Пару слов о Starship и Super Heavy от SpaceX
Статья от декабря 2019 года
В последнее время я всё чаще замечаю странные споры о новом детище Starship от компании SpaceX, поэтому решил немного пояснить откуда взялись те или иные цифры, полетят ли на нём 100 человек, станет ли он регулярно летающим кораблём, как его использовать и т.д. Поехали.
Для начала, по поводу 100 человек экипажа, и диких высказываний о том, что в ракету, которая всего лишь немного выше Сатурн-5 — такое количество людей не влезет.
- Пусть первые две ступени Сатурна и имеют диаметр в 10 100 мм, но её верхняя ступень в диаметре только 6 600 мм. Соответственно и внешний диаметр на уровне точки монтажа полезной нагрузки (Payload) — также всего лишь 6,6 метра.
- В пилотируемых носителях обтекатель прямо с точки крепления сужается к корпусу служебного модуля КК «Аполлон», что ещё сильнее уменьшает внутренний полезный объём.
Даже в своём последнем полёте, в версии «Skylab-1», где был установлен полноразмерный обтекатель, сужающийся только к носовому конусу, где вдобавок не было САС (Поскольку в космос запускали пустую станцию, а не экипаж) — его диаметр соответствовал размеру верхней ступени Сатурн-5.
- Выпирающие обтекатели-«грибочки», которые торчат на полметра с каждой стороны, как на многих современных грузовых ракетах, включая Falcon-9 и Р-7 девятого поколения (Серии Союз-2.1 и Союз-СТ) — начали массово применяться только где-то ближе к концу 80-ых на Титан-IV/Ариан-4
Titan-403B с КА USA-152 (Lacrosse) — NROL-11, пуск с площадки SLC-4E базы Ванденберг от 17 августа 2000 года с увеличенным обтекателем.
Тем не менее, вспомните насколько огромным был Скайлэб, несмотря на то, что он был ограничен диаметром третьей ступени Сатурн-5.
- Загуглите фотки, если ни разу не видели, ону внутри нереально просторный по космическим меркам. Его герметичный объём был размером с грузовой отсек шаттла, так как сама станция была сделана из той же S-IVB, третьей ступени Сатурна, которая её последней на орбитальную траекторию и довыводила. Внутри места достаточно было даже чтобы немного полетать.
А теперь сравните это с «Салютами», или с герметичными модулями LM2 от лаборатории SpaceLab, которые американцы устанавливали в шаттлы вместо полезной нагрузки, пока не была введена в строй МКС.
- Конечно, «Мир» уже был больше, чем Скайлэб. И по габаритам, и по обитаемому объёму, и по массе, и по количеству размещаемой на борту нагрузки, но он этого всего достигал путём многомодульности. Тоже самое и МКС.
Станции стали намного лучше, продуманнее и удобнее, но всё-таки три метра против шести — это две большие разницы, Скайлэб мог ощущаться как какой-то «Энтерпрайз», где из люка лабораторного отсека к тебе сейчас влетит капитан Кирк, а более новые станции как те самые обвешанные проводами коридоры, с которыми мы их и ассоциируем.
Так что теперь переходим к самому Starship. У него внешний диаметр не 6,6 метра, нижняя половина корабля имеет те же 9 метров, что и первая ступень. Если обитаемая кабина будет пустой, то от неё ощущения станут ещё круче, чем от Скайлэба. А даже если и не будет, то ты знаешь, что за стенками ещё каюты спрятаны.
Кроме диаметра ещё одна вещь, которая работает на полезный объём корабля — это его монолитность. Он не установлен на пэйлоад ракеты, не спрятан под обтекателем — он сам и есть вторая ступень ракеты. Точнее SuperHeavy — это его первая ступень.
- Соответственно всё свободное место теперь — часть корабля. Посмотрите на «Союз», там между обтекателем и внешним контуром корабля пустого пространства можно кубометра три-четыре наскрести.
Всё это вместе, увеличенные размеры и цельная конструкция дают нам охренительное обитаемое пространство в размере 1100 кубометров.
- Как можно представить 1100 кубометров? Это внутренние габариты МКС, весь её обитаемый объём примерно 1000 ±30 кубометров. Ну или 1250 кубометров через 4 годика, когда наши родят оставшуюся часть российского сегмента.
Если МКС недостаточно наглядный пример, потому что в её модулях без виртуального посещения с одного конца до другого можно запутаться, то это больше, чем внутренний объём грузового отсека Ан-124 «Руслан», который составляет 1050 кубических метров. Тот самый, куда спокойно влазит двухвагонный трамвай, четыре морских контейнера, пара танков, почти 900 пехотинцев в полном обмундировании или фюзеляж суперджета целиком.
Если брать в сравнение тот же шаттл, то мы получим 400 кубометров полезного объёма, внутренний герметичный + шлюзовая камера + грузовой отсек. Не густо, правда?
Поэтому если кому-то кажется, что 100 человек на одном таком корабле будут как шпроты в банке — то это нихренашеньки не так.
- Шпротами в банке были как раз таки экипажи шаттлов, которых на две палубы, с жилым объёмом в 30,6 кубометра могли запихнуть в количестве десяти жоп в полётных скафандрах. В пересчёте на душу, это столько же, сколько в «Союзе» (10,5 кубометров), только при этом у тебя 6–7 соседей, вместо двух.
А тут получается по 11 кубометров на человека, если взять на борт сотню пассажиров. То есть это комфортнее, чем лететь в одиночку на «Союзе». По сравнению с имеющимися кораблями — это просто рай.
- Каждому по каюте в 4 кубометра внешних габаритов, на дно напихать личных вещей на 100 кубов с ручной кладью и еще половина объема останется под общее пространство, толчки, душ и кабину.
Если в аполлонах люди без малого две недели проводили, и ничего, то с личной каютой и тырнетиком на Луну кого угодно послать можно будет, это оптимальные цифры для комфортного полёта к Луне и уровень комфорта достаточный для регулярных рейсов. При наличии соответствующей инфраструктуры конечно, если нам нужна хотя бы ежеквартальная Лунная маршрутка на 100 человек (Столько же, сколько сейчас продолжительность смены на МКС), то нужно будет построить хотя бы небольшой посёлок и пару научно-промышленных объектов.
Что касательно действительно «консервных» условий, то для них на борт старшипа нужно распихать тысячу человек. И кстати есть два случая, когда так делать выгодно.
Во-первых, если у нас будет огромная орбитальная станция с доками и фабриками, на которой живет и работает целый город. В среднем 3–6 часов полёта по короткой схеме, половина дальнемагистральных линий раза в 1,5+ дольше длится, если в самолётах мы можем выдержать такие полёты, то уж и в условиях регулярных рабочих полётов на вахты в космос тоже.
Во-вторых, это регулярные рейсы между двумя точками на Земле. Если со станцией нужно ещё и стыковаться, что занимает хотя бы пару витков (А уложиться за один — это надо удачно попасть в окно запуска, либо тратя много дельты маневровых RCS-ок, а на такой корабль много характеристической скорости = ещё больше топлива, зачем тратить лишнее, если можно сэкономить, слив избыток на станцию), то полёт через орбиту между двумя противоположными точками шарика занимает всего лишь часа полтора. Это уже продолжительность короткого среднемагистрального рейса.
В отличие от Луны, где экономия с комфортом бодаются — тут полностью побеждают принципы современной авиации, направленные на максимизацию числа пассажиров. В коротком полёте тебе столовая и спальная кабина нафиг не нужна, можешь в кресле музычку послушать, зато если на борту будет плотность хотя бы в 1 человека на 1 кубометр, то себестоимость одного кресла упадёт до 1818$. Дешевле, чем мы сейчас 1 кг ПН на НОО возим.
- Билет за 2200–2500$ (Включая маржу, всё-таки кушать то надо на что-то) уже легко сможет себе хотя бы один раз в жизни позволить почти половина планеты. Но вряд ли на это будут копить совсем уж хреново обеспеченные люди с зарплатой в 100–150$, поэтому будем рассматривать только средний класс и богачей.
Средний класс вероятно с радостью бы каждый год баловался, летая в отпуск на таком монстре, ну, а те, кто и так на постоянной основе летает только в бизнес-классе в большинстве своём предпочтут платить за скорость, а не за комфорт. Сверхзвуковые средне- и дальнемагистральные полёты для простых смертных, а Srarship как настоящий бизнес-класс.
P.S. Это была главная проблема снятия с эксплуатации Конкорда. Недостаточно бортов, слишком дорогие билеты. Со старшипом такого уже не произойдёт, потому что за настолько быстрые перелёты и возможность прикоснуться к космосу (А также упавшие цены, он ведь будет не дороже с учётом инфляции, чем конкорд) — деньги будут отвалить мама не горюй.
Но прям особо много и не надо. Это огромный многоразовый космолёт, даже если их будет 10 штук, и каждый будет летать хотя бы раз в месяц — это уже дикость. А мы говорим о том уровне пассажиропотока, на котором понадобятся ежедневные полёты при флоте, перевалившем в область трёхзначного количества бортов.
- Это коммерчески выгодная космонавтика, при которой из-за использования одного и того же вида транспорта и его полной многоразовости удешевляются любые способы его эксплуатации, включая пассажироперевозки, обслуживание орбитальных станций, выводы грузов на орбиту и полёты к Луне и на её поверхность.
И кроме того, несмотря на многоразовое использование — не пропадает удешевляющий фактор от роста производства, ибо по факту старшипы будут курсировать между базами хранения их ступеней, поскольку старшипы двухступенчатые, и пока корабли с собственной ступенью будут перевозить пассажиров и срочные грузы — первые ступени каждый полёт будут возвращаться на место пуска, и приписываться к нему. А космодром ли это, или построенная в окрестностях международного аэропорта крупного мегаполиса стартовая площадка — не особо имеет значения.
- И из этой массовости опять выходит следующий пункт удешевления, базовый набор для обслуживания корабля будет в каждом «Космопорте», и сам корабль полностью универсальный. Значит из Нью-Йорка на нём можно будет улететь не только в Москву, но и на орбитальную станцию, и на Луну. Значит снижается цена логистики, и опять выгода.
Но, нет, конечно же эта штука никаких 100 человек на Марс не отопрёт, в ней запаса воды, жратвы, воздуха и оборудования столько не запасёшь. Системы переработки воды и регенерация кислорода на такое количество людей займёт очень много места, а достаточного количества еды, даже простейшего сублимата — и без них на корабле почти всё место займёт.
А вот 10 человек — очень даже можно, на них запасов уместить места хватит, и при этом чувствовать себя они будут очень свободно, на каждого будет приходиться комната 4,8×4,8×4,8 метра. Конечно половина этого будет забита ресурсами и грузом, а из другой половины большая часть будет общим пространством, но полноценные каюты, с собственным туалетом и душем — поставить вполне себе.
*Прим.: Ну как «Очень даже можно». Можно, в плане удобства экипажа. Мы же не рассматривали топливный вопрос. А с ним всё очень даже… Очень даже капец, мягко говоря, видите эту рисюльку?
Это визуализация необходимой ХС (характеристической скорости), чтобы достичь разные планеты нашей системы.
Нам интересен участок от земной опорной орбиты до поверхности Марса, который влегкую кушоетъ ~ 6 километров в секунду запаса топлива. (Нет, не смотрите на 3800, это нам надо на взлёт, а сядем мы на аэродинамическом торможении, им же предварительно погасим скорость, вместо того, чтобы тратить все 1440 м/с на создание круговой орбиты) парашютах и 500–600 м/с чтобы дать немного на торможение и аккуратно сесть). Много это или мало?
Ну, вообще нет, столько в любом зонде пихают. Если речь идёт только о тех, что с ЖРД — то их либо сама ракета выводила на вторую космическую, и они пользовались перелётным модулем для коррекции и торможения (Кьюриосити), либо их выпирали на геопереходную орбиту, откуда они уходили в межпланетку на своём РБ, который затем сбрасывали по исчерпании топлива (Двухступенчатый перелёт).
Плюс — вояджерам, пионерам и т.п. мы добавляли их километры в секунду скорости благодаря точным гравитационным манёврам, но вообще большая часть таких аппаратов к настоящему времени оснащены ЭРД (Ионные/плазменные двигатели, по которым кстати наша страна одна из лидеров), которые даже с ядерным реактором на борту нормальной тяги не дадут, и полёт будет слишком долгим.
Но всё дело в том, что они маленькие. А что же касательно Starship, то… Ну в общем смотрите
Это картинки в момент отделения второй ступени и на момент выхода на орбиту КК «Союз-МС-15»
Скорость корабля на момент запуска двигателя второй ступени ~ 3,6 км/сек, а на момент выхода на орбиту ~ 7,5 км/сек. Соответственно, в третьей ступени «Союз-ФГ» запас топлива условно ~ 3,9 — 4,0 км/сек.
- Для орбитальных ступеней ракет, выполненных на основе керосин-кислородной топливной пары, это в принципе нормально (3475 м/с пустотный УИ). Поскольку эти ступени работают чисто в космосе, и на них стоят ЖРД оптимизированные под вакуумную среду, то в них самый большой запас дельты. Плюс они сам корабль разгоняют на самое большое значение, но это неважно, потому что мы говорим об атмосфере, которая сжирает большую часть delta-V первой ступени и кусочек второй. Главное только чистая характеристическая скорость.
Starship-Superheavy-BFG у нас летает на двигателях метан-кислородных двигателях «Raptor», у них немного более высокий УИ, чем у керосин-кислородных аналогов, так как у самого топлива он выше.
- Самый высокий УИ среди ЖРД у водород-кислородной топливной пары, 4440 м/с, но там из минусов — очень серьёзная криогенность топлива, если у кислорода и метана температура испарения близкая, то жидкому водороду нужно куда ниже, и «выпаривается» он из баков в разы быстрее.
Но это всё дело второе. Давайте лучше вернёмся конкретно к нашему красавчику. Так вот, у него ступени только две. В каждой дельты должно быть больше. Пускай у него где-то 5+ км/сек дельты, допустим мы его выводим на ГПО. Пристыковываем к нему один танкер, второй, впридачу к тем 5–6 которые его дозаправили на НОО. Вдобавок берем, что у самой ракеты дельты как у Сатурна 10,5 км/сек, то есть, еще больше дельты в верхней ступени.
Даже идеальные условия, когда падает дельта, необходимая чтобы добраться до Марса, и Луна находится в том положении, чтобы полететь мимо неё, сэкономив немного топлива, и мы прям идеально попадём в гравитационный колодец Марса — мы сможем сэкономить, ну, может быть допустим метров 500–600 ещё впридачу. Даже в самых идеальных условиях, если на нём больше 5 км/с характеристической скорости — нам не хватит топлива на самом корабле, чтобы дотянуть даже до поверхности Марса, оно закончится. Где-то во время попытки сойти с орбиты на поверхность, в процессе посадки.
Итог — полностью дозаправленный корабль нас едва ли посадить на Марс сможет, не говоря уже о том, чтобы вернуться. На возвращение нужно потратить всю красную линию из схемы выше, а это уже столько же, сколько мы на полёт до Марса потратили, даже немного больше. Плюс нам желательно сверху, чтобы оставался запас в 1 км/сек, который мы могли потратить по пути к Марсу на коррекцию и во время возвращения на Землю. Всё это без выходов на орбиту, просто на чистой аэродинамике, которая на Земле превратится во вход с перелётной скорости (Выше второй космической).
Итого надо где-то вынуть на полёт 14 км/сек дельты. Не считая 9,3 км/cек на вывод грузов на околоземную орбиту. Что же делать?
Нет, просто Супер-SuperHeavy не хватит, если мы присобачим по бокам два ускорителя — то Старшип должен быть либо пустым, либо, что ещё лучше — переливать топливо в нижнюю ступень во время выхода на орбиту, и всю конструкцию надо будет полётов 5–7 перезаправлять 3 — 3,5 тысячами тонн топлива.
Ну или вхуярить не два, а четыре РБ, тогда можно не мучаться с переливанием топлива, и заправлять только частично израсходованный центральный блок. Но даже так — этого будет мало, так как у целого, полностью заправленного SuperHeavy — запас характеристической скорости всего лишь ~ 10,5 км/сек (И это моё допущение, что он как Сатурн-5). А нам надо бы ещё где-то километра три. То есть, в условиях конструкции SuperHeavy — это ещё одна такая же ступенька. И получается, что чтобы Starship вернулся — нужно запулить на марс трёхступенчатую чуть ли не двухсотметровую ракету, которая будет на старте весом с атомный подводный крейсер, которую ещё и хрен знает как отправлять в космос.
- Игроки KSP сейчас пошутят про связку морковок, но это так. Можно конечно уповать на дешевизну ступеней, но это всё шуточки, а реально — когда ты сжигаешь уже второй десяток тысяч тонн топлива — то там только его сгорит на десятки миллионов, да и пуски сами по себе дешевле раз в 100 из-за многоразовости, сами ракеты при этом в цене упадут только пропорционально спросу на них, раза в 2–3, не больше. Никто так изъёбываться, конечно же, не будет.
По факту — наша схема полёта на Марс по-прежнему та же. Строительство на орбите здорового транспортного корабля, достаточно лёгкого и с ядерной силовой установкой. На SpaceShip уповать нельзя. Но, если он всё-таки станет коммерчески успешным — то его можно будет либо использовать для сборки этого корабля, либо к тому времени уже завершатся все исследования по двигателю VASIMR (А может и наш настрадавшийся ядерный буксир полетит, раз речь о 2040-ых годах)- из него смогут сделать спецверсию, с нормальный плазменным движком и мощными ядерными реакторами, оставив только один маршевый двигатель и дельту на взлёт с Марса (Которая как бы всё равно должна быть 4 км/cек, и будет занимать значительную часть сервисной ступени, влезет ли туда реактор? Играть с соотношением будут, после вылета за пределы атмосферы ядерный движок сразу включат (Но только если у него тяги хватит не только для межпланетного полёта, но и сопротивляться гравитации Марса).
Но вообще массовые корабли предпочтительнее для полётов, борт типа Пегаса из Марсианина, или похожий кораблик стоит десятки миллиардов долларов, строится годами, и сначала должен себя отбить. Даже если его собирать с помощью дешёвых старшипов — пусковые затраты жрут меньше, чем расходы на сам корабль. Ну и даже если такой корабль сможет эксплуатироваться столько же, сколько пролетает МКС, никто его гонять 35 лет не будет, он слишком устареет, работать то он столько может и будет, но страшно, да и оборудование менять, переписывать и патчить — проще новый построить.
Итоги таковы:
Starship это не корабль для Марса, он туда просто с людьми на борту не долетит, не говоря уже о возврате. Даже если выстроить ему такой баланс топлива, чтобы его хватило зюзелька в зюзельку до посадки — его надо будет заправлять на поверхности Марса. А для этого там сначала надо построить базу с топливной экстракцией и переработкой.
Даже с ядерным электрореактивным двигателем, или ядерным жидкостным ракетным двигателем (Типа РД-0410) — перспективы самостоятельного полёта на Марс — очень туманные. У ЯЖРД УИ всего в 2 раза выше, чем у аналогичного простого ЖРД + масса реактора, даже если всё будет — всё равно не хватит пару километров дельты.
Но это не значит, что его надо закидывать помидорами, сам корабль — просто очешуенен, если выстрелит — за ним будущее, вся остальная планета будет догонять, а Илон будет ещё чаще шутить про то, что его хотят убить спецслужбы РФ и Китая.
Для баллистических гиперзвуковых пассажирских полётов — корабль хороший, но не лучший. Лучше него был бы гиперзвуковой челнок, с комбинированным режимом работы, типа Skylon. Никаких ступеней, сажать на любую ВПП, дешевле в обслуживании, ноо…
- Во-первых, на челноке, взлетающем с ВВП и комбинированной двигательной установкой — крайне тяжело полететь на Луну с вменяемой полезной нагрузкой (Если вообще возможно, учитывая УИ его двигателей), и они будут ограничиваться только земными перелётами, максимум — доставкой людей к станциям на уровне орбиты МКС, ну и Starship только к Луне был бы слишком дорогим.
- А во-вторых, где этот Скайлон? Проект старше меня, а мне самому уже 25 стукнуло, после пары новостей о том, что наши хотят проинвестировать в Британский проект — пошли санкции, да и без них бы дальше разговоров дело не продвинулось. Я радовался как сумасшедший, когда узнал, что в ноябре что-то испытали, но оказалось, что это даже не масштабная модель, и прототип полноразмерный будет только через год, в общем, я уверен, что SpaceShip появится раньше, чем Британский челнок. SpaceX хотя бы только анонсировали кораблик, два года его попеределывали и всё, уже построили пару летающих стархопперов, один из которых чуть не взорвали по приколу, а второй размером почти что с будущий корабль.
В общем, такой вот у нас расклад по новому кораблю от SpaceX, а с вами был Miron_Bleek, и всем спасибо за внимание!
