Raumfahrt ist immer noch teuer. Selbst wenn wir den scheinbar zu optimistischen Ansatz wählen, einen vollständig wiederverwendbaren Träger von 100 bis 150 Tonnen für 7 Millionen US-Dollar auf den Markt zu bringen, erhalten wir etwa 50 US-Dollar pro Kilogramm Nutzlast. Ein Flug zum Mond oder Mars mit demselben StarShip erhöht die Mindestkosten für die Frachtlieferung um das Sechsfache (5 Tanker werden hinzugefügt) auf ~ 300 USD pro Kilogramm.
Aus solchen Berechnungen wird normalerweise geschlossen, dass die Erforschung des industriellen Weltraums unmöglich ist, ohne grundlegend neue Energiequellen oder sogar nicht reaktive Bewegungen zu entwickeln oder etwas sehr Wertvolles im Weltraum zu finden. Es ist nur so, dass es die Tatsache übersieht, dass die meisten Himmelskörper im Sonnensystem eine außer Kontrolle geratene Geschwindigkeit haben, die viel niedriger ist als auf der Erde, wo wir theoretisch die Minen importieren wollten, und die Erde hat eine Atmosphäre, die Raumschiffe und ballistische Kapseln verlangsamt, ohne reaktive Masse zu verbrauchen.
KAPV und eine Zusammenfassung einer Reihe von ArtikelnNicht genug Vespengas
Die Idee, dass es gut wäre, vor langer Zeit Treibstoff für den Rückflug vor Ort zu bekommen. Ich würde es wagen vorzuschlagen, dass es in der Science-Fiction in den 1960er Jahren nicht neu war. Aber vielleicht war R. Zubrin im Mars Direct-Projekt der erste, der sich entschied, es als Grundlage für eine vielversprechende bemannte Mission zu fördern. Dann kam Elon Musk, der sich entschied, Ja zu nehmen und es zu versuchen (in Arbeit).
Es ist merkwürdig, dass bei der Herstellung von Kraftstoff aus lokalen Ressourcen durch Elektrolyse oder durch die Sabatier-Reaktion Festphasen-NRE wirtschaftlich nachteilig wird. Ja, das Methan-NRE hat einen spezifischen Impuls, der etwa doppelt so hoch ist wie das Methan-Sauerstoff-LRE (siehe das Buch "Elektrische interplanetare Schiffe" oder das Spiel Kinder einer toten Erde). Das ist nur für jedes Kilogramm Methan, der Sabatier-Reaktor liefert 4 Kilogramm Sauerstoff. Überschüssiger Kraftstoff wird normalerweise im Raketentriebwerk mit flüssigem Treibmittel verwendet, aber im Fall von Raptor und Zvezdolet machen 240 Tonnen Methan 860 Tonnen Sauerstoff aus.
In der Grafik entsprechen die blauen Säulen den Endmassen für vier Raketen mit einer charakteristischen Geschwindigkeit (auch bekannt als Delta ve) von 5 km / s und Treibstoffreserven, deren Energiekosten der Synthese von 1100 Tonnen Methan-Sauerstoff entsprechen. Die gelben Säulen sind die Nutzlast abzüglich der Masse der Rakete, vorausgesetzt, jede Technologie hat 0,1 Tonnen Struktur pro Tonne Treibstoff. Orange - Nutzlast unter Berücksichtigung der Dichte des Kraftstoffs (Methan-Sauerstoff - 20 Tonnen pro Tonne Rakete, Methan - 15 Tonnen, Wasserstoff-Sauerstoff - 10 Tonnen, Kern - 5 Tonnen). Ein Delta von 5 km / s wurde genommen, weil es die zweite Raumgeschwindigkeit des Mars ist. Im Fall des Mondes und seiner 2,5 km / s wird der Vorteil chemischer Raketen noch ausgeprägter sein.
