Рассматриваются два ядерных двигателя: краткосрочный проект мощностью 150 кВт/кг, работающий при 2800K, и долгосрочный проект мощностью 1000 кВт/кг, работающий при 3000K. Они заменят либо все двигатели, либо только три вакуумных двигателя Raptor. Мы рассмотрим использование традиционного водородного топлива, а также альтернативного метана, и либо попытаемся сопоставить ускорения, возможные с химическими ракетами, либо стремимся к более низким характеристикам.
Для начала давайте разберем существующую конструкцию Starship.
Он имеет три вакуумных Raptor массой 1,87 тонны каждый, три обычных Raptor массой 1,11 тонны каждый. Данные основаны на их показателях TWR. В результате остается 111 тонн сухой массы в виде стенок топливного бака, системы тепловой защиты, стабилизаторов и других конструкций, всего 120 тонн.
Имеется четыре топливных бака: два основных и два посадочных бака.
Основной бак для метана содержит 614,33 м3 топлива, 268,5 тонн жидкого метана при плотности 437 кг/м3.
Основной кислородный бак содержит 798,4 м3 топлива, 983,6 тонны жидкого кислорода при плотности 1232 кг/м3.
Посадочный бак с метаном содержит 13,14 м3 топлива, 5,7 т жидкого метана при плотности 437 кг/м3.
Кислородный посадочный бак содержит 14,56 м3 топлива, 17,9 т жидкого кислорода при плотности 1232 кг/м3.
Полная масса топлива — 1252,1 тонны. На посадку зарезервировано 23,6 тонны.
Это возможно только благодаря переохлажденному топливу повышенной плотности.
Starship предназначен для выведения 100 тонн груза на низкую околоземную орбиту. С такой полезной нагрузкой, полной топливной загрузкой и сухой массой он будет весить 1495,7 тонны (цифра очень близка к 1500 тоннам, о которых SpaceX сообщила FAA). Он выходит на орбиту, расходуя все 1252,1 тонны топлива, находящегося в его основных баках, имея массу в конце 243,6 тонны. Массовое соотношение составляет 6,13. После выведения полезной нагрузки он уходит на спуск массой 143,6 тонны. Как вариант, его можно заправить на орбите.
Starship сначала ускоряется ракетой-носителем SuperHeavy, которая имеет сухой вес 200 тонн и вмещает 3300 тонн топлива. Мы предполагаем, что SuperHeavy содержит 300 тонн топлива в резерве (этого достаточно для ускорения deltaV на 3150 м/с плюс посадка, аналогично ускорителю Falcon 9). Ускоритель обеспечивает deltaV=3150 м/с для Starship на первом этапе выведения.
Когда Starship отделяется от ускорителя SuperHeavy, все его двигатели включаются и развивают тягу 13 200 кН. Это дает Starship начальный TWR 0,9, но к тому времени, когда он исчерпает свои основные баки, он имеет TWR 5,5.
Starship с двумя типами двигателей Raptor.
Вакуумные Raptors имеют удельный импульс (Isp) 380 сек. У Raptors, работающих на уровне моря, Isp составляет 350 сек. DeltaV для Starship, выходящего на орбиту с полезной нагрузкой в 100 тонн, составляет 6492 м/с, при условии, что в среднем имеем Isp 365 сек от всех используемых двигателей. С полученными 3150 м/с от ракеты-носителя SuperHeavy этого достаточно для выхода на орбиту.
Starship необходимо около 207 секунд, чтобы израсходовать все топливо своего основного бака с шестью двигателями Raptor, работающими на полную мощность.
Если Starship дозаправится до своей полной массы в 1495,7 тонны на орбите, у него будет deltaV=6765 м/с только от использования основных баков с вакуумными Raptors, плюс deltaV=380 м/с от его посадочных баков. Итого получаем deltaV=7145м/с! Однако для посадки Starship и его полезной нагрузки на другое небесное тело необходимо зарезервировать около deltaV=800 м/с, поэтому для межпланетных маневров доступно только deltaV=6345 м/с.
150 кВт/кг, водородное топливо
Использование водородных ядерных тепловых ракетных двигателей требует наибольшей модификации Starship, но наименьшей для разработки двигателя.
