А если без "Старшипа"?

Давным-давно (в 2015) я прикидывал чем же является загадочный тогда марсианский проект Королева Маска. Я тогда ориентировался на существовавшие уже ракеты Фалькон с кораблем Дракон и их возможные апгрейды ибо про то что станет "Старшипом" было известно... да вообще ничего. Как выяснилось, сам Маск думал иначе, но не пропадать же добру тем интересней чего могли бы добиться на уже современной ракетной технике.

Задача

Организовать переброску колонистов-добровольцев на Марс за разумные деньги на имеющихся уже сейчас (перспективных с точки зрения 2015) технических решениях: кораблях "Дракон", ракетах Фалькон и Фалькон-Хэви, возможно модернизированных установкой на вторую ступень метан-кислородного двигателя "Раптор" (о котором тогда опять было мало что известно).

Корабль

Дракон-2. В 2015 еще планировалась посадка на ракетных двигателях. Экипаж 4 человека в долговременную миссию, до МКС можно и 7. Масса 10 тонн - в "багажнике" ни чего не везем. Запускается к следующему пункту, стыкуется с ним и садиться на Марсе играя там роль временного домика для колонистов.

Полуциклер

Ключевой компонент системы. Внимание на карту на участки Earth Intercept и Mars Intercept:

 Дело в том что орбиты бывают разные в том числе эллиптические у которых в перицентре почти скорость отлета. Дельта между двумя "интерсептами" соответствует переходу между такими орбитами двух небесных тел.

Задача полуциклера - обеспечить экипажу защиту от радиации и приемлемые условия обитания в пути. Согласно книге Шафиркина и Григорьева "Межпланетные и орбитальные полеты: радиационный риск для космонавтов" доза ГКИ (и так не слишком большая) режется вдвое защитой массой 50 кг/м2. А дальше эффективность защиты уже падает. Какой объем мы можем защитить? Допустим наш жилой объем представляет собой цилиндр диаметром 3.7 м (диаметр Фалькона) и длинной 10 метров. Это даст нам 107 кубометров на 4 человек - почти 27 кубов на человека. Масса защиты будет... 7 (семь) тонн! Осталось защититься от Солнца. Допустим мы не верим в эффективность защиты кораблем либо буксиром (о нем ниже) и считаем что нам нужен щит толщиной 1 т/м2. С учетом того что по одному торцу уже есть 50 кг/м2 получаем общую массу защиты 17 тонн, причем защита может (и должна) быть интегрирована с несущей конструкцией жилого блока. Важно - масса защиты от Солнца сверхизбыточна и без особых последствий может быть уменьшена примерно вдвое для систем не вписавшихся в 3 тонны. Оставив 3 тонны на СЖО и прочие системы получаем 20 тонн. Еще 10 тонн к массе экспедиционного комплекса прибавит посадочный корабль.

Буксир

Одноразовый. Запускается перед каждым рейсом. Без использования аэроторможения от него требуется дельта 2 км/с за рейс. Накинув 0.5 км/с запаса имеем полную массу буксира 43 тонны при сухой массе 2 тонны и удельном импульсе 3 км/с. Почему так мало? Потому что используем гептил как долгохранимое топливо. Засада в том что на ГПО (близку по характеристикам к парковочной орбите полуциклера) Фалькон-Хэви завозит только 26 тонн одноразовый.

Применим мозг. Во-первых сообразим что с Марса 10 тонн корабля не тащить. Находим теперь массу ступени отлета от Марса. 13 тонн из которых 2 - сухая масса. Теперь у нас на околоземной орбите есть 10 тонн корабля + 20 тонн полуциклера + 13 тонн возвратной ступени. К ним нужно пристыковать стартовую, которая может быть и криогенная ибо работает только у Земли. При УИ Раптора 3.7 км/с удалось вписаться в 20 с небольшим тонн.

Таким образом для отправки 4 человек на Марс нужно запустить 2 Фалькон-Хэви с возвратом (как минимум боковушек) которые доставят к полуциклеру корабль и возвратную ступень и 1 ФХ без возврата который притащит разгонную ступень.

Эвакуатор

Колонисты летят в одну сторону. Но есть ученые которым надо бы обратно или колонист может передумать. Для этого заранее запускается корабль-эвакуатор. Поскольку ISRU как у Зубрина по условию задачи низзя - опять гептил заправленный еще на Земле. К Марсу он летит в автоматическом режиме при взлете с Марса он должен подрулить к полуциклеру... И все. Космонавтов на Земле заберет Дракон. При таких условиях корабль можно упихать в 3 тонны сухой массы и 15 тонн стартовой не считая посадочной ступени и тормозного щита. Ибо экипажу хватит чего-то вроде БО Союза и на баки с двигателями останется 2 тонны что даст 4 тонны топлива на тонну бака - у Фау-2 больше было. Накинув на посадочную ступень со щитом еще 5 тонн получим опять 20 тонн. Кстати, к Земле эвакуатор не летит так что на самом деле дельта у полуциклера выше 2.5 км/с. Итого требуется отправить к Марсу 20 тонн. Это несколько больше чем может Фалькон-Хэви к Марсу в один конец (16 тонн) но не критично. Добрать тонны можно двупуском. Фалькон-9 с возвратом выводит на НОО эвакуатор, Хэви без возврата - криогенный буксир массой 50-60 тонн.

