LINEBURG


<< Пред. стр.

страница 7
(всего 11)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Соответствующие параметры для "лунного" экскаватора со- систем управления) составит ˜ 170 т (из них собственно самосва-
ставят: мощность 56 т и масса 56 т. лы 120 т).
Доставка сырья на обогатительную фабрику и железодела- Как будет показано ниже при анализе структуры завода №7
тельный завод (в составе завода №3) производится по неподготов- (монтаж ЭИК'а) он должен обслуживаться монтажными лунохо-
ленной трассе протяженностью 10 км. Самосвалы имеют грузо- дами-комбайнами в количестве 5 шт. Учитывая, что монтаж будет
подъемность 40 т грунта (˜ 25 м3) и при полной загрузке имеют осуществляться как последняя, завершающая операция, когда все
массу ˜ 60 т. (Соотношение массы груза к массе конструкции са- необходимое сырье будет уже добыто и переработано и самосвалы
мосвала близко обычному 2:1, что, кстати, близко и к удельным выполнят свою задачу, следует подумать о возможности унифика-
параметрам лунохода "Ровер" экспедиций "Аполлон" 14, 15, 16). ции требований к самосвалам и к комбайнам (по крайней мере в
При полной массе "Ровера" 720 кг, масса шасси ˜ 210 кг, его ходо- части использования систем движения, чтобы использовать их в
вые электродвигатели в составе мотор-колес, имея общую мощ- комбайне). И самосвал и комбайн имеют близкие энергомассовые
ность 720 Вт, обеспечивали расчетную скорость 14 км/ч, а на от- характеристики. Масса – по 60 т, мощность всех электродвигате-
дельных участках достигалось до 18 км/ч. лей мотор-колес 60 кВт.
При такой же удельной энерговооруженности, как на "Ровере" Что касается установки магнитного обогащения то она приня-
– 1 кВт/т потребная мощность электродвигателей самосвала со- та без обоснования по массе в 20 т.
ставит 60 кВт, а характерная продолжительность двухстороннего Таким образом, общая масса агрегатов завода №1, включая
рейса ˜ 2 часа. Суточная производительность самосвала 480 т. обеспечивающую его долю в центральной электростанции, соста-
Энергопитание осуществляется от электрохимических генерато- вит 190 т, из которых, в случае проведения унификации тележек
ров (ЭХГ), работающих на криогенных Н2+О2. Производство самосвала завода №1 и комбайна завода №7 до 120 т могут быть
криогенных Н2 и О2 осуществляется из буферной воды на центра- "сэкономлены".
лизованной электростанции, использующей СБ днем. Она также Итак, хотя следующим по технологическому циклу должен бы
производит в электролизерах Н2 и О2 и для других потребителей, в стать железоделательный завод по производству железа и фольги
т. числе ночных, например, СЖО жилкомплекса. Один самосвал из нее, но учитывая важность проблемы космической транспорти-
93 94
ровки грузов (в первую очередь оборудования для всех техноло- весьма высоких температур – 2800?С, что ставит большие пробле-
гических процессов), перейдем к топливному заводу. мы обеспечения стойкости аппаратуры. Имеется и электрохими-
ческий метод – электролиз расплавленного реголита, хотя и с бо-
лее низкой температурой ˜ 1500?С, но сохраняющий проблемы
Топливный завод (завод №2 по принятой выше классифика-
ции) – типичное многопрофильное крупнотоннажное производст- стойкости футеровки стенки электролизера и значительного угара
во компонентов топлива для космических ракетных двигателей – электродов.
окислителя – криогенного кислорода, и порошкообразных горю- Принятый химический способ предполагает обработку рего-
чих – кремния и алюминия, которые в принципе позволяют полу- лита ("хвостов") газообразным сухим фтором при умеренных тем-
чить скорости истечения – 2,5 км/с (удельный импульс тяги Iуд ? пературах, (600?С) и давлении в 1 атм, позволяющих использовать
250 с) (рис. 22). в химических реакторах в качестве материалов никель, медь и
Масштаб производства здесь на порядок выше, чем на заводе плавленую двуокись кремния (которая, как будет видно ниже),
№3, где перерабатывается ильменит ˜ 850 тыс. т и 85 тыс. т соот- сможет использоваться, в составе солнечных печей – существенно
ветственно. Завод имеет ключевое значение. Нет топлива – нет сокращающих потребление электроэнергии для нагрева, а также
завоза оборудования. Все останавливается. для пенокремнеземных СВЧ-волноводов.
В соответствии с принятой концепцией «демонстрационная При обработке реголита фтором затраты F2, доставляемого с
станция (ЛЭС) или должна быть построена быстро – за 5-10 лет, Земли составляют 0,9 кг на 1 кг реголита, что обеспечивает выход
или она не будет построена никогда (т.к. уже никому не понадо- ˜ 40% кислорода (т.е. 16-17% от массы реголита). Фтор, исполь-
бится)» принята и технология переработки – из сырья извлекаются зуемый по замкнутой схеме, возвращается в цикл. Доставка фтора
только три вещества О2, Si и Аl, большая часть которых и будет с Земли ведется в виде твердых соединений, гораздо более удоб-
использована как топливо. Использование же Аl и Si как электро- ных для перевозки в транспортных космических кораблях, чем,
технических материалов ЭИК'а незначительно. А вот другие, цен- например сильно токсичный и агрессивный жидкий криогенный
ные, содержащиеся в реголите вещества даже в значительных ко- фтор. Практически может быть использован KF, где кроме фтора
личествах, соизмеримых с долей алюминия, например, магний и используется и второй компонент – калий.