Наш первый вариант — заменить вакуумные двигатели Raptor на ядерные двигатели мощностью 150 кВт/кг, обеспечивающие Isp 900 сек. Три обычных Raptor с их посадочными баками сохранены, но не используются во время ds[jlf на орбиту.
Основные баки заменены баком с водородом объемом 1412 м3. Обычно жидкий водород имеет плотность всего 70 кг/м3, поэтому он будет содержать только 98,9 тонны топлива. Мы великодушно предполагаем, что доступен переохлажденный жидкий водород при температуре 15 Кельвин и плотностью 76 кг/м3, то есть этот резервуар вмещает 107,3 тонны.
Три водородных ядерных двигателя развивают тягу 1523 кН при мощности 6,72 ГВт. С радиационной защитой они имеют массу 45,2 тонны каждый, общий вес 135,6 тонны и общую тягу 4570 кН.
Нам также необходимо увеличить посадочные резервы топлива до 64,7 тонны, чтобы учесть большую сухую массу при посадке, в основном из-за тяжелых ядерных двигателей.
Этот ядерный Starship имеет начальную массу 100 тонн полезной нагрузки + 135,6 тонны ядерных двигателей + 107,3 тонны жидкого водорода + 3,33 тонны обычных двигателей Raptor + 64,7 тонны топлива для посадки + 111 тонн другой конструкции, всего 522 тонны. Это намного легче, чем оригинальный Starship, и имеет тот же начальный TWR, равный 0,9, но это не даст нам никакой пользы.
Его deltaV=2032 м/с, в основном потому, что он несет очень мало водородного топлива, и поэтому его массовое отношение составляет всего 1,258.
Ракета-носитель SuperHeavy может разогнать этот более легкий ядерный Starship до deltaV=4703 м/с перед разделением. Суммарная deltaV составляет 6734 м/с, что намного меньше 9200 м/с, требуемых для выхода на низкую околоземную орбиту.
Выход на орбиту для этого аппарата невозможен. Хуже того, вся дополнительная сухая масса из-за тяжелых ядерных двигателей означает, что его центр тяжести находится в нижней части аппарата — это приведет к тому, что он перевернется во время входа в атмосферу!
Если мы удалим всю полезную нагрузку и заменим весь объем обтекателя 933 м3 расширенным водородным баком, содержащим дополнительные 70,9 тонны водородного топлива, мы получим следующую сумму:
135,6 тонны ядерных двигателей + 178,2 тонны жидкого водорода + 3,33 тонны обычных двигателей Raptor + 64,7 тонны топлива для посадки + 111 тонн других конструкций, что равно 492,8 тонны.
deltaV увеличивается до 3985 м/с. Ракета-носитель Super Heavy может прибавить еще 4777 м/с. Ему все еще не хватает до 9200 м/с, необходимых для выхода на орбиту.
Удаление чего-либо большего, например, уменьшения запасов топлива для посадки или использования ядерных двигателей меньшего размера, просто означает, что Starship выйдет из строя раньше или позже.
Водородное топливо со слабыми ядерными тепловыми ракетными двигателями — проигрышная комбинация.
1000 кВт/кг, водородное топливо
Различные конструкции DUMBO от 1 до 5 МВт/кг.
Сейчас мы заменяем слабые двигатели на более мощные, удельной мощностью 1000 кВт/кг. Доступен улучшенный Isp 1000 сек.
Как и прежде, мы заменяем три вакуумных двигателя Raptor тремя ядерными тепловыми двигателями общей мощностью 3568 кН. Сейчас они имеют массу 18,6 тонны, включая защиту, и мощность 17,5 ГВт.
Необходимая модификация Starship — уменьшить объем полезной нагрузки на 450 м3 для размещения большего количества жидкого водорода. Общая масса ракетного топлива увеличится до 141,5 тонны, чего достаточно, чтобы выйти на орбиту, неся полную 100-тонную полезную нагрузку. Запас топлива для посадки тоже нужно увеличить до 34,3 тонны.
Начальная масса Starship составляет 100 тонн полезной нагрузки + 18,6 тонны ядерных двигателей + 141,5 тонны водорода + 3,33 тонны обычных двигателей Raptor + 34,3 тонны топлива для посадки + 111 тонн других конструкций, что в сумме составляет 408,7 тонны. Его начальное TWR составляет 0,91, а deltaV=4186 м/с.
