U progu kosmicznej rewolucji
W połowie XX wieku ludzkość była zafascynowana kosmosem. Wystrzelenie pierwszego satelity, lot Gagarina, spacer kosmiczny, lądowanie na Księżycu (zrobimy od razu rezerwację, autor uważa zaprzeczanie wizycie Amerykanów na Księżycu za jedną z ciężkich form obskurantyzmu, pokrewnego zaprzeczaniu HIV, szczepieniom i innym bzdurom generowanym przez zwolenników „płaskiej Ziemi ”) – wydawało się, że jeszcze trochę – i polecimy do gwiazd, zwłaszcza że ambitne projekty statków międzyplanetarnych naprawdę istniały. A co do baz na Księżycu, lotów na Marsa - to było coś oczywistego.
Ale zmieniły się priorytety. Technologie ubiegłego stulecia, choć umożliwiały realizację wszystkich powyższych, były niezwykle drogie. Ekspansja w kosmos z wykorzystaniem technologii ubiegłego stulecia wymagałaby reorientacji wszystkich gospodarek wiodących krajów świata w kierunku rozwiązania tego problemu.
Intensywna eksploracja kosmosu wymaga rozwiązania dwóch podstawowych zadań: pierwszym jest zapewnienie możliwości wynoszenia na orbitę masywnych ładunków wielkogabarytowych, drugim jest obniżenie kosztu wyniesienia na orbitę w przeliczeniu na kilogram ładunku (PN).
Jeśli ludzkość stosunkowo dobrze poradziła sobie z pierwszym zadaniem, to z drugim - wszystko okazało się znacznie trudniejsze.
Długa droga w kosmos (i bardzo droga)
Od samego początku rakiety nośne (LV) były jednorazowego użytku. Technologie XX wieku nie pozwoliły na stworzenie rakiety nośnej wielokrotnego użytku. Wydaje się to niewiarygodne, kiedy setki milionów lub miliardy rubli/dolarów spalają się w atmosferze lub rozbijają na powierzchni.
Wyobraź sobie, że statki budowano tylko dla jednego wyjścia do morza, a po nim natychmiast by się paliły. Czy w takim przypadku nadejdzie era wielkich odkryć geograficznych? Czy kontynent północnoamerykański zostałby skolonizowany?
Ledwie. Najprawdopodobniej ludzkość żyła jako odizolowane ośrodki cywilizacji.
Możliwość wystrzelenia dużych i superciężkich ładunków na niską orbitę referencyjną (LEO) została zaimplementowana w amerykańskiej monstrualnej superciężkiej rakiecie Saturn-5. To właśnie ta rakieta, zdolna do przeniesienia 141 ton PN na LEO, pozwoliła Stanom Zjednoczonym stać się ówczesnymi liderami wyścigu kosmicznego, dostarczając amerykańskich astronautów na Księżyc.

Związek Radziecki przegrał wyścig o Księżyc, ponieważ nie był w stanie stworzyć superciężkiej rakiety nośnej porównywalnej z Saturnem V.
A ZSRR nie mógł stworzyć superciężkiej rakiety nośnej z powodu braku potężnych silników rakietowych. Z tego powodu 1 silników NK-30 zostało zainstalowanych jednocześnie na pierwszym etapie radzieckiej superciężkiej pięciostopniowej rakiety nośnej N-33. Ze względu na ówczesny brak możliwości komputerowej diagnostyki i synchronizacji pracy silników, a także brak czasu i środków finansowych nie przeprowadzono naziemnych badań dynamicznych i stanowisk strzeleckich całego pojazdu nośnego lub pierwszego etapu montażu przeprowadzone, wszystkie próbne starty rakiety nośnej N-1 zakończyły się niepowodzeniem na etapie pierwszego etapu.
Próbą radykalnego obniżenia kosztów wystrzelenia PN na orbitę był amerykański program Space Shuttle (Space Shuttle - prom kosmiczny).
W promie kosmicznym wielokrotnego użytku (MTKK) zwrócono dwa z trzech elementów - dopalacze na paliwo stałe na spadochronie rozbryzgały się do oceanu i po sprawdzeniu i uzupełnieniu paliwa mogły być ponownie użyte, a prom kosmiczny wylądował na pasie startowym zgodnie ze schematem samolotu. W atmosferze płonął tylko zbiornik na ciekły wodór i tlen, z którego paliwo wykorzystywały silniki wahadłowców.
