алюминий (Al) 25-30% 35-40%

Решение: Криоалюминий (см. раздел ниже)

Энергия с учётом КПД

КПД: 40% (криоалюминий -180°C)
Полезная энергия: 1.45 ГДж
Затраченная энергия: 1.45 / 0.40 = 3.6 ГДж

Для конденсаторов (КПД заряда/разряда 77%):
3.6 / 0.77 = 4.7 ГДж на запуск

Среднее энергопотребление: - 4.7 ГДж за 0.4 секунды = 11.8 ГВт пиковая мощность (из NaS конденсаторов) - 600 запусков/сутки × 4.7 ГДж = 2.82 ТДж/сутки - Средняя мощность: 33 МВт

Криоалюминий

Проблема: Отсутствие меди на Меркурии

Меркурианский реголит содержит 0.001% меди — практически нулевая концентрация. Импорт 1000 тонн меди для одного МД экономически нецелесообразен.

Материал Проводимость при +20°C Проводимость при -180°C
Медь (Cu) 100% (58 МСм/м) 400%
Алюминий (Al) 60% (35 МСм/м) 360%

Вывод: При -180°C алюминий достигает 360% проводимости от комнатной температуры, что в 6× выше чем обычный алюминий.

Решение: Стационарное размещение в тени

Масс-драйверы размещены стационарно с оптимизацией позиционирования (широта, долгота) по максимальному времени в тени. Теневая сторона Меркурия имеет -180°C — алюминиевые катушки охлаждаются естественным образом:

  1. Катушки МД — алюминиевые (местное производство), естественно криогенные в тени
  2. Солнечные панели — рядом, на освещённой стороне
  3. NaK-контур — отвод тепла от запусков (не для криоохлаждения катушек)
Конфигурация КПД Условия Импорт
Солнечный период (+20°C) 25-30% Сниженная эффективность 0 т
Теневой период (-180°C) 35-40% Естественное охлаждение 0 т
Импорт меди 40-45% Простая ~1000 т/МД

Следствие: - КПД 35-40% бóльшую часть меркурианского дня (как у меди комнатной) - Нулевой импорт материалов для обмоток - NaK-контур нужен только для отвода тепла запусков, а не для криоохлаждения

Конструкция масс-драйвера

Основные компоненты

Компонент Масса (1 км) Материал Локализация
Каркас тоннеля ~270 т Сталь Fe-6%Mn 100% местное
Рельсы + обмотки + охлаждение ~220 т Алюминий (крио) 100% местное
Электроника и сенсоры ~6 т Импорт Земля
ИТОГО (1 км) ~500 т 98.8% местное

*При удлинении: 2 км (~875 т), 3 км (~1300 т).

Материалы: - Рельсы: Алюминий (крио-охлаждение для проводимости) - Катушки: Алюминий (охлаждение до -180°C) - Каркас: Сталь Fe-6%Mn (1 км тоннель) - Конденсаторы: Na + S + Al₂O₃ (100 ГДж энергия) - Электроника: Импорт с Земли (6 тонн)

Вращающаяся платформа

Проблема: Снаряд должен выходить из ускорителя на строго определённой траектории (±0.1°).

Решение: Вращающаяся платформа на выходе из тоннеля: - Контейнер раскручивается до 60-120 об/мин перед выстрелом - Центробежная сила стабилизирует контейнер при выходе - Нет необходимости в газовых двигателях на контейнере

Параметр Значение
Диаметр платформы 3-5 м
Скорость вращения 60-120 об/мин
Время раскрутки 10-15 секунд
Момент инерции контейнера ~130 кг·м²

Преимущества: - Экономия массы контейнера (нет двигателей) - Стабилизация траектории (гироскоп) - Развёртывание зеркала центробежной силой

Производительность

Базовая производительность

Параметр Значение
Запусков в сутки 600
Интервал между запусками 2.4 минуты
Масса контейнера 116 кг
Масса зеркала 100 кг
Суточный выход зеркал 60 тонн

Расчёт интервала:

24 часа = 1440 минут
1440 / 600 = 2.4 минуты между выстрелами

Годовая производительность:

600 запусков/день × 365 дней = 219 000 запусков/год
219 000 × 100 кг = 21 900 тонн зеркал/год ≈ 22 000 т

Ограничения производительности

Фактор Влияние
Охлаждение катушек 2-3 мин между выстрелами
Подготовка контейнера Загрузка + раскрутка платформы
Зарядка конденсаторов 1-2 минуты на полную зарядку
Обслуживание Плановая остановка 1 день/месяц

Реальная производительность: ~550-600 запусков/сутки при оптимальной работе.

