Category: космос

Category was added automatically. Read all entries about "космос".

ДР Цертуса 2011

(no subject)

Настоящим объявляю, что все мои персональные данные, тексты, фотографии, рисунки, переписка и т.п. являются объектами моего авторского права (согласно Бернской Конвенции), и оповещаю «ЖЖ» (LiveJournal, Inc / SUP Media) о том, что разглашение, копирование, распространение моей личной информации в коммерческих целях равно как и любые другие противоправные действия по отношению к моему профилю в социальной сети строго запрещены.

Для коммерческого использования всех вышеупомянутых объектов авторского права в каждом конкретном случае необходимо мое письменное разрешение.

Гёттинген
17 января 2015 г.
Александр Куклев
ДР Цертуса 2011

Прогресс

Десять дней назад, вторая ступень SpaceX'овского корабля Starship своим ходом слетала своим ходом на десять километров вверх, и усмепшно приземлилась назад на космодром. Это, на-минуточку, стальная болванка размером 55 метров в высоту и 9 в диаметре. То есть как 15-этажный дом, у которого на каждом этаже квартира площадью более 60 квадратный метров. Оно летает и садится. И в 2024 году полетит на луну, скорее всего.

Вторая новость менее свежа и менее зрелищна, но куда более монументальна. На тестовой установке C2-W (Норман) компании Tri-Alpha Energy (с инжекторами нейтралов из Новосибирского ИЯФа им. Будкера) научились стабильно держать хорошую плазму температуры 50-70 миллионов градусов по 5 миллисекунд, причём время ограничено только запасом энергии на прогрев плазмы и вопросами теплоотвода. На следующей тестовой установке они рассчитывают поднять температуру ещё в два с половиной раза и получить таким образом условия, достаточные для стабильной реакции синтеза дейтерия с тритием, таким образом обогнав ИТЭР.

Такой демонстратор у них скорее всего получится. Демонстратор, а не энергоустановка, дляпотому что там не будет предусмотрено устройств для съема произведённой энергии, и кучи-кучи-кучи невероятно сложны инженерно устройств охлаждения, радиационной защити и проч., позволяющей такой установке работать в непрерывном режиме.

Дело в том, что цель их в другом — цель добиться безнейтронной (не производящей радиоактивных отходов) реакции синтеза p-¹¹B, для чего нужно будет поднять температуру ещё в десять раз. Но это святой грааль энергетики и ракетостроения.
Во-первых, безнейтронная реакция это уже не “чайник топить”: в отличие от атомных реакторов и реакторов на дейтериево-тритиевом синтезе, которые просто греют теплоноситель, из которого энергию добывают при помощи паровых турбин, с безнейтронной реакции можно снимать электроэнергию напрямую, благодаря чему возможен несравнимо более высокий КПД.
Во-вторых, на безнейтронной реакции синтеза можно сделать прямоточный термоядерный ракетный двигатель, не убивающий радиацией всё живое на корабле. И одновременно, являющийся энергоустановкой для внутренних нужд корабля, не требующий недоступных в открытом космосе систем теплоотвода. И это единственный вид ракетных двигателей, дающий:
1) перспективу путешествий за пределы Солнечной Системы;
2) перспективу пилотируемых межпланетных путешествий дальше Марса.

Я совсем не уверен, что TAE успеют как они надеются к 2030-2040 году, но чёрт с ним, главное чтобы они вообще в принципе хоть когда-нибудь смогли, потому что если у них получится — то это новая эра в жизни человечества. Эра энергетической независимости (от ископаемых, стационарных и волатильных источников) и доступности межпланетных путешествий.
ДР Цертуса 2011

Sea Launch for SpaceX

А вот для сверхтяжелых ракет воздушный старт — совсем не опция. Как следствие, не опция и для ракет полностью многоразовых, потому что экономически осмысленная полностью многоразовая ракета не может быть менее чем сверхтяжелой, по крайней мере если исходить из доступной в ближайшие 15-20 лет технологической базы. Поэтому SpaceX этим воздушными стартами не интересуется.

Зато при запуске сверхтяжелой ракеты можно несколько выиграть, если запускать её с экватора или очень рядом к нему, особенно ежели не с земли, а с плавучей стартовой площадки в море. Кажется, с этой целью, как выяснилось на прошлой неделе, SpaceX купил две неиспользуемые океанские нефтедобывающие платформы. Планы, насколько я понимаю, наполеоновские — с платформы стартует двухступенчатый SpaceShip, первая ступень сразу же возвращается и садится туда же (причём без использования ножек, она просто зависает над стартовым столом и её ловят железны хваталочки под белы рученьки-Grid Fins), и после инспекции, установки на ея кумпол новой второй ступени и перезаправки готова к следующему старту.

