V polovině 20. století bylo lidstvo fascinováno vesmírem. Vypuštění prvního satelitu, Gagarinův let, výstup do vesmíru, přistání na Měsíci - zdálo se to trochu víc - a poletíme ke hvězdám, zejména proto, že ambiciózní meziplanetární projekty kosmických lodí skutečně existovaly. A jako základny na Měsíci, lety na Mars - to bylo něco, co bylo považováno za samozřejmost.
Priority se ale změnily. Technologie minulého století, přestože umožňovaly implementovat vše výše uvedené, byly extrémně drahé. Expanze do vesmíru založená na technologiích minulého století by k vyřešení tohoto problému vyžadovala přeorientování všech ekonomik předních zemí světa.
Intenzivní průzkum vesmíru vyžaduje řešení dvou základních úkolů: prvním je zajištění možnosti vypuštění masivního objemného nákladu na oběžnou dráhu a druhým je snížení nákladů na start na oběžnou dráhu na jeden kilogram užitečného zatížení (PN).
Pokud se lidstvo s prvním úkolem vyrovnalo relativně dobře, pak s druhým - vše se ukázalo být mnohem komplikovanější.
Dlouhá cesta do vesmíru (a velmi drahá)
Od samého začátku byly nosné rakety (LV) na jedno použití. Technologie 20. století neumožnila vytvoření opakovaně použitelné nosné rakety. Zdá se to neuvěřitelné, když stovky milionů nebo miliardy rublů / dolarů shoří v atmosféře nebo havarují na povrchu.
Představme si, že by lodě byly stavěny pouze pro jeden výstup do moře a poté by byly okamžitě spáleny. Nastala by v tomto případě éra velkých geografických objevů? Byl by kolonizován severoamerický kontinent?
Nepravděpodobné. Lidstvo by s největší pravděpodobností žilo jako izolovaná centra civilizace.
Možnost vypuštění velkých a super těžkých nákladů na nízkou referenční oběžnou dráhu (LEO) byla implementována v americkém monstrózním super těžkém nosném raketě Saturn-5. Právě tato raketa, schopná nést 141 tun PN na LEO, umožnila Spojeným státům stát se v té době vůdci vesmírných závodů a dopravit americké astronauty na Měsíc.
Sovětský svaz prohrál závod o Měsíc, protože nedokázal vytvořit super těžkou nosnou raketu srovnatelnou se Saturnem-5.
A SSSR nemohl vytvořit super těžkou nosnou raketu kvůli nedostatku silných raketových motorů. Z tohoto důvodu bylo v první fázi sovětského supertěžkého pětistupňového LV N-1 nainstalováno 30 motorů NK-33. S ohledem na absenci možnosti počítačové diagnostiky a synchronizace provozu motoru v té době, jakož i na skutečnost, že kvůli nedostatku času a financí byly provedeny pozemní dynamické a požární zkoušky celého LV nebo sestavy prvního stupně neprovedeno, všechna zkušební spuštění LV N-1 skončila neúspěchem ve fázi prvního stupně.
Pokusem o radikální snížení nákladů na vypuštění kosmické lodi na oběžnou dráhu byl americký program Space Shuttle.
V opakovaně použitelné transportní kosmické lodi (MTKK) raketoplánu byly vráceny dvě ze tří komponent - posilovače tuhého paliva padákem vystříkly dolů do oceánu a po kontrole a doplnění paliva mohly být znovu použity a kosmické letadlo - raketoplán přistálo na dráze podle schématu letadla. V atmosféře hořela pouze nádrž na kapalný vodík a kyslík, palivo, ze kterého využívaly motory raketoplánu.
Systém Space Shuttle nelze klasifikovat jako super těžkou nosnou raketu - maximální hmotnost užitečného zatížení, které vynesl na nízkou referenční oběžnou dráhu (LEO), byla menší než 30 tun, což je srovnatelné s výkonem užitečného zatížení ruské nosné rakety Proton.
Sovětský svaz reagoval programem Energy-Buran.
Navzdory vnější podobnosti raketoplánu a systému Energia-Buran měli klíčové rozdíly. Pokud v raketoplánu start na oběžnou dráhu zajišťovaly dva opakovaně použitelné boostery na tuhá paliva a samotná kosmická loď, pak v sovětském projektu byl Buran pasivním nákladem nosné rakety Energia. Samotnou nosnou raketu Energia lze právem připsat „superheavy“- byla schopná vynést 100 tun na nízkou referenční oběžnou dráhu, jen o 40 tun méně než Saturn -5.