Ракета-носитель SuperHeavy разгоняет этот еще более легкий ядерный Starship до скорости 5009 м/с на этапе выведения, что обеспечивает общую deltaV= 9195 м/с.
До сих пор трудно оправдать существование этого ядерного Starship. У него меньше deltaV, чем у оригинального Starship, и он не может значительно увеличить его, жертвуя грузоподъемностью.
Для полета, который начинается на низкой околоземной орбите и заканчивается приземлением на лунную поверхность, требуется deltaV=5,9 км/с, которая должна обеспечиваться как ядерными ракетами, так и двигателями приземления. Это возможно только при уменьшении полезной нагрузки до 34,5 тонны.
Эта конфигурация может приземлиться на лунную поверхность, только пожертвовав некоторой полезной нагрузкой. Это уменьшение возможностей происходит из-за уменьшения вдвое доступного объема обтекателя. То же самое верно и для достижения Марса: он должен либо выбрать более медленную траекторию, либо уменьшить свою полезную нагрузку.
Кроме того, это требует наличия трех отдельных комплектов оборудования ISRU для кислорода, метана и водорода, если он должен заправляться на лунной или марсианской поверхности для обратного путешествия. Жидкий водород является наиболее энергоемким топливом для производства, что является дополнительным осложнением.
Чтобы добавить ко всем этим недостаткам, возникает новая проблема: Super Heavy Booster самоуничтожится. Наличие слишком легкой ступени Starship означает, что ракета-носитель SuperHeavy достигает экстремальной скорости, которую не может в достаточной степени компенсировать импульсы торможения, а без какой-либо тепловой защиты он может быть поврежден. Исключение этого означает резервирование большего количества топлива для торможения, но это, в свою очередь, означает, что ступень Starship выводится с более низкой скоростью. Для водородных ядерных Starship, которые уже пытаются достичь орбиты, этоn вариант становится неработоспособным.
Короче говоря, ядерный Starship на водородном топливе не спасают лучшие двигатели.
150 кВт/кг, метановое топливо
Внутренняя конфигурация усовершенствованного KANUTER.
Предыдущие расчеты с использованием водородного топлива показали, насколько ограничен объем конструкции Starship. Не было места для объемного жидкого водорода, и выход на орбиту означал жертвовать массой полезной нагрузки и преимуществами объема, на которых построен Starship.
Эти проблемы можно решить, используя более плотный жидкий метан в качестве топлива для ядерной двигательной установки. Isp будет ниже, но соотношение масс станет настолько лучше, что в целом доступно большая deltaV.
Теперь давайте удалим три вакуумных двигателя Raptor и основные баки. Вместо них мы добавляем метановые ядерные двигатели мощностью 150 кВт/кг, с Isp 600 сек, и один большой топливный бак, содержащий 617 тонн жидкого метана. Также нам нужно увеличить посадочные баки до 79 тонн.
Ядерные двигатели рассчитаны на мощность 28,5 ГВт и тягу 9682 кН каждый. Вместе они имеют массу 191 тонну.
Начальная масса Starship составляет 100 тонн полезной нагрузки + 191 тонну ядерных двигателей + 617 тонн метана + 3,33 тонны обычных двигателей Raptor + 79 тонн топлива для посадки + 111 тонн другой конструкции, что в сумме составляет 1101,3 тонны. Его начальное значение TWR составляет 0,9, как и требуется, а DeltaV составляет 4834 м/с.
DeltaV не лучше из-за смехотворно больших двигателей, необходимых для достижения достаточного TWR. Сверхтяжелая ракета-носитель может разогнать эту конфигурацию Starship только до 3623 м/с, доведя общую DeltaV=8457 м/с, что очень мало для достижения орбиты.
Выход на орбиту возможен только при снижении полезной нагрузки до 20 тонн. В качестве альтернативы, мы можем вывести 100 тонн на орбиту, пожертвовав 450 кубометров полезного груза на расширенный резервуар метанового топлива. Конечно, эта полезная нагрузка должна быть очень плотной, чтобы поместиться в оставшийся объем… и TWR упадет до 0,76!
