La mijlocul secolului al XX-lea, omenirea era fascinată de spațiu. Lansarea primului satelit, zborul lui Gagarin, mersul spațial, aterizarea pe Lună - părea puțin mai mult - și vom zbura către stele, mai ales că au existat proiecte ambițioase de nave spațiale interplanetare. Și, ca baze pe Lună, zborurile către Marte - a fost ceva care a fost luat ca atare.
Dar prioritățile s-au schimbat. Tehnologiile secolului trecut, deși au făcut posibilă implementarea tuturor celor de mai sus, au fost extrem de scumpe. Extinderea în spațiu bazată pe tehnologiile secolului trecut ar necesita o reorientare a tuturor economiilor din țările de frunte ale lumii pentru a aborda această problemă.
Explorarea spațială intensivă necesită soluționarea a două sarcini de bază: prima este asigurarea posibilității de lansare a unei încărcături voluminoase masive pe orbită, iar a doua este reducerea costului lansării pe orbită pe un kilogram de sarcină utilă (PN).
Dacă omenirea s-a descurcat relativ bine cu prima sarcină, atunci cu a doua - totul s-a dovedit a fi mult mai complicat.
Călătorie lungă în spațiu (și foarte scumpă)
Încă de la început, vehiculele de lansare (LV) erau de unică folosință. Tehnologia secolului XX nu a permis crearea unui vehicul de lansare reutilizabil. Pare incredibil când sute de milioane sau miliarde de ruble / dolari ard în atmosferă sau se prăbușesc la suprafață.
Să ne imaginăm că navele vor fi construite doar pentru o singură ieșire la mare, iar după aceea vor fi arse imediat. În acest caz, ar veni era marilor descoperiri geografice? Ar fi colonizat continentul nord-american?
Improbabil. Cel mai probabil, omenirea ar fi trăit ca centre izolate ale civilizației.
Posibilitatea de a lansa încărcături mari și super-grele pe orbită joasă de referință (LEO) a fost implementată în monstruosul vehicul de lansare super-greu american Saturn-5. Această rachetă, capabilă să transporte 141 tone de PN la LEO, a permis Statelor Unite să devină lideri în cursa spațială în acel moment, livrând astronauții americani pe Lună.
Uniunea Sovietică a pierdut cursa pentru lună, deoarece nu a putut crea un vehicul de lansare super-greu comparabil cu Saturn-5.
Iar URSS nu a putut crea un vehicul de lansare super-greu din cauza lipsei de motoare rachete puternice. Din această cauză, 30 de motoare NK-33 au fost instalate în prima etapă a LV N-1 în cinci trepte super-grele sovietice. Luând în considerare absența posibilității de diagnosticare și sincronizare computerizată a funcționării motorului la acel moment, precum și faptul că, din cauza lipsei de timp și finanțare, au fost efectuate teste dinamice la sol și banc de incendiu ale întregului BT sau ale ansamblului din prima etapă. neefectuată, toate lansările de test ale LV N-1 s-au încheiat cu eșec în etapa primei etape.
Programul Navetei Spațiale Americane a fost o încercare de a reduce radical costul lansării unei nave spațiale pe orbită.
În nava spațială reutilizabilă a navetei spațiale (MTKK), două din trei componente au fost returnate - amplificatoarele cu combustibil solid prin parașută s-au stropit în ocean și, după verificare și realimentare, au putut fi refolosite, iar avionul spațial - o navetă, a aterizat pe pistă conform schemei de avion. În atmosferă, a ars doar un rezervor pentru hidrogen lichid și oxigen, combustibilul din care a fost folosit de motoarele navetei.
Sistemul de navetă spațială nu poate fi clasificat ca un vehicul de lansare super-greu - greutatea maximă a sarcinii utile pe care a pus-o pe orbita de referință scăzută (LEO) a fost mai mică de 30 de tone, ceea ce este comparabil cu performanța sarcinii utile a vehiculului de lansare rus Proton.
Uniunea Sovietică a răspuns cu programul Energy-Buran.
În ciuda similarității externe a Navetei Spațiale și a sistemului Energia-Buran, acestea aveau diferențe cheie. Dacă în naveta spațială, lansarea pe orbită a fost efectuată de două amplificatoare reutilizabile cu propulsor solid și de nava spațială în sine, atunci în proiectul sovietic Buran era o sarcină pasivă a vehiculului de lansare Energia. Vehiculul de lansare Energia în sine poate fi atribuit pe bună dreptate „supraîncărcăturii” - era capabil să pună 100 de tone pe o orbită de referință joasă, cu doar 40 de tone mai puțin decât Saturn-5.
