Starship уходит в …

Идейка написать цикл статей про подобные вещи крутилась в голове давно. Ну вот и начнём. Собственно под словом «химера» будем подразумевать идею, аппарат или реализацию какого нибудь принципа, что будоражит юные умы, привлекает массу сторонников, но по факту - полностью (ну или частично) несостоятельно. И несостоятельно в силу объективных законов физики. О которых креативный класс редко вспоминает. А ведь отменить подобные законы не в состоянии даже конгресс США. Разве что наложить. Санкции, к примеру. Самый тривиальный пример химеры - вечный двигатель. Казалось бы, возьми учебник и успокойся. Нет же — каждый год изобретают. Но этот пример слишком прост, поэтому для рассмотрения возьмем космическое творчество Илона нашего Маска.

Ну обещает нам Илон полеты на Луну и миллион человек на Марсе. И ему рукоплещут восхищенные гуманитарии. И пусть у них даже есть техническое образование, но по умению пользоваться мозгами они недалеко ушли от инфузории-туфельки. И сейчас объясню — почему. Кстати, все картинки в статье — из открытых источников. Так что без придирок.

Приступим.

Единственным способом передвижения в вакууме является реактивный принцип. Проще говоря — отбрасывание части массы назад. Тут работает закон сохранения импульса. Его отменить низя. m1*V1 = - m2*V2. Других способов пока не изобрели. И активно разгоняться в вакууме мы можем до тех пор, пока есть что отбрасывать. Рабочее тело это называется. По факту - горючка.

Пока еще не так плохо. Если реактивная струя сандалит с приличной скоростью, то реактивный принцип зело экономичен. Но вот до каких скоростей современные технологии способны разогнать реактивную струю? До больших. Ионные двигатели могут выдать и 70км/с, но тяга таких двигателей — граммы, а собственная масса — килограммы. И виноват в этом закон сохранения энергии. Чтобы струю разогнать, надо где-то взять энергию. Ядерную, электрическую, химическую - без разницы. Причем затраты на разгон рабочего тела растут пропроционально квадрату скорости, а увеличение скорости-импульса ( по факту - тяги ) - линейно. Так что единственные ракетные двигатели, способные поднять собственный вес — это химические. И тут начинается юмор. Скорость истечения газов из химического реактивного двигателя зависит от температуры горения, давления в камере сгорания, степени расширения газов в сопле и молекулярной массы продуктов горения. Поехали разбираться, что с ними да как.

Температура в камере сгорания ограничена сверху удельной теплотой сгорания компонентов. Если при горении компонентов топлива выделяется определенное количество тепла на килограмм, то прогреть этот килограмм выше какой-то температуры не получится. Закон сохранения энергии, мать его.

Давление в камере сгорания упирается в прочность материалов. В принципе, есть теоретический предел, примерно 1 МэВ на атом - энергия связи атомов в твердом теле. Жидких механизмов не бывает. До этого предела далеко, но уже сейчас материаловедение серьёзно упёрлось в асимптоту при разработке материалов, которые могут работать при высоких температурах и давлениях в химически активной среде. То есть- внутри двигателя. Дошло до того, что выращивают из сплавов монокристаллы. Дороговато и, если честно, то рост характеристик не в разы.

Со степенью расширения тоже не все так радужно. Начнем с того, любой ракетный двигатель для старта с поверхности Земли должен иметь на срезе сопла статическое давление где-то 0.3-0.4 атмосферы минимум. Объясню почему. В атмосфере любой сверхзвуковой поток ( в том числе из сопла ) рано или поздно затормозится. Затормозится он скачком, сверхзвуковой поток плавно затормозить низя. Если это произойдёт за срезом сопла — нам пофиг. Если такое случится внутри сопла, то… Скорость истечения газов, которая в водородном двигателе примерно 4.5км/с, после скачка уплотнения упадет до 400м/с (ну плюс-минус). Закон сохранения импульса и вуаля — тяга двигателя меньше в 10 раз. При том же расходе топлива. Оно вам надо? А чтобы такого не случилось, как раз и нужны те самые 0.3 атмосферы. Двигатели для работы в вакууме могут иметь на срезе сопла меньшее давление. Но испытывать вы их где собираетесь? На стенде РКК «Энергия» или на Луне? Не очень технологично получается. В общем - для повышения степени расширения остаётся практически один путь — наращивать давление в камере сгорания, ну про это вы уже читали выше.