Опять, у нас есть неработающий ядерный Starship. Уменьшение массы полезной нагрузки или уменьшенного объема полезной нагрузки — единственный способ достичь орбиты. Масса двигателей огромна. В данном случае они составляют 63% от массы пустого Starship.
Единственным преимуществом этой конфигурации является, пожалуй, большое количество deltaV на Starship. Он сопоставим с deltaV исходной химической конструкции, поэтому может выполнять те же задачи. Но достижение почти такой же грузоподъемности за счет использования ядерной энергии — это не то, что мы хотим.
1000 кВт/кг, метановое топливо
Пора опробовать наиболее многообещающую комбинацию. Мощные двигатели и более плотное топливо.
Ракеты ISP 625 сек мощностью 8 ГВт каждая развивают тягу 2610 кН. Их масса с защитой от излучения составляет 8,4 тонны, общая тяга 7828 кН и масса 24 тонны.
Метановый бак такого же размера вмещает 617 тонн топлива. Запас для посадки немного увеличен до 36 тонн.
Это дает более мощному ядерному Starship начальную массу в 100 тонн полезной нагрузки + 24 тонны ядерных двигателей + 617 тонн метана + 3,33 тонны обычных двигателей Raptor + 36 тонны топлива для посадки + 111 тонн другой конструкции, что в сумме составляет 891,3 тонны. Отсюда мы получили первый действительно интересный результат.
deltaV мощной метановой ядерной ступени составляет 7209 м/с. Наконец, он выше, чем исходная химическая конфигурация!
Ракета-носитель SuperHeavy обеспечивает еще deltaV=3944 м/с, что в сумме составляет 11 153 м/с.
Есть два способа использовать эту увеличенную грузоподъемность: увеличить полезную нагрузку или достичь более сложных миссий.
Этот ядерный Starship может доставить на орбиту 245 тонн полезного груза, если он увеличит тягу двигателя до 9128 кН (масса двигателя увеличится до 29 тонн). Это означает, что количество миссий по доставке определенного количества полезной нагрузки в любой пункт назначения сокращается более чем вдвое, а также что количество миссий по дозаправке, необходимых для наполнения одного Starship и готовности к выходу с НОО, снижается с дюжины до трех.
Также есть возможность лишь частично заполнить Starship. Он может выполнять орбитальные миссии (общая deltaV 9200 м/с) при загрузке всего 323 тонны топлива вместо полных 617 тонн.
Лунные миссии стали намного проще.
Оригинальный химический Starship мог забрать до 215 тонн с низкой околоземной орбиты и посадить его на Луну (всего 5930 м/с, при 800 м/с, необходимых посадочным двигателям), но он должен был бы там оставаться. Он не может вернуться с лунной поверхности на поверхность Земли. Если бы у него не было полезной нагрузки, он мог бы отправиться на Луну и вернуться на низкую околоземную орбиту, но какой в этом смысл?
Starship с метановым ядерным топливом может выполнить миссию в один конец с 271 тонной полезной нагрузки, если он сможет прилуниться с помощью своих ядерных двигателей. Эта цифра уменьшится до 234 тонн, если он приземлится на поверхность Луны с использованием двигателей Raptor. Что еще интереснее, он может доставить меньшую полезную нагрузку на Луну и самостоятельно вернуться на свою стартовую площадку на Земле.
Ядерная конфигурация 138 тонн сухой массы отправляется с НОО с 25 тоннами полезной нагрузки, 617 тоннами метанового топлива в основных баках и 36,7 тоннами метан-кислорода в резерве для посадки. Он направляется к Луне и приземляется там, потребляя 520 тонн метана из основного резервуара (5930 м/с). Затем он выгружает свой полезный груз и возвращается на Землю с маневром 2700 м/с. После аэродинамического торможения он приземляется с использованием двигателей Raptor,. Отличная победа за возможность повторного использования!
Миссии на Марс тоже выигрывают.
Атомный Starship с метановым двигателем имеет deltaV=7209 м/с, которую он может использовать для межпланетных маневров. Обычная 120-дневная миссия сокращается до 88 дней или меньше. Даже при идеальном расположении планет, которое позволяет Starship совершать кратчайшие 65-дневные путешествия, ядерная версия может сократить почти на две недели и до 52 дней полета.
