Запуск ракеты в космос стоит дорого. Ну, например Zenit-SL, с коей приходилось иметь дело - 30 миллионов долларов в ценах 1999 года. Разум обывателя вскипает от таких цифр. Поэтому время от времени возникают идеи эту сумму уменьшить. Например, сделать ракету многоразовой. Что сейчас, что 30 лет назад. Тридцать лет назад я тоже хотел строить многоразовые корабли. А злой профессор приказал считать экономические показалели. И энтузиазму поубавилось. Но по порядку. И начать придется опять таки с бухгалтерии.
Ну для начала вспомним про стартовый стол. Стоимость стартового сооружения зачастую превосходит стоимость всех ракет, которые будут с него запущены. А стоимость разработки новой ракетно-транспортной системы так вообще превосходит стоимость стартового стола на порядок минимум. Вы всё еще хотите удешевлять одну маленькую дешёвенькую ракету за жалкие 30 лямов? На "Морском старте" проблемы со столом и проектированием успешно решили, взяв существующую ракету и приспособив буровую платформу, это сэкономило миллиарды, а не миллионы.
Ну - экономить так экономить. А для начала простой вопрос - что будем возить в космос? И тут перспективы стали сиять совсем не так, как хотелось бы. Спутники становятся компактнее, долговечнее, роботы умнее. В общем, потребность забрасывать в космос что-то большое падает, потребность летать часто -тоже. Грузопоток падает. Вы заметили, что проекты ракет последнего десятилетия разительно отличаются от ракет, разработанных полвека назад?
Красота ушла, зато ракеты стали модульными. В случае необходимости центральный блок обвешивают ускорителями, чтоб вывести большую массу. Ну и обтекатели для такого случая разработали, чтобы выводить груз, чьи габариты превышают диаметр баков. Это как раз дает экономить на производстве - снижает номенклатуру изделий.
И тут появляется Илон Маск со своими многоразовыми ракетами. Предлагает сэкономить еще. Если ракета стоимостью 30 миллионов слетает 30 раз, то стоимость пуска снизится до одного миллиона. Звучит заманчиво. И тут самое время встать в третью танцевальную позицию и сказать "эээ, однако..."
Для начала возьмем банку пива и пойдем на кухню. Откроем и закроем кран несколько раз. Потом откроем банку пива и попытаемся закрыть. Разница между одноразовым изделием и многоразовым стала понятнее? Копеечная банка против смесителя ценой в несколько тысяч рублей. Кран кстати тяжелее не в одну сотню раз. Простой вывод - многоразовая конструкция наверняка тяжелее и дороже одноразовой. Пиво кстати можно допить.
А теперь самое интересное. Калькулятор и немного физики. Чтобы вывести хоть что-то на орбиту, надо развить определенную скорость. Круговая скорость на низкой орбите примерно 8км/с. Плюс добавка от вращения Земли, минус потери на набор высоты и аэродинамику... В общем - ракета должна иметь некую характеристическую скорость примерно 9 -9.1 км/с. Ну это примерно та скорость, которую она смогла бы развить в вакууме вне гравитационного поля планеты. Чтобы развить эту скорость, надо сжечь топливо. Гравицапу пока не изобрели. Есть простая формула
M = M0* exp(-V/Ve ). Где
- М - конечная масса ракеты
- М0 - стартовая масса
- V -конечная скорость
- Ve - "эффективная скорость" истечения газов из сопла ракеты
Ядерных двигателей пока не изобрели, ионные больше нескольких грамм тягу не развивают, придется использовать традиционное химическое топливо. А про него известно всё. Кислород+керосин дает скорость истечения примерно 3300 м/с, водород + кислород до 4500. Аццкая смесь фтор + водород до 4800-5000, но думаю, вы будете против : продукт горения - плавиковая кислота, растворяет даже стекло.
Теперь можно посчитать. В случае керосинового движка до орбиты долетит 6-7% первоначальной массы. На водороде процентов 13. Выше этих цифр подняться нельзя. Это физика.