Для встречи марсонавтов придется запустить Дракон на Ф-Х до парковочной орбиты полуциклера.

Экономика

Для отправки 4 отважных колонистов в один конец нужно 2 запуска Фалькона-Хэви с возвратом только боковушек (будем пессимистами), и один безвозвратный запуск Фалькона-Хэви с криогенным разгонником. Кроме того 1 Дракон улетает на Марс работать времянкой, тратятся две одноразовые ступени: гептил и криогенная. Для варианта с возвратом добавляется Ф-9 многоразовый, эвакуатор, одноразовый Хэви и криобустер. Итого расход:

Туда:

Дракон - 1 шт

Гептильный бустер - 1 шт

Криобустер - 1 шт

Вторые ступени Фалькона - 3 шт

Центры Хэви - 3 шт

Боковушки Хэви - 2 шт

Оттуда:

Эвакуатор - 1 шт

Криобустер - 1 шт

Вторые ступени - 3 шт

Центры Хэви - 2 шт

Боковушки Хэви - 2 шт

Бонус:

Грузовой Дракон - 1 шт

Вторая ступень - 1 шт

Центр Хэви - 1 шт

Боковушки Хэви - 2 шт

Жирным выделено то что обязательно должно быть новым. Курсивом - то что потенциально может быть уже летавшим. Остальное наверняка будет после повторного использования: Дракон и боковые блоки Хэви (обычные Фальконы). Центральные блоки Хэви отличаются от обычных первых ступеней Фалькона - их приходится усиливать. А послкольку их для миссии с возвратом нужно 5 штук (6 с учетом грузового Дракона с оборудованием для колонистов) - очень врядли будет достаточно заказов на Хэви чтобы накопить нужное количество. Но можно выкрутиться запуская ЦБ Хэви без боковушек как обычный Фалькон - ПН будет меньше, но даже у многоразовой она далеко не всегда полная.

И так, на экспедицию из 4 человек потребуется построить и утратить:

Гептильный бустер - 1

Криобустер - 2

Эвакуатор - 1

Вторые ступени - 7

Кроме того может потребоваться строить заново как минимум часть из 6 расходуемых центральных блоков ФХ.

Во сколько это обойдется? Вторая ступень конструктивно даже проще Фалькона-1 (нет его второй ступени и системы разделения) который летал за 7 миллионов. Итого ~50 лямов на вторые ступени. Эвакуатор - пилотируемый корабль, так что меньше чем в 50 миллионов не получится. Буксиры от вторых ступеней отличаются не принципиально, но может подвести серийность. Сделав вполне логичное предположение что восстановление ступеней после полетов стоит пренебрежимо мало (что косвенно подтверждается пулеметными темпами запусков старлинков) б/у ступени можно посчитать бесплатными. И все упирается в вопрос о повторном использовании центров от Фалькона-Хэви. В принципе можно попробовать пересчитать на многопуск одноразовых "девяток" но лень.

В случае продажи билетов до Марса тому же НАСА вопрос скорее в том почем готово платить НАСА. Один запуск SLS стоит 2 миллиарда без учета разработки. И этот запуск позволяет только Луну облететь без посадки (для нее еще один). Миссия марсохода стоит ближе к 3 миллиардам долларов.

Почему раньше не сделали?

Потому что без повторного использования ступеней и кораблей все перечисленные комплектующие пришлось бы собирать с нуля с понятными последствиями для бюджета. Кроме того, до Фалькона-Хэви все ракеты были либо на 20-30 тонн ПН на НОО максимум, либо сразу на 100 и по цене чугунного моста с перилами. Хэви же унифицирован с очень серийным и частично-многоразовым Фальконом-9.

Почему "Старшип"?

Потому что в описанном варианте все равно придется разрабатывать эвакуатор и разгонные блоки умеющие стыковаться. А раз уж без НИОКР не обойтись, "Лысый из Безос"(с) собирается делать метановую "Нью Гленн" - лучше потратить их на создание новой ракеты которая может заработать денег на свой полет к Марсу выводя спутники, чем разрабатывать специализированную под Марс технику которую больше ни где не применить.