Как и в случае с лунными миссиями, эта дополнительная грузоподъемность открывает больше возможностей. Например, ядерный Starship может загружать 165 тонн полезной нагрузки вместо 100 тонн при выполнении тех же рейсов.
Химический Starship потенциально может загрузить 465 тонн полезного груза и отправить его на Марс по траектории с минимальной энергией. Этот ядерный Starship может делать то же самое с 495 тоннами полезного груза, ограниченными в основном огромными запасами топлива, необходимыми для приземления.
Или он может уменьшить свою полезную нагрузку, чтобы добиться еще большего deltaV для еще более быстрых полетов. С уменьшенной полезной нагрузкой он может расширить «окно запуска» на Марс на несколько месяцев и часто сможет отправиться на Марс и вернуться (с дозаправкой на поверхности) до того, как две планеты райзойдутся слишком далеко друг от друга.
Так будет ли ядерная установка того стоить?
Краткий ответ: нет.
Мы изучили и рассчитали грузоподъемность различных конфигураций ядерных Starship и нашли только ту, которая имеет лучшие характеристики. Это также тот вариант, который вряд ли будет существовать в ближайшем будущем. Сегодня не разрабатывается ни один большой ядерный тепловой двигатель, и никогда не проводились испытания ядерных двигателей с метановым топливом. Текущие усилия возродят старые водородные ядерные двигатели в масштабах, совершенно не подходящих для Starship.
Илон Маск вряд ли будет финансировать разработку необходимой технологии, тем более, что это не его представление того, как должна работать SpaceX. Он хочет построить небольшое количество ракет-носителей, которые будут использоваться повторно в максимально возможной степени. Таким образом достигается очень низкая стоимость запуска. Если есть недостаток в грузоподъемности, решением будет делать больше запусков, а не лучшие Starship. Более дорогие ядерные конструкции с небольшим преимуществом в грузоподъемности, главным образом в виде меньшего количества запусков, противоречат этой философии.
Kiwi-A проходит испытания на открытом воздухе.
Это вдобавок к различным сложностям разработки ядерных двигателей по сравнению с химическими двигателями. Невозможно вернуться к работе через неделю, если тестовая модель взорвется на стенде, что полностью противоречит принципам работы SpaceX. Нет никакого принципа «действовать быстро и ломать вещи», когда правительство США наскакивает каждый раз, когда что-то идет не так. То есть, если они предоставят Илону Маску доступ к обогащенному урану. Или, в первую очередь, если они позволят крупномасштабное тестирование вне строгого государственного надзора.
Другая проблема — это радиация.
С ядерными двигателями можно безопасно обращаться на земле без защиты от радиации или многих мер предосторожности, особенно при загрузке низкообогащенным ураном. Они запускают ядерную реакцию только после запуска вдали от Земли, поэтому не представляют радиационной угрозы для места запуска. Если при запуске произойдет авария, уран может разлететься, но это не опасно — к нему достаточно безопасно прикасаться (но не есть)!
Проблема возникает после запуска ядерных двигателей. Топливо становится очень радиоактивным. После выключения продолжает высвобождаться до 1% максимальной выходной мощности. В данном случае это несколько мегаватт. Мощность быстро спадает, но уровни радиации рядом с двигателем будут оставаться смертельными в течение нескольких дней и опасными в течение нескольких недель. Помните, что он не экранирован по бокам и сзади, поэтому никто не может защитить себя с таких углов подхода. По оценкам NASA, ядерный ракетный двигатель возвращается в «безопасное» состояние через месяц.
Некоторые конструкции ядерных реакторов требовали охлаждения холодным топливом в течение нескольких часов после использования.
Быстрое повторное использование двигателя усложняется. Отделение полезной нагрузки на орбите и последующий вход в атмосферу означает, что ядерные двигатели все еще остаются «горячими» после приземления. Даже если сама посадка выполняется с химическими двигателями Raptor, а не с активными ядерными двигателями, остаточная радиоактивность означает, что любой наземный персонал должен быть полностью защищен, все объекты дозаправки должны быть экранированы и установка новой полезной нагрузки должна быть без загрязнения, что является очень трудными задачами.
Даже в космосе, где мы не против облучения пустого пространства, есть проблемы.