Pe baza vehiculului de lansare Energia, a fost planificată crearea unui vehicul de lansare Vulcan cu un număr crescut de blocuri laterale la 8 bucăți, capabil să livreze 175-200 tone de sarcină utilă către LEO, ceea ce ar face posibilă efectuarea zborurilor spre Lună și Marte.
Cu toate acestea, cea mai interesantă dezvoltare poate fi numită proiectul „Energia II” - „Uragan”, în care toate elementele urmau să fie reutilizabile, inclusiv planul spațial orbital, blocul central al celei de-a doua etape și blocurile laterale ale primei etape. Prăbușirea URSS nu a permis, fără îndoială, realizarea unui proiect interesant.
Cu toate caracterele sale epice, ambele programe au fost restrânse: unul - din cauza prăbușirii URSS, iar cel de-al doilea - din cauza ratei mari de accidente a „navetelor” care a ucis o duzină de astronauți americani. În plus, programul Space Shuttle nu a îndeplinit așteptările în ceea ce privește o reducere radicală a costului lansării unei sarcini utile pe orbită.
După finalizarea programului Energia-Buran, omenirii nu îi mai rămân vehicule de lansare super-grele. Rusia nu a avut timp pentru asta și Statele Unite și-au pierdut semnificativ ambițiile spațiale. Pentru a rezolva sarcinile presante actuale, vehiculele de lansare disponibile ambelor țări au fost destul de suficiente (cu excepția lipsei temporare a capacității Statelor Unite de a lansa în mod independent astronauții pe orbită).
Agenția aerospațială americană NASA a realizat treptat proiectarea unui vehicul de lansare super-greu pentru a rezolva sarcini ambițioase: cum ar fi un zbor spre Marte sau construirea unei baze pe Lună. Ca parte a programului Constellation, a fost dezvoltat vehiculul de lansare super-greu Ares V. S-a presupus că „Ares-5” va putea aduce 188 de tone de sarcină utilă la LEO și va livra 71 de tone de PN pe Lună.
În 2010, programul Constellation a fost închis. Dezvoltările pentru „Ares-5” au fost folosite într-un nou program pentru crearea unui LV super-greu - SLS (Space Launch System). Vehiculul de lansare SLS super-greu din versiunea de bază ar trebui să fie capabil să livreze 95 de tone de sarcină utilă către LEO și în versiunea cu o sarcină utilă crescută - până la 130 de tone de sarcină utilă. Designul SLS LV folosește motoare și boostere cu combustibil solid create ca parte a programului Space Shuttle.
De fapt, va fi un fel de reîncarnare modernă a „Saturn-5”, similară atât prin caracteristici, cât și prin costuri. În ciuda faptului că programul SLS, cel mai probabil, va fi încă finalizat, nu va revoluționa nici astronautica americană, nici cea mondială.
Acesta este un proiect intenționat fără fund.
Aceeași soartă așteaptă și proiectul rus al vehiculului de lansare super-greu Yenisei / Don, dacă este construit pe baza soluțiilor „tradiționale” utilizate în tehnologia spațială.
În general, până la un anumit punct, situația din Statele Unite și din Rusia a fost relativ similară: nici de la NASA, nici de la Roskosmos, cu greu nu am fi văzut soluții inovatoare în ceea ce privește plasarea sarcinii utile pe orbită. Nici în alte țări nu s-a văzut nimic nou. Industria spațială a devenit foarte conservatoare.
Companiile private au schimbat totul și este destul de firesc ca acest lucru să se întâmple în Statele Unite, unde au fost create condițiile cele mai confortabile pentru afaceri.
Spatiu privat
Desigur, în primul rând vorbim despre compania SpaceX Elon Musk. De îndată ce nu a fost chemat - un escroc, „manager de succes”, „Ostap Petrikovich Mask” și așa mai departe și așa mai departe. Autorul a citit pe una dintre resurse un articol pseudo-științific despre motivul pentru care vehiculul de lansare Falcon-9 nu va zbura: corpul său nu este același, prea subțire, iar motoarele nu sunt la fel, în general, există un milioane de motive pentru care „nu”. Apropo, astfel de evaluări au fost exprimate nu numai de analiști independenți, ci și de oficiali, șefi ai structurilor de stat rusești și întreprinderi.
Musk a fost acuzat de faptul că el însuși nu a dezvoltat nimic (și a trebuit să facă singur toată documentația de proiectare și apoi să asambleze singur vehiculul de lansare?) Și că SpaceX a primit o mulțime de informații și materiale despre alte proiecte. de la NASA (și SpaceX trebuia să facă totul de la zero, de parcă programele spațiale nu ar exista în Statele Unite înainte de ea?).
