W połowie XX wieku ludzkość była zafascynowana kosmosem. Wystrzelenie pierwszego satelity, lot Gagarina, spacer kosmiczny, lądowanie na Księżycu – wydawało się, że trochę więcej – i polecimy do gwiazd, zwłaszcza że istniały ambitne projekty międzyplanetarnych statków kosmicznych. A jako bazy na Księżycu, loty na Marsa - to było coś, co było oczywiste.
Ale priorytety się zmieniły. Technologie ubiegłego wieku, choć umożliwiały realizację wszystkich powyższych, były niezwykle drogie. Ekspansja w kosmos oparta na technologiach ubiegłego stulecia wymagałaby przeorientowania wszystkich gospodarek wiodących krajów świata w celu rozwiązania tego problemu.
Intensywna eksploracja kosmosu wymaga rozwiązania dwóch podstawowych zadań: pierwszym jest zapewnienie możliwości wystrzelenia na orbitę masywnego, nieporęcznego ładunku, a drugim obniżenie kosztów wystrzelenia na orbitę w przeliczeniu na jeden kilogram ładunku (PN).
Jeśli ludzkość poradziła sobie z pierwszym zadaniem stosunkowo dobrze, to z drugim - wszystko okazało się znacznie bardziej skomplikowane.
Długa podróż w kosmos (i bardzo droga)
Pojazdy nośne (LV) od samego początku były jednorazowe. Technologia XX wieku nie pozwoliła na stworzenie pojazdu startowego wielokrotnego użytku. Wydaje się niewiarygodne, gdy setki milionów lub miliardów rubli/dolarów płonie w atmosferze lub rozbija się na powierzchni.
Wyobraźmy sobie, że statki byłyby budowane tylko na jedno wyjście na morze, a potem natychmiast zostałyby spalone. Czy w takim razie nadejdzie era wielkich odkryć geograficznych? Czy kontynent północnoamerykański zostanie skolonizowany?
Mało prawdopodobny. Najprawdopodobniej ludzkość żyłaby jako izolowane centra cywilizacji.
Możliwość wystrzeliwania dużych i superciężkich ładunków na niską orbitę referencyjną (LEO) została zaimplementowana w amerykańskim monstrualnym superciężkim samochodzie nośnym Saturn-5. To właśnie ta rakieta, zdolna przetransportować 141 ton PN do LEO, pozwoliła Stanom Zjednoczonym stać się wówczas 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 Saturn-5.
A ZSRR nie mógł stworzyć superciężkiego pojazdu nośnego z powodu braku potężnych silników rakietowych. Z tego powodu na pierwszym etapie radzieckiego super-ciężkiego pięciostopniowego LV N-1 zainstalowano 30 silników NK-33. Biorąc pod uwagę brak możliwości komputerowej diagnostyki i synchronizacji pracy silnika w tym czasie, a także fakt, że ze względu na brak czasu i środków przeprowadzono naziemne testy dynamiczne i stanowisko ogniowe całego nn lub pierwszego etapu montażu. nie przeprowadzono, wszystkie próbne starty LV N-1 zakończyły się niepowodzeniem na etapie I etapu.
Próbą radykalnego obniżenia kosztów wystrzelenia statku kosmicznego na orbitę był amerykański program promu kosmicznego.
W transportowym statku kosmicznym wielokrotnego użytku (MTKK) wahadłowca kosmicznego (MTKK) zwrócono dwa z trzech komponentów - dopalacze na paliwo stałe przez spadochron spuściły się do oceanu i po sprawdzeniu i uzupełnieniu paliwa mogły być ponownie użyte, a samolot kosmiczny - wahadłowiec, wylądował na pasie startowym zgodnie ze schematem samolotu. W atmosferze palił się tylko zbiornik na ciekły wodór i tlen, z którego paliwo korzystały silniki wahadłowca.
