Сергей (zttt) wrote,
Сергей
zttt

Categories:

Экономика Лунных ралли

Сейчас сразу несколько стран явно или негласно участвуют в Лунной гонке 2.0. Причем новая гонка кардинально отличается от первой тем, что сейчас на кон поставлено экономическое освоение нашего спутника. Глупый флаговтык сейчас уже не поощряется ни обществом, ни элитой. В связи с такой позицией встает вопрос экономического характера: а во сколько нам обойдется переброска груза в 10 тонн с орбиты Земли на орбиту Луны? Вот и сравним несколько подходов для решения этого вопроса.

Во-первых, почему 10 тонн? Очень просто. Для посадки на Луну 5 тонн, нужно на орбите иметь 10. Почему 5 тонн? Потому что это минимум для комфортного изготовления различных устройств, которые понадобятся для создания лунной инфраструктуры. Например, Советские Луноходы имели массу менее 1 тонны из-за ограничений Протонов. И это давало массу проблем. А если мы хотим послать не исследовательский луноход, а инженерно-строительный многофункциональный аппарат на колесах и с достаточной энергетикой для проведения землеройных и строительных работ и выживания в течении лунной ночи, то нам придется на него поставить ядреный реактор. Реакторы, которые отправлялись в космос имели массы порядка 1 тонны и вряд ли этот параметр можно сильно урезать. Реально космические аппараты с реактором на борту весили порядка 4 тонн.
Кроме того, для выравнивания площадки обычно используется бульдозер. На Луне вес в 6 раз меньше, чем на Земле. Это значит, что будет проблема обеспечить необходимое для работы ножа давление на грунт. Т.е. строительное самоходное оборудование не долно быть легким. 5 тонн - это самой компромиссный вариант и минимум того, что нужно отправлять одним квантом.

Сейчас рассмотрим как можно доставить 10 тонн с орбиты Земли (ELO - eartch low orbit) на орбиту Луны (LLO - lunar low orbit). Мы не касаемся вопроса как груз попадает на орбиту Земли. Будут ли это несколько пусков Протона-Ангары или супертяж туда все закинет - дело десятое, но опять же зависящее от того, как мы доставляем его дальше. Итак, на маршруте ELO-LLO можно применить следующие виды буксиров.
1. Традиционный разгонный блок типа Бриза или Фрегата на химическом топливе. Конечно придется увеличивать баки для такого рейса, доставлять на орбиту его либо супертяжем, либо отдельным пуском Протона-Ангары. Преимущество его в одноразовости, значит необходимая характеристическая скорость в 2 раза меньше по сравнению с многоразовыми системами. Недостаток - очень низкий удельный импульс (УИ).
2. Некий перспекривный (не существующий) кислород-водородный разгонный блок. Его недостаток - криогенность. Это не играет роли для быстрого полета туда, но повисеть на орбите Земли какое-то время будет уже гораздо труднее. УИ у кислород-водородной пары на треть выше.
3. Ядерный буксир на ксеноне. Это многоразовое решение. Запускается тяжелющая и дорогущая штуковина и 10 лет летает. Тепловая мощность у нее 4 МВт, КПД - 25%, т.е. электическая мощность - 1 МВт. Самый большой недостаток буксира - слишком малая тяга, из-за чего рейс растягивается на месяцы. Еще один недостаток - это ксенон, который очень дефицитный газ и очень дорогой. Его цена 1200 долларов за килограмм. Для запуска одного спутника на геостационарную орбиту это мелочь, но буксир будет расходовать его тоннами. Поэтому следующим пунктом идет...
4. Ядерный буксир на аргоне. Аргон - очень дешевый инертный газ. Его немало даже в воздухе, а также в природном газе. Его недостаток по сравнению с ксеноном - высокая энергия ионизации, что снижает КПД ионных двигателей. Также он хранится сложнее ксенона. Ксенон хранится при 50 атмосферах в жидком виде при комнатной температуре. Для хранения аргона нужны те же 50 атмосфер, но температура 150 К. Т.е. задача эта решаемая, но масса буксира от этого несколько вырастет. В расчетах я беру дополнительно 1 тонну для хранения аргона.
5. Ну а если мы не хотим лететь от Земли до Луны месяц, например хотим людей отправить, то придется либо увеличить энергетику, либо снизить УИ. И то, и другое можно сделать на том же ядерном буксире, если не преобразовывать тепло ядерного реактора в электричество, а напрямую через теплообменники направить его на разогрев рабочего тела. Правда УИ в этом случае окажется маловат, всего около 6 км/с. Но путем различных ухищрений его можно поднять еще больше. Например, часть энергии преобразовывать в электричество и нагретый в теплоообменнике до 1300 К водород еще догревать электрической дугой. Поэтому в расчетах присутствуют три варианта для водородного теплообменного буксира с УИ 6, 9 и 12 км/с.

