Межпланетные транспортные системы. Часть 1. Сила и слабость химии

На чем и как можно летать между планетами? Поскольку объять необъятное нельзя, данный цикл постов о "фантастике ближнего прицела" - системах, которые человечество при желании способно освоить в ближайшее время или даже уже освоило. Например освоило химические ракетные двигатели. Регулярно запускает зонды к планетам нашей системы, в конце 60х - начале 70х возили людей на Луну. Любителей лунных заговоров, наговоров и приговоров, при попытке начать луноспор в комментах буду банить, я предупредил. Обладает не только недостатками, но и достоинствами

В первую очередь нужно разъяснить такое понятие как характеристическая скорость или дельта вэ. Это  скорость, которую корабль наберет если вместо совершения некоего межорбитального перехода будет разгоняться по пустому пространству тратя то же количество топливо что и на межорбитальный маневр. Ниже карта минимальных (на самом деле не совсем, но это отдельная долгая история) дельт вэ перелетов между разными интересными местами нашей Системы:

Скорости в метрах в секунду.

Данные дельты даны с учетом эффекта Оберта при наборе скорости на низкой орбите одним коротким мощным импульсом. Кроме того, это идеальные расчетные дельты - реальные будут чуть выше. Для перелета с указанными затратами дельты нужно дождаться окна запуска (кроме Луны, естественно) - наступает незадолго до противостояния с небесным телом.

Для попадания на низкую околоземную орбиту химические ракеты в ближайшее время безальтернативны и дело тут не только в том что злая Гретта не дает использовать ядерные - у тех ядерных плохо с тягой. А вот с низкой околоземной мы можем попасть в такие интересные места как окололунное и околомарсианское пространство имея всего 3-4 км/с дельты. На карту не вместились и такие занятные места как околоземные астероиды. К многим из которых можно слетать имея дельту того же порядка. Да, для посадки на Луну нужно потратить 2.4 км/с. Но вот на Марсе можно не тратить топливо ни 1.4 км/с для выхода на околомарсианскую, ни еще 3.8 для посадки - у Марса есть атмосфера. Почему я смотрю дельту только в один конец? Потому что уже известно о наличии на Луне и Марсе залежей льда из которого можно и нужно делать ракетное топливо (технология такого производства называется In Sutu Resource Utilisation - ISRU). С учетом этой возможности для полета на Марс нам нужно потратить минимум 3.9 км/с для старта с НОО и полета к Красной Планете. Затормозившись атмосферой и добыв на Марсе топливо на обратный билет, нам нужно будет потратить 6.3 км/с на полет к Земле у которой опять же можно затормозить атмосферой.

Согласно формуле Циолковского, для получения дельты 6.3 км/с при помощи водород-кислородного ракетного двигателя со скоростью истечения 4.4 км/с нам потребуется 3.2 тонны топлива на тонну конечной массы. Если же используем кислород-метановый со скоростью истечения 3.67 км/с - нам потребуется 5 тонн топлива на каждую тонну конечной массы. Если мы стартуем с НОО на минимальной скорости 3.9 км/с - достаточно будет всего 1.4 и 2 тонн соответственно. Ниже это сведено в таблицу

Опыт долговременных орбитальных станций говорит что для длительного проживания в космосе 2-3 человек достаточно модуля в 10-20 тонн. Возьмем вторую цифру - надо еще убежище от солнечных вспышек вписать. На ракетный модуль и атмосферный щит положим еще 20 тонн. В водород-кислородном варианте надо 128 тонн топлива, у водородных ступеней соотношение "пустой/заправленный" за 10 так что на аэродинамику у нас около 10 тонн, при том что ее можно совместить с радиационной защитой. Итого по-минимуму нам нужно вывести 128+40 = 168 тонн экспедиционного корабля не считая примерно такого же беспилотного корабля что полетит в один конец с установкой ISRU. Для запуска одной ракетной масса великовата, хотя и в принципе подъемна - Сатурн-5, оптимизированный под вывод на НОО, в принципе мог запустить на нее до 140 тонн что уже близко. Но лучше бы кусками.

