Uberkreatur

В прошлый раз мы выяснили, что нижний предел стоимости запуска на орбиту для ракет составляет ~10$/кг при условии возврата всех ступеней и огромного моторесурса двигателей, которых должно хватать на десятки запусков. Сегодняшний рассказ будет о том, может ли космос быть ещё дешевле.

Важно: здесь я НЕ буду затрагивать космический лифт, петлю Лофстрома и подобные мегаконструкции, требующие недостижимых на сегодняшний день материалов и колоссальных финансовых затрат. Всё нижеперечисленное вполне по силам земной промышленности образца 2020 года, и теоретически могло бы быть реализовано вот прямо сейчас.

Что не так с ракетами? Они огромные. На тонну полезной нагрузки приходится сжигать десятки тонн топлива. Чтобы поднять всё это море топлива - приходится ставить тяжеленные двигатели совершенно избыточной мощности. Всё это громоздко, недёшево, да и с точки зрения экологии сомнительно.

Все помнят легенду о том, как изобретатель шахмат развёл царя на горы пшеницы, попросив в качестве "скромной награды" положить на первую клетку 1 зёрнышко, на другую 2, на третью 4, и так до конца доски, пока царская казна не лопнула? Вот примерно такая же беда творится и в ракетостроении. Например, для ракеты массой 10т и удельным импульсом 320с разгон до 8км/с потребует 118 тонн топлива. Но распределяться оно будет неравномерно. Взглянем на диаграмму:

На первые 2км/с ракета тратит 50% топлива. На первые 4км/с 78%. Первые километры в секунду стоят гораздо дороже последних. Ещё хуже всё становится, если мы попытаемся сделать ракету с запасом скорости в 10км/с. В этом случае спереди нам придётся добавить ещё 115 тонн! А если нам нужно 12км/с, то 332 тонны. Ракета распухает бешеными темпами по страшной экспоненциальной прогрессии. Вот почему так важно "сэкономить" первые километры в секунду, разогнав аппарат не ракетным, а каким-нибудь другим способом. Поскольку ракета отталкивается от собственных запасов топлива - хорошо бы отталкиваться от чего-нибудь ещё.

§1. Отталкиваемся от воздуха.

Очевиднее всего выглядит запускать ракету с самолёта, однако огромная дозвуковая корова вроде Ан-225 добавит в лучшем случае ничтожные 0.25км/с, сэкономив 9% топлива. Неплохо, но этого мало, именно поэтому существующие проекты с воздушным стартом заметной экономии не дают. Чуть лучше показал бы себя высокоскоростной самолёт-носитель вроде экспериментального бомбардировщика XB-70 Valkyrie, который разгонялся почти до 0.9км/с - это даст экономию 25-30% топлива. Уже лучше, но всё равно мало.

Спрашивается, а почему бы сразу не летать в космос на самолёте, который расходует на единицу тяги в 10 раз меньше массы, чем ракета? (Остальное он берёт из атмосферы.) Бытует мнение, что выше 20км самолёты не летают, потому что дальше двигателю воздуха не хватает. Воздуха-то там полно - при условии, что мы будем хватать его достаточно быстро. А вот с "быстро" у реактивных двигателей большие проблемы.

Химические реакции происходят не мгновенно. Молекулам нужно время, чтобы порвать химическую связь, разложиться на радикалы и пересоединиться в новые. Это долгий ступенчатый процесс. Есть понятие "время задержки самовоспламенения", которое в зависимости от внешних условий варьируется от миллисекунд до десятков микросекунд. За это время сгоревшие слои топливно-воздушной смеси должны успеть передать тепло несгоревшим. Только на сверхзвуковых скоростях они этого делать уже не успевают, поэтому внутри каждого реактивного двигателя (даже в сверхзвуковых прямоточных) воздух сначала тормозится до дозвуковой скорости и медленно горит.

Здесь возникает проблема. Если затормозить воздух с 5 махов (~1.7км/с) - он при этом разогревается настолько, что для создания приемлемого температурного перепада нужно греть его до 3500+ градусов, и почти никакие конструкционные материалы этого издевательства не выдерживают. А не тормозить тоже нельзя - устойчивого горения не будет. Это и есть гиперзвуковой барьер, стоящий на пути у аэрокосмических самолётов.

Well. Кто виноват мы знаем. Что делать?

Вариант 1. Криогенный ГПВРД.

