Хабрахабр

Нет вам не нужны 50 км/с дельты вэ — вам нужны аддитивные технологии (Часть 1)

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 6 раз (добавятся 5 заправщиков) до ~$300 за килограмм.

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. 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.


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).

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

Желтые столбцы — полезная нагрузка за вычетом массы ракеты при условии что у каждой технологии на тонну топлива приходится 10 тонн конструкции. 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. Дельта в 5 км/с взята потому что это вторая космическая скорость Марса. 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). 5 км/с преимущество химических ракет будет еще более выражено. В случае же с Луной и ее 2.

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

Недостаточно минералов

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

«Дорожная карта» цислунного пространства. Взято от сюда.

7 км/с дельты вэ. Согласно схеме, для перелета с низкой околоземной в первую точку Лагранжа нам понадобится 3. 5 км/с для посадки. И еще 2. Нагрузив в корабль ~50 тонн реголита еще будем иметь запас дельты для отлета к Земле. Полностью заправленный «Старшип» без полезной нагрузки сядет на Луне имея 130 тонн топлива. 5-7 миллионов за полет) получаем 1000 баксов за килограмм реголита. Считая что стоимость экспедиции вместе с запусками танкеров была $ 50 миллионов (сам Маск обещал «как у Фалькона-1 за счет многоразовости» т. е. Что любопытно, при такой цене и объемах поставки уже вполне реально торговать просто реголитом на сувениры и учебный материал для ВУЗов.

Вместо этого в начале строят транспортную и добывающую инфраструктуру. Но на Земле ни кто не добывает полезные ископаемые прилетев в чисто поле на вертолете, и покидав в него все что плохо лежит. 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). Если в качестве транспортной инфраструктуры рассматривать все тот же «Старшип» — у нас появится узкое место в виде +1000 $/кг за перевозку. прайс-лист [1]. И такие вещества существуют — см. Но попробуем все-таки расширить узкое место. ULA в своей CisLunar Economy хотело возить на околоземную орбиту материалы для строительства спутников и солнечных электростанций.

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. Расширять узкое место будем оптимизацией транспорта. В ударных кратерах можно найти металлы, включая железо. При этом на Луне скорее всего есть вода, солнечная постоянная вдвое выше чем на Марсе, при отсутствии облаков. Последнее удобно тем что его можно разведать со спутника по магнитному полю и выбрать из реголита при помощи его же.

Ракетами на горючем из местных ресурсов.
2. Запускать груз с Луны на Землю можно следующими способами:
1. Как-то еще.
Остановимся на первом варианте считая что NASA на счет воды не ошиблась. Электро-магнитной пушкой.
3. По последним данным воды только на Северном полюсе не менее 600 миллионов тонн [2], так что исчерпание данного ресурса в ближайшей перспективне не грозит.

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

2 тонны сохой массы, 14 заправленной. Рассмотрим вариант с «импортной» ракетой. Без ПН буксир будет иметь дельту в 8. Хуже чем у Центавра с 20 тоннами водород-кислорода на 2 тонны сухой массы, но у Центавра нет ног для посадки на Луну. На которую кораблик закинет все тот же «Старшип» попутной ПН. 5 км/с чего с запасом хватит для посадки на Луну при старте с НОО. Обратно к Земле кораблик сможет вытолкнуть баллистическую капсулу весом 10 тонн и вернуться обратно пустым.

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. Стоимость одного рейса буксира будет равна стоимости строительства буксира и вывода его на НОО, деленной на число использований. 5 часов с 50 перезапусками, после доработок смог продержаться более 11 часов, про число запусков информации к сожалению нет. Согласно [3] двигатель RL-10 еще в начале 1960х мог работать до 2. 5 часов работы, а дальше инженерам надоело:) Так что ресурс в 50 полетов по двигателю не выглядит фантастическим. Зато известно что J-2 выдерживал 103 запуска и 6. 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. Итого имеем порядка миллиона долларов на полет буксира. 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. Впятеро больше чем у Старшипа. за тонну.

Да еще и вместе с производством баллистических капсул и добычей редкоземов. Но не испортят ли все создание заправочной станции? 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

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

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

Кнопка «Наверх»
Закрыть