кальций, вполне пригодные в принципе, для использования и в Рассмотрим технологию производства О2, Si и Аl (рис. 22).
составе топлива (горючее) и как конструкционные материалы, ра- Путем электролиза привезенного с Земли КF при температуре
ди упрощения производственного цикла предполагается не извле- ˜ 670?С и энергозатратах 10 кВт ч на кг КF он разлагается на ме-
кать, а "безжалостно" отправлять "в отходы" (в отвалы). Но даже и таллический калий, используемый позже, и газообразный фтор,
в этом случае технологию производств на топливном заводе нель- который собственно и начинает процесс обработки реголита (фто-
зя назвать простой. рирование). В результате образуются газообразные О2 и SiF4 (че-
Ввиду приоритетности извлечения кислорода, содержание ко- тырехфтористый кремний), а также смесь твердых фторидов алю-
торого в реголите максимально (до 42-44%), и тип и все парамет- миния, магния, кальция и др. с небольшим количеством фторидов
ры технологических процессов на заводе №2 выбираются "под железа и титана, не полностью извлеченных из реголита на заводе
кислород". При такой постановке наиболее предпочтительными №1 в процессе обогащения.
будут сравнительно низкотемпературные процессы извлечения Газообразная, относительно высокотемпературная смесь О2 и
кислорода, особенно, если они позволят извлекать и кремний и SiF4 сразу же удаляется из химического реактора. После охлажде-
алюминий. Таким процессом является фторирование первичного ния до – 77?С из смеси легко (например, в циклоне) отделяется
сырья при умеренных температурах (до 650-700?С). Это типично затвердевший SiF4, а чистый О2 охлаждается до – 178?С, ожижает-
химический метод. Другие методы, например пиролизный (терми- ся и направляется в термостатируемый бак-хранилище на космо-
ческий), хотя и не требует применения фтора (достаточно агрес- дроме как готовый товарный окислитель двигателей ЛР и ЭРД
сивного реагента, кстати отсутствующего в сырье), но требует МБ. Затем производится подогрев SiF4 до 300?С после чего он на-
95 96
правляется в электролизер и с энергозатратами кВт ч на 1 кг рего- Особенность такого крупнотоннажного химического произ-
лита разлагается на кремний, получаемый в виде порошка (яв- водства с суммарным расходом сырья 850 тыс. т (производитель-
ляющегося готовым товарным горючим двухкомпонентного топ- ность 850 тыс. т/год при двухлетней работе с учетом ночных пере-
лива О2 + Si) (ЖРД ЛР) и газообразный фтор, возвращаемый в рывов) – большой расход оборотного фтора. Запас фтора, приво-
замкнутый цикл к началу процесса. зимый с Земли ˜ 200 т (в виде КF массой ˜ 600 т). Реальный се-
Металлический калий, полученный ранее после электролиза кyндный расход фтора составит ˜ 25 кг/с. При абсолютной утечке
КF при температуре 500?С, добавляется к смеси твердых фтори- 100 т и 10 т темп утечки фтора составят ˜ 3 г/с и 0,9 г/с соответст-
дов, образовавшихся после фторирования реголита и отделения О2 венно, а относительные утечки – сотые и тысячные доли процента.
и SiF4. При этом получается металлический расплавленный аллю- Однако в промышленности многие проблемы устранения утечек
миний, который может быть распылен непосредственно в вакуум газа уже успешно решены. Так, в атомной промышленности при
газодиффузионной технологии разделения изотопов 235U и 238U с
для получения готового порошкового товарного алюминия – го-
рючего двухкомпонентного топлива О2 + Аl. (Предпочтительнее, использованием весьма токсичного и агрессивного шестифтори-
правда, периодически выпускать его в замкнутую емкость для стого урана, работа многочисленных компрессоров продолжается
повторного использования распыляющего газа, например, азота, по многу лет практически без утечек за счет высокой техники
извлекаемого тоже из реголита.) В случае высокой степени отде- герметизации уплотнений. Таким образом и проблема утечек фто-
ления FeTiO3 из реголита, в твердом остатке сохранятся ряд фто- ра при производстве лунного топлива химическим способом бу-
ридов (Nа, Са и др). В случае же большого процента неотделенно- дет, безусловно, решена.
го ильменита, выделение дополнительно чистого алюминия из При производстве кремния достаточно велики затраты тепло-
постепенно охлаждаемого алюминида железа происходит путем вой энергии. Определенный интерес может представить химиче-
первоначального затвердевания алюминида. Затем отделяется ский реактор, где нагрев осуществляется концентрированным из-
жидкий алюминий при температуре 700?С, который также может лучением Солнца.
быть распылен до твердого порошка – горючего. Химический реактор, предлагаемый автором для получения
Хранение порошкообразных кремния и алюминия в глубоком кислорода и четырехфтористого кремния состоит из следующих
вакууме Луны возможно в негерметизированных контейнерах, основных агрегатов и систем:
поскольку, в отличие от условий на Земле, здесь исключено появ- Солнечная печь для нагрева теплоприемника с находящимися
ление оксидной пленки на частицах горючего, затрудняющих в нем реагентами (реголитом и фтором) (рис. 23).
процесс их воспламенения в камере сгорания ЖРД ЛР. Теплоприемник (рис. 24).
