Ракета
Это первая проблема которая стоит на пути к полету на Марс, особенно если нам надо закинуть на орбиту массу равной массе трех стандартных вагонов для пассажиров в России, а именно 150 тонн
Нынешняя ракета Falcon 9 не способна на такое даже в одноразовом варианте.
Даже Falcon Heavy не способен на такое в одноразовом варианте, а это между прочем, 63.8 тонн на НОО 26.8 градуса наклон
По этой причине SpaceX нужна новая, более мощная ракета, такую ракету они разрабатывают с достаточно далеких(по меркам молодой компании) времен, с 2012 , первая информация по мощной ракете с полезной нагрузкой в 140 тонн, появилась в марте 2012 года, тогда появился проект ракеты Falcon XX
Сравнение Falcon XX с другими ракетами на момент Июля 2013 года
Как мы видим, это просто большой Falcon 9, без серьезных изменений. Да, выглядит достаточно эффективно, берем проверенную схему(ну как проверенную на тот момент) и просто увеличиваем ее. Так делали многие ракетостроители, но особого успеха этого не приносило.
Примерно через полгода, появилась информация о том, что это будет уже совершенно новый ракета-носитель, который будет на другом двигателе. На двигателе Raptor.
Первая информация по двигателю Raptor, примерно ноябрь-декабрь 2013 года.
Это реальные данные, которые появились на сайте reddit, которые опубликовала не много не мало, но Гвенн Шотуэлл.
На первый взгляд интересно, новый двигатель, говорили о создание новой ракеты, а новая ракета это прогресс, но после быстренькой эйфории, пришло техническое разочарование.
Что мне бросилось в глаза:
- Диаметр 10 метров
- 9 двигателей
- Метановое топливо
- Тяга 380 тонн
Это же всего лишь 3800 тонн тяги на уровне моря(у Сатурна 5 была была 3400 тонн), а еще мы вспомним что ступень надо было вернуть в отличие от Сатурна 5, а если вернуть ее даже на платформу(да я бы сказал на гигантскую плавучую базу размером с авианосец) то наша полезная нагрузка будет в лучшем случае до 90-100 тонн
А вот тут и начинаются проблемы. Да, даже 90 тонн на данный момент это больше чем любая ракета может вывести в космос, но этого мало для полета на Марс. Особенно когда мы хотим устроить самую настоящую экспансию на Марс, а не просто провести исследовательскую миссию силами 2-8 человек и вернуться домой.
Интересно, что изначально возврат людей на землю не предполагался и изначально полет был бы более легким, нужно было бы примерно 300 тонн вывести на орбиту для полета около 30 человек и мягкой посадкой.
Для справки
Так что же делать?
На момент 2014 года, новостей было мало, был мифический Мерлин 2, который должен был быть похож на F-1A, вот только импульс повыше а вот тяга под 800 тонн. Но по нему ни каких данных с 2011 года не было.
За то по Раптору информация нарастала, ее было не много, но она была интересной, этот двигатель должен стать самым технологически сложным и надежным.
Так что же стало известно?
- Тяга упала с 380 до 370 тонн
- Стало известно что раптор для вакуума и для атмосферы будет различаться лишь сопловой насадкой. Как с первым мерлином.
- Импульс атмосферного 335\356, вакуумного 365
- Так же отлично дросселируемый до 40% тяги от начальной.
- Двигатель закрытого типа. Мерлин открытого, что технически сложнее
- Двигатель с двойным дожигом газов. Второй в мире после РД-270.
Хм, с такой информацией в голове вырисовывалась ракета как минимум с 12 двигателями для вывода 150 тонн на орбиту. для этого потребуется уже как минимум 3 пуска. Это уже экономически может быть оправдано и не слишком дорого для частника.
Так, хорошо, SpaceX может еще что то расскажите? а то за 2013 год столько информации дали, а тут все, тишина.
После вброса инфы в начале 14 года, по конец 16 года полная тишина, SpaceX успешно начинают возвраты первых ступеней, выкупают у наса, а точнее у подразделение технологию PICO, улучшают ее и ставят на дракон, добиваются много и осуществили уже 6 успешных посадок первой ступеней, включая возврат на Землю Прямо в центр площадки с учетом ветра у поверхности в 8 м\с.
Тут уже общественность начинает забывать про сверхтяжелую ракету Falcon XX, и про двигатель раптор, а про мифический мерлин 2 уже вообще забыли.
И тут гром средь бела дня.
SpaceX успешно испытала масштабную модель двигателя Raptor
25 сентября 2016 года, SpaceX испытала масштабную модель с тягой 100 тонн на метановом топливе с двойным дожигом газов.
Прошло 49 лет с момента испытания первого двигателя с двойным дожигов газов, именно двигатель РД-270 и его модификация РД-271, и тут второй двигатель с такой же системой. Преимущество такой системы не велико, повышается импульс и тяга, но всего на 4%. Но когда вы делаете максимально эффективный двигатель с минимальной массой, то тут каждая тысячная процента массы, тяги и импульса на счету.
Это новость всполошила сообщество, следом, на 67 конференции по космическому развитию в Австралии, буквально через три дня, выступая от имени SpaceX Илон Маск заявил, что весной следующего года они покажут ракету, способная выводить на орбиту 250 тонн и будет работать на этих двигателях.
И тут сообщество разделилось на два лагеря, те кто начали верить и ждать, и те кто не верил и ждал.
Я относился ко второму лагерю.
Почему ко второму?
Начнем с того что спейсы любят амбиции, все мы знаем этот ролик, где возвращаются обе ступени, а что есть сейчас? только в следующем году, в рамках тестирования защити PICO-X запустят Falcon Heavy где на второй ступени будет теплозащита и попытка вернуть ее на парашюте после входа в атмосферу на скорости близкой к 13 км\с
(тадааааам, там всего 4.2 тонн, с защитой + кило 400, она легкая, так что норм, да и тем более спасения ради спасения защиты, а не ступени)
Окей, ладно, ждем весну 17 года.
И что мы видим?
Гигантская ракета, которая не поддается ни какому логическому описанию. Да, в первую секунду она впечатляет, как и любая большая ракета способная вывести более 100 тонн на орбиту, а тут аж 250 тонн.
Знакомьтесь, ITS
Да, анимация топорная, но все наглядно показывает. А пикча дает всю нужную техническую информацию.
ТАК, почему тяга двигателя стала уже 3040кН? почему уже 300 тонн у атмосферного двигателя, хоть 350 тонн у вакуумного. Ладно, я надеюсь что хуже не будет.
Так давайте пробежимся по плюсам перед разносом этого проекта.
- 250 тонн полезная нагрузка, такого еще не было
- Достаточно адекватная стартовая масса с учетом возврата первой ступени и второй.
- Невероятно высокий стартовый ТВР, 2 единицы, Запас по двигателям в случае отказа нескольких штук.
- Возврат первой ступени и дозаправщика.
- Всего два пуска
- Большой потенциал по полезной нагрузке.
Ну а теперь от хорошего перейдем к плохому. А плохого там дохерище.
- 42 двигателя.
- Посадка на стартовую площадку, погрешность не более 30 сантиметров в каждую сторону
- Полет в один конец
- 12 метров диаметр, а это сразу мимо военных контрактов, которые приносят львиную долю дохода SpaceX
- Нужен новый завод
- Новые ангары
- Новая инфраструктура(это конечно для каждой новой ракеты, но там надо заправить почти 6500 тонн топлива)
Давайте более подробно
1. Чем плохо 42 двигателя?
Все помнят историю с Н-1? там было всего 30 достаточно мощных двигателей, а тут 42 двигателя, которые еще мощнее чем НК-33.
Да, у нас сейчас не 70-е и нет такой жесткой спешки как у советов, да и симуляция компьютерная есть, да и двигатель можно сделать надежнее НК-33, и нормальную систему подачи топлива можно сделать, все сделать проверенно. И двойной запас мощности тут тоже на руку, но ни кто, ни кто не отменял человеческий фактор и во время сборки могут допустить ошибку или на 50-60 пуск ступени она спокойно может выйти из строя, если раньше не расхерачит стартовый стол.
2. Посадка на стартовый стол.
Тоже сомнительная история, да, SpaceX на землю научились возвращать прямо в центр площадки, даже при сильном ветре, но тут ступень всего 3.8 метра, а мы сейчас говорим о 12 метрах, высотой в 60-65 метров. Представьте парусность. Вот вот.
3. Полет в один конец
Тут наверное не стоит объяснять, почему это хреновая идея
4. Размер в 12 метров
12 метров, это больше чем требует FAA и ВВС США, тут будет куча проблем с ее сертификацией, лицензией, получение гос заказов и следовательно под вопросом вообще запуск ракеты даже в тестовом режиме.
Так же, 12 метров, это за гранью транспортной инфраструктуры США, максимальный диаметр 10.8 метра, дальше будет много проблем с транспортировкой по земле, которой очень часто используют SpaceX при транспортировки своих ракет.
ПыСы тут не учитывается размер выступающих поверхностей таких как поворотные элементы.
5. Завод.
Нынешний завод не способен производить длинные 12 метровые баки , только небольшие не более 25 метров в высоту, а это влечет за собой меньшую прочность конструкции при сварке баков. А новый завод это откладывания сроков и новые затраты, причем очень большие затраты. Они только только закончили свой нынешний завод и еще доделывают офисы для сотрудников, а тут новый завод больших размеров.
6. Ангары
Ангары та все равно нужны, но тут опять же, еще более большие ангары, это конечно меньшая проблема, но она существует.
7. Инфраструктура.
Да да да, для каждой ракеты нужен свой Стартовый стол и своя топливная инфраструктура, а так же доставка ракеты до стартового стола, подъем, установка, башня обслуживания, в данном случае башня с краном способная поднять до 150 тонн, на 100+ метров. Все это крайне сложно и тяжело. А главное дорого.
Но как по мне, главной проблемой проекта, стало то, что люди бы летели в один конец, и не важно что у них произойдет, они уже не вернутся и у них будет только попытка там выжить и ожидать следующего корабля с поставками, каждые 26 месяцев, хотя можно пролетать мимо Венеры, по сокращенной схеме, и срок можно уменьшить до 15 месяцев с большими топливными потерями. Но не забываем, это не оперативная помощь, даже если время для старта идеальное, минимум будет 90 дней, за это время люди могут помереть. И тут уже не стоит говорить о последующих полетах. ============================================================
Да, амбициям SpaceX не позавидовать, вот только их пыл поумерился буквально через месяц, Гвенн заявила что это предварительный проект, который будет оптимизирован и предложены новые варианты.Сказала ждать новостей от Маска.
Маск заявил в мае что все покажет 29 сентября. На эту дату, многие фанаты отменили все свои важные дела, достали разговорники англо-русские, и слушали что он говорил.
А говорил он много, очень много, рассказал много про их планы на развитие, про их Falcon 9 с новой и практически финальной версии блок 5, про то что они улучшили двигатель мерлин и теперь он имеет маркировку 1D++ и конечно же, рассказал про Марс и про ракету BFR.
Официальное название Big Falcon Rocket, Маск же ее называет, да почему только Маск, все практически Big Fucking Rocket. Подробнее про то как ее хотят применять, распишу позже и добавлю суда ссылочку. А сейчас заденем часть связанную с Марсом.
Big Falcon Rocket
31 раптор? 5400 тонн тяги? ЧТО? где хотя бы те 300 тонн тяги что были в ITS? Тут уже 175 тонн тяги, это в два раза меньше заявленной. Эм, ладно.
По высоте, она как Сатурн 5, на мтр меньше диаметр, и на 20 тонн больше полезной нагрузки, да и стартовая масса в полтора раза больше. Хорошо, разберем ракету дальше.
Масса 1100 тонн, сухая масса 85 тонн, 48 длина и 9 метров диаметр.
Так же есть информация по двигателям, 250 атмосфер в камере сгорания, хм, на 50 атмосфер меньше заявленной, тяга 170 тонн и 190 тонн соответственно.
Так же ступень имеет два док порта, один технический для дозоправки и находится он на окантовки корпуса ступени у двигателей, и один для пассажиров, для стыковки с другими аппаратами, например с МКС
Да, большая хреновина при сравнению с МКС, но о целесообразность такого сомнительная, редко будет летать к МКС если МКС будет еще жить к тому моменту как она полетит.
Кстати, что там по срокам.
2022 год? Миссия на Марс? Вот вы в это верите? Я нет. Да это грузовой корабль, да это не пилотируемый полет. НО ДВА КОРАБЛЯ К 2022 ГОДУ? Я не верю, не возможно это, учитывая что они только хотят приступить к постройке корабля во втором квартале 2018 года, а про ракету пока нет даже приблизительных сроков которые можно перенести пару раз.
Да, они построили грузовой дракон за 25 месяцев, но это маленький корабль, способный перевозить 2.7 тонн в грузовом отсеке и еще до 3 тонн на внешней подвеске и вернуть еще до 900 кило на землю, а тут нам говорят что сделают корабли меньше чем за 4 года и отправят к Марсу, да еще и с гигантской полезной нагрузке, где поместилось бы 12 полностью загруженных и заправленных дракона грузовых. Да еще и место останется, жаль что мощности не хватит больше вывести.
Даже если они все это и сделают, велика вероятность провала миссии.
Так что, ждем переноса сроков. Жду 24-26 года, не раньше. И то, полеты пока в пределах Земли а не такие масштабные полеты
Ладно, забудем пока про рапторы и про сроки и перейдем к более сложной задаче
А более сложная задача уже во второй части, т.к. я не смог все это уместить в ограничение.
ПИЛОТИРУЕМЫЙ ПОЛЕТ НА МАРС
Как мы видим, для полета на Марс нам надо 5 пусков. Первый пуск это пуск основного корабля с людьми, дальше четыре пуска для дозаправки, и выглядит все это вот так
Система проста, в тыльных частях кораблей, есть система труб, которые могут одновременно выступать как принимающим, так и стыкующим.
Не исключено применение турбонасоса от двух двигателей в центре корабля, для перекачки топлива.. Но возможно более простая и эффективная система в космосе, при помощи газа, скорее всего нейтральный, азот, да он тяжелый, но он дешевый и хранить его просто в отличие от более дорого гелия. Тем более что гелий на Марсе добыть тяжелее, а вот азот, бери из атмосферы и заправляйся.
А, тема добычи.
Добыча топлива на поверхности Марса
Это пожалуй самая сложная система из всей системы, намного проще вернуть ступень обратно на стартовый стол, чем добыть как минимум 650 тонн топлива из 1100 тонн возможных, для выхода на орбиту Марса, возвращения домой и внимание, реактивной посадки на Землю, которую запрещают делать на драконе пока что и будет долго еще идти его сертификация, почти все тесты в 18 году будут направленны на это.
Ну так вот. Весь полет на Марс и обратно займет 17 месяцев. Полет туда 5 месяцев, обратно примерно столько же, итого на поверхности 7 месяцев и получается что в месяц они должны добывать почти 120 тонн метана и кислорода и потом его охлаждать до жидкого состояния. Плюс еще нужна энергия. А вот основное количества энергии будет получаться, получаться из ДВС генератора.
2к3* год, юзаем ДВС генераторы для выработки топлива энергии чтобы добывать топливо.
Так же будут использоваться солнечные панели, которые будут разворачивать колонисты.
Но ладно, вернемся к скучным цифрам.
На орбите земли, перед стартом, после всех заправок, у корабля должно быть не менее 900 тонн топлива, для разгона до Марса потратится почти 400 тонн топлива. Возможна корректировка которая потребует ну в худшем случае 30 тонн.
Перед посадкой у нас будет 570 тонн топлива, на посадку, даже полностью реактивная посадка, потребует еще 380 тонн топлива, но с учетом аэродинамики и использования атмосферы, потребление упадет до 250 тонн топлива при самых худших расчетах.
Итого у нас осталось 220 тонн топлива, хм, не плохо, а в лучшем случае(если я все таки ошибся в расчетах) то все 300 тонн. Итого нам осталось добыть уже 350 тонн.
350 тонн топлива уже проще добыть, в месяц уже по 50 тонн надо +5-6 тонн для ДВС
Хорошо, а из чего это все добывать?
Вода и углекислый газ. На первый взгляд это кажется странным, ведь воды там нет. А вот и нет.
Воды на Марсе дохрена, да она не жидкая, но кто говорил что нам не подойдет лед?
А вот льда там много причем очень много практически по всей поверхности Марса
По скромным подсчетам, на поверхности Марса, на глубине не более 1.5 метров залегает почти три миллиона тонн льда, без учета северного полюса, а вот на северном полюсе, оценки прыгают от 6 до 30 миллионов тонн льда, водяного льда.
А так, водород можно еще получить из атмосферы и углекислый газ+водород при расщепление, может выдать в последствии СО и Н2О, а из этого так же можно делать метан и кислород. В теории все очень легко и просто.
Ну а углекислым газом заполнена атмосфера на 96%, так что, с ним все очень легко и просто, поставь пару вертушек для забора углекислого газа и делай кислород для экипажа.
В реальности, NASA уже испытывала и испытывает разные способы по добыче топлива из газов на земле, есть хорошие результаты, а т.к. у SpaceX и NASA достаточно теплые отношения, то они наверняка дадут свои технологии, а взамен попросят место в корабле.
А это очень хорошо для обеих сторон
NASA например, уже хотели испытать установку по добыче кислорода, но у лендера случились проблемы во время посадки и он успешно разбился
Сколько же реально сможет полететь?
100 человек, о которых говорил Маск, конечно же не полетят, максимум 40, а в первых полетах скорее всего не более 20 человек.
Так почему же так?
Вы можете представить сколько 100 человек сможет съесть за 17 месяцев? А сколько литров воды они употребят? А кислорода?
Да, кислород и воду они могу добыть на поверхности, но туда надо долететь .
Разберем потребление 1 человека на примере МКС.
В среднем, 1 человек на МКС съедает 1300-1700 грамм в зависимости от нации, у каждой нации свой рацион, самый богатый у Русских, потому что привозят на своих кораблях фрукты, настоящие фрукты, которые не эффективно возить.
А вот с водой и с кислородом проще, тут все почти одинаково потребляют. Вода 16 литров(тут на питье уходит 2.5 литра, остальное на гигиену и тех нужды), а кислорода почти 1 килограмм в сутки, а если точнее 0.96.
А теперь давайте переведем это в масштабы 100 человек и посчитаем минимум на 5 месяцев.
100 человек в сутки:
- Съест 130 килограмм еды
- Употребят 1600 литров воды
- Потребят 96 килограмм кислорода.
- Итого, 1826 килограмм в сутки. это ад.
а теперь умножим это на 150 дней.
273 тонны 900 килограмм и это на пять месяцев.
Ладно ладно, не забываем про регенерацию воды и кислорода. тут мы серьезно скидываем уже до не таких страшных, но еще пугающих 76 тонны 692 килограмм. Из этих 76,7 тонн, еды 20 тонн, и еще будет минимум 90 тонн еды, т.к. на поверхности люди будут тратить больше калорий, и их надо восполнять. А потом снова 55 тонн необходимых ресурсов, а именно воды и кислорода, плюс экстренный запас на случай утечки, в полтора раза больше чем требуется(таковы пока международные требования)
И тут уже на весь провиант нам надо почти 240 тонн, 240 тонн для 100 человек на 17 месяцев. и это с добычей на поверхности и регенерацией. Мощно, очень мощно. А между прочем, 240 тонн это уже 1/8 массы всего корабля, а ведь нам это еще где то хранить нужно, разместить людей.
Итого уже будет под 1/5 массы корабля, уйдет на людей.
Слишком жирно. Очень жирно.
Боюсь что такой экспансии, мы еще долго не увидим и хорошо если это случиться в 203* году.
=== Подведем итоги ===
- В целом, планы хорошие, но амбициозные.
- В сроки не войдут, это 146%, тут даже ставки на это глупо делать, а если бы букмекерские конторы сделали бы такие ставки, то полет на марс хотя бы одного корабля в 2022 году имел бы самый большой коэффициент за всю историю ставок.
- Раптор сильно порезали. Обидно, но надеюсь это жертва ради надежности и создания двигателя с очень высокой степенью надежности.
- Данный план BFR, выглядит уже куда более реальным, чем ITS, да ITS выглядит лучше и красивый аппарат, но его скорее всего делали рисовали дизайнеры, а не инженеры. BFR уже похож на аппарат, к которому приложили руки инженеры.
- 100 человек вряд ли скоро полетит. Ждем небольшие колонии, по 15-30 человек, которые будут строить базы на Марсе и развивать их в будущем и подготавливать их для крупных миссий, уже по 50, а может и по 100 человек за раз.
- Все же не понятна система спасения, но скорее всего включение всех двигателей на полную тягу сразу.
но вообще, хорошо если эта ракета просто будет летать и не еб*нет при первом же пуске
Это мой первый пост на пикабу, но тематика космоса мне близка и в ней варюсь уже более 8 лет, я не обещаю частоту выпуска постов на какую-либо тематику, я это пишу лишь когда мне это интересно и когда мозг максимально сконцентрирован на эту тему.
Возможны ошибки, но я старался, мой физико-математический мозг пытался выдать текст, как минимум без орфографических ошибок