Энергопотребление

Энергия на запуски

Параметр Значение
Энергия на запуск 4.7 ГДж
Запусков в сутки 600
Энергия в сутки 2.82 ТДж
Средняя мощность 33 МВт

Пиковая мощность: 11.8 ГВт (0.4 секунды разгона)

Энергия на производство зеркал

Этап Мощность Примечание
Плавка алюминия 12 МВт 70 т/день, 15 кВтч/кг
Прокатка фольги 3 МВт Прокатный стан
Формовка и сборка 5 МВт Роботы + оборудование
Литьё грузиков (Fe) 1 МВт Мини-печь
Производство контейнеров 1 МВт Штамповка Al
ИТОГО производство 22 МВт Непрерывно

Полное энергопотребление комплекса

Запуски (масс-драйвер): 33 МВт
Завод (производство зеркал + MRE): ~124 МВт
Роботы и инфраструктура: ~1 МВт

ИТОГО: ~165 МВт непрерывно (комплекс завод + МД)

Энергобаланс комплекса

До первого зеркала комплекс работает от солнечных панелей на поверхности:

Параметр Значение
Инсоляция (Solar Boost) 9-14 кВт/м²
КПД панелей GaAs 30%
Выработка 2.7-4.2 кВт/м²
Потребление ~165 МВт (комплекс)
Требуемая площадь 39 000-61 000 м²

С запасом 30%: ~51 000-79 000 м² панелей.

Первое зеркало 100×100 м:

Параметр Значение
Площадь зеркала 10 000 м²
Инсоляция (орбита Меркурия) 9 287 Вт/м²
Отражённая мощность (КПД 90%) 84 МВт
На приёмнике (потери ~15%) ~71 МВт
Электричество (GaAs 30%) ~21 МВт

Первое зеркало не покрывает потребности! Требуется ~8 зеркал для самоокупаемости:

8 зеркал × 21 МВт = 168 МВт
Избыток: +3 МВт

Вывод: После запуска 8 зеркал комплекс выходит на самообеспечение.

Производство и строительство

Три этапа производства

1. Производство элементов (Материалы → Компоненты)

Готовые материалы (Al/Fe/Si) превращаются в компоненты масс-драйвера:

Материалы: Al (220 т) + Fe (270 т) из переработки реголита

2. Сборка трека (Компоненты → Масс-драйвер)

Время сборки: ~3-4 месяца на первый МД, ~1-2 месяца на последующие (опыт)

3. Эксплуатация

После запуска МД работает в режиме 600 запусков/сутки.

Материальный баланс

На 1 масс-драйвер (базовый 1 км, ~500 т):

Материал Масса Источник
Сталь Fe-6%Mn ~270 т Переработка реголита
Алюминий (криогенный) ~220 т Переработка реголита
Электроника ~6 т Импорт с Земли

Локализация: ~99% по массе

Время производства материалов (1 км): - Al: 220 т ÷ 42 т/день = 5 дней - Fe: 270 т ÷ 11 т/день = 25 дней

ИТОГО (1 км): ~25-30 дней на накопление материалов + 5-7 дней на сборку = ~30-35 дней

Этапы строительства (базовый 1 км)

Этап Время Роботов
Подготовка площадки 3 дня 10
Рытьё тоннеля (1 км) 1 неделя 20 Кротов-М
Укладка каркаса 3-4 дня 15 Кентавров-М
Монтаж рельсов 2 дня 10 Кентавров-М
Намотка катушек 3-4 дня 5 Кентавров-М
Электрика и электроника 2 дня 8 Кентавров-М
Тестирование 2 дня 3 Кентавров-М
ИТОГО (1 км) ~20-25 дней пик 20

*При удлинении до 3 км: ~2-3 месяца.