Într-un fel sau altul, dar vehiculul de lansare Falcon-9 a avut loc, zboară în spațiu cu o regularitate de invidiat, primele etape rezolvate aterizând cu aceeași regularitate, dintre care una a zburat deja de 10 (!) Ori. Roskosmos a pierdut cea mai mare parte a pieței pentru lansarea încărcăturilor utile pe orbită și după crearea SpaceX a navei spațiale cu echipaj reutilizabile Crew Dragon (Dragon V2) și piața pentru livrarea astronauților americani pe orbită.
Dar SpaceX are și o rachetă Falcon Heavy capabilă să livreze peste 63 de tone către LEO. În prezent, este cel mai greu și mai încărcat vehicul de lansare din lume. Prima sa etapă și amplificatoarele laterale sunt, de asemenea, reutilizabile.
Un alt miliardar american, Jeff Bezos, respiră în spatele capului SpaceX. Desigur, în timp ce succesele ei sunt mult mai modeste, dar există încă realizări. În primul rând, aceasta este crearea unui nou motor metan-oxigen BE-4, care va fi utilizat în vehiculul de lansare New Glenn și în vehiculul de lansare Vulcan (care urmează să înlocuiască vehiculul de lansare Atlas-5). Având în vedere că Atlas-5 zboară acum pe motoarele rusești RD-180, după apariția BE-4, Roskosmos va pierde o altă piață de vânzări.
În Statele Unite și în alte țări, există sute de start-up-uri pentru a crea vehicule de lansare și alte tipuri de aeronave pentru lansarea încărcăturilor utile pe orbită, start-up-uri pentru a crea sateliți și nave spațiale în diverse scopuri, tehnologii industriale pentru spațiu, turism orbital, și așa mai departe și așa mai departe.
Unde va duce toate acestea?
Faptul că piața spațială se va extinde rapid, iar concurența pe piață pentru plasarea unei sarcini utile pe orbită va duce la o reducere semnificativă a costului eliminării sale din calculul pentru un kilogram.
Costul lansării a 1 kg de sarcină utilă către LEO de către sistemul de navetă spațială sau de racheta Delta-4 este de aproximativ 20.000 de dolari. Vehiculele de lansare Proton din Rusia sunt capabile să livreze sarcini utile către LEO pentru mai puțin de 3.000 de dolari pe kilogram, dar aceste rachete rulează pe dimetilhidrazină asimetrică extrem de toxică și sunt în prezent epuizate. Ieftin, dezvoltat în URSS, Zenitii ruso-ucraineni sunt, de asemenea, un lucru din trecut.
Vehiculul de lansare Falcon-9, cu condiția să se utilizeze prima etapă de întoarcere, poate lansa o sarcină utilă pe o orbită de referință scăzută la un cost mai mic de 2.000 USD pe kilogram. Potrivit lui Elon Musk, Falcon-9 poate reduce costul lansării unei sarcini utile la 500-1100 dolari pe kilogram.
S-ar putea întreba, de ce este acum mult mai scump pentru clienți să scoată sarcini utile?
În primul rând, costul este determinat nu numai de costul lansării, ci și de condițiile pieței - prețurile concurenților. Ce capitalist ar renunța la profitul suplimentar? Este profitabil să fii ușor mai mic decât concurenții, capturând treptat piața, mai degrabă decât să faci dumping fără a câștiga nimic, mai ales că într-o industrie atât de specifică ca piața de lansare spațială, structurile de control vor sprijini în orice caz mai mulți furnizori, chiar dacă unul are prețuri de câteva ori mai mari decât concurentul.
Se poate presupune că reducerea prețului SpaceX va fi determinată doar de apariția concurenților în fața Blue Origin cu vehiculul de lansare New Glenn sau cu alte companii și țări care vor crea mijloace pentru lansarea sarcinilor utile cu un cost de lansare redus.
Cu toate acestea, majoritatea start-up-urilor și proiectelor promițătoare sunt legate de lansarea pe orbită a unei sarcini utile cântărind sute, cel mult o mie de kilograme. Acest lucru nu va revoluționa spațiul - construirea ceva mare va necesita vehicule de lansare reutilizabile grele și super-grele, cu un cost redus de lansare a unei sarcini utile pe orbită. Și aici, așa cum am văzut mai sus, totul este trist.