Systemu Space Shuttle nie można przypisać superciężkim pojazdom nośnym - maksymalna waga ładunku, który umieścił na niskiej orbicie odniesienia (LEO), wynosiła mniej niż 30 ton, co jest porównywalne z ładunkiem rosyjskiej rakiety nośnej Proton.
Związek Radziecki odpowiedział programem Energia-Buran.
Pomimo zewnętrznego podobieństwa promu kosmicznego i systemu Energia-Buran, miały one kluczowe różnice. Jeśli w promie kosmicznym wystrzelenie na orbitę odbywało się za pomocą dwóch dopalaczy na paliwo stałe wielokrotnego użytku i samego statku kosmicznego, to w sowieckim projekcie Buran był pasywnym obciążeniem rakiety nośnej Energia. Sam pojazd nośny Energia można słusznie sklasyfikować jako „superciężki” - był w stanie umieścić 100 ton na niskiej orbicie odniesienia, tylko 40 ton mniej niż Saturn-5.

Na bazie rakiety nośnej Energia planowano stworzyć rakietę nośną Vulkan z liczbą bloków bocznych zwiększoną do 8 sztuk, zdolną dostarczyć 175-200 ton ładunku na LEO, co umożliwiłoby loty na Księżyc i Marsa .
Jednak najciekawsze opracowanie można nazwać projektem „Energia II” – „Hurricane”, w którym wszystkie elementy miały być wielokrotnego użytku, w tym orbitalny samolot kosmiczny, centralny blok drugiego stopnia i boczne bloki pierwszego stopnia . Rozpad ZSRR nie pozwolił na realizację tego niewątpliwie interesującego projektu.
Przy całej swojej epickiej formie oba programy zostały ograniczone: jeden – z powodu rozpadu ZSRR, a drugi – z powodu dużej wypadkowości „wahadłowców”, które zabiły kilkunastu amerykańskich astronautów. Ponadto program promu kosmicznego nie spełnił oczekiwań w zakresie radykalnego obniżenia kosztów wyniesienia ładunku na orbitę.
Po zakończeniu programu Energia-Buran ludzkość nie miała już superciężkich pojazdów nośnych. Rosja nie stanęła na wysokości zadania, a Stany Zjednoczone znacznie straciły ambicje kosmiczne. Do rozwiązania bieżących palących problemów wystarczały rakiety nośne dostępne dla obu krajów (z wyjątkiem chwilowego braku zdolności Stanów Zjednoczonych do samodzielnego wystrzeliwania astronautów na orbitę).
Amerykańska agencja kosmiczna NASA stopniowo realizowała projekt superciężkiej rakiety nośnej do rozwiązywania ambitnych zadań: takich jak lot na Marsa czy budowa bazy na Księżycu. W ramach programu Constellation opracowano superciężką rakietę nośną Ares-5 (Ares V). Założono, że Ares-5 będzie w stanie wystrzelić 188 ton ładunku na LEO i dostarczyć 71 ton ładunku na Księżyc.

W 2010 roku program Constellation został zamknięty. Rozwój Ares-5 został wykorzystany w nowym programie do stworzenia superciężkiej rakiety nośnej - SLS (Space Launch System - space launch system). Superciężki pojazd nośny SLS w wersji podstawowej powinien przenosić na LEO 95 ton ładunku, aw wersji o zwiększonej ładowności do 130 ton ładunku. Konstrukcja rakiety nośnej SLS wykorzystuje silniki i dopalacze na paliwo stałe stworzone w ramach programu Space Shuttle.

W rzeczywistości będzie to swego rodzaju współczesna reinkarnacja Saturna-5, podobna do niego zarówno pod względem właściwości, jak i ceny. Pomimo tego, że program SLS najprawdopodobniej zostanie jeszcze doprowadzony do końca, nie dokona on rewolucji ani w amerykańskiej, ani w światowej astronautyce.
Jest to oczywiście projekt ślepy zaułek.
