Хабрахабр

Долетит ли «Starship» до Марса?

За почти 60 лет освоения космоса проектов полета к Марсу и другим планетам было много и разной степени проработанности. Но проект SpaceX «Starship» (Звездолет) выделяется среди них по следующим причинам:

Полностью частная инициатива и финансирование, по крайней мере пока.
2. 1. Одна из ключевых технологий (многоразовая жидкостная ступень) уже освоена, ведется строительство прототипа, прошел испытание двигатель.
3. Несмотря на предыдущий пункт, высокая степень готовности. Не просто слетать на Марс, а начать строить постоянную колонию. Амбициозность. И не только на Марс.
4. И корабль в перспективе может возить за сотню человек. Только ЖРД только хардкор. Отсутствие ядерных, плазменных и гиперпространственных двигателей.

Почему «Звездолет» сможет обходиться одними ЖРД, как обычно, под катом.

Дозаправка в космосе

Ключевой особенностью проекта «Starship» является использование марсианских ресурсов для производства топлива на обратный полет. Такой ход позволяет фактически уменьшить вдвое ХС ракеты по сравнению с полетом в оба конца на одной заправке с той же скоростью.

Дальний корабль — возвратный и дожидался прилета корабля с экипажем (ближний), нарабатывая топливо.
Mars Direct.

Проект Маска отличается размерами корабля, многоразовостью и высокой скоростью межпланетного перелета. Сам по себе такой подход чем-то новым не является: производство метана из марсианской атмосферы и привезенного водорода было еще в проекте «Mars Direct» Роберта Зубрина. А поскольку для перелета к Марсу планируется заправка все той же второй ступени многоразовыми танкерами на ее же базе, то есть смысл заправить ее полностью и улететь по быстрой траектории. Последнее является следствием того, что для выхода на НОО второй ступени многоразовой ракеты со спасением первой ступени по освоенному SpaceX «методу Фалькона-9» требуется обеспечить приращение скорости порядка 7 км/с. Всего планируется 6 запусков на один корабль: вывод собственно корабля и 5 заправочных. От недолива топлива ПН не увеличится (а догрузка сложнее дозаправки, да и отсеки не резиновые), а полеты танкеров планируются ультрадешевыми.


Содержание водорода (скорее всего в виде водяного льда) в приповерхностном слое марсианского грунта по данным спутника «Марс Одиссей».

А именно: обнаруженных спутниками «грунтовых вод» (скорее всего, в виде мерзлоты, хотя может и жидкой) и углекислого газа из атмосферы. Итак, осталось развернуть на Марсе производство метан-кислородного топлива из местных ресурсов.

Метановый заводик

Для производства метана предполагается использовать реакцию Сабатье:
CO2 + 4H2 = CH4 +2H2O
Хорошая новость в том что данная реакция является экзотермической, так что тепло от реактора Сабатье можно приспособить, например на выпаривание вечной мерзлоты. Водород для реакции Сабатье и кислород для ракеты придется добывать электролизом марсианской воды и воды, производящейся в реакции Сабатье.

Поскольку с той презентации поменялся материал корпуса, но не двигатель и законы физики — можно считать что пропорция 3. Согласно презентации 2017 года полная заправка BFR состоит из 240 тонн метана и 860 тонн кислорода. Но есть один нюанс: количество водорода, необходимое для производства килограмма метана при производстве электролизом дает четыре килограмма кислорода. 58 тонн окислителя к тонне топлива сохранилась. Кстати, 100 тонн кислорода при использовании в СЖО хватит примерно на 100 тыс. Так что вместо 1100 тонн нам потребуется произвести 1200. Округлив вверх получим 16 МДж на килограмм воды. человеко-суток.
Электролиз воды — процесс с одной стороны энергозатратный, а с другой при правильно-спроектированной установке имеет КПД вблизи 100 %. В пересчете на килограмм конечного продукта затраты на электролиз составят 14. Или 18 МДж на килограмм произведенного кислорода. 4 МДж.