Na základě nosné rakety Energia bylo plánováno vytvoření nosné rakety Vulcan se zvýšeným počtem bočních bloků na 8 kusů, schopných dopravit 175–200 tun užitečného nákladu na LEO, což by umožnilo provádět lety na Měsíc a Mars.
Nejzajímavější vývoj však lze nazvat projektem „Energy II“- „Hurricane“, ve kterém měly být všechny prvky opakovaně použitelné, včetně orbitálního kosmického letounu, centrálního bloku druhého stupně a bočních bloků prvního stupně. Rozpad SSSR nedovolil realizovat tento bezpochyby zajímavý projekt.
Přes veškerý svůj epický charakter byly oba programy omezeny: jeden - kvůli rozpadu SSSR a druhý - kvůli vysoké nehodovosti „raketoplánů“, které zabily tucet amerických astronautů. Program Space Shuttle navíc nesplnil očekávání, pokud jde o radikální snížení nákladů na vypuštění nákladu na oběžnou dráhu.
Po dokončení programu Energia-Buran lidstvu nezbyly žádné super těžké nosné rakety. Rusko na to nemělo čas a Spojené státy výrazně ztratily své vesmírné ambice. K vyřešení aktuálních naléhavých úkolů stačily nosné rakety dostupné oběma zemím (kromě dočasného nedostatku schopnosti Spojených států samostatně vypouštět astronauty na oběžnou dráhu).
Americká letecká a kosmická agentura NASA postupně realizovala návrh super těžké nosné rakety k řešení ambiciózních úkolů: například let na Mars nebo stavba základny na Měsíci. V rámci programu Constellation byla vyvinuta super těžká nosná raketa Ares V. Předpokládalo se, že „Ares-5“bude schopen přivést 188 tun užitečného nákladu na LEO a doručit 71 tun PN na Měsíc.
V roce 2010 byl program Constellation uzavřen. Vývoj na "Ares-5" byl použit v novém programu pro vytvoření super těžkého LV-SLS (Space Launch System). Super těžká nosná raketa SLS v základní verzi by měla být schopna dodat 95 tun užitečného zatížení do LEO a ve verzi se zvýšeným užitečným zatížením - až 130 tun užitečného zatížení. Konstrukce SLS LV využívá motory a posilovače tuhých paliv vytvořené v rámci programu Space Shuttle.
Ve skutečnosti to bude nějaký druh moderní reinkarnace „Saturnu-5“, podobný tomu jak v charakteristikách, tak v nákladech. Navzdory skutečnosti, že program SLS bude s největší pravděpodobností stále dokončen, nepovede k revoluci v americké ani světové astronautice.
Jedná se o záměrně slepý projekt.
Stejný osud čeká ruský projekt super těžké nosné rakety Jenisej / Don, pokud bude postaven na základě „tradičních“řešení používaných ve vesmírných technologiích.
Obecně byla do určitého bodu situace ve Spojených státech a v Rusku relativně podobná: ani od NASA, ani od Roskosmosu bychom stěží viděli nějaké průlomové řešení, pokud jde o umístění užitečného zatížení na oběžnou dráhu. Nic nového nebylo vidět ani v jiných zemích. Vesmírný průmysl se stal velmi konzervativním.
Soukromé společnosti vše změnily a je zcela přirozené, že se to stalo ve Spojených státech, kde byly vytvořeny nejpohodlnější podmínky pro podnikání.
Soukromý prostor
Samozřejmě, v první řadě mluvíme o společnosti SpaceX Elon Musk. Jakmile nebyl povolán - podvodník, „úspěšný manažer“, „Ostap Petrikovich Mask“a tak dále a tak dále. Autor přečetl na jednom ze zdrojů pseudovědecký článek o tom, proč nosná raketa Falcon-9 nepoletí: její tělo není stejné, příliš tenké a motory nejsou stejné, obecně existují milion důvodů, proč „ne“. Taková hodnocení mimochodem vyjádřili nejen nezávislí analytici, ale také úředníci, vedoucí ruských státních struktur a podniků.
Musk byl obviněn ze skutečnosti, že sám nic nevyvinul (a musel si sám vytvořit veškerou projektovou dokumentaci a poté sám sestavit nosnou raketu?), A že SpaceX obdržel spoustu informací a materiálů o dalších projektech od NASA (a SpaceX musela dělat všechno od nuly, jako by před tím ve Spojených státech neexistovaly vesmírné programy?).