В баках ЛР порошкообразное горючее находится под давле- Система загрузки реголита и выгрузки твердых остатков
нием нейтрального газа наддува, например для реализации систе- (фторидов Аl, Fе, Тi, Са, Мg).
мы подачи в камеру типа "шнековый насос + эжектор". Система подачи сухого подогретого фтора.
Для обработки 1 кг реголита требуется: Общие вспомогательные системы: трубопроводы, компрессо-
0,9 кг фтора; ра, холодильники, теплообменники.
1,8 кг калия (из 2,7 кг КF); Химический реактор – теплоприемник предназначен для про-
11 кВт ч электроэнергии; ведения собственно реакции фторирования путем продувки горя-
печь с температурой нагрева ˜ 670?C (электрическая или сол- чего сухого газообразного фтора через слой реголита, нагреваемой
нечная); солнечными лучами сквозь кварцевую поверхность.
холодильная установка с нижним уровнем температур – Конструктивно реактор выполнен в виде двух концентриче-
178?С; ских труб – сплошной внешней, кварцевой через которую осуще-
электролитическая ванна (электролизер) для проведения элек- ствляется нагрев реголита Солнцем и внутренней – перфориро-
тролиза расплавленного КF. ванной, никелевой – стойких к фтору.
97 98
Твердый насыпной реагент – реголит размещен в кольцевом Из работающего калий-фторидного электролизера (или из ре-
пространстве между трубами. Подача фтора осуществляется с од- сивера) горячий сухой фтор поступает сначала в центральную
ного конца внутренней трубы; радиальный выход фтора в зону трубу, где после прохода через перфорацию и радиальную выхода
реголита – через перфорацию. Выход газообразных продуктов ре- в реголит обеспечивает процесс высвобождения кислорода и че-
акции осуществляется через противоположный конец трубы. тырехфтористого кремния. При этом, в основном реакция осуще-
Собственно солнечная печь состоит из: ствляются в тонком кольцевом слое, прилегающем к внешней по-
1. Параболо-цилиндрического поворотного зеркала, горизон- верхности внутренней трубы. По мере движения фтора по радиусу
тальная ось которого параллельная направлению "север-юг". Зер- в реголите температура и, соответственно, эффективность (ско-
кало снабжено исполнительными органами для поворота его во- рость) реакций снижается, поэтому желательно перемешивание.
круг оси в пределах изменения угла места Солнца – от 0? до 180?, а Одновременно с загрузкой реголита производится наведение
также системой слежения за Солнцем. Зеркало предназначено для зеркала на Солнце и, соответственно, фокусировка отраженных
фокусировки лучей на теплоприемнике с определенной степенью лучей на мидель кварцевой трубы. Кварц, имеющий высокий ко-
концентрации с целью получения необходимой температуры реа- эффициент пропускания в оптическом диапазоне солнечного из-
гирующего реголита в реакторе. лучения, допускает быстрый прогрев внешнего слоя реголита до ˜
Внешняя – кварцевая – труба имеет диаметр 200 ? 180 мм 600?С, после чего начинается прогрев внутренних более холодных
(толщина стенки ? = 10 мм) при длине 8 м (возможно применение слоев реголита. Таким образом ускорение химических реакций в
промежуточных опор). системе "сыпучее твердое тело – газ" достигается благодаря ис-
Внутренняя труба d 60 ? 50 длиной 8,5 м, выполненная из пользованию всех трех механизмов передачи тепла: лучистого на-
наиболее стойкого в среде сухого фтора материала – никеля, име- грева внешних слоев реголита, прошедшими сквозь кварцевую
ет по длине 8 м перфорацию для радиальной подачи фтора в меж- стенку лучами Солнца, теплопроводности слоя реголита и конвек-
трубное пространство с реголитом. тивному нагреву части холодного реголита горячим фтором во
Для интенсификации процесса предусмотрено механическое внутреннем слое реголита у никелевой трубы.
перемешивание реголита, для чего внутренняя поверхность внеш- При вращении зеркала (13 град/сут) за Солнцем, что приводит
ней трубы и внешняя поверхность внутренней имеют продольные к освещению только ˜ 50% поверхности внешней трубы, обра-
сплошные выступы на всей длине, а обе трубы имеют оппозитное щенной к зеркалу предусмотрено более интенсивное вращение
вращение от независимых электроприводов. внешней трубы и оппозитное – внутренней со скоростями порядка
Может потребоваться также (после модельных эксперимен- оборота в минуту.
тов) система дополнительного подогрева фтора, выходящего из С целью предотвращения истирания ее острыми "абразивны-
электролизной ванны, где он отделяется от калия, при начальной ми" зернами внутренней поверхности, она сделана рифленой. С
температуре ? 600?С, перед подачей в центральную трубу. Систе- этой же целью "рифленка" (продольные ребра малой высоты – 1-2
ма выполняется в виде газо-жидкостного теплообменника, где в мм) нанесена и на внешнюю "истирающуюся" поверхность внут-
качестве жидкости используются, например, жидкий калий, либо ренне никелевой трубы. При этом внешний и внутренний слои
ртуть. реголита двигающиеся в противоположных направлениях переда-
Имеются также системы загрузки и выгрузки реголита после ют тепло от более высокотемпературного слоя к слою с меньшей
тепловой обработки фтором, а также система перекачивающих температурой. Это усиливает теплообмен.