Totul, cu excepția celui mai important proiect al SpaceX, o navă spațială Starship complet reutilizabilă, cu o primă etapă Super Heavy complet reutilizabilă
Super greu reutilizabil
Diferența dintre Starship (denumită în continuare Starship ca o combinație de Starship + Super Heavy) de la toate celelalte vehicule de lansare este că ambele etape sunt reutilizabile. În același timp, sarcina utilă a navei stelare pe o orbită mică de referință ar trebui să fie de 100 de tone, adică este o rachetă super-grea cu drepturi depline. Pentru Starship, SpaceX a dezvoltat noi motoare Raptor cu ciclu închis, metan-oxigen, cu gazificare completă a componentelor.
SpaceX intenționează să înlocuiască toate vehiculele sale de lansare cu Starship, inclusiv Falcon 9 de mare succes. De obicei, lansarea unei rachete super-grele este extrem de costisitoare - de ordinul unui miliard de dolari. Pentru a menține costul redus al lansării, SpaceX intenționează să folosească ambele etape de multe ori - 100 de lansări fiecare și, eventual, mai multe. În acest caz, costul va scădea cu aproape două ordine de mărime - până la zece milioane de dolari pe lansare. Ținând cont de sarcina maximă de 100 de tone, vom obține costul aducerii încărcăturii utile la LEO la nivelul de aproximativ 100 (!) Dolari pe kilogram.
Desigur, etapele returnate vor necesita întreținere, înlocuirea motorului după 50 de porniri, realimentare, serviciile la sol vor trebui plătite, dar Starship în sine va costa cel mai probabil mai puțin de un miliard de dolari, iar tehnologiile sale de producție și întreținere vor fi îmbunătățite continuu, deoarece experiența este câștigată de SpaceX.
De fapt, Elon Musk afirmă că Starship poate atinge un cost de lansare a încărcăturii utile de aproximativ 10 USD pe kilogram cu un cost total de lansare de 1,5 milioane USD, iar costul livrării mărfurilor pe Lună va fi de aproximativ 20-30 USD pe kilogram. dar acest lucru necesită lansarea navei astrale săptămânal.
De unde să obțineți astfel de volume?
Chiar și armata pur și simplu nu are o astfel de sarcină utilă, încât există deja spațiu civil - dezvoltarea pieței va dura zeci de ani.
Colonizarea lui Marte?
Nu este posibil să vorbim despre asta serios.
Colonizarea Lunii?
Mai aproape, Starship ar putea să scufunde SLS și să-i trimită pe americani pe lună a doua oară. Dar acestea sunt zeci de lansări, nu sute sau mii.
Cu toate acestea, SpaceX are un plan de afaceri mult mai real decât trimiterea de coloniști pe Marte - folosind Starship pentru a transporta pasageri intercontinental. Când zburați din New York către Tokyo prin orbita Pământului, timpul de zbor va fi de aproximativ 90 de minute. În același timp, SpaceX intenționează să asigure fiabilitatea operațională la nivelul avioanelor mari moderne și costul zborului - la nivelul costului unui zbor transcontinental în clasa business.
Mărfurile pot fi livrate în același mod. De exemplu, armata SUA a devenit deja interesată de această oportunitate. Este planificată livrarea a 80 de tone de marfă într-un singur zbor, ceea ce este comparabil cu capacitățile avionului de transport C-17 Globemaster III.
În ansamblu: transportul de pasageri și mărfuri, livrarea astronauților americani pe Lună și, eventual, către obiecte mai îndepărtate ale sistemului solar, retragerea navelor spațiale comerciale, turismul spațial și așa mai departe și așa mai departe și altele asemenea - SpaceX poate oferi o reducere a costului retragerii sarcinii utile, deși ar ajunge până la nivelul de 100 USD pe kilogram.
În acest caz, Starship va introduce o nouă eră în explorarea spațiului și nu numai.
Perspective și implicații
Starship este privit cu oarecare suspiciune în acest moment. Se pare că totul este frumos pe hârtie, iar experiența SpaceX vorbește de la sine, dar cumva totul este prea roz?
Uneori există senzația că potențialul acestui sistem pur și simplu nu se încadrează în mintea conducerii forțelor armate americane, a conducerii NASA, a proprietarilor și managerilor întreprinderilor dintr-o mare varietate de industrii. Pentru prea mult timp, lansarea chiar și a unei mici sarcini utile în spațiu a însemnat costuri de milioane de dolari.
Întrebarea este: ce se întâmplă când 100 de dolari pe kilogram devin realitate?
Când oamenii educați din Departamentul Apărării al SUA înțeleg că aruncarea unui orbitor convențional pe orbită este mai rapidă și mai ieftină decât transportarea acestuia cu un avion militar de transport de pe continentul american în Europa, la ce concluzii vor ajunge?
Nu, nu vom vedea Abrams pe Lună, dar tancul nu este ținta, este doar o modalitate de a livra proiectilul inamicului. Ce se întâmplă dacă este mai ușor să obții acest proiectil direct de pe orbită? Cât de repede se vor retrage Statele Unite din Tratatul de spațiu cosmic pașnic dacă obțin un avantaj strategic în acesta (în spațiu)? Cât de repede vor începe armata SUA să migreze pe orbită?
Mai mult, chiar și capacitățile existente pentru plasarea încărcăturilor utile pe orbită sub forma Falcon-9 și Falcon Heavy, combinate cu tehnologii pentru construcția de satelit în masă, vor fi suficiente pentru ca LEO să fie blocat cu sateliți de recunoaștere, comandă și comunicații, ceea ce duce la faptul că că Statele Unite vor monitoriza suprafața planetei 24/365. Uitați de forțele mari de suprafață, grupările militare, sistemele mobile de rachete terestre - toate acestea vor fi doar ținte pentru armele cu rază lungă de acțiune cu corecție a traiectoriei de zbor.
Succesul Starship va adăuga un eșalon spațial la acest set, unde ținta va fi lovită din spațiu în câteva zeci de minute după primirea unei cereri. Niciun lider politic din lume nu se poate simți încrezător știind că un duș inevitabil de tungsten ar putea cădea din spațiu în orice secundă.
La un preț de 100 de dolari pe kilogram, toți cei care nu sunt prea leneși - companii farmaceutice, metalurgice, companii miniere - vor urca în spațiu. Vom vorbi mai multe despre economia spațiului mai târziu. Dacă este posibil, lansând și eliminând ieftin încărcătura de pe orbită, spațiul va deveni noul Klondike. Ce putem spune despre 10 dolari pe kilogram …
Este foarte posibil ca în acest moment să asistăm la un eveniment istoric care ar putea deveni un punct de cotitură în dezvoltarea omenirii
Se poate opri acest proces?
Poate că povestea este imprevizibilă. Lăcomia umană, prostia sau doar un accident - un lanț de eșecuri, pot îngropa oricare dintre cele mai reușite întreprinderi. Câteva accidente majore Navă stelară cu moartea a sute de oameni sunt suficiente, iar procesul de explorare a spațiului poate fi din nou sever încetinit, așa cum era deja în secolul XX.
În cazul obținerii unui avantaj unilateral în spațiu, Statele Unite vor începe să urmeze o politică mult mai agresivă decât este acum. În absența unei oportunități de a asigura paritatea în spațiu, am putea să alunecăm până la nivelul Coreei de Nord, așezându-ne pe o „valiză nucleară” și amenințând că ne vom submina pe noi înșine, vecinii și pe toți ceilalți în caz de ceva (ceea ce, aparent, din motive ciudate, chiar apelează la unii).
În acest sens, este necesar să se acorde o atenție sporită industriei spațiale, a cărei stare în prezent nu provoacă niciun optimism.
Luați, de exemplu, proiectul vehiculului de lansare super-greu „Yenisei” / „Don” - este suficient să ne uităm la toate declarațiile reciproc excluzive ale diferiților lideri și departamente despre acest proiect și devine clar că nimeni, în principiu, știe de ce este creată și nici ce este. ar trebui să devină în cele din urmă. Dacă acesta este următorul „Angara”, atunci proiectul poate fi închis acum - nu are rost să cheltuim banii oamenilor pe el.
În același timp, China nu stă pe brațe.
Pe lângă dezvoltarea vehiculelor de lansare tradiționale, aceștia studiază și adoptă în mod activ experiența americană, fără a ezita să copieze direct. Totul este corect în materie de securitate națională.
În Ziua Națională a Spațiului, Institutul de Cercetare a Rachetelor din China a vorbit despre proiectul unui sistem de rachete suborbital, care ar trebui să livreze pasagerii dintr-un punct al planetei în altul în mai puțin de o oră.
Putem spune că până acum acestea sunt doar desene, dar China și-a dovedit recent în repetate rânduri capacitatea de a ajunge din urmă cu liderii din diferite ramuri ale științei și industriei.
Este, de asemenea, timpul ca Rusia să lase deoparte confuzia și vacilarea în industria spațială, să formuleze în mod clar obiective și să asigure implementarea lor prin orice mijloace.
Dacă China și Rusia pot concura cu Statele Unite în spațiu la un nou nivel tehnologic, atunci orbitele joase vor fi doar începutul, iar omenirea va intra într-adevăr într-o nouă eră, care până acum nu există decât în paginile romanelor de science fiction.
