В прошлый раз мы выяснили, что нижний предел стоимости запуска на орбиту для ракет составляет ~10$/кг при условии возврата всех ступеней и огромного моторесурса двигателей, которых должно хватать на десятки запусков. Сегодняшний рассказ будет о том, может ли космос быть ещё дешевле.
Важно: здесь я НЕ буду затрагивать космический лифт, петлю Лофстрома и подобные мегаконструкции, требующие недостижимых на сегодняшний день материалов и колоссальных финансовых затрат. Всё нижеперечисленное вполне по силам земной промышленности образца 2020 года, и теоретически могло бы быть реализовано вот прямо сейчас.
Что не так с ракетами? Они огромные. На тонну полезной нагрузки приходится сжигать десятки тонн топлива. Чтобы поднять всё это море топлива - приходится ставить тяжеленные двигатели совершенно избыточной мощности. Всё это громоздко, недёшево, да и с точки зрения экологии сомнительно.
Все помнят легенду о том, как изобретатель шахмат развёл царя на горы пшеницы, попросив в качестве "скромной награды" положить на первую клетку 1 зёрнышко, на другую 2, на третью 4, и так до конца доски, пока царская казна не лопнула? Вот примерно такая же беда творится и в ракетостроении. Например, для ракеты массой 10т и удельным импульсом 320с разгон до 8км/с потребует 118 тонн топлива. Но распределяться оно будет неравномерно. Взглянем на диаграмму:
На первые 2км/с ракета тратит 50% топлива. На первые 4км/с 78%. Первые километры в секунду стоят гораздо дороже последних. Ещё хуже всё становится, если мы попытаемся сделать ракету с запасом скорости в 10км/с. В этом случае спереди нам придётся добавить ещё 115 тонн! А если нам нужно 12км/с, то 332 тонны. Ракета распухает бешеными темпами по страшной экспоненциальной прогрессии. Вот почему так важно "сэкономить" первые километры в секунду, разогнав аппарат не ракетным, а каким-нибудь другим способом. Поскольку ракета отталкивается от собственных запасов топлива - хорошо бы отталкиваться от чего-нибудь ещё.
§1. Отталкиваемся от воздуха.
Очевиднее всего выглядит запускать ракету с самолёта, однако огромная дозвуковая корова вроде Ан-225 добавит в лучшем случае ничтожные 0.25км/с, сэкономив 9% топлива. Неплохо, но этого мало, именно поэтому существующие проекты с воздушным стартом заметной экономии не дают. Чуть лучше показал бы себя высокоскоростной самолёт-носитель вроде экспериментального бомбардировщика XB-70 Valkyrie, который разгонялся почти до 0.9км/с - это даст экономию 25-30% топлива. Уже лучше, но всё равно мало.
Спрашивается, а почему бы сразу не летать в космос на самолёте, который расходует на единицу тяги в 10 раз меньше массы, чем ракета? (Остальное он берёт из атмосферы.) Бытует мнение, что выше 20км самолёты не летают, потому что дальше двигателю воздуха не хватает. Воздуха-то там полно - при условии, что мы будем хватать его достаточно быстро. А вот с "быстро" у реактивных двигателей большие проблемы.
Химические реакции происходят не мгновенно. Молекулам нужно время, чтобы порвать химическую связь, разложиться на радикалы и пересоединиться в новые. Это долгий ступенчатый процесс. Есть понятие "время задержки самовоспламенения", которое в зависимости от внешних условий варьируется от миллисекунд до десятков микросекунд. За это время сгоревшие слои топливно-воздушной смеси должны успеть передать тепло несгоревшим. Только на сверхзвуковых скоростях они этого делать уже не успевают, поэтому внутри каждого реактивного двигателя (даже в сверхзвуковых прямоточных) воздух сначала тормозится до дозвуковой скорости и медленно горит.
Здесь возникает проблема. Если затормозить воздух с 5 махов (~1.7км/с) - он при этом разогревается настолько, что для создания приемлемого температурного перепада нужно греть его до 3500+ градусов, и почти никакие конструкционные материалы этого издевательства не выдерживают. А не тормозить тоже нельзя - устойчивого горения не будет. Это и есть гиперзвуковой барьер, стоящий на пути у аэрокосмических самолётов.
Well. Кто виноват мы знаем. Что делать?
Вариант 1. Криогенный ГПВРД.
Концепция предполагает разместить в воздухозаборнике огромный холодильник. Воздух тормозится, разогревается и сразу же охлаждается об длинные трубки с жидким водородом. Водород при этом испаряется и дальше спокойно горит в камере сгорания в дозвуковом режиме, что позволяет уверенно летать на скоростях до 2км/с, используя в качестве окислителя атмосферный воздух.
Конструкцией увлекались британцы в восьмидесятых (проект HOTOL), который впоследствии переродился в Skylon с жидким гелием в качестве промежуточного теплоносителя. Проекту уже лет 30, но воз и ныне там. Первые стендовые испытания обещают к середине 20х, первый полёт где-то к 2030 году. На мой взгляд вряд ли Skylon удешевит запуски ниже 10$/кг. Хоть он и полностью многоразовый, всё же стоимость лётного часа настолько переусложнённой конструкции не перебьёт экономию половины бака. Однако Skylon может совершить революцию в суборбитальных транспортных перелётах, сократив время трансатлантического перелёта не в два (как это делал Конкорд), а в шесть-семь раз.
Вариант 2. Ядерный ГПВРД.
Здесь всё просто, горения нет. Атмосферный воздух на сверхзвуковой скорости продувается сквозь активную зону атомного реактора, нагревается и вылетает в сопло. Подобный двигатель испытывался американцами в 1964 году (проект "Плутон") и позволял крылатой ракете летать месяцами.
О стоимости запуска подобных систем трудно судить, но если переводить запасённые мегаджоули в типичной ракеты в стоимость киловатт-часа на АЭС, получится что-то около 0.4$/кг. Если бы не одно но: радиационную защиту для таких аппаратов пока не придумали, хотя прецеденты дозвуковых самолётов с ядерными реакторами на борту были (Ту-119, NB-36H).
Что существенно, ядерный ГПВРД не подразумевает химических реакций и может работать в инертной атмосфере других планет. К примеру, такой аппарат мог бы достаточно лёгкой кровью вернуться с Венеры - на что обычную химическую ракету пришлось бы раздувать в десятки раз при той же нагрузке. Кроме того, с пристыкованным водородным баком такая ядерная грелка превращается в обычный ядерный ракетный двигатель с удельным импульсом по меньшей мере 850с (позволяет разогнать аппарат в два раза быстрее за ту же массу рабочего тела по сравнению с химическими ракетами), что очень полезно для межпланетных перелётов.
Вариант 3. Ракетно-прямоточный гибрид.
Смысл в том, что ракетный двигатель это не только двигатель, но ещё и превосходная грелка. Большая часть этого тепла теряется впустую. Разместив небольшое ракетное сопло внутри гиперзвукового воздухозаборника можно использовать это тепло для подогрева воздуха, тем самым удвоив-утроив тягу на тот же расход топливной пары.
Из наиболее близкого к практической реализации известен советский проект МБР "Гном". Создавался он в те годы, когда огромных многоколёсных "сороконожек" ещё не было, а мобильные ракетные комплексы иметь уже хотелось. Причём в данном случае маршевая прямоточная ступень была выполнена вокруг твердотопливного ракетного двигателя. Носитель получился достаточно миниатюрным для МБР такого класса и спокойно влезал на шасси танка Т-10. Проект полностью испытан на земле и закрыт в 1965г в пользу классической МБР Темп-2С (непосредственный предок современного "Тополя-М"), под которую шестиосное шасси МАЗ-547 таки появилось.
Стоит добавить, что у ракетно-прямоточного гибрида есть два интересных дополнительных режима работы. Во-первых, в глубоком вакууме объём внутреннего сопла складывается с объёмом внешнего, давая плавное увеличение степени расширения - как на клиновоздушных двигателях. Во-вторых, если заставить ракетный двигатель работать в пульсирующем режиме - получается прибавка к тяге 120-140% даже на дозвуковых скоростях (эффект открыт Челомеем, работавшим над советскими ПуВРД). В сухом остатке получаем гибрид со средним удельным импульсом в 600-650с, который экономит нам уже 60-75% бака по сравнению с классической ракетой. И да, в инертной атмосфере других планет оно тоже работает. Предполагаемая наименьшая планка стоимости запуска примерно 3$/кг.
Вариант 4. Детонационный цикл.
Вообще-то в чистом виде детонационный двигатель для полётов в космос подходит плохо. И дело даже не в том, что стабилизировать вращающуюся детонацию это целая головоломка. Скорость детонационной волны воздушно-топливных смесей ограничивается ~2км/с (на практике меньше), дальше её сдувает. Однако существует пока что сугубо теоретический класс детонационных двигателей - shcramjet, шок-индуцированный прямоточник. Топливо распыляется вокруг самолёта прямо в воздух, после чего торчащий зуб инициирует в воздухе ударную волну, в которой воздушно-топливная смесь выходит на закритический режим с задержкой самовоспламенения в несколько десятков микросекунд и взрывается позади самолёта, толкая его вперёд. Такой двигатель теоретически неограничен по скорости, и может разгоняться на одном керосине вплоть до первой космической, опуская ценовую планку вплоть до 1$/кг и ниже.
Вариант 5. Атмосферный МГД-насос.
По сути устройство представляет собой рельсотрон, в котором разгоняется токопроводящая жидкость либо газ. На гиперзвуковых скоростях воздух в пограничном слое ионизируется (начинает проводить ток), что позволяет ускорить его магнитным полем - опять же, без ограничений по максимальной скорости. Одна проблема: надо откуда-то брать мегаватты электроэнергии, и современные аккумуляторы по плотности запасаемой энергии намного хуже ракетного топлива. Так что здесь пока жизнеспособна только ядерная энергетическая установка мегаваттного класса - от неё же в вакууме предполагается питать электроракетные двигатели для межпланетных перелётов.
§2. Отталкиваемся от земли.
КПД электродвигателя более 90%, и теоретически это самый простой и дешёвый способ запусков в космос вообще. Скажем, с поверхности Луны электромагнитной катапультой можно запускать тысячи тонн грузов практически забесплатно (причём хоть сразу с третьей космической в любую точку солнечной системы), ведь тратится только электроэнергия, а для солнечных электростанций условия там просто идеальные.
На Земле такой фокус не пройдёт - мешают плотные слои атмосферы, в которых любой двигающийся с первой космической (7.8км/с) объект моментально сгорит. Однако 2.9км/с (рекорд для ракетных саней на авиабазе Холломан) у поверхности пережить можно. Кроме того катапульта решает проблему предразгона - ведь за малым исключением почти все прямоточные двигатели на дозвуковых скоростях неэффективны.
Резюмируя: космос значительно доступнее, чем можно себе представить. Ракеты-носители будут становиться частично и полностью многоразовыми, после чего эпоха ракет закончится и сменится эпохой одноступенчатых аэрокосмических систем с катапультным стартом. Стоимость вывода килограмма на орбиту снизится до 0.5-1$/кг, после чего будет асимптотически приближаться к стоимости киловатт-часа электроэнергии.