Systemu wahadłowca kosmicznego nie można zaklasyfikować jako superciężkiego rakiety nośnej – maksymalna masa ładunku umieszczonego na niskiej orbicie referencyjnej (LEO) wynosiła mniej niż 30 ton, co jest porównywalne z osiągami ładunku rosyjskiego rakiety nośnej Proton.
Związek Radziecki odpowiedział programem Energy-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 ładunkiem pojazdu startowego Energia. Sam pojazd nośny Energia słusznie można przypisać „superciężkiemu” – był w stanie wynieść 100 ton na niską orbitę referencyjną, tylko o 40 ton mniej niż Saturn-5.
Na bazie wyrzutni Energia zaplanowano stworzenie wyrzutni Vulcan o zwiększonej liczbie bloków bocznych do 8 sztuk, zdolnej dostarczyć LEO 175-200 ton ładowności, co umożliwiłoby wykonywanie lotów na Księżyc i Marsa.
Jednak najciekawsze opracowanie można nazwać projektem „Energia II” – „Hurricane”, w którym wszystkie elementy miały być wielokrotnego użytku, w tym kosmolot orbitalny, blok centralny drugiego etapu i bloki boczne pierwszego etapu. Upadek ZSRR nie pozwolił bez wątpienia na realizację tego ciekawego projektu.
Mimo całego epickiego charakteru oba programy zostały skrócone: jeden – z powodu upadku ZSRR, a drugi – z powodu dużej liczby wypadków „wahadłowców”, w których zginęło 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 ma już superciężkich pojazdów nośnych. Rosja nie miała na to czasu, a Stany Zjednoczone znacznie straciły swoje ambicje kosmiczne. Do rozwiązania bieżących pilnych zadań wystarczyły rakiety nośne dostępne dla obu krajów (z wyjątkiem tymczasowego braku zdolności Stanów Zjednoczonych do samodzielnego wystrzelenia astronautów na orbitę).
Amerykańska agencja lotnicza 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 superciężki pojazd nośny Ares V. Zakładano, że „Ares-5” będzie w stanie dostarczyć LEO 188 ton ładunku, a na Księżyc dostarczyć 71 ton PN.
W 2010 roku program Constellation został zamknięty. Zmiany w "Ares-5" zostały wykorzystane w nowym programie do tworzenia super-ciężkiego LV - SLS (Space Launch System). Superciężka rakieta nośna SLS w wersji podstawowej powinna być w stanie dostarczyć LEO 95 ton ładowności, a w wersji ze zwiększoną ładownością do 130 ton. Projekt SLS LV wykorzystuje silniki i dopalacze na paliwo stałe stworzone w ramach programu Space Shuttle.
W rzeczywistości będzie to rodzaj nowoczesnej reinkarnacji „Saturna-5”, podobnej do niej zarówno pod względem cech, jak i kosztów. Pomimo tego, że program SLS najprawdopodobniej nadal będzie realizowany, nie zrewolucjonizuje ani amerykańskiej, ani światowej astronautyki.
To celowo ślepy zaułek.
Ten sam los czeka rosyjski projekt superciężkiego pojazdu nośnego Jenisej/Don, jeśli zostanie zbudowany w oparciu o „tradycyjne” rozwiązania stosowane w technologii kosmicznej.
Ogólnie rzecz biorąc, do pewnego momentu sytuacja w Stanach Zjednoczonych i Rosji była stosunkowo podobna: ani z NASA, ani z Roskosmosu raczej nie widzielibyśmy przełomowych rozwiązań w zakresie umieszczania ładunku na orbicie. W innych krajach również nie było nic nowego. Przemysł kosmiczny stał się bardzo konserwatywny.
Prywatne firmy zmieniły wszystko i jest całkiem naturalne, że stało się to w Stanach Zjednoczonych, gdzie stworzono najbardziej komfortowe warunki do prowadzenia biznesu.
