Нет вам не нужны 50 км-с дельты вэ. Вам нужны аддитивные технологии (Часть 1)

в 12:44, , рубрики: будущее здесь, будущее рядом, космонавтика, Научно-популярное, производство в космосе, транспорт

Полет в космос пока что дорог. Даже если принять кажущуюся многим чрезмерно оптимистичной, возможность запускать полностью-многоразовый носитель на 100-150 тонн за $ 7 миллионов — получим порядка 50 долларов за килограмм ПН. Полет к Луне или Марсу с помощью того же StarShip увеличит минимальную стоимость доставки груза примерно в 6 раз (добавятся 5 заправщиков) до ~$300 за килограмм.

Обычно из подобных выкладок делается вывод о невозможности промышленного освоения космоса без освоения принципиально-новых источников энергии или даже не-реактивного движения либо нахождения в космосе чего-то ну очень ценного. Вот только при этом упускается из виду то что большинство небесных тел в Солнечной Системе имеет скорость убегания значительно меньшую чем на Земле, куда мы по идее, собрались импортировать добытое, а у Земли есть атмосфера, тормозящая космические корабли и баллистические капсулы без затрат реактивной массы.

Нет вам не нужны 50 км-с дельты вэ. Вам нужны аддитивные технологии (Часть 1) - 1

КДПВ и краткое содержание серии статей

Недостаточно веспен-газа

Идея о том что топливо для обратного полета хорошо бы добывать на месте появилась давно. Рискну предположить что в научной фантастике она не была новой еще в 1960е. Но продвигать ее как основу перспективной пилотируемой миссии первым решился пожалуй Р. Зубрин в проекте Mars Direct. Потом пришел Илон Маск, решивший взять да и попробовать так сделать (work in progress).

Любопытно что при производстве топлива из местных ресурсов электролизом либо реакцией Сабатье твердофазные ЯРД становятся экономически невыгодными. Да, у метанового ЯРД удельный импульс примерно вдвое выше чем у метан-кислородного ЖРД (см. книгу «Электрические межпланетные корабли» или игру Children of a Dead Earth). Вот только на каждый килограмм метана реактор Сабатье дает 4 килограмма кислорода. В ЖРД обычно используется избыток горючего, но, например, в случае с «Раптором» и «Звездолетом» на 240 тонн метана приходится 860 тонн кислорода.

Нет вам не нужны 50 км-с дельты вэ. Вам нужны аддитивные технологии (Часть 1) - 2

На графике синие столбцы соответствуют конечным массам для четырех ракет с характеристической скоростью (aka дельта вэ) 5 км/с и запасами топлива эквивалентными по затратам энергии синтезу 1100 тонн метан-кислорода. Желтые столбцы — полезная нагрузка за вычетом массы ракеты при условии что у каждой технологии на тонну топлива приходится 10 тонн конструкции. Оранжевые — полезная нагрузка с учетом плотности топлива (у метан-кислорода 20 тонн на тонну ракеты, у метана — 15 тонн, у водород-кислорода — 10 тонн, у ядра — 5 тонн). Дельта в 5 км/с взята потому что это вторая космическая скорость Марса. В случае же с Луной и ее 2.5 км/с преимущество химических ракет будет еще более выражено.

Как видно из графика, метан-кислород выигрывает у остальных технологий без вариантов за счет большей начальной массы. ЯРД на метане мог бы поспорить с ЖРД на водород-кислороде, вот только если можно синтезировать метан — будет чем заправить метановый ЖРД. Чтобы метановый и водородный ЯРД смогли компенсировать использование только части продукции топливного завода им требуется удельный импульс около 10 и 30 км/с соответственно. Вывод: для космического транспорта использующего внеземные источники рабочего тела твердофазные ЯРД бесперспективны. Какой-то интерес могут представлять лишь газофазные двигатели, даже в лучшие времена ядерного оптимизма не продвинувшиеся дальше бумаги. Метан-кислород является более предпочтительной парой чем водород-кислород, однако если на небесном теле нет месторождений углерода — придется пользоваться тем, что есть.

Недостаточно минералов

Итак. Мы хотим построить на Луне завод который будет отправлять на Землю что-нибудь полезное по приемлемой себестоимости. В начале нужно рассчитать эту самую себестоимость.

Нет вам не нужны 50 км-с дельты вэ. Вам нужны аддитивные технологии (Часть 1) - 3

«Дорожная карта» цислунного пространства. Взято отсюда.