Tak či onak, ale nosná raketa Falcon-9 se uskutečnila, létá do vesmíru se záviděníhodnou pravidelností, propracované první stupně přistávají se stejnou pravidelností, z nichž jedna již letěla 10 (!) Krát. Roskosmos ztratil většinu trhu pro vypouštění užitečného zatížení na oběžnou dráhu a po vytvoření SpaceX opakovaně použitelné kosmické lodi s posádkou Crew Dragon (Dragon V2) a trhu pro doručování amerických astronautů na oběžnou dráhu.
SpaceX má ale také raketu Falcon Heavy, která je schopná dodat LEO přes 63 tun. V současné době je to nejtěžší a nejvíce užitečné nosné vozidlo na světě. Jeho první stupeň a boční posilovače jsou také opakovaně použitelné.
V zadní části hlavy SpaceX dýchá další americký miliardář Jeff Bezos. Samozřejmě, zatímco její úspěchy jsou mnohem skromnější, ale stále existují úspěchy. Předně se jedná o vytvoření nového metan-kyslíkového motoru BE-4, který bude použit v nosné raketě New Glenn a ve nosné raketě Vulcan (která má nahradit nosnou raketu Atlas-5). Vzhledem k tomu, že Atlas-5 nyní létá na ruských motorech RD-180, po objevení BE-4 Roskosmos přijde o další prodejní trh.
Ve Spojených státech a v dalších zemích existují stovky start-upů, které vytvářejí nosné rakety a jiné typy letadel pro vynášení užitečného zatížení na oběžnou dráhu, start-upy pro vytváření satelitů a kosmických lodí pro různé účely, průmyslové technologie pro vesmír, orbitální turismus, a tak dále a tak dále.
Kam to všechno povede?
Na skutečnost, že se vesmírný trh bude rychle rozšiřovat a konkurence na trhu s umístěním užitečného nákladu na oběžnou dráhu povede k významnému snížení nákladů na jeho odstranění z výpočtu za jeden kilogram.
Náklady na vypuštění 1 kg užitečného nákladu na LEO systémem Space Shuttle nebo raketou Delta-4 činí zhruba 20 000 dolarů. Ruské nosné rakety Proton jsou schopny doručit užitečné zatížení společnosti LEO za méně než 3 000 $ za kilogram, ale tyto rakety běží na vysoce toxický asymetrický dimethylhydrazin a v současné době jsou mimo výrobu. Levné, vyvinuté v SSSR, rusko-ukrajinské Zenity jsou také minulostí.
Nosná raketa Falcon-9 za předpokladu, že je použit návratový první stupeň, může vynést užitečné zatížení na nízkou referenční oběžnou dráhu za cenu nižší než 2 000 USD za kilogram. Podle Elona Muska může Falcon-9 potenciálně snížit náklady na spuštění užitečného nákladu na 500-1100 dolarů za kilogram.
Někdo by se mohl ptát, proč je nyní pro zákazníky mnohem dražší vyndat užitečné zatížení?
Za prvé, náklady nejsou určeny pouze náklady na zahájení, ale také tržními podmínkami - cenami konkurentů. Který kapitalista by se vzdal extra zisku? Je ziskové být o něco nižší než konkurenti, postupně dobývat trh, místo toho, abychom dumpingovali, aniž bychom cokoli vydělávali, zejména proto, že v tak specifickém kritickém odvětví, jakým je trh s vesmírným startem, kontrolní struktury v každém případě podpoří několik dodavatelů, i když jeden má ceny několikanásobně vyšší než u konkurence.
Lze předpokládat, že snížení cen SpaceX bude pouze vyvoláno vznikem konkurentů tváří v tvář Blue Origin s jeho nosnou raketou New Glenn nebo jinými společnostmi a zeměmi, které vytvoří prostředky pro vypouštění užitečného zatížení s nízkými náklady na start.
Většina start-upů a slibných projektů však souvisí s vypuštěním užitečného nákladu vážícího stovky, maximálně tisíc kilogramů na oběžnou dráhu. To nepovede k revoluci ve vesmíru - stavba něčeho velkého bude vyžadovat těžké a super těžké opakovaně použitelné nosné rakety s nízkými náklady na vynášení užitečného nákladu na oběžnou dráhu. A zde, jak jsme již viděli výše, je vše smutné.