Топливо (продукты горения) должно иметь малый молекулярный вес. Тоже следует из закона сохранения импульса. Температура есть мера энергии. mV^2/2 то есть. А нам нужен импульс — mV. Вот и выходит, что при той же температуре у лёгких молекул скорость больше. И удельный импульс тоже. И тут нам делает западло наш соотечественник Д. Менделеев с его таблицей. А также химия и квантовая механика. Все элементы известны, все соединения лёгких элементов изучены, все варианты сгорания одного соединения в другом проверены, валентности-энтальпии посчитаны и теоретически обоснованы квантовыми состояниями электронов на атомных орбиталях. Ну не получится выжать из химических реакций больше, чем уже выжали.

Ну вот я и объяснил, где мы находимся и куда можем прийти в ближайшее время. В космонавтике в частности. На прорыв в характеристиках за счет гениальных изобретений рассчитывать не приходится. Быть гением хорошо в 14 веке. Когда наукой занимаются полтора человека. А в современном мире, когда в десятке стран сотни специалистов окучивают одну и ту же проблему методом ковровой бомбардировки, проверяя все возможные варианты подряд — вероятность «большого скачка» крайне мала. То есть, сейчас прогресс в любой области выходит на асимптоту довольно быстро и крайне медленно продвигается дальше. С потом и кровью и с деньгами.

Итак. Если быть оптимистом. Ну мы можем поднять удельный импульс максимум на 10-20%, мы можем снизить массу конструкции на те же 20%. Но даже если мы снизим массу баков и двигателя до нуля, мы никогда не выведем на орбиту даже 20% начальной массы. Максимум 6-7% на керосиновом двигателе и 10-13% на водородном. Плюс-минус. И таки да. Каждое включение двигателя на орбите будет уменьшать полезную нагрузку. Чтобы стартануть с низкой орбиты к Луне — выложи +3 км/с , чтобы приземлиться на Луну — еще 2 км/с, чтобы вернуться на Землю с Луны — еще 2 км/с.

Закон тяготения имени товарища Ньютона, damn him. И для зануд - про плюс-минус. Точные значения не играют рояли. Важен порядок. Я и так занижаю реальные значения потребных скоростей на 100-200м/с. Можете быть уверены - качественно ничего не изменится.

Слетаем на Луну? Суммируем затраты. 9 км/с + 3км/с + 2 км/с Итого — 14. Конечная масса равна exp (-V/we) , товарищ Мещерский постарался, чтоб его. V - требуемая скорость, we - эффективная скорость истечения рабочего тела из сопла двигателя. Что там получится при самом кошерном водородном двигателе ? Подставляем в формулю 14км/с и 4.5 км/с( скорость истечения струи водородно-кислородного двигателя ). Получаем 4.5 % Вопросы есть ? Даже если баки, двигатели и прочая байда будет весить ноль, то до Луны долетит один килограммм из двадцати.

А теперь пришло время картинок.

Для начала вспомним что там летало или намеревалось летать на Луну и сравним со старшипом.

Старшип на фоне реальных лунных ракет

Собственно вот-с. Зеленым прямоугольничком обведено то, что предназначается для посадки на Луну, красным — для возвращения на Землю. Фил зе дифференсе или что за нафиг, если по русски.

Достаточно посмотреть на пропорции. Ну не может старшип столько добра туда отправить. Каждый двадцатый килограмм-помним, да ? Разница в весе в 20 раз - это примерно разница в линейных размерах в 2-3 раза. Если увеличить линейные размеры первой ступени старшипа раза в 2.5, то получится гораздо ближе к истине.

Конечно, сейчас набегут свидетели святаго Маска и начнут убеждать меня в том, что я даже не в силах осознать всё могущество современных правильных технологий. Ребяты, где я тут какие-либо технологии критиковал? Никакая технология не способна нарушить законы физики. Просто, декларируя использование химических двигателей, мы получаем именно такие цифры. И ругать за физику с химией надо не меня, а иностранного агента Ньютона, ренегата и вырожденца Менделеева, Макса Планка, Нильса Бора… Чуть не забыл Карно и Бойля с Мариоттом - адиабатическое расширение газов в сопле ракеты на их совести.

Таки вот, то что нарисовано Маском - с трудом выйдет на низкую орбиту, в это поверить еще можно. А дальше у меня все равно вопросы. Как оно возвращаться на Землю будет? "Птичка", что стоит вместо второй ступени, почти вся состоит из баков. На орбите баки эти пусты. Самое тяжёлое - двигатель, он в хвосте, туда же съедет центр масс после выработки топлива. Заостренный нос будет создавать подъемную силу при положительном угле атаки. Ну законы газодинамики, с ними тоже ничего не поделать. А угол будет положительным, поскольку людям не захочется выдерживать баллистический спуск с ускорениями порядка 10g. Центр давления спереди, центр масс сзади. Опрокинется это чудо на раз. Настоятельно рекомендую посмотреть на проект HOTOL. Англичане так и не смогли решить проблему с продольной устойчивостью и проект закрыли.

Мелких ублюдочных плоскостей просто не хватит парировать опрокидывающий момент. Да и сами плоскости вызывают сомнение. Проблема в том, что тепловой поток растёт с уменьшением радиуса кривизны поверхности. Острые "крылышки" прогорят на раз. Можно взглянуть на Шаттл. Он тупой, как валенок, и весь керамический снаружи - тоже не от хорошей жизни.

Ну и вишенка на торте. Первый полёт стархоппера, прототипа старшипа, который строится по той же технологии.

первый полет стархоппера

Присмотритесь к изломам и неровностям обшивки. Ничего против не имею, кроме одного. Эта общивка не несущая. В том смысле, что она не входит в силовую схему конструкции и служит только для улучшения аэродинамики. Рассчитать прочность такого не представляется. Где и на каком изломе произойдет потеря устойчивости - предсказать невозможно. Поэтому такую обшивку из расчетов на прочность надо просто исключать. А вот это уже нонсенс. Объясняю почему. Ракетная техника - это прежде всего борьба за вес. Как было сказано выше - если на орбиту попадают считанные проценты от стартовой массы, то крайне важно, чтоб это была полезная нагрузка, а не "технологичный" бак или "надежный" двигатель. Поэтому каждый элемент конструкции должен работать на пределе и быть звеном силовой схемы. Если сделать гладкую устойчивую несущую обшивку ( без "хлопа", как в авиации говорят ) с выкладкой по внешнему контуру - она воспримет на себя хотя бы часть нагрузок, облегчит конструкцию и увеличит в итоге полезную нагрузку. Но Маску этого, видимо, не надо. Интересно почему...

Если это чудо действительно способно долететь до Луны, и при этом можно не упираться с экономией массы конструкции ( как это видно на примере обшивки ), то что тогда изобрёл Маск? Открыл отрицательную массу? Обошел законы сохранения? Научился менять валентность и атомный вес кислорода? Нашел нулевой элемент таблицы Менделеева, легче водорода? Сумел увеличить энтальпию сгорания водорода? Изобрёл гравицапу? Кварк-реактор? Как налить в литровую флягу 20 литров самогона? Будь оно так, то пиарить надо было бы именно эти вещи, а не жалкую колонизацию Марса.

Странно наблюдать такой полет мысли после вполне профессионально сделанного Falcon IX. В части многоразовости в нём применены оригинальные решения, об эффективности которых можно дискутировать, но сама конструкция - вполне себе зрелая. А старшип этот - ну просто рисунок третьеклассника ко дню космонавтики. С технологиями от Фау-2 ( обшивочку вспоминаем, да-да )

Позволю себе такое предположение. Компания Маска - это своего рода аутлет высоких технологий. Попытка заработать на проектах, которые проиграли конкурс, не пошли в серию или что-то в таком духе. Маску их сбагривают для продажи. А сам Маск - просто лицо фирмы для рекламы. Это многое объясняет. И широту интересов фирмы Маска и работоспособность некоторых образцов. Но градус интереса к фирме надо подогревать. И тут включается фантазия самого Маска. Без признаков инженерного интеллекта , зато с гиперлупами и старшипами.

А после этого у меня вопросов к Маску нет.