Роботы: цепочка снабжения

Масс-драйвер потребляет 600 зеркал/день = 70 тонн/день

Добыча сырья

Задача Роботов Расчёт
Добыча руды (Кроты) 3 70 т × 3 (руда→металл) = 210 т руды/день ÷ 100 т/робот
Транспорт руды к заводу 4 210 т ÷ 70 т/рейс, 2 рейса/день
Итого добыча 7

Переработка и производство зеркал

Задача Роботов Примечание
Плавка алюминия 2 Печь автоматическая
Прокатка фольги 4 мкм 3 Точная работа
Раскрой и формовка 4 600 шт/день = 25/час
Литьё грузиков 2 Железо или базальт
Волочение тросов 2 Стальная проволока
Монтаж электроники 2 Точная работа
Складывание + упаковка 4 Z-fold, контейнер
Контроль качества 2 Отбраковка
Итого производство 21

Логистика и буфер

Задача Роботов Примечание
Транспорт зеркал к буферу 4 От завода к масс-драйверу
Управление складом (буфер) 2 Запас на 2-3 дня = 1500 зеркал
Подача на пусковую позицию 4 Непрерывно, каждые 2.4 мин
Итого логистика 10

Обслуживание масс-драйвера

Задача Роботов Тип
Установка на платформу + раскрутка 2 Кентавр-М
Техобслуживание 2 Кентавр-М
Диагностика 1 Крот-М с сенсорами
Резерв/ремонт 2 Кентавр-М
Итого обслуживание 7

Сводка: роботы на 1 масс-драйвер

Этап Роботов %
Добыча сырья 7 14%
Производство зеркал 21 43%
Логистика и буфер 10 20%
Обслуживание масс-драйвера 7 14%
Резерв (зарядка, поломки) 4 8%
ИТОГО 49 100%

Типы роботов:

Тип Назначение Масса Доля
Крот-М Добыча реголита 1500 кг 15%
Краб-М Логистика, транспорт 1000 кг 40%
Кентавр-М Манипуляция, сборка 380 кг 45%

Масштабирование зеркал

Реалистичная модель роста

Принцип: Первые зеркала генерируют энергию → строим новые заводы → больше зеркал → ещё больше энергии.

Данные основаны на Дорожной карте: Экспедиция 1 (1 завод) + Экспедиция 2 (+3 завода к месяцу 5) → экспоненциальный рост.

Год Заводов Масс-драйверов Зеркал/год Накоплено
1 25 12 ~2.6 млн 2.6 млн
2 120 80 ~17.5 млн 20 млн
3 500 400 ~88 млн 108 млн
4 ~1 650 1 000 ~219 млн 327 млн
5 ~1 650 1 000 219 млн 546 млн
6 ~1 650 1 000 219 млн 765 млн
7 ~1 650 1 000 219 млн 984 млн

Ключевой момент: ~1.1 млрд зеркал за ~7 лет (плато 1 000 МД к году 4).

Масштабирование роботов

Масс-драйверов Роботов (×49) Примечание
1 49 Начальная фаза
12 588 Год 1
80 3 920 Год 2
400 19 600 Год 3
1 000 49 000 Год 4+

Расход материалов на зеркала

Один диск-зеркало

Компонент Материал Масса
Отражающая плёнка Алюминий 4 мкм 100 кг
Грузики (4 шт) Железо или базальт 3 кг
Тросы (4 шт) Сталь 2 кг
Электроника управления Импорт 50 г
Актуаторы (электрохромика) Местное 1 кг
Контейнер для запуска Алюминий 10 кг
ИТОГО ~116 кг

Суточный расход на 1 масс-драйвер

600 запусков × 116 кг = 70 тонн

Из них:
- Алюминий: ~66 тонн (местный)
- Железо/сталь: ~3 тонны (местный)
- Электроника: ~30 кг (импорт)

Годовой расход на 1 масс-драйвер

Зеркала: 70 т/день × 365 = 25 550 тонн/год

Из них:
- Алюминий: ~24 000 т/год (94%)
- Железо: ~1 100 т/год (4.3%)
- Электроника: ~11 кг/год (0.04%)

Износ и обслуживание

Изнашиваемые части (1 км трек)

Компонент Срок службы Замена (1 МД/год)
Направляющие рельсы 3-6 месяцев 300-400 т Al
Обмотки катушек 3-5 лет 30 т Al
Конденсаторы 2-3 года 20 т
Электроника 5-10 лет 0.5 т (импорт)

Годовой расход на замену (1 км): ~350 т Al + 0.5 т импорта

Известные проблемы

Внимание: Этот раздел описывает проблемы, требующие решения.