насосов и система отвода газообразных продуктов реакции (О2 и В качестве средства дополнительной интенсификации преду-
SiF4). Они подробно не проработаны и не показаны на схемах. смотрено вращение вместе с внутренней трубой расположенных
Система функционирует следующим образом: на ней радиальных лопаток (лопастей).
Производится загрузка рабочего кольцевого пространства ре- Можно ожидать что процесс фторирования и получения гото-
голитом. Загрузочный конец герметизируется. вых гозообразных продуктов О2 и SiF4, которые и являются пер-
99 100
вым этапом процесса получения топлива О2 + Si, а также получе- В заключение напомним, что главная цель настоящей главы –
ния твердых фторидов, пройдет достаточно быстро. конкретизировать технологические цепочки топливного завода и
Оценки показали, что потребная мощность непрерывного на- приближенно определить масштаб достижимого выхода топлива
грева реголита с расходом 850 тыс. т/год (27 кг/с) от 200?С в от- при заданном объеме переработки первичного сырья. Этот выход
крытом бункере в полдень до ˜ 650?С, рекомендуемых для эффек- определяется суммарным объемом выпуска товарного железа на
тивного хода реакции фторирования, при средней теплоемкости заводе №3. Конечная же цель – оценить возможности кораблей
реголита 0,2 ккал/кг град. составлит ˜ 9 МВт тепл. После дости- транспортной системы по доставке на полученном топливе обору-
жения на поверхности слоя реголита под кварцем температуры ˜ дования всех остальных заводов и промышленных зон лунного
870 К (˜ 600?С), нагретый реголит сам начинает излучать в ИК производственного комплекса.
диапазоне при длине волны ˜ 3,5 мкм. В этом случае кварцевая Помимо топлива для лунной ракеты, в случае использования
стенка, хорошо пропускающая солнечный свет с наиболее интен- топливной пары алюминий-кислород, необходимо предусмотреть
сивным излучением при ? = 0,5 мкм, резко снижает коэффициент производство до 10 тыс. т электротехнического алюминия для ка-
пропуская (с ˜ 0,95 при ? = 0,5 мкм до 0,3 при ? = 3,5 мкм) (рис. белей электропитания всех заводов, космодрома и жилой зоны, а
25). также коммутирующих элементов на поверхности радиоизлучаю-
Предварительные оценки показали, что основные массы обо- щей антенной ленты. Подробная проработка конструкции элек-
рудования и электропотребления, заложены в систему многократ- тролизера для получения сверхчистого электролитического алю-
ного электролиза КF. При расходе реголита 850 тыс. т/год и энер- миния, а также прокатного производства самих кабельных жил, не
го (электро) – емкости 10 кВт ч на 1 кг реголита потребная мощ- проводилась, однако при таких малых масштабах массы их, по-
ность электропитания электролизера КF составит ˜ 100 МВт, а видимому, невелики.
масса электролизера – не менее 5 тыс. т, электропотребление Оценим возможный масштаб (массу) наработки лунного топ-
ожижителя кислорода ˜ 4 МВт при массе ожижителя (рефрижера- лива при различных предпосылках о глубине переработки исход-
тора) 100 т. Масса всех зеркальных печей (˜ 100 шт) – 30 т. ного сырья (имеется в виду процент выхода готовой продукции от
Таким образом: масса (при двухгодичном календарном сроке теоретически возможного). Учтем также, что, помимо идеального
переработки всего реголита) оборудования – 5500 т, мощность случая использования сырья, когда созданы оба двигателя ЛР (и
электропотребления – 110 МВт. кислород-алюминиевый, и кислород-кремниевый) вполне реаль-
Учитывая, что масса потребного оборудования оказалась ным может оказаться вариант с двигателем только на одном из
чрезвычайно высокой (за счет массы электролизеров КF), почти горючих. И наконец, учитывая конкретную эффективность транс-
вдвое большей, чем масса всех остальных заводов, как это будет портной системы (Млт/Мгр = 6), оценим окончательный распола-
видно из дальнейшего, можно снизить эту величину, приняв гаемый диапазон масс доставляемого на Луну оборудования заво-
большее время переработки сырья, что снизит секундный расход дов и жилого комплекса.
реголита и, соответственно, фтора и КF. В первом приближении Так, при полном использовании сырья (850 тыс. т) и 100%ном
можно считать массу электролизеров пропорциональной секунд- выходе всех компонентов, предельная, теоретическая масса лун-
ному расходу (или, что одно и то же – годовой производительно- ного топлива составила бы 570 тыс. т, в том числе 350 тыс. т ки-
сти). Принятое выше время переработки 1 год. Фактически с ноч- слорода, а грузопоток на Луну – 96 тыс. т при использовании дви-
ными перерывами это 2 календарных года. Таким образом, если гателей на обоих горючих. При создании только двигателя на топ-
увеличить время выработки топлива до 4-х календарных лет и 6- ливе кислород-кремний и 40%ном выходе кислорода выработка
ти, то результаты окажутся гораздо более приемлемыми по массе топлива составит примерно 245 тыс. т, а грузопоток на Луну – 40
оборудования: 2750 т и 1830 т, а по мощности электропитания 55 тыс. т. При аналогичном выходе кислорода и использовании толь-
МВт и 27 МВт соответственно. ко двигателя на горючем кислород-алюминий, выработка топлива
составит 145 тыс. т, а грузопоток на Луну – 25 тыс. т.