Všechno kromě nejdůležitějšího projektu SpaceX, plně opakovaně použitelné vesmírné lodi Starship s plně opakovaně použitelným prvním stupněm Super Heavy
Opakovaně použitelné super těžké
Rozdíl mezi Starship (dále jen Starship jako kombinace Starship + Super Heavy) oproti všem ostatním nosným raketám je ten, že oba stupně jsou opakovaně použitelné. Přitom užitečné zatížení hvězdné lodi na nízkou referenční oběžnou dráhu by mělo být 100 tun, to znamená, že jde o plnohodnotnou super těžkou raketu. Pro Starship vyvinula společnost SpaceX nové, jedinečné metanové kyslíkové motory Raptor s uzavřeným cyklem s plně komponentním zplyňováním.
SpaceX plánuje nahradit všechny své nosné rakety hvězdnou lodí, včetně velmi úspěšného Falconu 9. Vypuštění super těžké rakety je obvykle extrémně drahé - řádově jedna miliarda dolarů. Aby byly náklady na start nízké, plánuje SpaceX použít obě fáze mnohokrát - po 100 startech, případně i více. V tomto případě náklady klesnou téměř o dva řády - až deset milionů dolarů za spuštění. Když vezmeme v úvahu maximální zatížení 100 tun, dostaneme náklady na přivedení užitečného zatížení na LEO na úrovni asi 100 (!) Dolarů za kilogram.
Vrácené stupně samozřejmě budou vyžadovat údržbu, výměnu motoru po 50 startech, tankování, pozemní služby bude nutné zaplatit, ale samotná Starship bude s největší pravděpodobností stát méně než miliardu dolarů a její technologie výroby a údržby se budou průběžně zlepšovat zkušenosti získává SpaceX.
Elon Musk ve skutečnosti uvádí, že Starship může potenciálně dosáhnout nákladu při startu užitečného nákladu přibližně 10 $ za kilogram s celkovými náklady na start 1,5 milionu $ a náklady na dodání nákladu na Měsíc budou zhruba 20–30 $ za kilogram. ale to vyžaduje, aby hvězdná loď byla vypouštěna každý týden.
Kde sehnat takové objemy?
Ani armáda jednoduše nemá takové množství užitečného zatížení, že už existuje civilní prostor - rozvoj trhu bude trvat desítky let.
Kolonizace Marsu?
Je těžké o tom mluvit vážně.
Kolonizace Měsíce?
Blíže, Starship může potopit SLS a poslat Američany na Měsíc podruhé. Ale to jsou desítky spuštění, ne stovky nebo tisíce.
SpaceX má však podnikatelský plán mnohem reálnější než posílání kolonistů na Mars - pomocí hvězdné lodi přepravovat cestující mezikontinentálně. Při letu z New Yorku do Tokia po oběžné dráze Země bude doba letu zhruba 90 minut. SpaceX zároveň plánuje zajistit provozní spolehlivost na úrovni moderních velkých letadel a náklady na let - na úrovni nákladů na transkontinentální let v business třídě.
Náklad lze doručovat stejným způsobem. Například o tuto příležitost se již začala zajímat americká armáda. Na jeden let je plánováno dodat 80 tun nákladu, což je srovnatelné se schopnostmi dopravního letadla C-17 Globemaster III.
V souhrnu: přeprava cestujících a nákladu, dodávka amerických astronautů na Měsíc a případně i do vzdálenějších objektů sluneční soustavy, stažení komerčních kosmických lodí, vesmírná turistika a tak dále a tak dále a podobně - SpaceX může dobře poskytnout snížení nákladů na stažení užitečného zatížení, i když by bylo až na úrovni 100 $ za kilogram.
V tomto případě hvězdná loď zahájí novou éru v průzkumu vesmíru i mimo něj.
Vyhlídky a důsledky
Na hvězdnou loď se v tuto chvíli pohlíží s určitým podezřením. Zdá se, že na papíře je všechno krásné a zkušenosti SpaceX mluví za vše, ale nějak je všechno příliš růžové?
Někdy existuje pocit, že potenciál tohoto systému prostě nezapadá do myslí vedení amerických ozbrojených sil, vedení NASA, majitelů a manažerů podniků v celé řadě průmyslových odvětví. Vynášení i malého užitečného zatížení do vesmíru příliš dlouho znamenalo mnohamilionové náklady.
Otázkou je, co se stane, když se 100 dolarů za kilogram stane realitou?
Když vzdělaní lidé z amerického ministerstva obrany pochopí, že vrhnutí konvenčního tanku na oběžnou dráhu je rychlejší a levnější než jeho transport vojenským dopravním letadlem z amerického kontinentu do Evropy, k jakým závěrům dospějí?