Ten sam los czeka rosyjski projekt superciężkiej rakiety nośnej Jenisej/Don, jeśli zostanie zbudowany w oparciu o „tradycyjne” rozwiązania stosowane w technice kosmicznej.
Ogólnie rzecz biorąc, do pewnego momentu sytuacja w Stanach Zjednoczonych i Rosji była stosunkowo podobna: ani w NASA, ani w Roskosmosie, raczej nie widzielibyśmy żadnych przełomowych rozwiązań w zakresie wystrzelenia ładunku na orbitę. A w innych krajach nie widziano nic nowego. Przemysł kosmiczny stał się bardzo konserwatywny.
Wszystko zmieniło prywatne firmy i jest całkiem naturalne, że stało się to w USA, gdzie stworzono najbardziej komfortowe warunki dla biznesu.
prywatna przestrzeń
Oczywiście mowa przede wszystkim o firmie SpaceX Elona Muska. Gdy tylko nie został wezwany - oszust, „odnoszący sukcesy menedżer”, „Maska Ostap Petrikovich” i tak dalej i tak dalej. Autor przeczytał w jednym z zasobów artykuł naukowy o tym, dlaczego rakieta nośna Falcon-9 nie poleci: jej korpus nie jest taki sam, jest za cienki, a silniki nie są takie same, ogólnie rzecz biorąc, jest milion powodów, dla których „nie”. Nawiasem mówiąc, takie oceny wyrażali nie tylko niezależni analitycy, ale także urzędnicy, szefowie rosyjskich struktur państwowych i przedsiębiorstw.
Musk został oskarżony o to, że sam niczego nie opracował (a całą dokumentację projektową musiał wykonać sam, a potem samodzielnie złożyć pojazd nośny?), a SpaceX otrzymało wiele informacji i materiałów na temat innych projektów od NASA (i SpaceX musiał robić wszystko od zera, tak jakby wcześniej w Stanach Zjednoczonych nie istniały programy kosmiczne?).
Tak czy inaczej, rakieta nośna Falcon-9 miała miejsce, leci w kosmos z godną pozazdroszczenia regularnością, spędzone pierwsze etapy lądują z tą samą regularnością, z których jeden poleciał już 10 (!) Razy. Roskosmos stracił większość rynku wynoszenia ładunków na orbitę, a po stworzeniu załogowego statku kosmicznego wielokrotnego użytku SpaceX Crew Dragon (Dragon V2) i rynku dostarczania amerykańskich kosmonautów na orbitę.
Ale SpaceX ma również ciężką rakietę Falcon Heavy, zdolną do przeniesienia ponad 63 ton na LEO. W tej chwili jest to najcięższa i najbardziej udźwignięta rakieta nośna dostępna na świecie. Jego pierwszy stopień i boczne dopalacze są również wielokrotnego użytku.
Firma Blue Origin innego amerykańskiego miliardera Jeffa Bezosa oddycha w tył głowy SpaceX. Oczywiście, podczas gdy jej sukcesy są znacznie skromniejsze, ale wciąż są osiągnięcia. Przede wszystkim jest to stworzenie nowego silnika metanowo-tlenowego BE-4, który zostanie zastosowany w rakiecie New Glenn oraz w rakiecie Vulcan (która ma zastąpić rakietę nośną Atlas-5). Biorąc pod uwagę, że Atlas-5 lata teraz na rosyjskich silnikach RD-180, po pojawieniu się BE-4 Roscosmos straci kolejny rynek zbytu.
W Stanach Zjednoczonych i innych krajach istnieją setki start-upów zajmujących się tworzeniem rakiet nośnych i innych typów statków powietrznych do umieszczania ładunków na orbicie, start-upów tworzących satelity i statki kosmiczne do różnych celów, technologii przemysłowych dla przestrzeni , turystyka orbitalna i tak dalej, i tak dalej.
Do czego to wszystko doprowadzi?
Do tego, że rynek kosmiczny będzie się szybko rozwijał, a konkurencja na rynku wystrzeliwania ładunków na orbitę doprowadzi do znacznego obniżenia kosztów jego wystrzelenia w przeliczeniu na kilogram.