Да, если что, идея морского старта совершенно не новая, ей в обед сто лет, более того такие старты даже практиковали несколько лет. Есть такая компания https://en.wikipedia.org/wiki/Sea_Launch которая ровно этим и занималась используя носитель Зенит-3SL совместного Украино-Российского производства, пока не случился конфликт между Россией и Украиной.
ДР Цертуса 2011

RocketLab + Virgin Orbit

Вот есть фирма RocketLab она делает ракету Electron для запуска маленьких спутников на орбиту. На 500-километровую гелиосинхронную орбиту она умеет поднимать чуууть больше 300 кг. Бывает в двух вариантах — двухступенчатая для одного спутника побольше, или двух-с-половиной-ступенчатая для сборного груза совсем маленьких спутников формфактора CubeSat, двух-с-половинная ступень это штука для распихивания спутников из сборного груза каждый по своей орбите.

Фирма RocketLab очень прикольная, потому ракеты у них невероятно лёгкие, компактные, очень эффективные для своего класса, и они очень крепко стоят на пути к тому, чтобы использовать первые ступени многоразово, что резко снижает стоимость запуска. У них подход не в том, чтобы ступень садилась, а в том, чтобы спускалась на парашюте, и внизу её вертолётом ловить (да, она такая лёгкая, что её можно без проблем ловить вертолётом). Причём прошлой осенью у них уже можно сказать всё получилось. Они не делали последнего шага, не ловили вертолётом, просто позволили ступени аккуратно приводниться, и её подняли. Всё получилось, ступень в отличном состоянии. А манёвр ловли вертолётом они уже репетировали отдельно, и там совершенно ничего невозможного. Когда у них начнёт получаться, они планируют снизить цену запуска до менее чем $50k за одноюнитный CubeSat в составе сборного груза (сейчас от 80k).

А есть фирма Virgin Orbit, которая запускает существенно менее новаторскую ракету, но очень новаторским способом — прямо в воздухе, с самолёта. И по параметрам того, что запускать, они тика в тику как Electron. Те же 300 кг CubeSat'ов на 500км гелиосинхронную орбиту. У них на прошлой недели случился первый удачный запуск, Virgin flight так сказать. Прямо немедленно хочется губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича, в смысле запускать так RocketLab'овский Electron, да сразу с многоразовой первой ступенью.

Virgin Orbit запускает ракету с обычного Боинга 747-400, то есть не очень высоко и с дозвуковой стартовой скоростью, так что выигрыш в плане ∆v/грузоподъёмности невелик. Однако, есть другие бесспорные плюсы:

– Не нужно строить стартовую площадку, над космодромами какими-то задумываться. Самолёт с прицепленной ракетой может взлететь с практически любой взлётнопосадочной полосы, из любого достаточно большого гражданского или военного аэропорта.

– Можно производить старт хоть прямо над экватором, с любым желаемым наклонением, на любой желаемой долготе. Т.е. не нужно будет у ракеты тратить топливо на маневры изменения наклонения, на этом действительно иногда можно получить значительный выигрыш в ∆v/грузоподъёмности.

— У первой ступени ракеты можно использовать более оптимизированное под вакуум сопло, что тоже некоторая экономия.

— Если предположить, что первые ступени будут использоваться многоразово, то получается существенная экономия ресурса двигателей первой ступени.

— Старт становится практически независимым от погодных условий.

Кроме того, объединение усилий RocketLab и Virgin Galactic было бы очень хорошим шагом на пути к стратосферному запуску.

Дело в том, что запуск в воздухе, если его делать не с обычного грузопассажирского Боинга, а очень высоко в стратосфере (не ниже 28км) со сверхзвукового (а лучше, гиперзвукового) самолёта-дрона, да ещё сразу под правильным углом вверх (задрав нос самолёту перед стартом) позволяет получить колоссальый выигрыш в ∆v/допустимой массе полезной нагрузки и таким образом сделать запуски намного дешевле, и в частности иметь возможность конкурировать с полностью многоразовыми сверхтяжелыми ракетами-носителями (имеется в виду, конечно, SpaceX Starship, буде он залетает). Но это надо с нуля разрабатывать самолёт-нулевую ступень, что естественно очень сложно, долго, дорого, рискованно. Но может быть этого слона можно будет съесть по частям, начав с запусков с обычного Боинга.