Собственно, вот результат расчетов.
table-booster
Не надо высчитывать тут копейки. Расчет приблизительный и важнее оценить порядок стоимости. Естественно, что я не могу учесть все, это не докторская диссертация.
Итак, в таблице для полета на Луну взята характеристическая скорость 3 км/с. Доставляем 10 тонн. Стоимость Бриза и водородно-кислородного разгонного блока взята оценочно в 15 млн. Но на общую картину это не сильно влияет, поскольку основные расходы идут на подъем топлива на орбиту с Земли.
УИ для аргонного и ксенонного буксиров выбран из минимальной стоиомости рейса.
fig-Ar-Xe
Такая минимальная стоимость существует потому, что, с одной стороны, увеличение УИ экономит топливо, но, с другой стороны, приводит к росту длительности полета, что снижает общее число полетов за жизнь устройства, а это сказывается на аммортизационных расходах. Оценочную стоимость одного буксира я взял в 1 млрд. долларов. На фоне 300 млн за один спутник-ретранслятор на ГСО это даже очень оптимистично. Реально будет видимо еще дороже.

Что же мы видим из таблицы. Химические разгонники обходятся нам примерно в 100 млн. долларов. Причем водородный где-то на треть-четверть дешевле. Причем вес обоих разгонников вполне помещается в один Протон-Ангару. Но груз все равно придется запускать отдельно. Это и есть тот самый двупуск. Основной расход для химических двигателей - это стоимость запуска топлива. Причем на Луне керосин не растет и сэкономить не получится даже в перспективе. Водород с кислородом там достать можно, но в этом случае придется делать многоразовый химический буксир, а гонять огромные тонные кислорода и водорода между Землей и Луной в любом случае не дешево даже по сравнению с теплообменным буксиром.
Теплообменный буксир при доставке рабочего тела с Земли выглядит не очень привлекательно. Он дорог даже по сравнению с Бризом при простой теплообменной схеме (УИ 6 км/с). А достижение большего УИ пока под вопросом. Высокая стоимость связана прежде всего с тем, что ядерный буксир слишком тяжелый, а характеристическая скорость у многоразового буксира в 2 раза больше. Тем не менее, если удастся достичь удельного импульса 9 км/с, то уже стоимости будут сравнимыми, а при 12 км/с он уже уверенно обгоняет по эффективности химические разгонники. Ну а если удастся наладить производство достаточного количества водорода на Луне, то конкуренции теплообменным буксирам просто не будет. По крайней мере до запуска более мощных аргоновых буксиров.
Отдельно нужно сказать о пилотируемой функции теплообменного буксира. Сейчас новый корабль ПТК-НП строится из расчета использования его на одноразовых химических носителях. Поэтому он имеет тяжелую теплозащиту, парашюты и пр. При использовании теплообменного буксира космонавты будут стартовать и возвращаться не с/на Землю, а с околоземной орбитальной станции. Это значит, что не потребуется на Луну тащить парашюты и теплозащиту для атмосферы, как и топливо для маневрирования (переложим эту функцию на буксир). Итого, вес пилотируемого корабля может снизиться на процентов 30-60.
С ксеноновым буксиром все интересно. Он действительно получается гораздо выгоднее химических разгонников и теплообменных буксиров при запуске рабочего тела с Земли. При этом расходы разделяются примерно поровну на аммортизацию и на топливо. Это не удивительно: всего 6 рейсов в год, это 60 рейсов за весь срок эксплуатации буксира.
Аргон тоже показывает очень хорошие данные. Пускай он менее эффективен в качестве рабочего тела, но он значительно дешевле, а за счет этого его расход допускается несколько больше, что тут же отражается на длительности рейса и аммортизационных расходах. Уверенно говорить о большей выгодности аргона или ксенона при таких маленьких различиях нельзя, можно только говорить, что большой разницы нет. Но тут нужно учитывать тот факт, что ксенон действительно дефицитный газ, а аргон есть хоть в атмосфере Земли, хоть в реголите Луны. Т.е. его можно добывать на Луне, что еще снизит стоимость рейса в 3 раза (порядка 11 млн. долларов) за счет снижения его длительности и расходов на запуск (предполагается, что запуск на лунном топливе).

И что мы имеем в итоге. Ядреный буксир снижает стоимость полета к Луне примерно в 3 раза. Это огромное преимущество, большинство грузов можно будет возить одним пуском Ангары. При этом я бы рекомендовал разарботчикам уделить больше внимания аргону, а не ксенону. Пускай он менее эффективен, но он дешевле и его больше, что важно для масштабного освоения Луны, когда рабочее тело будет расходоваться тоннами. При добыче аргона на Луне стоимость рейса еще снизится в 3 раза, т.е. на порядок по сравнению с одноразовыми химическими разгонниками.
Для пилотируемых полетов я бы предложил обратить внимание на простые теплообменные двигатели с водородом в качестве рабочего тела. Они обеспечивают достаточно большую тягу, что важно в пилотируемой космонавтике. Длительность полета при их использовании будет сопоставима с таковой для одноразовых химических разонных блоков. После начала добычи водорода на Луне, стоимость полета на теплообменном водородном буксире может сократиться до 5 млн. долларов за рейс, в котором можно привезти около полусотни человек за один раз.
Tags: Космос
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 15 comments