Концепция предполагает разместить в воздухозаборнике огромный холодильник. Воздух тормозится, разогревается и сразу же охлаждается об длинные трубки с жидким водородом. Водород при этом испаряется и дальше спокойно горит в камере сгорания в дозвуковом режиме, что позволяет уверенно летать на скоростях до 2км/с, используя в качестве окислителя атмосферный воздух.

Конструкцией увлекались британцы в восьмидесятых (проект HOTOL), который впоследствии переродился в Skylon с жидким гелием в качестве промежуточного теплоносителя. Проекту уже лет 30, но воз и ныне там. Первые стендовые испытания обещают к середине 20х, первый полёт где-то к 2030 году. На мой взгляд вряд ли Skylon удешевит запуски ниже 10$/кг. Хоть он и полностью многоразовый, всё же стоимость лётного часа настолько переусложнённой конструкции не перебьёт экономию половины бака. Однако Skylon может совершить революцию в суборбитальных транспортных перелётах, сократив время трансатлантического перелёта не в два (как это делал Конкорд), а в шесть-семь раз.

Вариант 2. Ядерный ГПВРД.

Здесь всё просто, горения нет. Атмосферный воздух на сверхзвуковой скорости продувается сквозь активную зону атомного реактора, нагревается и вылетает в сопло. Подобный двигатель испытывался американцами в 1964 году (проект "Плутон") и позволял крылатой ракете летать месяцами.

О стоимости запуска подобных систем трудно судить, но если переводить запасённые мегаджоули в типичной ракеты в стоимость киловатт-часа на АЭС, получится что-то около 0.4$/кг. Если бы не одно но: радиационную защиту для таких аппаратов пока не придумали, хотя прецеденты дозвуковых самолётов с ядерными реакторами на борту были (Ту-119, NB-36H).

Что существенно, ядерный ГПВРД не подразумевает химических реакций и может работать в инертной атмосфере других планет. К примеру, такой аппарат мог бы достаточно лёгкой кровью вернуться с Венеры - на что обычную химическую ракету пришлось бы раздувать в десятки раз при той же нагрузке. Кроме того, с пристыкованным водородным баком такая ядерная грелка превращается в обычный ядерный ракетный двигатель с удельным импульсом по меньшей мере 850с (позволяет разогнать аппарат в два раза быстрее за ту же массу рабочего тела по сравнению с химическими ракетами), что очень полезно для межпланетных перелётов.

Вариант 3. Ракетно-прямоточный гибрид.

Смысл в том, что ракетный двигатель это не только двигатель, но ещё и превосходная грелка. Большая часть этого тепла теряется впустую. Разместив небольшое ракетное сопло внутри гиперзвукового воздухозаборника можно использовать это тепло для подогрева воздуха, тем самым удвоив-утроив тягу на тот же расход топливной пары.

Из наиболее близкого к практической реализации известен советский проект МБР "Гном". Создавался он в те годы, когда огромных многоколёсных "сороконожек" ещё не было, а мобильные ракетные комплексы иметь уже хотелось. Причём в данном случае маршевая прямоточная ступень была выполнена вокруг твердотопливного ракетного двигателя. Носитель получился достаточно миниатюрным для МБР такого класса и спокойно влезал на шасси танка Т-10. Проект полностью испытан на земле и закрыт в 1965г в пользу классической МБР Темп-2С (непосредственный предок современного "Тополя-М"), под которую шестиосное шасси МАЗ-547 таки появилось.

Стоит добавить, что у ракетно-прямоточного гибрида есть два интересных дополнительных режима работы. Во-первых, в глубоком вакууме объём внутреннего сопла складывается с объёмом внешнего, давая плавное увеличение степени расширения - как на клиновоздушных двигателях. Во-вторых, если заставить ракетный двигатель работать в пульсирующем режиме - получается прибавка к тяге 120-140% даже на дозвуковых скоростях (эффект открыт Челомеем, работавшим над советскими ПуВРД). В сухом остатке получаем гибрид со средним удельным импульсом в 600-650с, который экономит нам уже 60-75% бака по сравнению с классической ракетой. И да, в инертной атмосфере других планет оно тоже работает. Предполагаемая наименьшая планка стоимости запуска примерно 3$/кг.

Вариант 4. Детонационный цикл.