101 102
В случае применения для доставки персонала одноступенча- товок и прокатке из них железной ленты до размеров 0,00001 ? 0,5
тых лунных ракет с более надежными и безопасными кислород- ? 16000 м. Извлечение Fе ведется с помощью Н2.
метановыми ЖРД, при схеме «метан – с Земли, кислород – с Лу- В качестве отходов при извлечении железа из ильменита по-
ны», затраты лунного кислорода для пилотируемых ракет составят лучаются двуокись титана и пары воды. Обработка ильменита ве-
менее 20% от общей добычи кислород-алюминиевого топлива. дется в вертикальных химических реакторах (рис. 27) при продув-
Рассмотренный в качестве примера вариант (рис. 26) произ- ке снизу струей водорода. Реактор засыпается ильменитом сверху
водства компонентов лунного топлива химическим способом, об- через герметизируемый колошник. При расходе сырья ˜ 11 т иль-
ладающим одним несомненным преимуществом – низкой темпе- менита, и мощности питания электроподогревателя 5000 кВт мо-
ратурой процесса, не следует, однако, считать единственно воз- жет быть получено до 3500 т железа в год с одного агрегата. Ско-
можным. Недостатками его, помимо необходимости завозить с рость прокачки водорода при температуре реактора до 900?С – 60
Земли «пусковой» фтор и калий и в дальнейшем компенсировать м/с при давлении до 1 атм.
их потери, являются значительные затраты электроэнергии на Пары воды разлагаются в электролизере, где полученный га-
многократный электролиз КF. Это неизбежно потребует значи- зообразный водород вместе с непрореагировавшим водородом из
тельной мощности электропитания и, соответственно, приведет к реактора возвращаются к началу процесса (по водороду цикл пол-
росту массы привозной электростанции на СБ. Снижение массы ностью замкнут).
Грубая оценка массы такого реактора объемом 7 м3 дает 6 т (с
СБ даже при химическом способе возможно путем продления сро-
ка развертывания. В то же время не исключено использование учетом массы "традиционного" электронагревателя на 5000 кВт).
иных, высокотемпературных, технологий получения топлива (на- Вопрос о возможности использования прямого солнечного нагре-
пример, электролизной и пиролизной), где суммарная масса обо- ва (солнечная печь, типа рассмотренной для завода №2), требует
рудования и СБ может оказаться ниже, чем для «химического» отдельного анализа, т.к. выявилось много достаточно сложных
варианта. проблем. Это предполагается сделать в дальнейшем.
Опыт и достижения последних лет в области ракетного двига- Реально при работе с электрическим источником для питания
телестроения и атомной энергетики, где, в частности, освоено ох- такого нагревателя, имеющего 14-ти суточные ночные перерывы,
лаждение высокотемпературными жидкометаллическими тепло- годовая производительность реактора "по железу" составит 1750
носителями, позволяет надеяться, что и для этих технологий про- т/год.
блема охлаждения также будет решена. Если ограничить продолжительность полного времени пере-
И, наконец, не следует пренебрегать и более экзотическим работки сырья величиной 2 года, что не помешает после выпуска
способом выведения грузов с Луны на окололунную орбиту, пред- первых же тонн сырья и готового железа сразу же запустить их в
лагавшимся еще 25 лет назад – с использованием электромагнит- дальнейшее производство; требуемое количество реакторов соста-
ной пушки. Это позволит существенно (примерно в 3 раза) сни- вит 8 шт.
зить потребное производство топлива для лунных ракет. Тогда суммарная масса всех реакторов – 48 т (округленно – 50
Итак, оценки показывают: возможна доставка на поверхность т), а мощность электропитания 40000 кВт. Дополнительные затра-
Луны 25 – 45 тыс. т грузов, что заведомо выше, чем масса потреб- ты на электролиз полученной воды для возврата в замкнутую сис-
ного оборудования в любом из вариантов. Таким образом, под- тему водорода невелики – по 500 кВт на реактор, а всего – 4000
тверждается возможность самообеспечения транспортной системы кВт. Заметим, что указанная мощность, хотя и кажется значитель-
при создании демонстрационной ЛЭС. ной, на самом деле по сравнению с предполагаемым производст-
вом СБ на мощность 40 миллионов кВт совершенно ничтожно.
Завод №3 – типичное металлургическое производство по вы- Твердым полуфабрикатом этого этапа в реакторе является смесь
плавке железа из ильменита, получению железных слитков – заго- губчатого железа и двуокиси титана, извлекаемая из его нижней
103 104
части. В данном процессе двуокись титана – побочный продукт пробивку сквозных отверстий диаметром ˜ 1 мм на всей по-
(отход), который сбрасывается в отвал. верхности (с шагом 26 мм вдоль ленты и 52 мм – поперек) для по-
Разделение железа и двуокиси титана может быть осуществ- следующего размещения в них двухкаскадных твердотельных
лено по крайней мере двумя способами: усилителей и фазовращателей и вводов вибраторов четвертьвол-
Если в процессе реакции произошло спекание обоих продук- новых антенн;
тов: Fе и ТiО2, то сначала производится их размол и сброс в вер- пробивку отверстий для фиксации ленты на опорах (по 2 от-
тикальную колонну с магнитным сепаратором, где отделяется же- верстия d 2 мм с расстоянием между ними 480 мм;
лезо от немагнитного ТiО2. вырубку по одной кромке ленты с шагом 110 м гнезд с выво-
Проводится плавка смеси, где благодаря разнице температур дами концов полосковых СВЧ линий для подключения к быстро-
плавления окиси титана и чистого железа [(Tпл)TiO2 = 2200?C, разъемным соединениям на концах волноводов от СВЧ генерато-
(Tпл)Fe = 1535?C] можно отделить железо. При нагреве, например ров задающей частоты.