Koszt wyniesienia 1 kg ładunku na LEO za pomocą systemu Space Shuttle lub rakiety Delta-4 to około 20 000 dolarów. Rosyjskie wyrzutnie Proton mogą dostarczyć ładunek do LEO za mniej niż 3 USD za kilogram, ale te rakiety działają na wysoce toksycznej asymetrycznej dimetylohydrazynie i obecnie nie są produkowane. Tanie, opracowane w ZSRR, rosyjsko-ukraińskie „Zenity” również należą już do przeszłości.
Rakieta nośna Falcon-9, gdy jest używana z pierwszym stopniem powrotnym, może wystrzelić ładunek na niską orbitę referencyjną kosztem poniżej 2 USD za kilogram. Według Elona Muska Falcon-000 potencjalnie zmniejsza koszt wystrzelenia ładunku do 9-500 USD za kilogram.
Ktoś mógłby zapytać, dlaczego obecnie wysyłanie ładunków jest dla klientów o wiele droższe?
Po pierwsze, koszt jest determinowany nie tylko kosztem uruchomienia, ale także warunkami rynkowymi - cenami konkurentów. Jaki kapitalista odmówiłby dodatkowego zysku? Lepiej być nieco niższym od konkurentów, stopniowo zdobywając rynek, niż dumpingować, nic nie zarabiając, tym bardziej, że w tak specyficznej krytycznej branży, jaką jest rynek startów kosmicznych, struktury kontrolne i tak będą wspierać kilku dostawców, nawet jeśli cena jednego będzie kilka razy wyższy niż u konkurenta.
Można przypuszczać, że dopiero pojawienie się konkurentów w obliczu Blue Origin z jego pojazdem nośnym New Glenn czy innych firm i krajów, które stworzą środki do wystrzeliwania ładunków o niskim koszcie startowym, zepchnie ceny SpaceX w dół.
Jednak większość start-upów i obiecujących projektów dotyczy wystrzelenia na orbitę ładunku o wadze setek, maksymalnie tysiąca kilogramów. Nie zrewolucjonizuje przestrzeni kosmicznej – zbudowanie czegoś dużego będzie wymagało ciężkich i superciężkich pojazdów nośnych wielokrotnego użytku o niskim koszcie wyniesienia ładunku na orbitę. A tutaj, jak widzieliśmy powyżej, wszystko jest smutne.
Wszystko poza flagowym projektem SpaceX, w pełni nadającym się do ponownego użytku statkiem kosmicznym Starship, który zawiera również w pełni nadający się do wielokrotnego użytku pierwszy stopień Super Heavy.
Wielokrotnego użytku super ciężki
Różnica między Starship (zwanym dalej Starship jako połączenie Starship + Super Heavy) od wszystkich innych pojazdów nośnych polega na tym, że oba etapy są wielokrotnego użytku. Jednocześnie nośność statku kosmicznego na niską orbitę odniesienia powinna wynosić 100 ton, czyli jest to pełnoprawna superciężka rakieta. Dla Starship SpaceX opracował nowe, unikalne silniki metanowo-tlenowe Raptor, o obiegu zamkniętym, z pełnym zgazowaniem komponentów.

SpaceX planuje zastąpić wszystkie swoje pojazdy startowe, w tym odnoszącego sukcesy Falcona-9, wzmacniaczem Starship. Zwykle wystrzelenie superciężkiej rakiety jest niezwykle kosztowne - około miliarda dolarów. Aby obniżyć koszty startu, SpaceX planuje wielokrotnie korzystać z obu etapów – 100 startów i być może więcej. W takim przypadku koszt spadnie o prawie dwa rzędy wielkości - do dziesięciu milionów dolarów na start. Biorąc pod uwagę maksymalne obciążenie 100 ton, koszt wystrzelenia ładunku do LEO uzyskamy na poziomie około 100 (!) dolarów za kilogram.
Oczywiście etapy powrotne będą wymagały konserwacji, wymiany silnika po 50 startach, tankowania, usług naziemnych będą musiały być opłacone, ale sam Starship będzie najprawdopodobniej kosztował mniej niż miliard dolarów, a technologie jego produkcji i obsługi będą stale ulepszane w miarę doświadczenie zdobywa SpaceX.