Риски кстати в основном в том, что если будет летать и Starship и такие штуковины, то найдётся ли вообще столько желающих запускать что-то в космос? С одной стороны это станет очень дёшево, запуски одноюнитных CubeSat'ы начнут быть по карману чуть ли не для школьных проектов. С другой стороны, сколько можно выдумать оригинальных проектов малого размера и веса, имеющих хоть какой-то смысл? С третьей стороны, изготовление и обкатка стартующего с земли стратосферного гиперзвукового самолёта-дрона (особенно если с двигателями в духе Reaction Engines Scimitar, но на жидком метане в качестве топлива) — само по себе очень полезное в народном хозяйстве дело.
ДР Цертуса 2011

Водный транспорт

А сейчас производят какие-нибудь скоростные речные трамваи, вроде «Ракет» на подводных крыльях?
Помню в детстве были все эти Ракеты, Кометы, Метеоры, Восходы 50х-60ых годов изготовления с неплохой для такого вида транспорта крейсерской скоростью 60-65 км/ч («Восходы» были 70ых, но ТТХ почти такие же). А потом это всё как-то не развивалось, хотя казалось бы, хорошая вещь.

Ещё помню был французский проект BGV (Bateau à Grande Vitesse), который появился в 80ые, потом его пытались воскресить из мёртвых то в 90ые годы, то в 2000ные. Это должны были быть трёхточечные глиссеры-паромы, и они должны были развивать на воде скорость аж 120 км/ч...
ДР Цертуса 2011

Mach 5

Конечно, обидно что в качестве летательного аппарата, с которого можно было бы запустить орбитальную ракету приходится называть устройство, которому уже 55 лет. Неужели ничего нового вообще не происходило?

Происходило, но медленно. Есть один занятный проект-долгострой — Skylon. Очередной орбитальный самолёт, который делают с 1989 года. Для него делают двигатель, который умеет работать и с воздухозабором снаружи и на жидком кислороде из бака, и обладает хорошей тягой и сносным КПД прямо во всех диапазонах скоростей от нулевой и до первой космической. Как и всё с подходом one size fits all, это мегапроект, который вероятнее всего устареет прежде чем успеет взлететь. Однако от него возникло интересное ответвление:

С 2008 по 2012 год Еврокомиссия проводила крупный аналитический проект https://en.wikipedia.org/wiki/LAPCAT — поиск возможных концепций для сверхзвуковых самолётов обозримого будущего. И тогда, проанализировав всё, что бывает, они обнаружили, что практически единственный реальный вариант двигателя для такого самолёта — собственно адаптированный для самолётных нужд движок от Skylon — A2 Scimitar (https://en.wikipedia.org/wiki/Reaction_Engines_A2). Крейсерская скорость над морем 5.2 маха, крейсерская скорость над заселённой землёй 0.9 маха, от Лондона до Нью-Йорка за час, от Брюсселя до Сиднея три. В высокоскоросном режиме летит на 28000 метров. Топливная эффективность в высокоскоросном режиме выше чем у Конкорда на смотря на вдвое большую скорость. Топливная эффективность в дозвуковом, конечно, не как у Дримлайнера, но тем не менее выше чем у Ту-154.

Ну и ракету с этого запускать люто прекрасно, оно может лететь 6370 км/ч на высоте 28000 м, причём вполне можно перед запуском полететь практически вертикально вверх. (Если Rocket Lab Electron запускать с такой хрени, то оно сможет выводить на орбиту минимум полторы, а то и две тонны.)

Одна беда у всей этой шараги — топливом является жидкий водород.
ДР Цертуса 2011

Другой подход

Кроме SpaceX есть ещё один ну очень интересный игрок на том же рынке — Rocket Lab. Они делают малюсенькую ракету Electron, которая выводит на орбиту всего 150кг. Ракета диаметром 120 сантиметров, высота первой ступени (которую, весьма вероятно, вот вот научатся делать многоразовой) всего 12 метров, сухая масса — 950кг, меньше чем у автомобиля, даже если это Mini Cooper. Летит эта первая ступень на 9 двигателях Rutherford по 35 кг штука. Вторая ступень 240см в высоту, 250кг сухого веса (1 двигатель Rutherford). Полностью загруженная топливом и полезным грузом ракета весит 12.7 тонн.