до 1700?С железо будет хорошо расплавлено, достаточно подвиж- Эта операция, по-видимому наилучшим образом по быстро-
но и может быть слито через нижний слив в форме. Полученное действию может быть решена с помощью лазеров при последнем
железо разливается в формы, где масса заготовки совпадает с мас- проходе на реверсивном прокатном стане перед намоткой рулона
сой будущего готового продукта этого завода – прокатанной лен- на приемную бобину.
ты (масса ˜ 700 кг, вес 110 кг). Размер заготовки – сляба – 0,07 ? Стоит заметить, что даже на реверсивном скоростном стане
0,5 ? 2,4 м (рис. 28). формирование ленты (фольги), толщиной ? = 10 мкм при средней
Сляб сначала проходит горячую прокатку (для уменьшения длине готовой ленты в составе энергоизлучательного комплекса
нагрузок на валки, клети и для снижения мощности приводного 16 км и скорости прокатки 10 м/с при 8-ми проходах и относи-
электродвигателя) на лентопрокатном многоклетьевом последова- тельном обжатии ˜ 50% продолжительность прокатки будет дос-
тельном стане с конечной толщиной ленты 1 мм. Число клетей до таточно большой. Только один последний проход продлится 1600
10. Скорость прокатки в первых клетях небольшая, в последних до с. Вся прокатка одной ленты на обоих станах займет не менее 1
20 м/с. часа. Прокатка же всех 40 тыс. лент при "одноручьевой" схеме
Продолжительность прокатки первого полуфабриката с ко- займет ˜ 40000 час, т.е. свыше 4,5 лет. Уже на этом технологиче-
нечной толщиной ? = 1 мм определяется последней клетью, где ском этапе видна неизбежность перехода к параллельной работе
при скорости до 20 м/с и длине ленты 160 м продолжительность нескольких прокатных пар ("ручьев") – "непрерывный стан + ре-
составляет 8 сек. Полное время прокатки составит 25 с, а с учетом версивный стан". Вариант схемы «ручья» завода № 3 приведен на
перемотки в рулон – 40 с (т.е. полное время прокатки полуфабри- рис. 30.
ката на непрерывном стане – 0,7 мин). Масса прокатного непрерывного стана определяется его годо-
Затем рулон передается на главную, "финишную" операцию – вой производительностью. Единичная прокатка ленты в двух по-
в холодную прокатку листа до фольги минимально возможной следовательных станах занимает около 1 часа при массе металла
технологической толщины ? = 10 мкм (0,01 мм). Прокатка осуще- 0,7 т, что соответствует производительности 6130 т/год (если бы
ствляется на реверсивном одноклетьевом стане (рис. 29), где лента не было ночных перерывов). Практически же один ручей обеспе-
на каждом обжатии поочередно перематывается с выходной боби- чивает производительность 3050 т/год. При допустимости опера-
ны на приемную и обратно. Преимущество реверсивного стана – ции прокатки всех лент в 1 год потребное количество ручьев 9,1
компактность (одна клеть), малый расход рабочих и прижимных (принято 10 ручьев).
валков. Оценим массу оборудования и энергопотребления.
Перед передачей ленты на завод №4 она проходит ряд опера- Масса каждой прокатной пары – 26 т. При общей производи-
ций: тельности всех 10 агрегатов 7 т/час суммарная масса станов 260 т,
а мощность всех электродвигателей 900 кВт. При двухгодичном
105 106
цикле прокатки массы и мощности оборудования 140 т и 450 кВт ным с низкой адгезией напыляемых частиц с поверхностью желе-
соответственно. Учитывая затраты массы по выплавке железа 50 т за, и ограничением сверху – Емах = 100 эВ, где начинается само-
и энергопотребление (электропотребление 40 МВт и дополни- разрушение уже осажденного слоя);
тельные затраты на транспортировку ленты между агрегатами молекулярный вес слоя (SiH4) ? = 30;
примем для двухгодичного цикла изготовления лент: плотность энергии (при условиях электрического разгона
струи) менее 60 кВт/м2. Это соответствует разогреву ленты до
Масса оборудования 200 т.
температуры ? 600°С (с учетом начальной температуры самой
Мощность энергопотребления – около 50 МВт.
ленты в солнечный полдень 200°С), и обеспечивает заметный за-
Завод №4 предназначен для нанесения слоя гидрогенезиро- пас по температуре (температура плавления кремния ? 1440°С);
ванного кремния (?SiH4) на железную ленту, что осуществляется с толщина напыленного слоя ?Si = 1мкм = 10-6м;
помощью потока силана (SiH4), ускоренного электромагнитным ширина ленты в = 0,5 м;
или электростатическим устройствами типа ЭРД. Лента, находя- средняя длина ленты ? = 16 км;
щаяся под вертикальными струями ЭРД протягивается с заданной пролет между подающей и приемной бобинами (зона напыле-
постоянной скоростью с подающей на приемную бобины в гори- ния) – 20 м;
зонтальной плоскости. Изготовление антенных лент с полным КПД напыляющего устройства (типа ЭРД) – ? = 0,5;
энергетическим (СБ), и радиотехническим наборами элементов ограничение на мощность единичного ЭРД, «обслуживающе-
(ФАР) является одним из ключевых технологических процессов го квадратный участок ленты длиной 0,5 м (площадь 0,5?0,5 =
на ЛПБ, в значительной мере определяющим продолжительность 0,25 м2) до 50 кВт в ЭРД;
изготовления каждой ленты, всего комплекта лент (40000 шт.) и Число ЭРД в единичном агрегате вдоль ленты – 40 шт.
