Аналитические заметки по следам доклада Илона Маска на Конгрессе в Аделаиде.

Для начала, уж извините, сегодня исполнилось 79 лет приговору, который был вынесен Сергею Павловичу Королёву.

Раз уж мы говорим о будущем мировой космонавтики, любая значительная дата в жизни первооткрывателя космонавтики достойна упоминания и почтения его, основоположника, памяти. Это, считайте, как эпиграф к статье.

https://youtu.be/Dd46RUHPoOg

Часть 1. Общие отзывы.

Представители NASA подтвердили, что ещё в июне материалы этого доклада были представлены командой СпейсХ на совещании в НАСА. Они также подтвердили, что сделали несколько малозначительных замечаний по проекту, которые были приняты с вниманием и интересом и, как оказалось, были учтены в выступлении Маска. Вцелом, НАСА поддерживает проект и будет оказывать помощь, на сколько это возможно и необходимо.

С моей точки зрения, один из самых компетентных людей по вопросам колонизации Марса является Роберт Зубрин, основатель и бессменный руководитель Mars Society.

Зубрин год назад высоко оценил проект, представленный Маском в Гвадалахаре, но, также как и я, выразил сомнения по поводу гигантизма технических решений, предлагаемых СпейсХ. Без ложной скромности, ещё до публикаций Зубрина на эту тему, я писал, что очень сомнительным является, чтобы Маску кто-то позволили даже заправить эту гигантскую ракету на космодроме или испытательном полигоне. К сожалению, особенно с новой техникой, часто случаются аварии, а взрыв ракеты такого масштаба сравним с взрывом небольшой ядерной бомбы, чуть меньше той, которую сбросили на Хиросиму. Не только я, но многие другие через твиттер и редедит обращались непосредственно к Маску с мыслями о том, что это всё надо масштабированно уменьшать до приемлимых размеров, ненамного больших, чем размеры Сатурн-5.

Цитата из интервью Зубрина телеканалу CNN:

 “He is scaling this thing down to a level where it’s going to be practical”

Я считаю эту часть доклада Маска наиболее ценной и полностью согласен с Зубриным. Проект становится практическим.

Одним из основных параметров для Маска является цена вопроса для "потребителей", то бишь для будущих колонистов. Размеры ракет и кораблей были тогда выбраны из соображений оптимизации расходов, чтобы "билет" был достаточно подъёмным для тех, кто потенциально может стать колонистом. И, я думаю, никто не сомневается, что ездить автобусами стоит дешевле, чем ездить на такси.

Оказывается, Маск нашел пути решения проблемы с присущим ему блестящим прагматизмом: уменьшит масштабирование, но за счет этого создаст дополнительные коммерческие приложения, которые позволят зарабатывать деньги на колонизацию Марса.

2. Тезисы доклада

Главная цель компании СпейсХ остается неизменной - создание на Марсе самодостаточной и самоподдержвающейся колонии, с последующим терроформированием планеты, созданием второго дома для человеческой цивилизации.

На первом этапе ключевым вопросом является создание транспортной системы, достаточно недорогой, чтобы большая масса людей могла себе позволить, буде желание, переселиться на Марс.

Транспортная система состоит из одноступенчатой ракеты сверх-тяжелого класса, способной выводить на орбиту большой космический корабль нового типа.

Ракета и корабль должны быть полностью многоразовыми с минимальным межполетным обслуживанием.

Посадка возвращаемой ракеты должна быть пропульсивной, с очень высокой точностью приземления, как подчеркнул Маск, непосредственно в стартовый стол, с которого она стартовала. 

Оптимизированный корабль должен совершать посадку пропульсивно, но с использованием аэродинамического спуска в атмосфере там, где атмосфера имеется. Естественно, что для посадки на Луну аэродинамические эволюции не предусматриваются - там достаточно только пропульсивных средств посадки.