Критические проблемы

1. Тепловыделение при запуске

Параметр Значение
Энергия на запуск 4.7 ГДж
КПД 40%
Тепло за выстрел 2.8 ГДж = 280 МВт за 10 сек
Интервал между выстрелами 2-3 минуты

Проблема: 280 МВт тепла нужно отвести за 2-3 минуты.

Решение: - В теневой период (-180°C): большой ΔT упрощает радиацию тепла - NaK-контур для отвода тепла от запусков - В солнечный период: снижение скорострельности или простой

Высокие проблемы

2. Эрозия рельсов

Параметр В расчётах Реальная оценка
Срок службы рельсов 1-2 года 3-6 месяцев
Замена в год 100 т Al 300-400 т Al

Причины: - Электрическая дуга при высоких токах - Механическое истирание при 1275g - Термоциклирование (холодный → горячий за секунды)

3. Вибрации при 1275g

Параметр Значение
Ускорение 12 500 м/с² (1275g)
Усилие на каретку 116 кг 1.45 МН (148 тонн)

Решение: Массивное основание, демпферы, регулярная калибровка.

Требуют исследования

4. Пылезащита в тоннеле

  • Электростатическая пыль Меркурия проникает везде
  • Диэлектрические свойства пыли → пробои
  • Абразивность → износ подшипников каретки

Требует: Пылезащитные шлюзы, продувка, электростатические фильтры.

5. Выживаемость груза при 1275g

Исследования подтверждают работоспособность электроники при экстремальных ускорениях:

Система Ускорение Год Источник
HIBEX missile 400g 1960s US Army MRE
McCormick Stevenson GNC 25,000g 2024 AIAA
SpinLaunch 10,000g 2024 Flight tests
Green Launch 3,200g 2025 Satellite tests

Вывод: Ускорение 1275g имеет 20× запас vs доказанных 25,000g.

Лунный масс-драйвер

Назначение

Обкатка технологии масс-драйвера перед развёртыванием на Меркурии. Луна — полигон, где ошибки дешевле: связь 1.3 сек (vs 8-20 мин), доставка 3 дня (vs месяцы).

Сравнение с меркурианским

Параметр Меркурий Луна
Вторая космическая 4.3 км/с 2.4 км/с
Целевая скорость 5 км/с 2.5 км/с
Длина трека 1 км 0.5-1 км
Энергия на тонну 14.4 ГДж 3-4 ГДж
Гравитация 0.38g 0.16g
Ускорение 1275g ~640g

Вывод: Лунный МД короче или сопоставим (0.5-1 км), с ускорением ~640g (~2× ниже) — подходит для отработки технологий.

Орбитальная механика

Маршрут ΔV Время полёта
Луна → L1 2.5 км/с 4-5 дней
Луна → GEO 2.2-3.0 км/с 5-7 дней
L1 → GEO 0.7 км/с ~1 день

Применение

  • Прототип меркурианского МД — отработка конструкции
  • Тестирование систем охлаждения и электроники
  • Тренировка роботов на операциях запуска
  • Материалы производятся на Луне из реголита
WarningИсторическая справка

Изначально планировалось использовать лунный МД для запуска модулей орбитального Хаба к точке L1. Концепция отклонена — вместо орбитального Хаба используем LSP станции на поверхности Луны.

Земные прототипы: технология маглев

Масс-драйверы используют ту же технологию, что высокоскоростные поезда на магнитной подушке — линейные электродвигатели.

Применение Ускорение Скорость Пассажиры
Маглев-поезд 0.1-0.3g 600 км/ч Да
Масс-драйвер 20-50g 5-10 км/с Нет (только груз)
NoteПрорыв Китая (декабрь 2025)

Исследователи NUDT разогнали тестовый вагон массой 1 тонна до 700 км/ч за 2 секунды — мировой рекорд для сверхпроводящей электродинамической подвески.

Ключевая цитата: «Milestone opens up new possibilities for… aerospace boost launches» — прямое упоминание применения для космических запусков.

Источники: - CGTN: China sets world record in maglev tech - SCMP: China’s record-smashing maglev

EMALS — серийная электромагнитная катапульта

Электромагнитная система запуска (EMALS) — линейный индукционный двигатель, уже стоящий на серийных авианосцах:

Платформа Страна Параметры
USS Gerald R. Ford (CVN-78) США 45 тонн самолёт, 0 → 250 км/ч за 100 м
Fujian (CV-18) Китай Собственная EMALS, 2024

Подробнее: Технологии и источники

См. также

Источники