сроки создания ЛЭС в целом. Особо важным является именно
процесс напыления. Скорость напыления – главный сдерживаю- При таких исходных данных выявилось, что скорость истече-
щий фактор. Ограничения скорости напыления (по толщине) свя- ния – V = 14 км/с (что соответствует удельному импульсу ЭРД Iуд
заны с высокими требованиями к качеству и однородности напы- ? 1400 с).
ляемого кремния, являющегося аморфной структурой. Еще около Секундный расход силана – 7,8?10-5кг/с.
5 лет назад верхним ограничением по скорости осаждения ?SiH Время напыления t ? 9 с.
считалась величина ˜ 4A/с (т.е. 4 ? 10-10м/с). При таких темпах Скорость напыления Vнап = 1,1 ? 10-7м/с (в пределах заданной
время напыления слоя требуемой толщины – 1 мкм на площади
Vнап < 2 ? 10-7м/с).
0,25 м2 (0,5 ? 0,5 м) составило бы ? 40 минут, а всего комплекта Потребная скорость протяжки ленты Vленты = 2,2 м/с.
лент ? 800 тыс. лет (!!!). Решение – в переходе на новую техноло- Полное время напыления ленты tнап = 2 часа.
гию напыления, где скорости напыления Vнап могут быть увеличе- Мощность электропитания единичного ЭРД Nэрд = 30 кВт.
ны по крайней мере в 1000 раз, одновременную обработку на од- Мощность электропитания всего агрегата напыления Nед =
ной ленте протяженной зоны с использованием большого количе- 1200 кВт.
ства многих одновременно работающих источников, а также па- Количество ЭРД в агрегате Zэрд = 40 шт.
раллельную обработку лент на нескольких агрегатах (многоручье-
вая схема). Такие технологии с соответствующими НОУ-ХАУ Тогда время обработки всего комплекта лент на одном агрега-
разработаны в России. те составит 9,2 года.
В качестве исходных данных для расчета приняты: При установке 10-ти параллельно работающих агрегатов с
скорость напыления Vнап ? 2000A/с (2 ? 10-7м/с.); общей мощностью Nэл = 12 МВт, время выполнения этой важней-
энергия единичной частицы ? Е = 30 эВ (эта величина являет- шей технологической операции сокращается до 1 года, что вполне
ся компромиссом между ограничением снизу Емин = 10 эВ, связан- приемлемо.
107 108
Не касаясь вопросов нанесения остальных радиотехнических она смотана. Предусматривается система механической раздвиж-
ки обеих бобин на расстояние ? 25 м специальной пантографной
элементов на ленту, суммарная площадь которых по отношению к
площади ленты невелика (до нескольких процентов), более под- или телескопической системами. Бобины имеют диаметр, сущест-
робно рассмотрим только возможную конструктивную схему на- венно больший, чем на лентопрокатном заводе №3, поскольку на
пылительного агрегата. Агрегат должен размещаться в герметич- них будет наматываться уже многослойная лента с напыленным
ной камере для возможности утилизации частично распыленного слоем, и должны быть уменьшены изгибные напряжения. Ориен-
SiH4, привозимого с Земли, а потому – дорогого. тировочно, диаметр бобин ? 2 м. Бобины с раздвижным агрегатом
Схема агрегата дана на рис. 31. закатываются по внутренним рельсам герметичного отсека, после
В процессе напыления лента испытывает значительные попе- чего отсек закрывается герметичными люками.
речные нагрузки от действия напыляющей силановой струи. При Напыление осуществляется за один проход, т.е. при одно-
реактивной мощности всех ЭРД – 6 МВт и скорости истечения 14 кратной перемотке с одной бобины на другую.
км/с, величина воздействия составит 50 кг, что в 3000 раз больше Учитывая, что на заводе №4 будут также проводится опера-
силы собственного веса участка ленты при межопорном пролете ции нанесения радиотехнических элементов (двухкаскадных твер-
20 м (между сматывающей и приемной бобинами). При такой на- дотельных транзисторов – усилителей, фазовращателей, собствен-
грузке и заданном усилии разрыва ленты 250 кг (при сечении 5 но вибраторных антенн), общая масса завода должна учитывать и
мм2) лента провисла бы на 50 см. Это совершенно неприемлемо из массу этого оборудования. Масса только ЭРД при мощности ? 12
требования строгого постоянства расстояния между источником МВт составит до 12 т. Суммарная масса завода при 10 агрегатах
струи и поверхностью ленты, вытекающего из условия выдержи- напыления и остальных систем оценивается в 200 т, суммарное
вания постоянной плотности потока в плоскости ленты. Возмож- энергопотребление – 140 МВт, а полное время изготовления всех
ным решением является размещение движущейся ленты на боль- 40 тыс. лент в готовом для монтажа на поверхность Луны виде ? 2
шом числе опорных роликов (по схеме рольганга). года.
Однако, более технически обоснованным представляется ис- Перед отправкой полностью готовых лент на монтажную
пользование сплошной опорной, жесткой панели, одновременно площадку ЭИК'а, приемные бобины с лентами насаживаются на
решающей и проблему охлаждения ленты (практически вся кине- общую ось (по 15 шт. на одну ось). Общая масса системы 4,8 т
тическая энергия струи ЭРД превращается в тепло, и равновесная (вес 0,8 т) при габарите сборки «шпульки» d = 2 м ; ? = 31 м.
температура ленты составила бы до 400 К. Опорная панель долж- И масса и габариты позволяют ее закреплять на размоточном
на удовлетворять жестким и противоречивым требованиям: устройстве монтажного лунохода, укладывающего сразу 15 лент.
обладать идеальным (с механической точки зрения качеством Резюме по заводу №4:
поверхности) для снижения трения при протяжке ленты; Масса агрегатов – 200 т.
изготавливаться из материала с умеренным коэффициентом Энергопотребление – 140 МВт
трения при движении холоднокатаной железной ленты; Продолжительность цикла – 2 года.
обеспечивать хороший теплоотвод, для чего иметь жидкост-
ную систему охлаждения с хладагентами типа, например, эвтекти- Завод №5 производит пенокремнеземные волноводы, разво-
ки щелочных металлов, ртути, кремнийорганической жидкости дящие задающую частоту от клистрона до двухкаскадных твердо-
или даже воды. тельных усилителей (мощностью по 28 Вт на выходе и ? 300 мВт
Естественно, система полностью замкнутая, с вынесенным на входе).
радиатором, размещенном на затененном участке, или «ребром» к Разводка волноводов от каждого клистрона представляет раз-
Солнцу. ветвленную сеть. Все участки волноводов располагаются прямо на
Заготовка – рулонированная железная фольга с завода №3 по- грунте. Каждый клистрон имеет 128 оконечных узлов, сопрягае-
ставляется на завод №4 в комплекте с 2-мя бобинами, на которые мых с микроволновой коммутацией на верхней поверхности ра-
109 110
диоизлучающей ленты, выполняемой в виде полосковых линий специальных клистронов. Необходимый газ для образования мик-
малой мощности. Мощность в конце меридионального волновода ропор может быть извлечен также из реголита.
? 40 Вт. Эта мощность разводится на ? 120 твердотельных усили- При переработке реголита общей массой ? 1 млн. т, что тре-
телей, требующих на входе 200-300 мВт, что при коэффициенте буется для выработки необходимого количества железа для антен-
усиления 100 дает на выходе 30 Вт. Мощность клистрона, оценен- ных лент, масса имплантированного солнечным ветром в реголит,
ная в начале в 10 кВт снижена до ? 5 кВт из-за ограничения на например, азота составит ? 20 т. Это может покрыть потребности
ширину захвата монтажного лунохода-комбайна (при скорости в пенообразующем газе.
движения комбайна 10 км/ч трудно реализовать конструкцию с Полученные пенокремнеземные заготовки – бруски длинной
пролетом 60 м, в связи с чем целесообразно перейти на пролет ? до 35 метров и сечением ? 3.2 ? 2,2 см, обрабатываются алмазны-
30 м). Соответственно, снижается вдвое мощность. ми шлифующими дисками до получения высококачественной по-
Волноводы изготавливаются из брусков пеносиликата с по- верхности, на которую напыляется слой алюминия.
ристостью 0,95 – 0,97 сечением 2 ? 3 см, покрытых слоем алюми- Прочность волновода на изгиб под действием собственного
веса (0,3 кг) достаточна. Однако при транспортировке грузоподъ-
ния толщиной 3-4 мкм. Поскольку каждый клистрон обслуживает
емным устройством необходимо иметь двухточечную подвеску
площадку ЭИК'а размерами 220 м (в направлении «север – юг»,
достаточной жесткости с 4 – 5 захватами вдоль всего волновода и
определяемым шагом опор для получения провисания ленты ? 190
осуществлять вертикальное перемещение подвески с малыми ус-
мм при зазоре до грунта 100 мм) и 32 м (в направлении «восток –
корениями (менее 0,16 g), что приемлемо.
запад», что соответствует ширине 60-ти лент полуметровой шири-
Резюме:
ны).
Завод №5 должен обладать энергетикой ? 15 МВт, нескольки-
Характерные данные волноводов ? 32 м, масса 1,7 кг, вес ? 0,3
ми монтажными луноходами для транспортировки до 20000 т пе-
кг. Восточные и западные отсеки волноводов (по 16 м) имеют по
нокремнеземных волноводов, и их укладки.
16 отвода – тройников для запитки подленточных участков волно-
Масса печей 15 – 30 т, фрезерно-шлифовальных станков –
водов в направлении север – юг.
50 т.
Общая масса кремнезема во всех волноводах ЭИК'а ? 18 тыс.
Масса оборудования ? 80 т.
т, масса алюминиевого покрытия пренебрежима (? 130 т). Приня-
то с запасом МSiO2 = 30 тыс. т. Как видно, общая масса SiO2 для
Завод №6 изготавливает из железного полуфабриката (лент
волноводов весьма значительна. Учитывая, что доля SiO2 в необо-
или труб) налунные опоры двух типов – так называемые «легкие»,
гащенном реголите велика и составляет ? 42%, и при условии, что
на которые действует только вес ленты между опорами и «тяже-

<< Пред. стр.

страница 7
(всего 11)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign