Автор оригинала: Casey Handmer
Перевод
Внимание! Очень длинный пост!
От переводчика: Думал сделать перевод "продолжения" поста про SLS - SLS: what now?, но в процессе понял, что Кейси там слишком увлекается политикой, who is who в НАСА и какие у них отношения с президентом и Конгрессом - в общем, всякие специфичные для американских госагентств штуки, не особо интересные хабравчанам. Но там есть одна очень интересная мысль, так что приведу тут: фрагмент про "Старшип".
Например, сегодня (4 марта 2021 года - прим.пер.) SpaceX успешно приземлила прототип "Старшипа" в Техасе. У SpaceX есть талант и ресурсы, позволяющие им шаг за шагом расширять возможности космических полетов; они продолжают транслировать свои весьма четкие намерения, и ведут себя так, как будто действительно намерены добиться успеха.
Я поспрашивал коллег, но так и не смог найти какую-либо комиссию на любом уровне и в любом центре НАСА, которая бы изучала последствия ввода "Старшипа" в эксплуатацию. На данный момент нет 100% уверенности, что у SpaceX все получится, но стоило бы как-то подстраховаться, а то большинство публичных заявлений высшего руководства, официально вынужденного петь осанну "SLS", кажется, существуют в какой-то отдельной вселенной, где даже "Фэлкон-9" еще ни разу не приземлялась.
Должно быть не слишком трудно найти голодного ученого, у которого рекой потечет слюна при одной только мысли об отправке 100-тонной станции, скажем, к Сатурну. Положительные аспекты довольно очевидны. Но что насчет обратной стороны? Что НАСА делать с командами, содержание которых обходится в несколько миллиардов долларов в год, и чья основная специализация - в создании ракет и космических станций, вся архитектурная философия которых находится под угрозой уже при сегодняшней стоимости запусков, не говоря уже о потенциальном улучшении на порядок?
Марсоход "Персеверанс" стоил нам $2.4 млрд - это несколько тысяч зарплат за почти десять лет. Тысячи людей работали над этим ровером, потому что посадка на Марс невероятно сложна, и масса компонентов должна быть выверена с точностью до десятых долей грамма на системе весом в тонну. Все это тщательно собрано вручную из микросхем, печатных плат, титановых трубок, двигателей, камер и других внушительных компонентов, часто специальной приемки. И тут вдруг "Старшип" может привезти 100 таких за один полет, и что теперь? Что НАСА делать с командой, которая может спроектировать один сверхлегкий марсоход за десять лет и миллиард долларов, если спрос подскочил в тысячу раз, а маржинальная стоимость настолько же упала? Построить конвейер? Придумать, как собирать их командой из десяти человек? Строить по одному каждые пару недель?
Короче говоря, в мире, где вялотекущий провал "SLS" оправдывается и/или игнорируется, в то время как "Старшип" на полных парах идет к перевороту в индустрии, НАСА надо бы очень тщательно подумать о своем месте относительно пилотируемых полетов, которые, возможно, будут происходить и без участия агентства.
От переводчика: И вот тут как раз НАСА, построенное по лекалам 60-ых, с горизонтами планирования в несколько десятилетий, оказывается практически в ситуации сингулярности: ландшафт может измениться до неузнаваемости за какие-то 5-10 лет. "Фэлкон-9" впервые успешно приземлилась в 2015, всего 6 лет назад, а сегодня посадки - обыденность (по крайней мере, у SpaceX), и меня больше удивляет, когда ракета (ну надо же!) промахивается мимо болтающейся на волнах баржи. И вот для оценки масштабов этой сингулярности, хотелось бы привести другой пост Кейси, с расчетами лунной миссии при наличии регулярно летающего "Старшипа" с дозаправкой на орбите.
В этом посте мы рассмотрим, как "Старшип" можно использовать для перевозки людей и грузов на Луну и с Луны в разных ситуациях. Он продолжает предыдущие статьи о "Старшипе" и "Артемис" и "Старшипе" как бездефицитном космическом транспорте. Грубо говоря, к концу поста читатель должен получить хорошее представление о доступных переменных и выгодности для различных транспортных сценариев, использующих "Старшип".
Сразу стоит отметить, что "Старшип" находится в особой лиге среди лунных посадочных модулей. В рамках программы HLS спецификация НАСА требовала способности доставить не менее 9 тонн, а в идеале - 12 тонн на поверхность Луны. "Старшип" в своей самой базовой конфигурации может доставить более 200 тонн. Кто-то тут явно выделяется из толпы.
Но настоящая сила "Старшипа" не в огромной грузоподъемности, а в дешевизне эксплуатации. Смысл везти 200 тонн однократно, если мы можем слетать несколько десятков раз - причем, дешевле, чем стоимость других кандидатов?
"Старшип" обладает огромной грузоподъемностью, но заправляя топливо и окислитель в промежуточных точках маршрута, можно сократить затраты топлива на перевозку топлива - это тот же принцип, что лежит в основе многоступенчатости. То есть, за счет возросшей сложности организации процесса переброски топлива в дальний космос можно перевезти больше груза на одну единицу топлива. Стоит ли это делать? Давайте посчитаем.
В моем анализе используются числа, согласующиеся со статьей в Википедии за март 2021 года: баки на 240 тонн метана и 960 тонн кислорода, сухая масса 120 тонн, грузоподъемность 100 тонн на НОО, удельный импульс в вакууме 380 с, тяга 12000 кН, объем грузового отсека 1100 м3. Когда вариации этих цифр дают дополнительную информацию, я буду корректировать эти параметры; Δv вычислим из закона сохранения орбитальной энергии.
Выжимка
В этом посте я анализирую четыре различных профиля миссий:
-Полет фиксированной полезной нагрузки (ПН) (например, герметичного и обитаемого отсека экипажа) с низкой околоземной орбиты (НОО) на поверхность Луны и обратно на НОО.
-Доставка груза на поверхность Луны с возвращением корабля на НОО пустым.
-Полет пустого "Старшипа" на поверхность Луны и возвращение на НОО с как можно большим количеством груза (например, лунного реголита).
-Доставка груза на поверхность Луны без возвращения "Старшипа" ("мусорный" сценарий).
Для этих четырех профилей я анализирую пять постепенно усложняющихся схем заправки топливом/окислителем:
- Заправка танкером на НОО.
- Заправка танкером на НОО и геопереходной орбите (ГПО).
- Заправка танкером на НОО, ГПО и на низкой лунной орбите (НЛО).
- Транспортировка топлива между НОО, ГПО и НЛО с помощью буксира на ионной тяге с электричеством от солнечных панелей - "ионный буксир", ИБ.
- Использование кислорода, добытого на Луне, для заправки кислородного бака (это 80% по весу топливной пары "Старшипа") - "лунный кислород", ЛК.
Для этих 19 (ЛК не имеет смысла для полетов "в один конец") сценариев я рассчитываю массу груза, перевозимую одним грузовым кораблем; количество необходимых вспомогательных запусков и соотношение "масса/запуск" как результирующий показатель качества. Результаты представлены в таблице ниже.
ПН (тонн), число запусков, ПН/запуск
Впрочем, как интегральный показатель качества, "масса/запуск" может оказаться обманчивой для разработчика миссий. Например, даже несмотря на то, что ИБ примерно вдвое увеличивает "массу/запуск" при полете в один конец, эта цифра не учитывает затраты на поддержание этой сложной инфраструктуры и строительство нового корабля. Вообще, похоже, что благодаря героическим работникам Бока-Чика и "Старшипы", и запуски в целом будут минимальной статьей расходов всей миссии.
Да, и нужно еще отметить, что 200 тонн почти любого груза займут больший объем, чем доступен у "Старшипа", разве что если мы туда зальем половину олимпийского бассейна вместе с парой китов.
Заправки на НОО более чем достаточно для запусков в один конец и полетов с экипажем. Для сравнения: "Шаттл" мог доставить 25 тонн на НОО, а полностью заправленный "Старшип" сможет доставить 25 тонн с НОО на поверхность Луны и обратно на НОО, и все это без дозаправки. Если очень необходимо доставить 300 астронавтов за один полет, будет достаточно небольшой дозаправки на подлете к ГПО.
В этом сценарии корабль летит на НОО, где он быстро дозаправляется 12 полностью многоразовыми танкерами - в общей сложности получаем 13 запусков. Затем он летит на Луну, прилуняется, делает там свои дела, затем возвращается на Землю, где приземляется возле стартовой площадки. В то время как альтернативные заявки на Artemis HLS требуют трех ступеней только для того, чтобы добраться от лунной орбитальной станции Lunar Gateway до поверхности Луны и обратно, "Старшип" может банально слетать с НОО на поверхность Луны и обратно на Землю.
Требуемая Δv составляет 2,44 (ГПО) + 0,68 (перелет к Луне) + 0,82 (НЛО) + 1,72 (поверхность Луны) + 1,72 (НЛО) + 0,82 (перелет к Земле) + 0,1 (посадка на Землю) = 8,3 км/с.
В таком сценарии "Старшип" сможет доставить полезную нагрузку в 25 т, это выходит 1,9 т/запуск. Сюда входят средства жизнеобеспечения, скафандры, люди, пища, роверы и т.д. Всякий груз, израсходованный в процессе миссии или брошенный на Луне (например, еду или роверы), на обратном пути можно заменить реголитом. Для сравнения: "Шаттл" мог доставить 25 тонн на НОО; "Старшип" сможет доставить такой груз на Луну и обратно.
Если требуется только доставка в одну сторону, "Старшип" сможет доставить 57,5 т груза, зарезервировав 124 т топлива на обратный рейс - получаем 4,4 т/запуск.
Если груз должен быть доставлен только с Луны (например, много-много реголита), то корабль может вернуть 43,5 тонны груза на Землю и потребует всего 11 рейсов танкеров, поскольку "Старшип" запускается без ПН и сохранит часть топлива при запуске. Выходит 3,35 т/запуск.
Если "Старшип" остается на Луне (например, для перестройки в жилой модуль), он сможет привезти с собой 216 тонн груза, плюс сколько-то экономии на "крылышках" - в итоге, 14,2 тонны за запуск. Это почти в 4 раза больше, чем для многоразового корабля, но нужно учесть стоимость постройки нового корабля.
Допустим, строительство одного "Старшипа" стоит $5 млн, и запуск еще $5 млн (в комментариях у Кейси посчитали, что себестоимость нынешних прототипов в Бока-Чика где-то между 5-15 млн; у реальных кораблей будет побольше всякой машинерии, но с другой стороны - сработает эффект масштаба и конвейерной сборки - прим. пер.), тогда стоимость доставки 216 тонн на Луну составляет $70 млн, включая запуски танкеров, или $324 тыс за тонну. Стоимость доставки "многоразовых" 57,5 тонн - $65 млн только за запуски (без учета стоимости корабля) или $1,13 млн за тонну. Получаем неслабую такую мотивацию "замусорить" поверхность Луны "Старшипами", и эта мотивация сохраняется, даже если повышать стоимость строительства корабля, пока она не превысит $180 млн - но мне эта цифра кажется слишком высокой.
Конечно, конструкция "Старшипа" должна предусматривать возврат людей и реголита на Землю, но похоже, что возврат корабля в любых других сценариях не особо оправдан.
Можем ли мы использовать многоступенчатость для увеличения грузоподъемности на запуск? Наиболее очевидный шаг - пополнение запасов топлива как на НОО, и на ГПО.
Полностью заправленный "Старшип" на ГПО потребует Δv = 0,68 (к Луне) + 0,82 (НЛО) + 1,72 (поверхность Луны) + 1,72 (НЛО) + 0,82 (к Земле) + 0,1 (посадка на Землю) = 5,86 км/с.
Так мы можем перевезти 194 тонны груза туда и обратно; правда, аэродинамическое торможение в плотных слоях атмосферы и посадка на Землю с 194 тоннами груза несколько выходят за рамки планируемых возможностей "Старшипа". В таком случае "Старшип" прилетит к Земле, выйдет на НОО (преимущественно торможением об атмосферу), и будет ждать там разгрузки и заправки для следующего полета. Если отбросить Δv для приземления, можно увеличить общую ПН до 204,7 т. Груз с Луны в этом случае может быть возвращен на Землю танкерами.
Грузовой рейс в одну сторону с возвратом корабля - 539 тонн, полет пустого корабля для доставки лунного груза на Землю - 326 тонн (на НОО), а "Старшип", отправленный на Луну в один конец, может доставить туда аж 753 тонны с ГПО. Благодаря низкой лунной гравитации, у корабля будет достаточно тяги для прилунения даже с такими весьма тяжелыми грузами.
Однако тут вступают в игру другие ограничения. Общий объем грузового отсека "Старшипа" составляет "всего" 1100 м3, и с ПН в 750 тонн мы уже приближаемся к плотности воды. Кстати, поэтому же и добыча лунной воды не то чтобы очень интересна.
Кроме того, надо бы подумать о том, как для начала доставить эти грузы на ГПО. ПН для "простого" сценария в 200 т может быть запущена двумя "Старшипами" на НОО, плюс еще 12 запусков для дозаправки. После перелета на ГПО у него останется 470 тонн топлива из первоначальных 1200 тонн, так что потребуется еще 730 тонн топлива для полной дозаправки. Полностью загруженный танкер прибудет в ГПО с НОО с остатком в 566 т топлива, а если в танкере 814 т топлива на НОО, то на ГПО он прибудет с 365 т, и нам потребуются лишь два таких танкера. Вместе нам потребуется 17 запусков. В общей сложности имеем 31 запуск для транспортировки 200 тонн на Луну и обратно, или 6,5 тонны на запуск (в сравнении с 1,9 тонны с заправкой только на НОО).
Аналогичные расчеты показывают, что ПН 539 тонн с возвратом пустого корабля потребует 6 запусков для груза, 12 запусков танкеров для заправки корабля и 20 запусков танкеров для отправки двух танкеров на ГПО - в общей сложности 38 запусков. Получаем 14,2 т/запуск против 4,4 т/запуск для заправки только на НОО.
Грузовик с 326 тонн реголита прибудет на ГПО с пустым баком, и ему потребуется 634 тонны топлива или 15 танкеров, в итоге 27 запусков. Итог - 12,1 т/запуск против с 3,35 т/запуск с НОО.
Наконец, ПН 753 тонн при полете в один конец. 8 грузовых рейсов, 12 танкеров для доставки "Старшипа" на ГПО, плюс 21 танкерный рейс для доставки туда же двух почти полных танкеров, всего 41 рейс. Выходит 18,4 т/запуск против 14,2 т/запуск при заправке на ГПО с возвратом корабля и 16,5 т/запуск "одноразовом" полете с НОО. Интересно, что в случае утилизации, похоже, что общая выгода от заправки на ГПО невелика, и в принципе это логично, учитывая Δv "Старшипа" и относительно небольшое расстояние от ГПО до поверхности Луны.
До сих пор мы не особо вникали в особенности возврата ПН более 100 т с НОО на Землю, но в реальности "Старшип" не рассчитан на аэродинамическое торможение с нагрузкой более 100 тонн; с другой стороны, не предвидится дефицита танкеров, возвращающихся пустыми на Землю, так что они могли бы спускать груз с НОО.
Идея тут в том, что нет резона везти горючее с НЛО на поверхность Луны только для того, чтобы поднимать его обратно через пару недель, когда придет время возвращаться домой. На этом этапе отдельные расчеты для каждого перелета становятся немного обременительными, поэтому вместо этого я буду использовать "передаточные числа", которые учитывают, сколько топлива необходимо для транспортировки другого топлива.
Например, полностью заправленный топливом танкер на НОО прибудет на ГПО с 565,5 т топлива, получаем коэффициент 0,47. Полный танкер на ГПО привезет на НЛО 762,4 тонны топлива, коэффициент 0,64. С учетом этих двух соотношений, тонна топлива на НЛО "стоит" 3,34 тонны на НОО. Фактически, мы можем разделить Δv между НОО и НЛО с на два последовательных перелета с характеристической скоростью 1,97 км/с, каждый из которых имеет коэффициент 0,55, таким образом уменьшив количество необходимого на НОО топлива всего до 3,329 т: колоссальное улучшение на целых 0,34%!!
При заправке на НЛО самый длинный "скачок" Δv проходит от НЛО до поверхности Луны и обратно, по 1,72 км/с в каждую сторону. Полностью заправленный "Старшип" на НЛО может доставить 670 тонн с НЛО на Луну и обратно на НЛО, 1733 тонны на Луну с возвращением пустого корабля, 1092 тонны с Луны на НОО и 1924 тонны, если бросить корабль на поверхности.
Для 670 т груза требуется 7 пусков, для дозаправки - 12 пусков. 957 т дополнительного топлива на ГПО потребует 21 запуск танкеров на НОО, в то время как на НЛО 660 т дополнительного топлива требует 1400 т на ГПО или 2204 т на НОО, т.е. 22 дополнительных пуска танкеров. После возврата на НЛО нам необходимо еще 195 т топлива, чтобы вернуться к Земле, что потребует 7 запусков танкеров через ГПО. Всего требуется 69 запусков, или 9,7 т/запуск, по сравнению с 6,5 т/запуск с заправкой на ГПО и всего 1,9 тонны без дозаправки.
Для 1733 т груза в одну сторону понадобится 18 пусков грузовиков и 24 пуска танкеров на НОО. Груз при этом доставляется на ГПО частями, при этом один "Старшип" (перевозящий 1177 тонн) прибывает без запаса топлива, передает груз и возвращается на НОО, а другой (перевозящий 556 тонн) прибывает с остатком в 298 тонн топлива. Дальше 19 танкеров его дозаправляют, он летит на НЛО с 188 тоннами топлива. Плюс еще 34 танкера, и он может спустить груз на Луну и вернуться на НЛО, где ему будет нужно всего 29,6 тонны топлива для возврата на НОО (это еще один танкер). Всего 96 полетов и 18,1 т/запуск по сравнению с 14,2 т/запуск (с дозаправкой на ГПО) и 4,4 т/запуск без дозаправки после НОО.
Для доставки 1092 т реголита понадобится 11 запусков танкеров (главный грузовик взлетает без груза и экономит танкер с горючим) на НОО, 15 танкеров на ГПО, 15 танкеров на НЛО, и еще 10 после возвращения на НЛО с грузом, в сумме 51 полет, или 21,4 т/запуск, против 12,1 т с заправкой на ГПО и 3,35 т с НОО.
Наконец, в случае "мусорного" корабля мы везем 1924 тонны груза - это 20 пусков грузовиков и 24 танкера на НОО. Два грузовых корабля достигают ГПО, на одном из них остается 206 тонн топлива и для дозаправки требуется 21 дополнительный танкер. Корабль прибывает на НЛО со 124 тоннами топлива, требуя еще 1076 тонн для полной заправки - это 36 дополнительных танкеров. В общей сложности - 101 запуск и 19,04 тонны за запуск, по сравнению с 18,4 тонны для заправки на ГПО и 16,5 тонны на НОО.
Повторюсь, итоговая цифра тут ненамного отличается, хотя стоит отметить, что с заправкой на ГПО и НЛО "масса/запуск" полностью многоразового корабля, наконец, превышает таковую у "мусорного" корабля с одной дозаправкой на НОО. Стоит ли оно огромного увеличения сложности процесса - оставим на усмотрение читателя.
Этот сценарий в основном идентичен предыдущему, разве что топливо перевозится с НОО на ГПО и НЛО с помощью электрической энергии от солнечных панелей ионным буксиром (ИБ). Этот процесс занимает много времени, но зато потребляет очень мало топлива, поэтому если существует постоянный и предсказуемый спрос на топливо на ГПО и НЛО, то (не учитывая необходимость синхронизации орбит) соответствующие "передаточные числа" для этих промежуточных орбит могут быть улучшены почти до 1. В отличие от предыдущих сценариев, тут есть мотивация заправлять ровно столько топлива, чтобы добраться до следующего "топливного склада", что еще немного снижает необходимое количество топлива.
Для перевозки 670 т груза нам нужно 7 запусков, а для заправки 731 т топлива, чтобы добраться до ГПО - еще 8. На ГПО 392 т дополнительного топлива требует 4 танкеров на НОО, плюс еще 12 танкеров для доставки 1200 т топлива на НЛО. По возвращении на НЛО нам понадобится еще 195 т топлива, чтобы вернуться в сферу гравитации Земли; то есть, еще 2 танкера + ИБ. В общей сложности получаем 33 запуска, или 20,3 т/запуск, против 9,7 т/запуск с заправкой на ГПО и НЛО, 6,5 т/запуск с заправкой только на ГПО и всего 1,9 тонны с заправкой на НОО.
Сценарий с 1733 т груза на Луну - 18 грузовиков и 19 танкеров. Груз прибывает на ГПО по частям, при этом один "Старшип" передает ПН и возвращается на НОО, а другой продолжает полет: 9 танкеров, дозаправка, отправка на НЛО. Там еще 12 танкеров, посадка на Луну, возврат на НЛО, дозаправка еще 29,6 т топлива для возврата на НОО (т.е. еще один танкер). В сумме, 59 полетов или 29,4 т/запуск против 18,1 т/запуск с заправкой на ГПО и НЛО, 14,2 т/запуск с заправкой только на ГПО и 4,4 т/запуск с НОО.
Если мы хотим привезти 1092 тонны реголита - запускаем пустой корабль на ГПО, и нам нужен всего один танкер, чтобы добраться до НЛО. На НЛО - заправляем топливо из 12 танкеров, прилуняемся, загружаем груз и возвращаемся на НЛО. Там нам нужно 299 тонн топлива (3 танкера) для возврата на НОО, итого - 17 рейсов, или 64,2 тонны на запуск, по сравнению с 21,4 тонны с заправкой на ГПО и НЛО, 12,1 тонны с заправкой на ГПО и 3,35 тонны с единственной дозаправкой на НОО.
Наконец, в "мусорном" сценарии доставка 1924 тонны груза потребует 20 запусков грузовиков и 20 запусков танкеров на НОО. Два грузовых "Старшипа" отправляются на ГПО и перегружают ПН, дальше пустой возвращается на Землю. Полному - нужно еще 10 танкеров. Он прибывает на НЛО и заправляется от еще 12 танкеров. Итого: 62 запуска или 31,0 т/запуск против с 19,04 т при заправке на ГПО и НЛО, 18,4 т при заправке только на ГПО и 16,5 т при заправке одноразового корабля на НОО.
Очевидно, если наш груз не портится со временем, мы можем доставить те же 1924 тонны на Луну посредством 20 грузовых запусков, плюс 12 танкеров с последующим длительным транзитом ИБ на НЛО, после чего просто прилуняемся на химических двигателях. Для этого потребуется всего 32 запуска или 60,1 т/запуск, что уже довольно близко к грузоподъемности Старшипа (100 тонн на НОО), а также не требует дозаправки ни на ГПО, ни на НЛО.
В далеком будущем может стать возможным (и даже рентабельным) производство жидкого кислорода прямо на Луне из лунных ресурсов, скорее всего, в процессе обработки лунных пород. Учитывая, что 80% веса топливной пары "Старшипа" составляет кислород, можно попробовать выжать еще большую грузоподъемность.
С заправкой кислородом на лунной поверхности "Старшип" с полными баками на НЛО может доставить 1742 тонны ПН на Луну и обратно, 2263 тонны в одну сторону с НЛО на поверхность или привезти 2299 тонн с поверхности обратно на LLO (тут главным ограничивающим фактором становится емкость метанового бака). ЛК не имеет смысла для сценария "мусорного" полета в один конец, разве что если допустить, что лунный кислород дешевле доставить на НЛО, чем земной - но это очень вряд ли.
Все эти массы находятся в пределах возможностей "Старшипа" по тяге при посадке и/или взлете с Луны, но несколько выходят за пределы объема его грузового отсека в 1100 м3. Трудно представить себе такое количество, но 2299 тонн даже весьма плотного реголита заполнили бы отсек почти на 3/4. С такой массой даже аэродинамическое торможение на НОО может оказаться слишком сложным (подробности тут зависят от баллистики корабля и характеристик теплозащитной плитки). Надо понимать, что, как часто бывает с примерными расчетами, частенько они выходят далеко за пределы разумного!
1742 т ПН "туда и обратно" потребуют 18 грузовых рейсов, 19 дозаправок на НОО, 9 танкеров на ГПО и 12 на НЛО. После возвращения на НЛО "Старшипу" понадобится еще 5 дозаправок, в сумме 63 рейса. То есть, 27,6 т/запуск по сравнению с 20,3 т с ИБ, 9,7 т с дозаправкой на ГПО и НЛО, 6,5 т - только на ГПО и всего 1,9 т с НОО.
Доставка 2263 тонн груза на Луну с возвратом корабля - 23 грузовика на НОО, 24 дозаправщика на НОО, 12 на ГПО, 12 на НЛО и еще 1 на обратном пути, всего 72 запуска. Получаем 31,4 т/запуск против 29,4 т с ИБ, 18,1 т с дозаправкой на ГПО и НЛО, 14,2 т - только на ГПО и 4,4 т без дозаправок после НОО.
Для доставки 2299 т лунных пород на Землю понадобится 1 танкер на ГПО, плюс 4,5 танкера на НЛО (2,5 с метаном + 2 обычной смеси), и еще 6 на обратном пути, в общей сложности 11,5 запусков. Получаем 200 т/запуск в сравнении с 64,2 т с ИБ, 21,4 т с заправкой на ГПО и НЛО, 12,1 т - только на ГПО и 3,35 т - только на НОО.
Забавно, но получается, что ЛК имеет смысл только для сценария доставки большого количества лунного груза на Землю. Если, например, на Луне будет обнаружен какой-нибудь оксид очень редкого металла, при переработке руды автоматически будет производиться достаточно кислорода, чтобы доставить груз на Землю. Если взять стоимость полета в $10 млн, получим транспортные расходы на доставку с Луны в $50 тыс за тонну.
Это примерно в нынешнем диапазоне стоимости неодима, празеодима и прочих редкоземельных металлов, для которых 2299 т очищенной руды "одним куском" радикально изменили бы весь рынок. Для того, чтобы все наше мероприятие было прибыльным, обработка и транспортировка с Луны в сумме должны быть дешевле, чем добыча на Земле - а это вряд ли, так как на Земле и породы богаче, и воздух для дыхания в изобилии.
С другой стороны, 2299 тонн реголита достаточно, чтобы выдать по 150 граммов каждому ученику каждой средней школы в США - это больше, чем кусок, который президент хранит в Овальном кабинете. И всего за 0,016% годового бюджета США на образование - отличное предложение, надо брать!
Дополнительные рассуждения
Хотя веcьма интересно представлять себе флот буксиров с ионными двигателями и солнечными панелями, постоянно курсирующих между огромными топливными складами на НОО, ГПО и НЛО, но цифры говорят сами за себя. Для перевозки грузов на Луну выгоднее всего бросить "Старшип" на Луне или, еще лучше, использовать его как часть лунной базы. Имея 2200 кубометров герметичного объема (грузовой отсек + баки), каждый корабль оказывается примерно в 4 раза больше, чем внутренний объем всей МКС.
Если мы перевозим колонистов и хотим получить ПН сильно выше "стандартных" 25 т, надо либо улучшать соотношение массы корабля к топливу и удельный импульс, либо заправляться на более высокой энергетической орбите между НОО и ГПО. При разумных ограничениях массы ПН (до 200 т) практически нет выгоды от дозаправки на НЛО, использования ИБ в окололунном пространстве или ЛК на поверхности. Хотя ИБ может увеличить общую производительность для не-скоропортящихся грузов, стоит задаться вопросом, какие еще ограничения могут повлиять на целесообразность такого сценария.
Например, в космической индустрии обычно грузы весьма дороги, и стоимость "зависших" в пути грузов вполне может оказаться выше, чем себестоимость дополнительных запусков с Земли. Если стартовые площадки не справляются с нагрузкой - постройте больше площадок. Если не хватает "Старшипов" - постройте еще одну палаточную фабрику на пляже в Бока-Чика. Вот суть Starship, проиллюстрированная расчетами в этом посте: стартовая масса больше не является ограничением.
Как могла бы выглядеть миссия "Artemis 2024" со "Старшипом"?
За один полет на Луну корабль перевозит (туда и обратно) 25 тонн груза, этого более чем достаточно для обеспечения работы экипажа из 10 человек в течение нескольких недель. И еще каждому по лунному роверу на сдачу. Добавим сюда возможность начать обустройство огромной лунной станции внутри одноразового "Старшипа", и внезапно программа "Artemis" оказывается не только вполне доступна по цене, но и дает некоторое захватывающее научно-фантастическое видение того, как должна будет выглядеть и развиваться лунная база.
Никакой там синхронизации со сложной гало-орбитой "Lunar Gateway", никаких привязок запусков к временным окнам, никакого планирования на декады вперед невероятно дорогой инфраструктуры в дальнем космосе. Просто корабль, созданный для решения конкретной задачи, без компромиссов.
Архитектура, позволяющая развернуть большую лунную базу с бюджетом, сопоставимым с новой (или типа того) антарктической станцией NSF. Имея бюджет в $1 млрд в год, НАСА могло бы запускать такую миссию (с небольшими вариациями) каждые 90 дней - огромный шаг вперед в сравнению с нынешним доступом в космос посредством МКС.
От переводчика: да, да, предвижу комментарии вида "Аркадий, какого фига ты тут пишешь, какие к черту 100 пусков танкеров подряд??", но черт возьми, а вдруг? Пусть не завтра, а через 5, 10, даже 15 лет - все одно: в момент появления полностью многоразовой дешевой системы, не требующей сложного обслуживания между запусками, все нынешние космические программы моментально оказываются устаревшими. Какой смысл долго разрабатывать дорогую платформу для спутников или станций на дорогих "космических" компонентах? За те же деньги можно сделать и запустить 100 станций на компонентах потребительского класса с многократным дублированием, и фиг с ним, что вес больше.
Есть еще открытый вопрос со вторым ключевым компонентом - орбитальной дозаправкой. По ней вроде бы даже экспериментов еще не проводилось, и не факт, что ее получится реализовать как планирует Маск - посредством микрогравитации, но в любом случае, это гораздо более простая задача, чем "быстрая многоразовость".
В общем, не устаю повторять: в очень интересное время мы живем.