Приближение к Международной Космической Станции становится невозможным, если Starship не «остынет» на орбите в течение месяца. Стыковочные маневры между Starship и кораблем, предназначенным для его дозаправки, должны выполняться по узкому коридору «теневых конусов» каждого корабля. Посадка на Луну происходит примерно через 3 дня после ухода с орбиты и использования маршевых двигателей. К тому времени ядерные двигатели все еще являются «горячими» и опасными для любого астронавта, находящимися на поверхности Луны. Им придется приземлиться вдали от лунных баз и полагаться на экранированные вездеходы для переброски полезной нагрузки по поверхности Луны на безопасное расстояние. Отсутствие воздуха для обеспечения естественной радиационной защиты означает, что это безопасное расстояние будет очень большим.
Для миссий на Марс это не проблема. Даже самые короткие миссии занимают более 2 месяцев, и это дает достаточно времени, чтобы ядерные ракетные двигатели снова стали безопасными. Посадка осуществляется химическими двигателями, поэтому космический корабль может безопасно опуститься на поверхность Марса. Но это обязательно меньшее количество миссий по сравнению с миссиями Земля-Земля или Земля-Луна.
И, наконец, ISRU.
Марсианские Starship возвращаются на Землю после заправки топливом, вырабатываемым CO2, и водой, обнаруженной на месте. Обширные поля солнечных панелей или ядерных реакторов вырабатывают электричество, чтобы расщепить эти молекулы и преобразовать их в кислород и метан. Starship с метановым ядерным двигателем требуется почти в три раза больше метана, чем химическому Starship. Ему не нужен кислород, но это побочный продукт реакции, которая в любом случае производит метан — это не настоящая экономия. В три раза больше метана означает, что объекты ISRU должны быть в три раза больше или заправлять в три раза меньше Starship , что является серьезным штрафом.
Можно ли спасти ядерный Starship?
В далеком будущем можно представить себе ядерный Starship. Кто-то другой решает разработать необходимую метановую силовую установку. Возможно, базовый Starship адаптирован для перевозки большего объема топлива, увеличения общего соотношения масс и полного использования увеличенной скорости истечения. И, возможно, за миллиарды долларов будут построены большие пусковые установки для дозаправки радиоактивных космических кораблей на земле, подобных тем, которые когда-то предлагались для управления бомбардировщиками с ядерными двигателями во время холодной войны.
GE Beetle , предназначенный для обработки радиоактивных B-36 бомбардировщиков.
Но более вероятно, что ничего из этого не произойдет. Огромного прироста грузоподъемности можно было добиться, специализируя химический Starship для лунных или марсианских миссий. Они никогда бы не приземлились обратно на поверхность Земли, но они выполняют свои собственные миссии намного лучше, чем когда-либо мог бы многоцелевой Starship. И не будем забывать, что итоговая сухая масса Starship будет меньше 120 тонн. SpaceX опубликовала (и опубликовала в Твиттере) оценку всего 60 тонн для окончательной беспилотной версии. В крайнем случае, у нас есть Starship Lite, лишенный всех аэродинамических характеристик, обтекателя полезной нагрузки и систем посадки. У него было бы deltaV=12,7 км/с благодаря сухой массе всего 40 тонн.
Если нам нужно полное преимущество ядерной двигательной установки, мы должны с самого начала спроектировать космический корабль, предназначенный для этого типа двигателя. Он никогда не приземляется, только перемещается с орбиты на орбиту, поэтому нет необходимости в тепловой защите, закрылках, двигателях большой тяги, толстой стальной конструкции или требованиях к аэродинамической форме. Без этих ограничений вместо этого он может использовать огромные резервуары для водорода и легкую конструкцию из алюминия или углеродных композитов. Двигатели низкого давления с тягой 1300 единиц будут доступны, поскольку нет необходимости в большой тяге.
30-тонный корабль с 10 тоннами ядерной двигательной установки, 263 тоннами водородного топлива и 100 тоннами полезного груза будет иметь deltaV=13 500 м/с, чего достаточно, чтобы добраться до Марса за 100 дней и выйти на низкую орбиту.
Это быстрый и экономичный вариант, который ближе к нынешнему видению атомных транспортных средств, чем конверсия Starship.
Первоисточник