Вообще-то в чистом виде детонационный двигатель для полётов в космос подходит плохо. И дело даже не в том, что стабилизировать вращающуюся детонацию это целая головоломка. Скорость детонационной волны воздушно-топливных смесей ограничивается ~2км/с (на практике меньше), дальше её сдувает. Однако существует пока что сугубо теоретический класс детонационных двигателей - shcramjet, шок-индуцированный прямоточник. Топливо распыляется вокруг самолёта прямо в воздух, после чего торчащий зуб инициирует в воздухе ударную волну, в которой воздушно-топливная смесь выходит на закритический режим с задержкой самовоспламенения в несколько десятков микросекунд и взрывается позади самолёта, толкая его вперёд. Такой двигатель теоретически неограничен по скорости, и может разгоняться на одном керосине вплоть до первой космической, опуская ценовую планку вплоть до 1$/кг и ниже.

Вариант 5. Атмосферный МГД-насос.

По сути устройство представляет собой рельсотрон, в котором разгоняется токопроводящая жидкость либо газ. На гиперзвуковых скоростях воздух в пограничном слое ионизируется (начинает проводить ток), что позволяет ускорить его магнитным полем - опять же, без ограничений по максимальной скорости. Одна проблема: надо откуда-то брать мегаватты электроэнергии, и современные аккумуляторы по плотности запасаемой энергии намного хуже ракетного топлива. Так что здесь пока жизнеспособна только ядерная энергетическая установка мегаваттного класса - от неё же в вакууме предполагается питать электроракетные двигатели для межпланетных перелётов.

§2. Отталкиваемся от земли.

КПД электродвигателя более 90%, и теоретически это самый простой и дешёвый способ запусков в космос вообще. Скажем, с поверхности Луны электромагнитной катапультой можно запускать тысячи тонн грузов практически забесплатно (причём хоть сразу с третьей космической в любую точку солнечной системы), ведь тратится только электроэнергия, а для солнечных электростанций условия там просто идеальные.

На Земле такой фокус не пройдёт - мешают плотные слои атмосферы, в которых любой двигающийся с первой космической (7.8км/с) объект моментально сгорит. Однако 2.9км/с (рекорд для ракетных саней на авиабазе Холломан) у поверхности пережить можно. Кроме того катапульта решает проблему предразгона - ведь за малым исключением почти все прямоточные двигатели на дозвуковых скоростях неэффективны.

Резюмируя: космос значительно доступнее, чем можно себе представить. Ракеты-носители будут становиться частично и полностью многоразовыми, после чего эпоха ракет закончится и сменится эпохой одноступенчатых аэрокосмических систем с катапультным стартом. Стоимость вывода килограмма на орбиту снизится до 0.5-1$/кг, после чего будет асимптотически приближаться к стоимости киловатт-часа электроэнергии.

Часть нулевая: Зачем и на какие шиши?

Итак, прежде чем вообще начинать какие-то разговоры о полноценной колонизации Солнечной Системы, следует ответить на два вопроса, о которых теоретики рассуждать обычно не любят. Можно до упоения рисовать ядерные звездолёты и терраформированные планеты, но без экономического и целевого аспекта всё это останется пустыми баснями.

§1. На какие шиши?

Космос это дорого. Нас так учили. Космическая стоимость космических полётов складывается из многих факторов. Тут и баланс спроса-предложения, и строжайшая госприёмка компонентов, и огромные затраты на разработку аппарата в единственном экземпляре, и многое другое. Всё это можно было бы сократить за счёт массовости. Но прежде всего всё упирается единственный ключевой параметр: стоимость подъёма килограмма на орбиту. Для большинства из современных ракет-носителей она составляет около 20-30.тыс$/кг. Для дешевейших (Falcon9, Falcon Heavy, Протон) 2000-2500$/кг. Это значит, что в самом теоретически предельном случае рядовому Васе придётся заплатить за подъём собственной тушки на низкую опорную орбиту 200000$ (стоимость хорошей квартиры в Москве). В реальности Васе придётся платить во много раз больше, ведь с тушкой нужно поднимать корабль, скафандр, оплачивать инфраструктурные расходы и.т.п. Реальная цена космического туризма сегодня ~20млн$ за полёт. Будь туристов многие тысячи в год - можно было бы удешевить эту цену в десятки раз, но не ниже стоимости подъёма тушки.

Казалось бы, ниже этого предела стоимость опустить невозможно. Однако давайте для начала взглянем на картинку от United Launch Alliance.