Prywatna przestrzeń
Oczywiście przede wszystkim mówimy o firmie SpaceX Elon Musk. Jak tylko nie został wezwany - oszust, „odnoszący sukcesy menedżer”, „Maska Ostap Petrikovich” i tak dalej i tak dalej. Autor przeczytał na jednym z zasobów pseudonaukowy artykuł o tym, dlaczego rakieta nośna Falcon-9 nie będzie latać: jej nadwozie nie jest takie samo, zbyt cienkie, a silniki nie są takie same, ogólnie jest milion powodów, dla których „nie”. Nawiasem mówiąc, takie oceny wyrażali nie tylko niezależni analitycy, ale także urzędnicy, szefowie rosyjskich struktur państwowych i przedsiębiorstw.
Muskowi zarzucano, że sam niczego nie rozwijał (a musiał sam sporządzić całą dokumentację projektową, a potem samodzielnie zmontować rakietę nośną?), oraz że SpaceX otrzymało wiele informacji i materiałów na temat innych projektów z NASA (a SpaceX musiał robić wszystko od zera, jakby programy kosmiczne nie istniały wcześniej w Stanach Zjednoczonych?).
Tak czy inaczej, ale wyrzutnia Falcon-9 miała miejsce, leci w kosmos z godną pozazdroszczenia regularnością, z taką samą regularnością lądują opracowane pierwsze etapy, z których jeden przeleciał już 10 (!) razy. Roskosmos stracił większość rynku na wynoszenie ładunków na orbitę, a po stworzeniu SpaceX wielorazowego załogowego statku kosmicznego Crew Dragon (Dragon V2) oraz rynku dostarczania amerykańskich astronautów na orbitę.
Ale SpaceX ma również rakietę Falcon Heavy, która może dostarczyć LEO ponad 63 tony. Jest to obecnie najcięższa i najbardziej ładowna rakieta nośna na świecie. Jego pierwszy stopień i boczne dopalacze są również wielokrotnego użytku.
Inny amerykański miliarder, Jeff Bezos, oddycha tyłem głowy SpaceX. Oczywiście, choć jej sukcesy są znacznie skromniejsze, ale wciąż są osiągnięcia. Przede wszystkim jest to stworzenie nowego silnika metanowo-tlenowego BE-4, który będzie wykorzystywany w rakietach New Glenn i Vulcan (mającym zastąpić rakietę Atlas-5). Biorąc pod uwagę, że Atlas-5 lata teraz na rosyjskich silnikach RD-180, po pojawieniu się BE-4 Roskosmos straci kolejny rynek zbytu.
W Stanach Zjednoczonych i w innych krajach istnieją setki start-upów tworzących pojazdy nośne i inne typy samolotów do wynoszenia ładunków na orbitę, start-upy tworzące satelity i statki kosmiczne do różnych celów, technologie przemysłowe dla kosmosu, turystyka orbitalna, i tak dalej i tak dalej.
Dokąd to wszystko doprowadzi?
Do tego, że rynek kosmiczny będzie się dynamicznie rozwijał, a konkurencja na rynku umieszczenia ładunku na orbicie doprowadzi do znacznego obniżenia kosztów jego usunięcia z kalkulacji za kilogram.
Koszt wystrzelenia 1 kg ładunku do LEO przez system Space Shuttle lub przez rakietę Delta-4 to około 20 000 dolarów. Rosyjskie rakiety nośne Proton są w stanie dostarczyć ładunek do LEO za mniej niż 3000 dolarów za kilogram, ale te pociski działają na wysoce toksyczną asymetryczną dimetylohydrazynę i obecnie nie są produkowane. Tani, opracowany w ZSRR rosyjsko-ukraiński Zenit to już przeszłość.
Pojazd startowy Falcon-9, pod warunkiem wykorzystania pierwszego stopnia powrotnego, może wystrzelić ładunek na niską orbitę referencyjną za mniej niż 2000 USD za kilogram. Według Elona Muska, Falcon-9 może potencjalnie obniżyć koszt wystrzelenia ładunku do 500-1100 USD za kilogram.