Wie aus der Grafik ersichtlich ist, übertrifft Methan-Sauerstoff den Rest der Technologien ohne Optionen aufgrund der größeren Anfangsmasse. Ein Methan-Kerntreibstoffmotor könnte mit einem Wasserstoff-Sauerstoff-Flüssig-Treibstoff-Raketentriebwerk argumentieren. Nur wenn Methan synthetisiert werden kann, kann ein Methan-Flüssig-Treibstoff-Raketentriebwerk aufgeladen werden. Damit Methan und Wasserstoff NRE die Verwendung nur eines Teils der Produkte der Brennstoffanlage kompensieren können, benötigen sie einen spezifischen Impuls von etwa 10 bzw. 30 km / s. Schlussfolgerung: Für den Weltraumtransport mit außerirdischen Quellen des Arbeitsmediums sind Festphasen-NREs nicht vielversprechend. Nur Gasphasenmotoren könnten von Interesse sein, selbst in den besten Zeiten des nuklearen Optimismus, Papiere, die nicht weiter fortgeschritten sind. Methan-Sauerstoff ist ein bevorzugteres Paar als Wasserstoff-Sauerstoff. Wenn sich jedoch keine Kohlenstoffablagerungen auf dem Himmelskörper befinden, müssen Sie das verwenden, was ist.
Nicht genug Mineralien
Also. Wir wollen eine Pflanze auf dem Mond bauen, die zu akzeptablen Kosten etwas Nützliches auf die Erde sendet. Am Anfang müssen Sie genau diese Kosten berechnen.
Die Straßenkarte des Cislunic Space. Von
hier genommen .
Nach dem Schema benötigen wir für einen Flug von einem erdnahen Tiefpunkt zum ersten Lagrange-Punkt ein Delta ve von 3,7 km / s. Und noch 2,5 km / s zur Landung. Ein voll aufgeladenes Raumschiff landet ohne Nutzlast mit 130 Tonnen Treibstoff auf dem Mond. Nachdem wir ~ 50 Tonnen Regolith in das Schiff geladen haben, werden wir immer noch eine Reserve an Deltas haben, um zur Erde zu fliegen. Wenn man bedenkt, dass die Kosten für die Expedition zusammen mit dem Start der Tanker 50 Millionen US-Dollar betrugen (Mask selbst versprach "wie Falcon-1 aufgrund der Wiederverwendbarkeit", dh 5 bis 7 Millionen pro Flug), erhalten wir 1000 Dollar pro Kilogramm Regolith. Was merkwürdig ist, bei einem solchen Preis und Liefervolumen ist es schon ziemlich realistisch, einfach mit Regolith gegen Souvenirs und Lehrmaterial für Universitäten zu handeln.
Aber auf der Erde gewinnt niemand Mineralien, ist mit dem Hubschrauber in ein reines Feld geflogen und hat alles Schlechte darin gelassen. Stattdessen wird zu Beginn eine Transport- und Bergbauinfrastruktur aufgebaut. Wenn wir dasselbe Raumschiff als Transportinfrastruktur betrachten, haben wir einen Engpass in Form von +1000 $ / kg für den Transport. Im Prinzip können Sie damit leben, wenn Sie etwas finden, das für mehr als 2000 USD / kg gedrängt werden kann (unter Berücksichtigung von Nichttransportkosten und einer Marge ungleich Null). Und solche Substanzen existieren - siehe Preisliste [1]. ULA wollte in seiner CisLunar Economy Materialien für den Bau von Satelliten und Solarkraftwerken in die erdnahe Umlaufbahn bringen. Versuchen Sie dennoch, den Engpass zu vergrößern.
Wir werden den Engpass durch die Optimierung des Transports vergrößern. Aus der Sicht des Mondes ist das Starship-Shuttle-Shuttle-Schema nicht optimal - ein wiederverwendbares Schiff taucht ständig in den Kies ein, von wo aus es herausgezogen werden muss, und nimmt gleichzeitig Treibstoff für Flüge in derselben Grube auf. Darüber hinaus ist auf dem Mond höchstwahrscheinlich Wasser vorhanden, und die Sonnenkonstante ist ohne Wolken doppelt so hoch wie auf dem Mars. In Einschlagkratern finden sich Metalle, einschließlich Eisen. Letzteres ist insofern praktisch, als es von einem Satelliten in einem Magnetfeld abgetastet und unter Verwendung eines Regolithen ausgewählt werden kann.
Sie können Fracht vom Mond zur Erde auf folgende Weise starten:
- Raketen aus lokalen Ressourcen.
- Elektromagnetische Pistole.
- Irgendwie anders.
Lassen Sie uns bei der ersten Option verweilen, wenn man bedenkt, dass sich die NASA nicht auf Kosten des Wassers geirrt hat. Nach den neuesten Daten beträgt das Wasser allein am Nordpol mindestens 600 Millionen Tonnen [2], so dass die Erschöpfung dieser Ressource in naher Zukunft nicht gefährdet ist.
Eine Rakete kann entweder vor Ort gebaut oder von der Erde importiert werden. In der ersten Ausführungsform ist eine einmalige Verwendung möglich, in der zweiten nur wiederverwendbar. In beiden Fällen ist es notwendig, die Herstellung von ballistischen Einwegkapseln aus lokalen Ressourcen zu beherrschen.
Erwägen Sie die Option einer "Import" -Rakete. 2 Tonnen Trockengewicht, 14 gewürzt. Schlimmer als der Centaurus mit 20 Tonnen Wasserstoff-Sauerstoff pro 2 Tonnen Trockenmasse, aber der Centaurus hat keine Beine, um auf dem Mond zu landen. Ohne PN hat der Schlepper ein Delta von 8,5 km / s, was für eine Landung auf dem Mond beim Start mit einem DOE ausreicht. Auf die das Boot das gleiche "Raumschiff" der zugehörigen PN werfen wird. Zurück zur Erde kann das Schiff eine 10 Tonnen schwere ballistische Kapsel herausschieben und leer zurückkehren.
Die Kosten für eine Schlepperreise entsprechen den Kosten für den Bau eines Schleppers und dessen Übergabe an das DOE geteilt durch die Anzahl der Nutzungen. Für die ersteren scheinen die gleichen 50-60 Millionen US-Dollar eine völlig angemessene Schätzung von oben zu sein - dieser Betrag entspricht in der Größenordnung der Kosten für die Einführung eines ganzen Falcon-9 oder die Herstellung einer Drachenkapsel. Laut [3] konnte der RL-10-Motor in den frühen 1960er Jahren mit 50 Neustarts bis zu 2,5 Stunden laufen, nach Verbesserungen konnte er mehr als 11 Stunden dauern, leider gab es keine Informationen über die Anzahl der Starts. Aber es ist bekannt, dass die J-2 103 Starts und 6,5 Betriebsstunden standhielt, und dann wurden die Ingenieure müde :) Die Ressource von 50 Flügen mit dem Motor sieht also nicht fantastisch aus. Insgesamt haben wir ungefähr eine Million Dollar für einen Schlepperflug. In einem Flug wirft der Schlepper eine 10-Tonnen-Kapsel in Richtung Erde, vorausgesetzt, die Kapsel hat einen „Füllfaktor von nur 50%, wir erhalten eine Million für 5 Tonnen oder 200 USD pro Kilogramm. Fünfmal weniger als Starship. Das Interessanteste ist, dass der Preis nur auf 400.000 USD pro Tonne steigt, wenn anstelle des Raumschiffs ein Schlepper mit dem üblichen Falcon-9 mit einer gebrauchten Bühne und einer Bühnenrendite gestartet wird.
Aber wird nicht die ganze Schaffung einer Tankstelle verderben? Ja, und zusammen mit der Herstellung von ballistischen Kapseln und der Herstellung von Seltenen Erden. Darüber in der folgenden Fortsetzung.
Referenzen:
[1]
http://www.infogeo.ru/metalls/price/?act=show&okp[2]
https://www.nasa.gov/mission_pages/Mini-RF/multimedia/feature_ice_like_deposits.html[3]
https://history.nasa.gov/SP-4221/ch6.htm