Сезон полетов на Марс открывается один раз примерно в 2 года и длится 3-6 месяцев. Это просто по взаиморасположению Земли и Марса, когда расстояние между планетами максимально сокращается. Всё остальное время транспортная система, включающая большое количество ракет, межпланетных кораблей и танкеров, не может быть задействована по основному назначению.

Вне "марсианского сезона" транспортная система может и должна использоваться для других задач, которые заодно должны давать прибыль, частично покрывающую затраты на полеты Земля-Марс-Земля.

Это то, чем Маск дразнил публику твитами про "неожиданные приложения". Маск эти возможные приложения озвучил и они, как оказалось, многих людей сбили с толка. Одни говорят, что Илон "наконец-то заговорил про базу на Луне", другие взахлеб восторгаются идеей пассажирского сообщения между весьма удаленными городами на Земле вместо авиалайнеров. Они забывают одно: это "побочный эффект". Проект, который реализует Маск - это транспортная линия между Землей и Марсом. Всё остальное - возможное применение для других задач с получением прибыли для финансирования главной цели.

СпейсХ намерен прекратить производство Фальконов и Драконов, сосредоточив все ресурсы на производстве ракет и кораблей нового поколения. Выполнять функции, которые выполняют сейчас Фальконы и Драконы, новая система тоже сможет. Понятно, что для снабжения МКС возможности BFR и гигантского корабля совершенно избыточны, что погубило шаттлы. Но Маск обещает цену запуска системы на столько низкую, что это уже не имеет никакого значения. Наоборот, благодаря тому, что корабли могут находиться в космосе очень продолжительное время, они могут стать дополнительными сменными модулями МКС. Было бы глупо не воспользоваться такой возможностью. 

3. Космический корабль абсолютно нового типа.

Если посмотреть на эволюцию развития космических кораблей, то она выглядит вполне логичной.

Первые космические корабли были фактически баллистическими капсулами-снарядами. Они не имели никаких двигателей, кроме ориентации и торможения для схода с орбиты. Такими были Востоки/Восходы и Меркурии. Второе поколение, начиная с Джемини - это корабли, способные маневрировать в космосе. Они уже были способны не только поворачиваться вокруг своих осей, оставаясь на зараенее определнной ракетой-носителем баллистической траектории, но могли уже, в определенных пределах, менять высоту и наклонение орбиты. Это позволило совершать стыковки кораблей и модулей орбитальных станций. Но даже корабль Аполлон не имел маршевых двигателей для межпланетных перелетов. Для перехода на транслунный маршрут Аполлоны использовали третью ступень ракеты Сатурн-5, а для возврата на Землю им было достаточно незначительного воздействия двигателя командного отсека корабля.

Следующим этапом было создание кораблей многоразового использования с встроенными мощными двигателями - система спейс-шаттл. Но эти двигатели не могли включаться повторно и использоваться для межпланетных перелетов, хотя проекты модификации и были разработаны ещё в середине 70-х. Предполагалось, что грузовой отсек может загружаться баками с достаточным количеством топлива для полетов между Землей и орбитальной станцией на орбите Луны, буде такую решатся построить.

Вопрос о том, что лучше: космопланы или капсульные корабли дебатировался долго. Маск был ярым противником крыльев на космических кораблях и настаивал на пропульсивной посадке, другие настаивали на крылатых аппаратах, способных к планирующему спуску в атмосфере и посадке по-самолетному.

Сейчас позиция Маска начала сближаться с позицией сторонников космопланов. Как истинный диалектик, Маск решил, что постановка вопроса "или/или" неправильная. Правильно будет комбинировать. Торможение и спуск в атмосфере, если таковая имеется, производить аэродинамически, а для посадки использовать двигатели. Поэтому в новом корабле появились дельта-видные крылья. Могу предположить, что эти крылья будут иметь и управляющие аэродинамические устройства типа элевонов. Это на случай, если атмосфера достаточно плотная, чтобы эти устройства работали достаточно эффективно.

Комментаторы и обозреватели не уделяют внимания крылышкам корабля, хотя Маск в своём доклад специально подчеркнул их значение, как признак универсализации корабля для посадки на любые типы планет и небесных тел. Корабль сможет садиться как на безатмосферные Луну или Энцелад, так и на Землю, Марс или Титан. Я считаю этот аспект исключительно важным.

Но самое главное отличие корабля ITS - это наличие двигателей как в качестве второй ступени ракетно-космической ступени (по примеру шаттлов), также для межпланетных перелетов и для взлета корабля с планет, имеющих низкую гравитацию и тонкую атмосферу. Это уже принципиально иной корабль, больше похожий на мечтания фантастов, этакий прообраз "звездолета" будущего. Или, как называли такое братья Стругацкие, "планетолета". Это ракета-корабль. И потому спектр возможных применений систем такого типа очень сильно увеличивается. Он может летать к другим планетам и лунам, а может работать на земной орбите.

Многоразовость корабля и пропульсивная посадка - это то, что закладывалось в Дракон-2, только на следующем витке развития технологий. СпейсХ разработал новую теплозащиту. Её испытали на грузовых Драконах и получили очень хорошие результаты. Но корабль с мощными маршевыми и посадочными двигателями может резко снижать скорость при входе в атмосферу и тем самым резко уменьшать тепловые нагрузки на корпус корабля. Это открывает возможности для использования новой системы для полетов между очень удаленными точками на Земле. В реальности, если им удастся очень сильно снизить стоимость запуска, то цены билетов для пассажиров могуть действительно снизиться до цен авиабилетов экономкласса. Обитаемый объём корабля больше, как сказал Маск, чем объём салона Эйрбас-380, самого большого пассажирского лайнера в мире.

Если для межполетных многомесячных перелетов СпейсХ делает сорок 2-3-местных кают для пассажиров и экипажа, то для перелетов между городами каюты не нужны и корабль, я думаю, сможет принять до 600-800 пассажиров в креслах за один рейс. И это действительно может составить конкуренцию авиалайнерам интер-континенталам.

Кораблик не просто большой... 9-метровый диаметр - это супер. Проектировщики и изготовители спутников давно умоляют разрешить им делать аппараты большого поперечного размера, но ракетостроители их тормозят. Если СпейсХ позволит выводит на высокие орбиты огромные тяжеленные спутники, то многое может измениться. И возможно произойдет революция в спутниковых технологиях. Имеющиеся и строящиеся сейчас спутники могут разом устареть и пойдет их замена на КА нового поколения. Пример в истории: появление в британском флоте корабля Дредноут разом сделало устаревшими все броненосцы, включая те, которые только проектировались или закладывались на стапелях. Началась так называемая "дредноутная гонка".

Я думаю, что спутнико-строители и проектанты спутников, после выступления Маска, имеют бессонные ночи и усердно пашут над реализацией открывающихся перспектив.

Думаю, что как и шаттлы, корабли ITS на орбите Земли будут оснащаться манипуляторами и будут использоваться не только для выводов спутников на орбиту, но как для снятия старых или испортившихся аппаратов, так и для орбитального ремонта. Важно ли это? Вспомним эпопею телескопа Хаббл. Тут перспективы просто безграничные. Такой объект, как Хаббл можно просто втянуть в корабль, загерметизировать грузовой отсек и проводить работы без скафандров, в практически идеальных условиях.

Ещё раз подчеркиваю, что это всё "неожиданные приложения", "побочный эффект", который заложен в размеры и возможности кораблей ITS, позволяющий СпейсХ зарабатывать очень большие деньги, а, возможно, и монополизировать весь космический рынок.

4. Технические детали

Иван Касьянов жаловался на недостачность технических деталей. Попробуем разобраться.

Вся система, как я уже писал, была масштабирована в меньшую сторону. От этого пошли и изменения в технических характеристиках двигателей Раптор, которые так заботят некоторых товарищей. Прежде всего, надо помнить, что ракеты и корабли многоразовые с пропульсивной посадкой. Поэтому тяга одного двигателя, который теперь дросселируется от 20 до 100% тяги, не должна значительно превышать массу ракеты при посадке. Сейчас у Фалькона превышение минимальной тяги над посадочной массой всё-таки значительное и это требует идеально точного рассчета скоростей спуска так, чтобы нулевая вертикальная скорость была на нулевой высоте. СпейсХ успешно справился с этим - мы видим практически идеальные мягкие и точные посадки на космодром и восхищаемся мастерскими рассчетами. Но мы видели и аварии, когда окислитель или топливо заканчивались буквально за 1-2 секунды до касания опор палубы баржи, видели как ступень плюхалась на баржу жестко, не успев полностью погасить скорость и так далее.

То есть, меньшего размера ракета требует не только меньшего количества двигателей, но и меньшей максимальной мощности каждого движка. Если начинать плясать от этой печки, то можно легко высчитать оптимальные характеристики движков. Если изначально они рассчитывали на тягу Раптора свыше 300 тонн, то снизить этот параметр можно либо уменьшив камеру сгорания, либо уменьшив давление в камере сгорания. Думаю, что конструкторы пошли обоими путями одновременно. Пропорционально уменьшили число двигателей, их размеры и давление в камере. Снижение давление дает дополнительный эффект - снижение собственной сухой массы, повышение тяговооруженности.

Раптор создается в 2 ипостасях: как двигатель первой ступени и как вакуумный маршевый двигатель для межпланетных перелетов.

Остановившись раз на описании корабля, остановимся на ракете, или, что вернее, на первой ступени космической транспортной системы.

31 Раптор первой ступени должен развить суммарную тягу в 5400 тонн, чтобы оторвать от Земли общую массу около 4400 тонн. При полной многоразовости первой ступени и корабля, максимальная полезная нагрузка, которую система может вывезти не НОО составляет 150 тонн. А если использовать систему по-максимуму, без возврата ступеней (в т.ч. - корабля), то можно доставить на орбиту и 240 т. Но при этом, на орбите корабль может быть снова полностью заправлен. Это значит, что с одноразовым использованием первой ступени и орбитальной дозаправкой корабля, система может вынести на НОО до 240 т полезной нагрузки.

Одним из важнейших показателей ракетно-космических систем является их эффективность, как соотношение стартовой массы к максимальной массе полезной нагрузки (ПН). Для полностью многоразовой системы с максимальной ПН 150 т эффективность BFR 150/4400=3,4%. Это на уровне и даже немного лучше одноразовых ракет-носителей. Подчеркиваю - одноразовых.

Для сравнения, эффективность по ПН для одноразовых ракет: Протон-М - 3,26%; Атлас-5 (с двигателем РД-180) - 2,93%; Дельта-4 - 3,78%; Ариан-5 - 2,574%; Зенит-3 -3,24%. А у многоразовой BFR - 3,4%

Но если брать соответственно эффективность ПН BFR в одноразовом варианте (с грузоподъёмностью 240 т), то получается 240/4400= 5,4545% - и вот это уже огромный рывок.

До сих пор рекордной эффективностью обладал Сатурн-5: 140/2950=4,75%. 

Но нагрузка 240 т. навряд ли будет востребована или экономически оправдана. Эта цияфра, я думаю, останется чисто теоретической. А вот 150 т на НОО - это может реально быть востребовано и для полетов на основной задачи - полетов на Марс, и для "неожиданных приложений". Впрочем, это максимальные значения. Если цена запуска будет достаточно низкой, то минимальные загрузки будут иметь очень второстепенное значение. И в этом гланая экономическая черта новой системы.

Маск обещает (он часто и с удовольствием обещает), что цена запуска многоразовой BFR будет ниже, чем цена запуска Фалькон-1, то есть, меньше $10 млн. Собственно, на это намекал и руководитель департамента реактивного движения СпейсХ, Мёллер. Он был весьма смешлив, возможно, слегка пьяненький и говорил про потуги тех, кто считает себя конкурентом СпейсХ в уничижительном тоне. Он говорил о "революции" в космических системах, о новом качественном уровне, который открывает Big Fucking Rocket. Ну в самом деле... Если НАСА строит перспективу на SLS с ценой полета за миллиард, то BFR может делать тоже самое всего за 10 лямов?

Я не очень верю в 10 миллионов. Кроме цены горючего и аммортизационной стоимости ракеты с кораблем, даже, если межполетное обслуживание будет стоить 10 тысяч, то есть фактически ничего, остаются расходы на инфраструктуру, стартовые площадки, транспортные расходы и, в конце концов, в цену должна закладываться прибыль. Но то, что цена запуска этой системы будет значительно меньше значительно менее мощных конкурентов, это несомненно. Может быть только Блю Ориджин сможет потягаться с СпейсХ. Видимо, борьба пойдет на уровне ниже 20 лямов за запуск.

5. Реализуемость и реализация проекта.

Технически, проект межпланетарной транспортной системы, или, как опять её называет Илон, Большая Гребанная Ракета, абсолютно реализуем на современном технологическом уровне. В проекте не заложены какие-либо недосягаемые технологии или технические решения. Теплозащита отработана, пропульсивная посадка обкатана, материалы известны, производственное оборудование для реализации строительства такой системы существуют и доступны на рынке. Конечно, конструкция и сами технологические приемы будут ещё не раз уточняться и изменяться. Взять, к примеру, схему перекачки топлива из танкера в корабль. Очень красиво и оригинально, но навряд ли практично

Не думаю, что иннерционных сил от разгона маневровыми движками будет достаточно, чтобы жидкие метан и кислород самотеком и быстро перебрались из танкера в корабль. Наверное, всё-таки поставят какие-то насосы или вытеснительную систему в баках танкера.

Главное, что это уже не просто проект на бумаге или в компьютерных симуляциях.

Маск особо акцентировал внимание на том, что СпейсХ уже заказал технологическое производственное оборудование, необходимое для серийного производства этих ракет и кораблей. Оборудование будет поступать на завод в ближайшие 6-9 месяцев. Маск говорит, что в ближайший год они начнут СТРОИТЬ первую BFR. Если в 2019-м они построят первую ракету, то за год-другой они её откатают для испытательного запуска в 2020-2021 гг. А там, пойдут тесты дозаправок на орбите и, возможно, испытатели смотаются с посадкой на Луне.

Маск специально подчеркнул, что СпейсХ скоро прекратит производить и Фальконы, и Драконы, чтобы сконцентрировать весь ресурс компании на производстве BFR. То есть то, что сегодня оценивается в мире как выдающееся высочайшее достижение ракетостроения, СпейсХ уже готовится снять с производства, как устаревшее. То, о чем говорят, мол "мы это сможем повторить, но лет через 30" - это уже морально устарело.

Если у Илона получится.... Да... Многим придется сушить вёсла. Я уверен, что самые разумные из "конкурентов" приложат максимум усилий, чтобы войти в кумпанию с СпейсХ, влиться в фирму Маска на любых условиях и получать хоть что-то, вместо "зубы на полку".

BFR открывает перспективу и для станций Бигелоу. Самый большой из проектируемых Бигелоу Аэроспейс модуль BA-2100 с обитаемым объемом 2250 кубометров весит под 80 тонн. Что такое 2250 куов? Вся МКС имеет только 970 кубометров обитаемого пространства. 

Представьте, какие колоссальные орбитальные города можно строить из модулей такого типа. А BFR поможет их построить, как шаттлы построили МКС, может обеспечивать их материальное снабжение и пассажиропоток. До сих пор Бигелоу надеялся на Драконы и Старлайнеры, но вытащить на орбиту 75-тонный модуль, да потом ещё подтащить его к другому такому же для стыковки... А теперь - без проблем. Загрузили парочку таких бяк в ВFR и нет проблем. 3-4 рейса и СпейсХ построит Бигелоу-Сити-на-Орбите. Только плати денюжки Маску. А он их с толком потратит на марсианскую колонию.