На орбиту наш корабль попадет на химической ракете. Логично было бы не выкидывать эту ракету, а заправить и запустить к Марсу. Поскольку нашему марсианскому кораблю надо уметь входить в атмосферу, на его же базе можно и нужно создать многоразовый танкер-заправщик. Что очень хорошо в смысле оптимизации расходов на разработку и создание марсианского экспедиционного комплекса.

Раз нам не нужно везти топливо на той же ракете что везла жилой блок, массу жилого блока вместе с грузом имеет смысл увеличить до 100 тонн - ракеты с такой ПН уже были созданы. При этом пассажировместимость увеличится не в 5 раз, а по-более ибо из-за закона квадрата-куба жилой объем растет быстрее массы стенок. На ракетную и аэродинамическую часть положим опять же столько же сколько у нас на грузо-пассажирскую - 100 тонн. В них вполне вписывается 8,5 тонн теплозащиты Шаттла. Разумеется, Шаттл не был рассчитан на вход в атмосферу на второй космической, но во-первых с 1970х техника на месте не стояла, во-вторых есть различные баллистические хитрости по снижению теплового потока.

Раз уж наш корабль и танкер являются второй ступенью многоразовой ракеты, логично запускать их тоже многоразовой первой ступенью. Такие ступени уже существует и летают, остается лишь масштабировать под большую вторую ступень. При этом для обеспечения посадки первой ступени второй приходится отстегиваться на 2-3 км/с дельты, так что у полностью заправленной второй ступени вместе с ПН должно быть 6-7 км/с дельты. Пусть будет 7 - с запасом. Водород-кислородной ступени нужно 4 тонн топлива на тонну сухой массы, метан-кислородной - 5.7 тонн. Итоговые параметры корабля

Мы только что изобрели SpaceX Starship, ранее BFR, еще ранее ITS и в совсем давние времена MCT. Единственный на всю планету проект пилотируемого межпланетного корабля по которому здесь и сейчас ведутся реальные опытно-конструкторские работы.

Заправляется на НОО.

Легко видеть что для полной заправки "Старшипа" на НОО нужно либо 12 рейсов танкера, либо танкеры выводящие не 100, 150, а лучше 200 тонн. Но с другой стороны для отлета к Марсу полная заправка и не нужна. Согласно первой таблице, программа минимум - удвоенная сухая масса, то есть 400 тонн или 4 рейса танкера со 100 тоннами топлива каждый. Можно добавить пятый танкер чтобы полететь не по гомановской, а по чуть более затратной 150-суточной (по которой обычно и летают). При полной заправке Старшипу до Марса лететь 80-120 суток в зависимости от года противостояния.

Для отлета к Земле с Марса уже придется заправлять Старшип почти полностью. Но между окнами около двух лет так что топливному заводу на Марсе достаточно средней производительности 20 граммов в секунду. Согласно расчетам по ссылке, необходимые для функционирования завода солнечные батареи гарантировано влезают в два "Старшипа" (200 тонн при удельном весе как у батарей для дачи), электролизеры и реактор Сабатье нужной производительности скорее всего займут не более 1-2 дополнительных грузовиков.

Для своей ниши полетов в окна по энергетически-оптимальным траекториям "Старшип" скорее всего оптимален среди ракет. Переход на, к примеру, ядерные двигатели позволяет сократить массу топлива которую нужно доставить с Земли для дозаправки корабля... Но почти наверняка ценой увеличения стоимости эксплуатации ядерного корабля только потому что он ядерный. В то же время при освоении добычи топлива на Луне и околоземных астероидах танкеры с Земли вообще не нужны. Ядерная энергия становится актуальней если нужно лететь быстрее либо дальше.