4 МДж/кг). Для дистилляции воды для подготовки к электролизу требуется порядка 22-30 кДж на килограмм воды (дистиллятор на Марсе может работать вблизи тройной точки), причем требуется только грязной местной воде, а не отходам реакции Сабатье) и конденсацию компонентов в жидкое состояние (для кислорода без учета КПД холодильника в пределах 0. Так что просто будем считать что нам требуется 20 МДж на килограмм конечного продукта. Затраты на термостатирование компонентов топлива в баках без знания конструкции корабля сколько-нибудь точно оценить не получится. 6 МДж на затраты не связанные с электролизом. Или +5.

Мы оценили потребность в энергии в 20 МДж на килограмм продукта. Итак. Но с другой — между стартовыми окнами два года, соответственно столько времени у нас есть на выработку 1200 тонн продукта. С одной стороны, это много. Потому «завод» и в кавычках. Два года — это примерно 60 миллионов секунд, итого средняя производительность топливного «завода» должна быть… 20 граммов в секунду. Средняя потребляемая мощность составит 400 кВт.

SpaceX разработку еще и ЯЭУ с нужной удельной мощностью точно не потянет. Ядерный реактор отпадает — все реально существовавшие космические ЯЭУ имели электрическую мощность на два порядка меньше требуемой. Зато у Маска есть Tesla с бывшей Solar City, производящая солнечные батареи.

Проект Топаз-100/40 до космоса не добрался.
Советские космические ЯЭУ. И у всех, мягко говоря не вдохновляет, длительность работы в режиме максимальной мощности

Производство ракетного топлива и есть зарядка аккумулятора. Хорошая новость — буферные аккумуляторы топливному заводу не нужны. Так что достаточно посчитать только площадь солнечных батарей, требующихся для обеспечения средней мощности в 400 кВт с учетом усредненного суточного цикла.

Будем считать что СБ просто лежат на склоне кратера в оптимальном для данной широты положении — это еще и основной способ их монтирования на Земле. В среднем за марсианский год солнечная постоянная составляет около 600 Вт/м2 по нормали. Для учета бурь введем коэффициент 0. Без учета пылевых бурь за среднестатистические марсианские сутки на квадратный метр падает 191 Вт света (600/pi). В итоге при КПД 20 % получим 26 Вт на квадратный метр в среднем за сутки. 7 (марсианской метеорологии не знаю, но наверняка будут выбирать место где пылит поменьше). Для искомых 400 кВт понадобиться 20 000 квадратных метров или 2 гектара солнечных батарей. Опять же для удобства и надежности округлим, но на этот раз вниз — до 20 Вт/м2. Вместе с коробкой для крепления на крышу, на Земле, где давление ветра на порядки сильнее марсианского. У современных хозяйственно-бытовых СБ удельный вес около 10 кг/м2. У гибких солнечных батарей (опять же для бытовых целей) удельный вес уже 3. При том что конструкторы этой коробки ее оптимизировали на технологичность, а не вес. На Марсе их можно просто раскатывать на грунте — при давлении 6 мбар ветер их унести не сможет. 5 кг/м2. Зато сможет принести пыль, которую придется сдувать или сметать роботам или самим астронавтам («Спириту» же приходилось ждать «пыльного дьявола»).


Гибкая СБ для Земли

Для искомых 2 гектаров батарей нам понадобится 200 тонн. Но допустим, вместе с проводами наша солнечная энергоустановка все-таки весит 10 кг на метр. Итого 6 кораблей и от 600 до 900 тонн на поврехности Марса. При том что по плану на Марс в начале стартует 2 беспилотных корабля, а в следующее окно — 2 грузовых и 2 пилотируемых с экипажем не более 10 человек. Минимум в 3 раза больше чем требуется. Первая цифра получена из предположения о том что на 150 тонн ПН выйти не успеют или не смогут (а ракеты на 100 тонн на НОО вполне существовали).