У них две стартовых площадки (и они строят третью), у них роботизированная фабрика, которая делает готовую ракету менее чем за неделю от начала и до конца, расчётная мощность фабрики 50 ракет в год. Им удаётся поддерживать очень-очень низкие затраты на всё вокруг ракеты, прямо сейчас, когда они ещё не добились многоразового использования первой ступени, они берут по 6 миллионов долларов за старт, и это им окупается. Обеспечив многоразовость и отбив начальные инвестиции, они наверняка смогут опустить цены до менее чем миллиона (для конечного покупателя). Кстати, затраты на топливо тут тоже практически нулевые — Для вывода тех 150кг на орбиту потребляется чуть больше 11 тонн топлива с окислителем (керосин с жидким кислородом), это около $3500. Это меньше 1% цены старта при вообще любом раскладе.

* * *

Теоретически ракету с такими параметрами можно запускать не с земли, а с самолётика вроде B-70 Valkyrie (так сказать, нулевой многоразовой ступени). Сейчас при старте с земли Electron достигает скорости 3000 км/ч на высоте 27 километров. Я неспроста сказал B-70 Valkyrie, потому что это в точности та штука, которая может тащить 15 тонн груза и лететь со скоростью 3200 км/ч на высоте 25000 км, причём ненадолго она может задрать нос и обеспечить скорость под 3000 под углом около 45° вверх и забрамшись почти до 30км высоты. Ежели делать это ещё и над экватором, то таким образом за счёт старта экономится вроде как до половины Delta-v бюджета полёта до LEO, плюс сопло, оптимизированное под ту стартовую высоту даёт более приличный удельный импульс, то есть можно будет брать не 150кг полезного груза, а скажем 300кг. Или я обсчитался?
ДР Цертуса 2011

Diminishing Returns

Использование многоразовых первых ступеней ракет позволяет снизить цену запуска полезной нагрузки на орбиту (низкую околоземную) в десять раз, до менее чем тысячи долларов за кг. Если сделать многоразовыми обе ступени (в смысле full and rapid reusability, а не как это было у шаттла), как SpaceX планирует это сделать в рамках Starship, позволит снизить цену ещё в три с полтиной раза — до менее чем 300 долларов за кг.

Как вы думаете, какую долю составляет цены топлива и окислителя?

В ноябре Илон Маск рисовал вот такую радужную картину: “we consider our operational costs would probably be around $2 million per flight. That includes a cost of fuel and oxygen at around $900,000”. При этом планируется, что выводится не меньше 100 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту в варианте, что ракета возвращаемая, т.е. цена топлива составляет всего $9 за килограмм. При максимально оптимистичном сценарии доводки тяговооруженности (thrust-to-weight ratio) ожидается 150 тонн полезной нагрузки, т.е. 6 долларов на килограмм за топливо, это настолько мало, что дальнейшая оптимизация КПД двигателей вряд ли имеет хоть какой-то смысл по части снижения конечной цены запуска.

Теоретический потенциал снижения удельной цены топлива всего максимум двукратный (пока двигатели остаются химическими):
– переход на непрерывное детонационное сгорание сулит улучшение удельного импульса на 10%-20%, и в предположении что тяговооруженность от такого перехода не пострадает заметно, это даёт возмоность выводить на орбиту примерно в полтора раза больше, чем без оного;
– аналогично, если удалось бы внедрить клиновоздушные сопла, удалось бы выводить на орбиту процентов на 40 больше, в предположении, что проблему с охлаждением можно как-то решить, не калеча тяговооруженность и многоразовость изделия.

Реализация обоих пунктов программы как раз даёт чуть более чем двукратное увеличение выводимой полезной нагрузке при том же количестве затраченного топлива. Если умудриться реализовать такую жемчужину инженерной мысли, будут затраты на топливо и окислитель порядка 3 долларов за кг.

Вообще же цена вывода полезного груза складывается из следующих факторов:
1) отбивание вложений в R&D.
2) затраты на наземные facilities;
3) операционные издержки (кроме топлива);
4) амортизация ракеты;
5) цена топлива.

Пункт 1 сейчас в цену не входит вообще, эти затраты переложены на инвесторов и NASA. Пункты (2) и (3) это про обеспечение массовости, оптимизацию процессов и бизнес, и только чуть-чуть про инженерные вопросы. Вот (4) это во многом реально про инженерные вопросы: про то, как выжать из железяк максимально возможное количество повторных запусков, и при этом держать цены межпусковой подотовки низкими.
ДР Цертуса 2011

К юбилею высадки на луну

SpaceX вообще молодцы, я с диким интересом слежу за разработкой двигателя Raptor и ракеты BFR.

SpaceX удачно завершают первую стадии стратегического развития — они сделали двухступенчатые ракеты космического назначения (Falcon-9 и Falcon Heavy) на нетоксичном доступном топливе с возвращаемыми и подлежащими многократному использованию первыми ступенями. Добились стабильной посадки этих ступеней и довольно твёрдо идут к тому, чтобы посаженную ступень можно было повторно использовать уже через несколько суток — сейчас на то, чтобы привести использованный бустер в рабочее состояние уходит чуть больше двух месяцев. Попутно они развили несложный (по меркам современных ракетных двигателей) и не новый (базирующийся на недоделаном NASA'вском двигателе Fastrac) до конфетки в своём классе, имеющей рекордную тяговооруженность среди всех ракетных двигателей для систем запуска орбитального класса.

Именно чтобы добиться этих результатов как можно скорее, SpaceX изначально шли на много компромиссов — Falcon'ы имеют малый диаметр, Merlin базируется на изначально устаревшем подходе к двигателестроению и т.д. На второй стадии они делают ракету толще и двигатель, который базируется на самом совершенном из известных подходов к двигателестроению. При этом на ещё более нетоксичном и дешёвом топливе — метане. (Хотя при этом избегают пока экспериментов с переходом от классических к клиновоздушным двигателям в качестве стартово-посадочных, хотя это теоретически даёт выигрыш в топливной экономии и в тяговооруженности за счёт экономии на подвесе. Но нельзя же экспериментировать со всем одновременно.)

Надо помнить, что первоочередная задача в том, чтобы снизить цену вывода грузов на орбиту. И самый радикальный способ снизить эту цену сейчас — сделать вторую ступень тоже возвращаемой. И переход к двигателю Raptor и ракете BFR на самом деле ради этого. Уже потом, когда это, ттт, заработает, можно будет думать о дальнейшем повышении тяговооруженности и топливной экономии двигателей. Ну, а когда выжимать топливную экономию и снижать массу двигателя и судна будет некуда, ещё можно перейти к старту с экватора, тем самым повысив количество полезной массы, которую ракета может вывести на орбиту, на 20-50% (в зависимости от характера миссии) чисто благодаря точке старта.

И вот когда (и если) цена вывода грузов на орбиту будет радикально снижена, это откроет совершенно новые перспективы. Когда запускать дёшево, возникнет куча исследовательских проектов, желающих запустить “свой маленький спутничек-телескопчик” да и куча других заказчиков, возможно станет доступной постройка “орбитального космодрома-дозаправочной станции”, что сделает возможной (в идеале — рентабельной) добычу полезных ископаемых в космосе и более-менее рутинные полёты на луну и марс.

А вообще, и Tesla и SpaceX можно рассматривать как подготовку площадки, чтобы когда наконец возникнут термоядерные электростанции и термоядерные ракетные двигатели, всё сразу было готово к тому, чтобы начать ими пользоваться всласть. (Использовать ТЯРД нужно только в открытом космосе, для взлёта и посадки обычные двигатели подходят гораздо лучше.) А этим уже занимается совсем не Elon Musk, а TAE Technologies и НИИ ядерной физики имени Будкера. Вот если у них всё получется, то будет вам и декарбонизация, и энергии завались, и эффективный транспорт в пределах солнечной системы, и перспективы межзвёздных полётов к землеподобным планетам.
ДР Цертуса 2011

(no subject)

Когда занимаешься уборкой, счетами и тому подобными неприятными занятиями, иногда очень приятно вспомнить что-нибудь очень мотивирующее. Одна из самых мотивирующих меня вещей — существование и работа «Организации Планетарной Защиты» (https://www.nasa.gov/planetarydefense) при NASA.

Они следят за всевозможными астероидами и кометами (NEO), которые могли бы потенциально врезаться в землю. Совсем опасных NEO — таких, столкновение с которыми приводит к планетарной катастрофе типа той, когда вымерли все динозавры, они нашли 893 штуки (а общее количество таковых оценивают в 930-940). А штуковин типа Тунгузского метиорита (т.е. способных уничтожить какой-нибудь один город) они нашли 8755 штук, и считают что это примерно четверть всех таких объектов в солнечной системе. Ну и продолжают работать, в общем. Кроме этого, они исследуют как бы заблаговременно выяснять о всяких других космических опасностях.

Единственное, чему я поражаюсь, так это почему они финансируются только правительством США. Казалось бы вот такие вещи, как и защита на случай пандемий и стихийных бедствий, должны быть организованы на уровне Организации Объединённых Наций. Ах, ну да, конечно же — там все слишком заняты написанием резолюций против израильской военщины. :-)