Ne, Abramse na Měsíci neuvidíme, ale tank není cílem, je to jen způsob doručení střely nepříteli. Co když je snazší získat tento projektil přímo z oběžné dráhy? Jak rychle odstoupí Spojené státy od mírové smlouvy o vesmíru, pokud v ní (ve vesmíru) získají strategickou výhodu? Jak rychle začne americká armáda migrovat na oběžnou dráhu?
Navíc i stávající možnosti umísťování užitečného zatížení na oběžnou dráhu v podobě Falcon-9 a Falcon Heavy v kombinaci s technologiemi pro masovou konstrukci satelitů budou stačit, aby byl LEO zaseknut průzkumnými, velitelskými a komunikačními satelity, což povede k faktu že Spojené státy budou sledovat povrch planety 24/365. Zapomeňte na velké povrchové síly, vojenská uskupení, mobilní pozemní raketové systémy - to vše budou jen cíle pro zbraně dlouhého doletu s korekcí trajektorie letu.
Úspěch Starship přidá do této sady vesmírný úder, kde bude cíl zasažen z vesmíru během několika desítek minut po obdržení žádosti. Žádný politický vůdce na světě se nemůže cítit sebevědomě s vědomím, že každou chvíli může z vesmíru vypadnout nevyhnutelná wolframová sprcha.
Při ceně 100 dolarů za kilogram vyleze do vesmíru každý, kdo není příliš líný - farmaceutické společnosti, hutnictví, těžební společnosti. Více o vesmírné ekonomii si povíme později. Pokud to bude možné, levným vypouštěním a odstraňováním nákladu z oběžné dráhy se vesmír stane novým Klondikem. Co můžeme říci o 10 dolarech za kilogram …
Je docela možné, že právě teď jsme svědky historické události, která by se mohla stát zlomovým bodem ve vývoji lidstva
Lze tento proces zastavit?
Možná je příběh nepředvídatelný. Lidská chamtivost, hloupost nebo jen nehoda - řetězec neúspěchů může pohřbít jakýkoli, nejúspěšnější podnik. Stačí pár velkých nehod Starship se smrtí stovek lidí a proces průzkumu vesmíru lze opět výrazně zpomalit, jako tomu bylo již ve 20. století.
V případě získání jednostranné výhody ve vesmíru začnou Spojené státy uplatňovat mnohem agresivnější politiku, než je tomu nyní. Bez možnosti zajistit paritu ve vesmíru se můžeme dostat dolů na úroveň Severní Koreje, sedět na „jaderném kufru“a vyhrožovat podkopáním sebe, sousedů a všech ostatních v případě čehokoli (což zjevně z podivných důvodů dokonce pro některé apeluje).
V tomto ohledu je nutné věnovat zvýšenou pozornost kosmickému průmyslu, jehož stav v tuto chvíli nevyvolává žádný optimismus.
Vezměme si například projekt super těžké nosné rakety „Yenisei“/ „Don“- stačí se podívat na všechna vzájemně se vylučující prohlášení různých lídrů a oddělení k tomuto projektu a je jasné, že nikdo, v zásadě ví, proč vzniká, ani co by mělo být. Pokud se jedná o další „Angaru“, pak lze projekt nyní uzavřít - nemá smysl na něj utrácet peníze lidí.
Čína přitom nečinně sedí.
Kromě vývoje tradičních nosných raket aktivně studují a osvojují si americké zkušenosti a neváhají přímo kopírovat. Ve věcech národní bezpečnosti je vše spravedlivé.
Na Národní den vesmíru hovořil Čínský institut pro výzkum raket o projektu suborbitálního raketového systému, který by měl dopravit cestující z jednoho bodu planety do druhého za méně než hodinu.
Můžeme říci, že zatím se jedná pouze o kresby, ale Čína v poslední době opakovaně prokázala svou schopnost dohnat vůdce v různých odvětvích vědy a průmyslu.
Je také načase, aby Rusko odložilo zmatek a kolísání v kosmickém průmyslu, jasně formulovalo cíle a zajistilo jejich implementaci jakýmkoli způsobem.
Pokud Čína a Rusko dokážou konkurovat USA ve vesmíru na nové technologické úrovni, pak nízké oběžné dráhy budou jen začátkem a lidstvo skutečně vstoupí do nové éry, která zatím existuje pouze na stránkách sci -fi románů.