Ktoś mógłby zapytać, dlaczego teraz dla klientów zabieranie ładunków jest o wiele droższe?
Po pierwsze, o kosztach decyduje nie tylko koszt uruchomienia, ale także warunki rynkowe - ceny konkurentów. Jaki kapitalista zrezygnowałby z dodatkowego zysku? Opłaca się być nieco niższym od konkurentów, stopniowo zdobywając rynek, zamiast dumpingu bez zarabiania, zwłaszcza że w tak specyficznej krytycznej branży, jaką jest rynek lotów kosmicznych, struktury kontrolne i tak będą wspierać kilku dostawców, nawet jeśli jeden ma ceny kilkakrotnie wyższe niż u konkurenta.
Można założyć, że obniżka ceny SpaceX zostanie wywołana jedynie pojawieniem się konkurentów w obliczu Blue Origin z jego pojazdem startowym New Glenn lub innymi firmami i krajami, które stworzą środki do wystrzeliwania ładunków przy niskich kosztach startu.
Jednak większość start-upów i obiecujących projektów wiąże się z wyniesieniem na orbitę ładunku ważącego setki, najwyżej tysiąc kilogramów. Nie zrewolucjonizuje to przestrzeni kosmicznej – zbudowanie czegoś dużego będzie wymagało ciężkich i superciężkich pojazdów nośnych wielokrotnego użytku, które przy niskich kosztach wystrzelenia ładunku na orbitę. A tutaj, jak już widzieliśmy powyżej, wszystko jest smutne.
Wszystko oprócz najważniejszego projektu SpaceX, w pełni wielokrotnego użytku statku kosmicznego Starship z w pełni wielokrotnego użytku Super Heavy pierwszym stopniem
Super ciężki wielokrotnego użytku
Różnica między Starship (zwanym dalej Starship jako połączenie Starship + Super Heavy) od wszystkich innych pojazdów nośnych polega na tym, że oba etapy można ponownie wykorzystać. Jednocześnie ładunek statku kosmicznego na niską orbitę odniesienia powinien wynosić 100 ton, czyli jest to pełnoprawna super ciężka rakieta. Dla statku kosmicznego SpaceX opracował nowe, unikalne, zamknięte silniki Raptor na metan-tlen z pełnym zgazowaniem komponentów.
SpaceX planuje zastąpić wszystkie swoje pojazdy nośne statkiem kosmicznym, w tym bardzo udanym Falconem 9. Zwykle wystrzelenie superciężkiej rakiety jest niezwykle kosztowne – rzędu miliarda dolarów. Aby utrzymać niski koszt startu, SpaceX planuje używać obu etapów wielokrotnie – po 100 startów, a być może więcej. W tym przypadku koszt spadnie o prawie dwa rzędy wielkości - do dziesięciu milionów dolarów za start. Biorąc pod uwagę maksymalne obciążenie 100 ton, otrzymamy koszt sprowadzenia ładowności do LEO na poziomie około 100 (!) dolarów za kilogram.
Oczywiście zwrócone etapy będą wymagały konserwacji, wymiany silnika po 50 uruchomieniach, uzupełnienia paliwa, usług naziemnych, ale sam Starship najprawdopodobniej będzie kosztował mniej niż miliard dolarów, a jego technologie produkcji i konserwacji będą stale ulepszane. doświadczenie zdobywa firma SpaceX.
W rzeczywistości Elon Musk twierdzi, że Starship może potencjalnie osiągnąć koszt uruchomienia ładunku wynoszący około 10 USD za kilogram przy całkowitym koszcie uruchomienia wynoszącym 1,5 miliona USD, a koszt dostarczenia ładunku na Księżyc wyniesie około 20-30 USD za kilogram. ale to wymaga, aby statek kosmiczny był uruchamiany co tydzień.
Skąd wziąć takie tomy?
Nawet wojsko po prostu nie ma takiej ładowności, że jest już przestrzeń cywilna – rozwój rynku potrwa dekady.
Kolonizacja Marsa?
Trudno o tym mówić poważnie.
Kolonizacja Księżyca?
Bliżej, Starship może zatopić SLS i po raz drugi wysłać Amerykanów na Księżyc. Ale to są dziesiątki premier, a nie setki czy tysiące.
Jednak SpaceX ma biznesplan o wiele bardziej realny niż wysyłanie kolonistów na Marsa – używając statku kosmicznego do transportu pasażerów międzykontynentalnych. Podczas lotu z Nowego Jorku do Tokio przez orbitę ziemską czas lotu wyniesie około 90 minut. Jednocześnie SpaceX planuje zapewnić niezawodność operacyjną na poziomie nowoczesnych dużych samolotów pasażerskich, a koszt lotu – na poziomie kosztu lotu transkontynentalnego w klasie biznes.
Ładunki mogą być dostarczane w ten sam sposób. Na przykład wojsko USA już zainteresowało się tą szansą. W jednym locie planuje się dostarczyć 80 ton ładunku, co jest porównywalne z możliwościami samolotu transportowego C-17 Globemaster III.
W sumie: transport pasażerów i ładunku, dostawa amerykańskich astronautów na Księżyc i prawdopodobnie do bardziej odległych obiektów Układu Słonecznego, wycofanie komercyjnych statków kosmicznych, turystyka kosmiczna itd. itd. - SpaceX może równie dobrze zapewnić obniżenie kosztów wycofywania ładunku, choć byłoby to do poziomu 100 dolarów za kilogram.
W tym przypadku Starship zapoczątkuje nową erę w eksploracji kosmosu i nie tylko.
Perspektywy i implikacje
W tej chwili statek kosmiczny jest postrzegany z pewną podejrzliwością. Wydaje się, że na papierze wszystko jest piękne, a doświadczenie SpaceX mówi samo za siebie, ale jakoś wszystko jest zbyt różowe?
Czasami pojawia się poczucie, że potencjał tego systemu po prostu nie pasuje do umysłów kierownictwa sił zbrojnych USA, kierownictwa NASA, właścicieli i menedżerów przedsiębiorstw z różnych branż. Zbyt długo wystrzelenie nawet małego ładunku w kosmos oznaczało wielomilionowe koszty.
Pytanie brzmi, co się stanie, gdy 100 USD za kilogram stanie się rzeczywistością?
Kiedy wykształceni ludzie w Departamencie Obrony USA zrozumieją, że wyrzucenie konwencjonalnego czołgu na orbitę jest szybsze i tańsze niż przetransportowanie go wojskowym samolotem transportowym z kontynentu amerykańskiego do Europy, do jakich wniosków dojdą?
Nie, nie zobaczymy Abramsa na Księżycu, ale czołg nie jest celem, to tylko sposób na dostarczenie pocisku do wroga. A jeśli łatwiej jest zdobyć ten pocisk bezpośrednio z orbity? Jak szybko Stany Zjednoczone wycofają się z Układu o Pokojowej Przestrzeni Kosmicznej, jeśli zdobędą w nim strategiczną przewagę (w kosmosie)? Jak szybko armia amerykańska zacznie migrować na orbitę?
Co więcej, nawet istniejące możliwości umieszczania ładunków na orbicie w postaci Falcon-9 i Falcon Heavy w połączeniu z technologiami masowej budowy satelitów wystarczą, aby LEO został zagłuszony satelitami rozpoznawczymi, dowodzenia i łączności, co doprowadziło do że Stany Zjednoczone będą monitorować powierzchnię planety 24/365. Zapomnij o dużych siłach naziemnych, zgrupowaniach wojskowych, mobilnych systemach rakietowych naziemnych - wszystko to będzie tylko celami dla broni dalekiego zasięgu z korektą trajektorii lotu.
Sukces Starship doda do tego zestawu rzut kosmiczny, w którym cel zostanie trafiony z kosmosu w ciągu kilkudziesięciu minut po otrzymaniu prośby. Żaden przywódca polityczny na świecie nie może czuć się pewnie, wiedząc, że nieunikniony deszcz wolframu może spaść z kosmosu w każdej chwili.
Za cenę 100 dolarów za kilogram w kosmos wejdą wszyscy, którzy nie są zbyt leniwi – firmy farmaceutyczne, hutnicze, wydobywcze. Więcej o ekonomii kosmicznej porozmawiamy później. Jeśli to możliwe, tanio wystrzeliwując i usuwając ładunek z orbity, kosmos stanie się nowym Klondike. Co możemy powiedzieć o 10 dolarach za kilogram …
Całkiem możliwe, że właśnie teraz jesteśmy świadkami wydarzenia historycznego, które może stać się punktem zwrotnym w rozwoju ludzkości
Czy ten proces może się zatrzymać?
Może historia jest nieprzewidywalna. Ludzka chciwość, głupota lub po prostu wypadek - łańcuch niepowodzeń, może pogrzebać każde, najbardziej udane przedsięwzięcie. Wystarczy kilka poważnych wypadków Starship ze śmiercią setek ludzi, a proces eksploracji kosmosu można ponownie mocno spowolnić, jak to miało miejsce już w XX wieku.
W przypadku uzyskania jednostronnej przewagi w kosmosie Stany Zjednoczone zaczną prowadzić politykę znacznie bardziej agresywną niż obecnie. W przypadku braku możliwości zapewnienia parytetu w kosmosie możemy zsunąć się do poziomu Korei Północnej, siedząc na „nuklearnej walizce” i grożąc, że w razie czegokolwiek osłabimy siebie, sąsiadów i wszystkich innych (co najwyraźniej z dziwnych powodów, niektórzy nawet przemawiają).
W związku z tym należy zwrócić większą uwagę na przemysł kosmiczny, którego stan w chwili obecnej nie napawa optymizmem.
Weźmy na przykład projekt superciężkiego pojazdu nośnego „Yenisei” / „Don” - wystarczy spojrzeć na wszystkie wzajemnie wykluczające się oświadczenia różnych liderów i działów na temat tego projektu i staje się jasne, że nikt, w zasadzie wie, dlaczego jest tworzone, ani czym ma się ostatecznie stać. Jeśli to kolejna "Angara", to projekt można już teraz zamknąć - nie ma sensu wydawać na to pieniędzy ludzi.
Jednocześnie Chiny nie siedzą bezczynnie.
Oprócz opracowywania tradycyjnych pojazdów nośnych, aktywnie studiują i adoptują amerykańskie doświadczenia, nie wahając się bezpośrednio kopiować. W sprawach bezpieczeństwa narodowego wszystko jest sprawiedliwe.
W Narodowy Dzień Kosmiczny Chiński Instytut Badań Rakietowych mówił o projekcie suborbitalnego systemu rakietowego, który powinien dostarczać pasażerów z jednego punktu planety do drugiego w mniej niż godzinę.
Można powiedzieć, że na razie to tylko rysunki, ale Chiny ostatnio wielokrotnie udowodniły, że potrafią dogonić liderów w różnych gałęziach nauki i przemysłu.
To także czas, aby Rosja odłożyła na bok zamieszanie i wahania w przemyśle kosmicznym, jasno sformułowała cele i zapewniła ich realizację wszelkimi środkami.
Jeśli Chiny i Rosja mogą konkurować ze Stanami Zjednoczonymi w kosmosie na nowym poziomie technologicznym, to niskie orbity będą dopiero początkiem, a ludzkość rzeczywiście wkroczy w nową erę, która do tej pory istnieje tylko na kartach powieści science fiction.