Видно, что по массе первая ступень на 95% состоит из топлива, а по стоимости топливо составляет меньше 1%. Львиную долю цены составляет двигатель, остальное - несущие конструкции и периферийные системы. Если всё это вернуть на землю и использовать несколько раз - стоимость запуска заметно упадёт, ведь топливо по сравнению с ракетой практически ничего не стоит. (Здесь следует оговорку, что этот принцип не работает с твердотопливной ступенью, которая хоть и в целом дешевле жидкостной, но её перезаправка обходится значительно дороже. Ускоритель фактически разбирали и собирали заново. Это одна из причин, по которым Спейс Шаттл так и не совершил экономической революции на рынке космических запусков.) Вернуть первую ступень легко: она отделяется на скорости ~2км/с, не успевая далеко улететь , и спокойненько тормозит об окружающий воздух до приемлемых для посадки скоростей. Дальше садимся или на парашютах (ускоритель Спейс Шаттла), или на остатках топлива (Falcon9), или на крылья (проект возвращаемых боковых ускорителей РН "Энергия"), массы всё это сожрёт примерно одинаково.

А что если возвращать и вторую ступень? Теоретически можно было бы свести затраты на запуск к затратам на топливо, удешевив стоимость килограмма на орбите в десятки раз, до 50-100$. Но вернуть вторую ступень сложнее - её приходится тормозить с первой космической ~7.8 км/с, что означает в 16 раз больше кинетической энергии на единицу массы по сравнению с первой ступенью. Всё это переходит в тепло, требует тепловой защиты и хитрых схем входа с гиперзвуковым планированием - чтобы максимально размазать это тепло по времени. За всю историю вернуть вторую ступень удавалось только Спейс Шаттлу, но Шаттл здесь - очень плохой пример. Во-первых, вторая ступень возвращалась не полностью (спасались только двигатели, водородный бак сгорал вместе 15-25% стоимости запуска). Во-вторых, массовое совершенство он имел препоганейшее, возя на 78т сухой массы всего 24т полезной нагрузки. Учитывая, что и с твердотопливной первой ступенью всё пошло не по плану, революции многоразовости тогда не получилось.

Существует и вторая парадигма удешевления запуска: Big Dumb Booster (буквально: большой глупый носитель). С увеличением размеров объём растёт быстрее площади, а сухая масса ракеты (стенки баков, сопла двигателей) медленнее полной взлётной массы. Поэтому можно или впихнуть намного больше полезной нагрузки, или сделать ракету дешёвым примитивным способом, заменив титан и углеволокно на ржавую сталь, кое-как сваренную пьяными орками. Или и то, и другое одновременно. Это, кстати, прослеживается по тенденции, что стоимость килограмма на орбиту дешевле всего у тяжёлых ракет, дороже всего у лёгких и сверхлёгких. А апофеозом этой концепции стал нереализованный проект SeaDragon - проект стартующей из моря ракеты длиной 150м на 550 тонн полезной нагрузки. При условии повторного использования первой ступени это давало бы нижний порог в 59$ за килограмм на орбите.

Проект Starship от SpaceX интересен тем, что воплощает одновременно обе концепции. Это огромных размеров ракетища, где обе ступени возвращаемые, причём вторая ступень сделана из нержавейки и имеет очень хорошее массовое совершенство (120т сухой массы на 150т полезной нагрузки). Это уже претензия на планку по крайней мере 100$/кг, хотя нижний предел такой схемы (если считать только расходы на топливную пару) находится где-то в районе 10$/кг. Илон Маск прямо заявлял, что собирается достичь этой цифры.

10$ за килограмм это и есть пороговая цифра, при которой широкомасштабная колонизация космоса становится экономически возможной. Потому что для нашего условного Васи подъём тушки на орбиту обойдётся в 1000$ - примерно как стоимость авиабилета в США. А стоимость подъёма на орбиту, скажем, бульдозера становится сопоставимой со стоимостью бульдозера. На этой отметке Луна, Марс, астероиды и орбитальные города-доки становятся абсолютно реалистичным "новым светом" для малого и среднего бизнеса и для простых работяг, что открывает рынки огромных размеров.

А можно ещё дешевле? Можно, причём без всяких там космических лифтов. Но об этом в следующий раз.

§2. Зачем?

Почему бы сначала не освоить морское дно или Антарктиду? Это ведь проще!

Ответ1: неинтересно. "Ничейные" места на Земле страшно зарегулированы. Любое место, куда может доехать полицейская машина или военный корабль, предполагает гнёт государственного рэкета, через который пробиться очень сложно. Попробуйте открыть производство или тем более добычу ресурсов в Антарктиде - и вас съедят на уровне ООН, поскольку ничейность Антарктиды это фактически временно замороженный территориальный спор. Единственное пока относительно свободное место на Земле это нейтральные воды, но и делать там особо нечего.

Ответ2: не проще. Лучше никакой атмосферы, чем недружественная. Лучше никакой поверхности, чем километры льда с внезапно образующимися под тобой стометровыми трещинами. Антарктида это сущий ад, где любые постройки медленно заметает снегом, где до ресурсов не добраться, где солнечные батареи бесполезны, а тепло от построек улетучивается быстрее, чем на Марсе, ведь атмосфера в 170 раз плотнее и тепло проводит хорошо. Ещё хуже ситуация на морском дне, где нужно держать тысячи атмосфер внешнего давления, а прогулки в скафандре невозможны в принципе.

На самом деле для колонизации солнечной системы "вот прямо сейчас" есть две причины. Одна хорошая, вторая плохая. Начну с хорошей.

Вообще-то нам крайне повезло с протопланетным облаком. Погибшие сверхновые оставили нам в наследство кучу тяжёлых элементов, которые при обычном нуклеосинтезе не образуются. У нас тут и уран в товарных количествах, и платина, и лантаноиды всякие. А что делают тяжёлые элементы, попадая в молодую горячую планету с высокой гравитацией? Правильно, опускаются вниз, в ядро. На Земле, для справочки, столько золота, что мы легко могли бы делать из него всю электропроводку и пивные банки, если бы могли пробиться через тысячи километров мантии. Но всё, что мы можем - глодать огрызки метеоритного происхождения, нападавшие сюда во время поздней тяжёлой бомбардировки.

Но в других частях бывшего протопланетного диска, где сильной гравитации не возникло, тяжёлых элементов близко к поверхности должно быть гораздо больше. К примеру, на Луне. Это подтверждается привезённой KREEP-породой, где есть уран, торий и редкоземелька. Причём шахты там рыть в силу низкой гравитации можно десятикратно глубже, чем на Земле. А выше всего концентрация доступных тяжёлых элементов должна быть в главном астероидном поясе.

Тем временем, на Земле заканчивается никакая не нефть. Учитывая метангидраты и открытый на Кольской сверхглубокой прущий из мантии метан - есть предположение, что углеводороды на Земле вообще почти бесконечные (привет Грете Тунберг). На Земле заканчиваются такие вещи, как индий, олово, и платина, без которых встанет огромное количество отраслей. Что хуже - растёт потребность в редкоземельных элементах включая такие вещи, как рутений (1350$/кг), германий (1200$/кг), церий (4000$/кг), иридий (16700$/кг) или родий (373000$/кг). И пресловутый гелий-3 (~15000$/кг), который нужен не для термоядерного синтеза, а для нейтронных детекторов и криогенных технологий - и его уже остро не хватает. И если стоимость вывода грузов на орбиту в ближайшие годы действительно опустится до 10-100$/кг, то геологоразведка и добыча этих драгоценностей в космосе становятся рентабельны.

Вторая причина плохая: а с чего вы взяли, что у нашей цивилизации вообще есть в запасе пара миллиардов лет до распухания Солнца в красный гигант?

Напоминаю, что мы уже пару миллионов лет живём в одну из самых холодных эпох планеты посреди ледникового периода, где средняя температура падает на 6-8 градусов, и вымерзает всё до тридцатой параллели, а по Земле гуляют холод, смерть и белые ходоки. Почему ж мы этого не видим? Потому что вся письменная человеческая история умещается на маленькие с геологической точки зрения перерывы по 20000 лет, которые разделяют 80000 лет ледяного ада, который цивилизация в её нынешнем виде совершенно точно не переживёт. И сколько лет у нас в запасе - никто точно не знает. Может 500, может мы худо-бедно напердим себе парниковых газов из ДВС (ещё раз привет Грете Тунберг) и продлим тёплые времена на 3000 лет. И не свалимся ли мы на большую часть этого времени в новое средневековье, что человечество как минимум два раза уже делало - это тоже хороший вопрос. Выйти из него можно и не успеть.

Не так-то много времени у людей для становления межпланетной цивилизацией. А вот экономический ресурс вполне даже есть.