W rzeczywistości Elon Musk twierdzi, że Starship może potencjalnie osiągnąć koszt wystrzelenia ładunku około 10 USD za 1 kilogram przy całkowitym koszcie wyniesienia 1,5 miliona USD, a koszt dostarczenia ładunku na Księżyc wyniesie około 20-30 USD za 1 kilogram. ale w tym celu konieczne jest zapewnienie cotygodniowego uruchomienia Starship.
Skąd wziąć takie tomy?
Nawet wojsko po prostu nie dysponuje jeszcze tak dużą liczbą ładunków, nie mówiąc już o przestrzeni cywilnej – rozwój rynku zajmie dziesięciolecia.
Kolonizacja Marsa?
Trudno o tym poważnie mówić.
Kolonizacja Księżyca?
Już bliżej Starship może równie dobrze „zatopić” SLS i wysłać Amerykanów na Księżyc po raz drugi. Ale to są dziesiątki startów, a nie setki czy tysiące.
Jednak SpaceX ma biznesplan, który jest o wiele bardziej realistyczny niż wysłanie kolonistów na Marsa jest wykorzystanie statku kosmicznego do międzykontynentalnego transportu pasażerów. Podczas lotu z Nowego Jorku do Tokio przez orbitę ziemską czas lotu wyniesie około 90 minut. Jednocześnie SpaceX planuje zapewnić niezawodność działania na poziomie nowoczesnych dużych samolotów pasażerskich, a koszt lotu - na poziomie kosztu lotu transkontynentalnego w klasie biznes.
W ten sam sposób towary mogą być dostarczane. Na przykład wojsko amerykańskie już zainteresowało się tą możliwością. Na jeden lot planuje się dostarczyć 80 ton ładunku, co jest porównywalne z możliwościami samolotu transportowego C-17 Globemaster III.
Razem wzięte: transport pasażerów i ładunków, dostawa amerykańskich astronautów na Księżyc i być może do bardziej odległych obiektów Układu Słonecznego, wystrzelenie komercyjnego statku kosmicznego, turystyka kosmiczna itd. obniżenie kosztu wystrzelenia ładunku, choć do poziomu 100 dolarów za kilogram.
W takim przypadku Starship otworzy nową erę w eksploracji kosmosu i nie tylko.
Perspektywy i konsekwencje
W tej chwili Starship jest postrzegany z pewną podejrzliwością. Wydaje się, że wszystko jest piękne na papierze, a doświadczenie SpaceX mówi samo za siebie, ale jakoś wszystko jest zbyt różowe?
Czasami pojawia się wrażenie, że potencjalne możliwości tego systemu po prostu nie mieszczą się w głowie kierownictwa sił zbrojnych USA, kierownictwa NASA, właścicieli i menedżerów przedsiębiorstw różnych branż. Zbyt długo umieszczenie nawet niewielkiego ładunku w kosmosie oznaczało wielomilionowe koszty.
Pytanie brzmi, co się stanie, gdy 100 dolarów za kilogram stanie się rzeczywistością?
Kiedy piśmienni ludzie w Departamencie Obrony USA zdadzą sobie sprawę, że wyrzucenie warunkowego czołgu na orbitę jest szybsze i tańsze niż transportowanie go wojskowym samolotem transportowym lotnictwo z kontynentu amerykańskiego do Europy, do jakich wniosków dojdą?
Nie, Abramsa na Księżycu nie zobaczymy, ale czołg nie jest celem, to tylko sposób na dostarczenie pocisku wrogowi. Co by było, gdyby łatwiej było dostarczyć ten pocisk bezpośrednio z orbity? Jak szybko Stany Zjednoczone wycofają się z traktatu o pokojowej przestrzeni kosmicznej, jeśli uzyskają w nim (w kosmosie) przewagę strategiczną? Jak szybko wojsko USA rozpocznie migrację na orbitę?
Co więcej, nawet istniejące możliwości przenoszenia ładunku na orbitę Falcon-9 i Falcon Heavy, w połączeniu z technologiami satelitarnymi do masowej budowy, wystarczą, aby utrzymać LEO wypełniony satelitami wywiadowczymi, dowodzenia i komunikacyjnymi, co doprowadzi do tego, że Stany Zjednoczone będą monitorować powierzchnię planeta 24/365. Zapomnij o dużych siłach powierzchniowych, grupach wojskowych, ruchomych naziemnych systemach rakietowych - wszystko to będzie tylko celem broń dalekiego zasięgu z korekcją toru lotu.