Согласно схеме, для перелета с низкой околоземной в первую точку Лагранжа нам понадобится 3.7 км/с дельты вэ. И еще 2.5 км/с для посадки. Полностью заправленный «Старшип» без полезной нагрузки сядет на Луне имея 130 тонн топлива. Нагрузив в корабль ~50 тонн реголита еще будем иметь запас дельты для отлета к Земле. Считая что стоимость экспедиции вместе с запусками танкеров была $ 50 миллионов (сам Маск обещал «как у Фалькона-1 за счет многоразовости» т. е. 5-7 миллионов за полет) получаем 1000 баксов за килограмм реголита. Что любопытно, при такой цене и объемах поставки уже вполне реально торговать просто реголитом на сувениры и учебный материал для ВУЗов.

Но на Земле никто не добывает полезные ископаемые, прилетев в чисто поле на вертолете, и покидав в него все, что плохо лежит. Вместо этого в начале строят транспортную и добывающую инфраструктуру. Если в качестве транспортной инфраструктуры рассматривать все тот же «Старшип» — у нас появится узкое место в виде +1000 $/кг за перевозку. В принципе можно жить и с этим, если найти нечто что можно толкнуть более чем за 2000 $/кг (с учетом не-транспортных расходов и ненулевой маржи). И такие вещества существуют — см. прайс-лист [1]. ULA в своей CisLunar Economy хотело возить на околоземную орбиту материалы для строительства спутников и солнечных электростанций. Но попробуем все-таки расширить узкое место.

Расширять узкое место будем оптимизацией транспорта. С точки зрения Луны схема с челночными полетами «Старшипа» неоптимальна — многоразовый корабль постоянно ныряет в гравияму, откуда его приходится вытаскивать и при этом топливо на полеты он берет в той же яме. При этом на Луне скорее всего есть вода, солнечная постоянная вдвое выше чем на Марсе, при отсутствии облаков. В ударных кратерах можно найти металлы, включая железо. Последнее удобно тем что его можно разведать со спутника по магнитному полю и выбрать из реголита при помощи его же.

Запускать груз с Луны на Землю можно следующими способами:

  1. Ракетами на горючем из местных ресурсов.
  2. Электромагнитной пушкой.
  3. Как-то еще.

Остановимся на первом варианте считая что NASA на счет воды не ошиблась. По последним данным воды только на Северном полюсе не менее 600 миллионов тонн [2], так что исчерпание данного ресурса в ближайшей перспективе не грозит.

Ракету можно либо строить на месте, либо завозить с Земли. В первом варианте возможно одноразовое использование, во втором только многоразовое. В обоих случаях нужно освоить производство одноразовых баллистических капсул из местных ресурсов.

Рассмотрим вариант с «импортной» ракетой. 2 тонны сухой массы, 14 заправленной. Хуже чем у Центавра с 20 тоннами водород-кислорода на 2 тонны сухой массы, но у Центавра нет ног для посадки на Луну. Без ПН буксир будет иметь дельту в 8.5 км/с чего с запасом хватит для посадки на Луну при старте с НОО. На которую кораблик закинет все тот же «Старшип» попутной ПН. Обратно к Земле кораблик сможет вытолкнуть баллистическую капсулу весом 10 тонн и вернуться обратно пустым.

Стоимость одного рейса буксира будет равна стоимости строительства буксира и вывода его на НОО, деленной на число использований. Для первого вполне адекватной оценкой сверху представляются все те же $ 50-60 миллионов — эта сумма одного порядка со стоимостью запуска целого Фалькона-9 или производства капсулы Дракона. Согласно [3] двигатель RL-10 еще в начале 1960х мог работать до 2.5 часов с 50 перезапусками, после доработок смог продержаться более 11 часов, про число запусков информации к сожалению нет. Зато известно что J-2 выдерживал 103 запуска и 6.5 часов работы, а дальше инженерам надоело:) Так что ресурс в 50 полетов по двигателю не выглядит фантастическим. Итого имеем порядка миллиона долларов на полет буксира. За один полет буксир пинает к Земле 10-тонную капсулу, если предположить что «коэффициент наполнения» капсулы только 50 % — получим миллион за 5 тонн или $ 200 за килограмм. Впятеро больше чем у Старшипа. Самое интересное в том что если вместо «Старшипа» запустить буксир обычным Фальконом-9 с б/у ступенью и возвратом ступени — цена увеличится только до $ 400 тыс. за тонну.

Но не испортят ли всё создание заправочной станции? Да еще и вместе с производством баллистических капсул и добычей редкоземов. Об этом в продолжении, которое следует.

Ссылки:

[1] http://www.infogeo.ru/metalls/price/?act=show&okp
[2] https://www.nasa.gov/mission_pages/Mini-RF/multimedia/feature_ice_like_deposits.html
[3] https://history.nasa.gov/SP-4221/ch6.htm

Автор: GM-2

Источник



https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js