И тут начинается юмор. А что, собственно, долетело до орбиты? Движки, баки и полезная нагрузка. Ну полезная нагрузка еще туда-сюда, а прочая масса просто вредит. Поэтому ракету и делают многоступенчатой, чтоб не всю конструкцию разгонять до орбитальной скорости. Иначе кроме баков на орбите ничего не останется.
А как на это влияет многоразовость? Многоразовость, прежде всего - дополнительная масса, которую мы просто вынуждены обязательно с собой возить. Шаттл возит крылья и теплозащиту, Фалькон - дополнительное топливо и посадочные "ноги". Иначе посадки не будет. За чей счет банкет? За счет полезной нагрузки, естественно. Мы не в состоянии уменьшить вес двигателя и баков. Всё украдено до нас. Ракета - не паровоз, в ней и так всё работает на пределе. Многоразовый корабль будет заведомо хуже одноразовой ракеты. Единственное, что его спасёт - многоразовость. Если он дороже в 10 раз и полезная нагрузка в 3 раза меньше, то он должен отлетать 30 раз. Иначе смысла нет.
Ресурс ракетного двигателя измеряется десятками минут, к примеру. А баки спроектированы так, что "держат" только осевую нагрузку. При боковой сминаются. Чтобы летать много раз - нужно поднять ресурс двигателя. Если его выбрасывать после каждого полета, смысла в многоразовости нет. Нужно усилить баки - когда ступень будет возващаться, нагрузки будут другие. Трубы-арматуры сваривать нельзя, соединения должны быть разъёмные - иначе для осмотра придется каждый раз пилить болгаркой. А всё это дополнительная масса, всякие уплотнители и протечки, ну и пот, слёзы, зарплата персонала. Ну и само собой, послеполётная диагностика. Надо проверить, не треснуло ли где что в процессе. А то глядишь - налетели на ворону и теперь дыра в баках. В общем, на Шаттлах стоимость послеполетного обслуживания составляла 20% первоначальной стоимости птички. То есть, их реальная многразовость - 5. По "волшебному" стечению обстоятельств пуск Шаттла был в пять раз дороже одноразовой ракеты с такой же нагрузкой. Просто инженеры понимали, что иначе ой.
Можно ли решить указанные выше проблемы ? В какой-то мере - да. Можно изменить конструкцию баков и они станут легче. Про "вафельные стенки" слышали? Алюминиевые листы фрезеруют, чтоб на них получился характерный рисунок в клеточку. Бак выходит легче. Но сомневаюсь, что дешевле, чем из обычного алюминиевого листа. Можно сделать бак из очень тонкой нержавейки. Делали уже. Легкий и прочный, но его надо всегда держать наддутым, как камеру велосипеда. Иначе даже своего веса не держит. То есть минимальная негерметичность клапана, которая для других ракет пустяк, становится гарантированной катастрофой на старте. Титан применять нельзя. В нагретом виде он реагирует с водой из атмосферы и становится хрупким. Про композиты можно тоже забыть. При температуре жидкого кислорода потеряют пластичность. А как увеличить ресурс двигателя? Да никак. Там всё на пределе и ресурс можно поднять, только увеличивая массу. В общем, любое улучшение в интересах многоразовости - это или масса конструкции, или дороговизна исполнения или геморрой с эксплуатацией.
Я не принижаю Фалькон или что там. Это реально шедевр инженерной мысли, но построенный чисто из любви к этой мысли. Экономическая составляющая под очень большим вопросом. Фактически вопрос стоит так - или многоразовость или полезная нагрузка. Маск это тоже осознает и его творение может запускаться в одноразовом варианте, без средств посадки. Сдается, что одноразовый режим будет основным. Не надо послеполетной диагностики, да и клиентам спокойнее. Потому что посылать в космос многомиллионный спутник на двигателях с выработанным на 80% ресурсом не всякий согласится.
Как-то так...
ЗЫ. И таки да, если изобретут многоразовые презервативы - не советую :)