Вот только кроме топливного заводика энергия потребуется еще и…

СЖО

Первое, оно же главное(с): Россия не сможет оставить SpaceX без космического унитаза. Дело в том что надежность советского космического туалета по сравнению WCS стоявшей на Шаттле — заслуга не суперсекретных советских технологий, а того что американцы переусложнили свою систему попытавшись автоматизировать процесс эвакуации каловых масс подальше от космонавта. Что приводит к засорам и прочим «радостям». В то время как в советском-российском космосортире поток воздуха только обеспечивал прижим фекалий к поверхности перфорированного пакета, который после использования требуется поместить на хранение руками. На «Скайлэбе» у американцев была еще более простая система в которой пакет для фекалий был герметичным и требовал отпихивать продукты жизнедеятельности пальцами (с помощью специальных мешочков) глубже в пакет, но зато имел систему откачки мочи. SpaceX может как поднять чертежи туалета «Скайлэба» (который, не смотря на необходимость дополнительных манипуляций с пакетом, еще надежней, чем российский) так и разработать свой аналог союзовского с прижимом отходов к мешку потоком воздуха.

Моча уходит по трубе с потоком воздуха, кал остается в отсеке с цифрой 5, прижатый потоком воздуха.
Схема советского космического унитаза.

Большая сложность (и меньшая надежность) системы связана с попыткой эвакуировать кал в том же потоке, что унес мочу.
Туалет американский времен «Шаттла».

Как видно из таблицы (взятой отсюда) потребность экипажа из 6 человек на полет длительностью в 500 суток (что несколько меньше ожидаемой продолжительности марсианской миссии на «Звездолете») потребуется 58 тонн кислорода, пищи и воды. От удаления отходов перейдем к другим человеческим потребностям. Из которых вода составляет 50 тонн.

Но поскольку марсианский завод все равно требует разработки технологии подготовки местной воды для электролиза (т.е. В принципе с учетом быстрой траектории полета «Звездолета» (время зависит от типа противостояния, но в среднем 115 суток) на корабле можно обходиться запасами воды. ее очистки и дистилляции) — можно и регенерировать.

4 тонны в расчете на 6 человек экипажа. Разработанные в СССР для станции «Мир» системы регенерации воды весили 2. Кислорода человеку в сутки требуется около килограмма что дает потребляемую электролизером мощность 208 Вт на человека. В случае использования воды, регенерированной из мочи, для производства кислорода электролизом (масса мочи за сутки как раз примерно совпадает с потребностью человека в кислороде за то же время), основным потребителем опять будет электролизер с его 18 МДж на килограмм продукта. Приняв потребность в энергии в 300 Вт на человека, включая затраты на освещение и зарядку планшетов (с космическими картами, ага), получим 30 кВт для 100-местного корабля. Дистилляция, повторюсь, при наличии вакуума требует около 22 кДж на килограмм, что пренебрежимо мало на фоне расходов электролизера, даже с учетом большего объема хозяйственно-бытовой воды. По прилету на Марс затраты на электролиз воды для обеспечения кислородом отключаются — топливный завод и так вырабатывает 100 лишних тонн кислорода на одну заправку. Это лишь вдвое больше того, что дают СБ современных спутников связи (до 15 кВт на спутник).

И радиация

Ее опасность во многом преувеличена. В космосе есть два источника радиации: Солнце, дающее много относительно низкоэнергетических частиц, но излучающее только с одного направления, и ГКИ, «светящее» малыми количествами высокоэнергетических частиц отовсюду. Соответственно от Солнца можно защититься просто компоновкой — повернув к нему нежилые отсеки. Собственно, так и планируется, о чем говорит хотя бы расположение СБ на «Звездолете» (см. картинку). ГКИ же проще перетерпеть, благо полет проходит по быстрой траектории. Полученная за время перелета доза ГКИ с одной стороны выше норм земных работников атомной промышленности, но с другой стороны в разы ниже того, что требуется для развития даже хронической лучевой болезни.

Корпус теперь другой, но размещение СБ осталось прежним.
Рендер тогда еще ITS.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть