Что необходимо, что бы вывести 1 кг полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту? С точки зрения физики?
Любое тело, находящееся на околоземной орбите, имеет скорость, соответствующую данной высоте орбиты. Там где скорость - там и кинетическая энергия. Одновременно тело находится на некоторой высоте над поверхностью Земли, а значит обладает потенциальной энергией.
То есть, в 1 кг полезной нагрузки нужно "вкачать" определенное количество кинетической и потенциальной энергии.
В статье "Лунные ракеты - продолжение 3" мы немного рассматривали данный вопрос.
Возьмем круговую орбиту высотой 500 км.
Орбитальная скорость для данной высоты - 7620 м/с
Кинетическая энергия 1 кг на данной орбите составит 29032000 Дж или 29 МДж.
Потенциальная энергия 1 кг на высоте 500 км составит 4562000 Дж или 4,5 МДж.
Как её, эту энергию, потенциальную и кинетическую, "вкачать" в полезную нагрузку?
Возьмем "обычный космический лифт" и и поедем в космос:
Потенциальную энергию нам даст электродвигатель, который будет поднимать полезную нагрузку. Затратит на это всего лишь 1,5 кВт*ч (примерно - только для груза).
А вот кинетической энергии получим крохи. На поднимающийся груз или грузовую кабину будет действовать сила Кориолиса, отклоняя трос в сторону. Трос, ответной реакцией будет воздействовать на груз, увеличивая скорость от экваториальной 465 м/с до примерно 500 м/с, то есть на 40-50 м/с, так как увеличение радиуса (от центра Земли) составит примерно 10%.
Если мы захотим оставить этот груз на орбите, мы не можем просто выбросить его из кабины космического лифта - он упадет на Землю, несколько отклонившись от начального положения старта.
Кстати, "прыжки в космос", те самые суборбитальные полеты были примерно такими.
Полезная нагрузка получала высоту и к ней привязанную потенциальную энергию около 2 МДж на каждый килограмм - и все. А необходимых 30 МДж для орбитального полета не было.
Что бы остаться на орбите к имеющейся скорости в 500 м/с нужно добрать еще 7100 м/с. Все равно нужна ракета, топливо, характеристическая скорость с учетом гравитационных потерь больше 8 км/с.
Космический лифт интересная штука (теоретически) но для НОО его использование дает минимальные возможные выигрыши.
А вот если "ехать" на геостационарную орбиту - тогда да.
Потенциальную энергию набрать электродвигателем, а кинетическую - отобрать у Земли, немного ее притормозив. Но это немного - совсем немного в сравнении с приливами.
Правда, и с электродвигателем не все "гладко". Полтора киловатт-часа нужно на 1 кг полезной нагрузки. На 500 км. Если воспользоваться аккумуляторами, самыми ёмкими, то удастся подняться на десяток - полтора км.
Если тянуть контактную сеть, то падение напряжения требует тяговых подстанций через несколько десятков км. А высота до геостационара 36 000 км...
Но это все, рассматриваемое про Лифт - в рамках технического юмора. Или просто "стеба". Реальные проблемы лифта другие, более глобальные или скорее фундаментальные. Хотя американцы вроде бы экспериментировали в космосе с тросовыми связками - первые шаги на пути к лифту.
Посмотрим на 1 кг ПН на НОО несколько иначе
Для того, что бы этот килограмм был на орбите, на старте должно быть в 30-40 раз больше - это масса ракеты, отнесенная к массе полезной нагрузки.
В свою очередь отношение сухой массы ступени ракеты к массе заправленной от 1:10 до 1:15.
На каждый килограмм, забрасываемый на НОО (а это может быть и просто вода и высококипящее топливо, сжатые газы в баллонах, и, разумеется, конструкции и приборы) приходится примерно 3 кг конструкции ракеты и примерно 30 кг топлива.
К этим 3 кг+ 30 кг добавляются услуги космодрома, услуги ЦУПа, станций слежения и получается стоимость от 2000$+ до 10000$+ в зависимости от используемой РН и условий и методики расчета. Стоимость 1 кг ПН - отдельно, в стоимость выведения не входит.
Я специально несколько занизил верхнюю границу стоимости, поскольку в сети можно найти самую различную информацию. Вот к примеру:
Сравнительная стоимость запуска полезного груза в космос на разных РН
Таблица от 2016 года, но радикально мало что поменялось.
Собственно, эта стоимость и является одним из факторов, которые сдерживают активное освоение космического пространства, в том числе и пилотируемом варианте.
Но не только.
Есть еще политика, есть интересы групп лиц, корпораций, есть идеология "отупения человеческого стада".
Приведу простой пример. Производство мусора, в основном пластикового.
Это в основном упаковка. Самый маленький предмет, самый маленький кусочек еды помещается в большую пластиковую упаковку. Необходимость её - часто надумана. Пластик, в основной своей массе - не перерабатывается. Используется один раз и далее - свалка.
На производство всего этого пластика, который по большому счету и не нужен, идет огромное количество сырья - газа и нефти, а так же других компонентов, большое количество энергии. Это реальные ресурсы, которые по разному обсчитываются. Затем этот пластик идет на свалку, загаживая землю, воду, воздух, занимая место под солнцем вместо лесов, лугов и полей.
Это считается нормальным - усиленно потреблять не возобновляемые ресурсы, загаживать свой дом - Землю, для того, что бы наши дорогие миллиардеры "зарабатывали непосильным трудом" свои миллиарды.
Кто то скажет - на это деньги есть, а на космос - нет.
Напомню великие стройки СССР, да и развитие космической отрасли времен Королева - на самом деле нужны ресурсы - сырье, материалы, оборудование, энергия, и трудовые ресурсы. Деньги - только эквивалент, но современное развитие общества давно поставило телегу впереди лошади...
Если совсем перестать заниматься космосом? Ведь освободятся ресурсы, станет ли на Земле лучше? Может на эти средства уберут часть человейников, вместо них появятся парк или просто зеленое насаждение?
Увы, нет. На эти средства будет изготовлено большое количество мусора и уничтожена очередная экосистема...
Вернемся от политики к технике и стоимости. К возможности как то ее, стоимость снизить. И даже не стоимость - это во многом маркетинг или даже политика - а себестоимость.
В "Лунные ракеты - продолжение 2" я давал примерно такой расклад по распределению стоимости выведения:
Конструкция ракеты — 60-80%
Стартовые операции — 20-40%
Топливо — 0.1-1%
Из вышеприведенной вилки: от 2000$+ до 10000$+ за 1 кг возьмем среднюю величину - 5000$.
На каждый кг ПН - примерно 3 кг сухой массы ракеты.
5000х0,7/3=1170$/кг стоимость конструкции ракеты, включая двигатели и системы управления. Это стоимость 1,8 кг серебра - для сравнения.
Отсюда вполне логично выглядят действия Илона Маска
Используй многоразовые ракеты - и будет тебе счастье, то есть стоимость запуска снизится. Ведь в стоимости запуска конструкция ракеты дает основную часть стоимости. Все просто и логично и оптимистические рапорты Маска о стоимости выведения это подтверждают. И вот уже Роскосмос вслед за Маском рисует многоразовый Амур
И СССР когда то вслед за насовским Шаттлом делал его подобие - Буран, пытаясь повторить многоразовость.
Кстати, уж если вспомнили Шаттл - то его многоразовая стоимость оказалась уж очень многоразово дороже за 1 кг ПН на НОО - едва ли не на два порядка - в 40 раз по некоторым оценкам - в сравнении с одноразовыми РН.
А как же у Илона Маска так красиво и оптимистично получается?
Мой вариант - как я его понимаю на текущий момент.
В "Лунных ракетах" я касался вопроса ценообразования на различные виды изделий или агрегатов.
Это относится как к самой конструкции РН, так и двигателей, входящих в её состав.
Эта стоимость складывается из стоимости самого изготовления - стоимость материалов, стоимость изготовления деталей, стоимость их контроля, стоимость сборочных работ, стоимость контроля готового изделия, стоимость приемо-сдаточных испытаний. И их стоимости разработки изделия - которая может превышать стоимость изготовления серийного изделия в 1000 или даже большее число раз. И вот эта стоимость разработки в последующем перекладывается на стоимость серии. То есть к стоимости затрат на непосредственное изготовление добавляется какая то часть от стоимости разработки. Чем больше серия - тем меньше эта часть. Но, как правило, эта часть не меньше, чем стоимость непосредственного изготовления, а зачастую - во много раз больше.
Сатурн-5 считается очень дорогой ракетой - из за малой серии - всего лишь 13 запусков
Хотя оценочная стоимость 1 кг ПН на НОО около 2000$ в тех долларах. Разработка (включая двигатели, стенды для их испытаний, оснастка и прочее) имела очень высокую стоимость, и практически все было списано на Лунную программу. Последующая эксплуатация этой системы могла бы дать очень "вкусные" стоимости вывода - это было бы просто стоимость изготовления и запуска. Но что то пошло не так...
Система Спейс-Шаттл интересна в своей эксплуатации тем, что это был единый комплекс. Все затраты на разработку были распределены на 135 запусков, (сравните с 13 запусками Сатурна-5) но это не сделало систему дешевой. А наоборот. И проблема была в том, что послеполетное обслуживание всех систем и двигателей по трудоемкости (и затратам) было не ниже тех же затрат в процессе изготовления. А так как серийность была крайне невысокой - всего лишь 6 аппаратов - то все сменяемые или заменяемые детали и узлы были продуктом единичного производства.
Есть мнение, что малое общее число запусков сделало систему такой дорогой, в пересчете на ПН. Но большего количество запусков не получалось как раз из за большого межполетного интервала на обслуживание и отсутствия серийного производства агрегатов - тех же двигателей.
Но Спейс-Шаттл показал достаточно честную стоимость эксплуатации многоразовой системы и достаточно честную стоимость 1 кг ПН на НОО.
А что же Илон Маск? Как у него получается?
Все дело, скорее всего, в методике расчета. Есть стоимость разработки РН. Есть стоимость изготовления. Есть суммарная стоимость - стоимость изготовления плюс какая то часть от стоимости разработки.
Если эту стоимость разработки одинаково распределять на все запуски - и одноразовые и многоразовые - то скорее всего никакой выгоды многоразовых пусков мы не увидим. Но если эти затраты распределять на произведенные РН то картина меняется радикально. Стоимость разработки добавляется только один раз, а все дальнейшие пуски идут "бесплатно".
Если считать "по честному" как это было сделано в системе Спейс-Шаттл - все пуски многоразовые - то оптимистичных цифр, которые нам дают про многоразовые запуски масковских ракет, мы не увидим.
Так что многоразовость, в сегодняшнем варианте с вертикальным ракетным стартом, удешевить стоимость 1 кг на НОО. не может - по моему субъективному мнению, основанному на вышеперечисленных фактах и рассуждениях.
А что может удешевить? Поговорим об этом в следующих частях...