Sukces Starship pozwoli na dodanie do tego zestawu kosmicznego rzutu uderzeniowego, gdy cel zostanie trafiony z kosmosu w ciągu kilkudziesięciu minut od otrzymania żądania. Żaden przywódca polityczny na świecie nie może czuć się pewnie, wiedząc, że w każdej chwili z kosmosu może spaść nieuchronny deszcz wolframu.
Za cenę 100 dolarów za kilogram w kosmos wzbiją się wszyscy - firmy farmaceutyczne, hutnicze, górnicze. Później porozmawiamy więcej o ekonomii kosmosu. Dzięki możliwości taniego wystrzeliwania i schodzenia z orbity ładunków, kosmos stanie się nowym Klondike. Co możemy powiedzieć o 10 dolarach za kilogram ...
Jest prawdopodobne, że właśnie teraz, na naszych oczach, ma miejsce historyczne wydarzenie, które może stać się punktem zwrotnym w rozwoju ludzkości.
Czy ten proces może się zatrzymać?
Może historia jest nieprzewidywalna. Ludzka chciwość, głupota czy po prostu przypadek – łańcuch niepowodzeń, który może pogrzebać każde, najbardziej udane przedsięwzięcie. Wystarczy kilka poważnych wypadków statków kosmicznych, w których zginą setki ludzi, a proces eksploracji kosmosu może ponownie znacznie zwolnić, jak to już miało miejsce w XX wieku.
W przypadku uzyskania jednostronnej przewagi w kosmosie Stany Zjednoczone zaczną prowadzić znacznie bardziej agresywną politykę niż obecnie. W przypadku braku możliwości zapewnienia parytetu w kosmosie możemy równie dobrze zsunąć się do poziomu Korei Północnej, siedząc na „nuklearnej walizce” i grożąc, że jeśli coś się wydarzy (co najwyraźniej nawet imponuje niektórym z dziwnych powodów).
W tym zakresie należy zwrócić większą uwagę na przemysł kosmiczny, którego stan na chwilę obecną nie napawa optymizmem.
Weźmy na przykład projekt superciężkiej rakiety nośnej Jenisej / Don - wystarczy spojrzeć na wszystkie wzajemnie wykluczające się wypowiedzi różnych liderów i działów na temat tego projektu, a stanie się jasne, że nikt w zasadzie nie wie, dlaczego jest tworzony ani tym, czym ostatecznie powinno się stać. Jeśli to kolejna Angara, projekt można teraz zamknąć - nie ma sensu wydawać na to pieniędzy ludzi.
Jednocześnie Chiny nie siedzą bezczynnie.
Oprócz rozwoju tradycyjnych pojazdów nośnych aktywnie studiują i przyjmują amerykańskie doświadczenia, nie zawstydzając się bezpośrednim kopiowaniem. W sprawach bezpieczeństwa narodowego wszystkie środki są dobre.
W Narodowym Dniu Przestrzeni Kosmicznej Chiński Instytut Badań Rakietowych przedstawił projekt suborbitalnego systemu rakietowego, który zabrałby pasażerów z jednego punktu na planecie do drugiego w mniej niż godzinę.
Można powiedzieć, że na razie to tylko rysunki, ale Chiny wielokrotnie udowodniły, że potrafią dogonić liderów w różnych gałęziach nauki i przemysłu.
Najwyższy czas, by Rosja odłożyła na bok zamęt i wahania w przemyśle kosmicznym, jasno sformułowała cele i wszelkimi sposobami zapewniła ich realizację.
Jeśli Chiny i Rosja będą w stanie konkurować ze Stanami Zjednoczonymi w kosmosie na nowym poziomie technologicznym, to niskie orbity będą dopiero początkiem, a ludzkość naprawdę wejdzie w nową erę, która do tej pory istniała tylko na kartach powieści science fiction.
Zapisz się i bądź na bieżąco z najświeższymi wiadomościami i najważniejszymi wydarzeniami dnia.
informacja