Блог | Как полететь на Марс. Превращение человечества в межпланетный вид

ПРЕВРАЩЕНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА В МЕЖПЛАНЕТНЫЙ ВИД (4)

Элон Маск

(Начало здесь)

КАК ПОНИЗИТЬ СТОИМОСТЬ ДОСТАВКИ ТОННЫ НА МАРС НА 5 МИЛЛИОНОВ ПРОЦЕНТОВ

Снизить цену билета на Марс до указанной величины непросто, так как нам надо снизить стоимость путешествия на 5 миллионов процентов. Это можно представить как улучшение на 4 с половиной порядка. Это непросто. Это кажется практически невозможным, но есть способы это сделать.

Существуют ключевые элементы, необходимые для улучшения на 4,5 порядка. Большинство из них связаны с полным повторным использованием компонентов – получится приблизительное снижение стоимости на 2 – 2,5 порядка. Оставшиеся два порядка можно достичь дозаправкой на орбите, производством топлива на Марсе, и выбором правильного топлива.

ПОЛНОЕ ПОВТОРНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Чтобы сделать полеты на Марс возможными в достаточно большом для создания автономного города масштабе, критически важно полное повторное использование. На самом деле это очень сложно. Очень трудно достичь повторного использования компонентов даже орбитальной системы, и вызовы становятся намного большими для системы, которая отправится на другую планету.

Вы можете использовать любой вид транспорта как пример различия между повторно используемыми и расходными системами. Автомобиль, велосипед, конь, если бы они были разового использования – почти никто бы их не использовал, они бы были слишком дорогими. Однако при частых полетах вы можете взять самолет, стоимость которого составляет 90 миллионов долларов, и прямо сейчас купить билет авиакомпании Southwest из Лос-Анджелеса в Лас-Вегас за 43 доллара, включая налоги. Если бы самолет использовался один раз, стоимость билета была бы 500 000 долларов за перелет. Прямо тут мы видим улучшение стоимости на 4 порядка.

Увы, но повторное использование не даст такого результата при полете на Марс, потому что вы можете использовать космический корабль системы намного меньше раз. Минимальное расстояние между Землей и Марсом бывает только каждые 26 месяцев. То есть, вы сможете повторно использовать космический корабль только каждые два года.

Читайте: За бортом: что тормозит реки Украины?

ДОЗАПРАВКА НА ОРБИТЕ

Вам придется использовать ускоритель и топливный бак часто. Следовательно, имеет смысл выводить космический корабль на орбиту с пустыми баками. Если у вас достаточно большие баки, чтобы заполнить их с помощью ускорителей и танкера, оказавшись на орбите, вы можете увеличить полезную нагрузку космического корабля, и, когда он отправится на Марс, у вас будет очень большая полезная нагрузка.

Следовательно, дозаправка на орбите – один из ключевых элементов. Без дозаправки на орбите, у вас будет стоимость, большая на половину порядка. Так как каждый порядок составляет степень десяти, то отсутствие дозаправки на орбите увеличит цену билета приблизительно на 500 процентов.

Преимущества дозаправки на орбите:

1. Отсутствие дозаправки требует ракеты с 3 ступенями и увеличивает размер и стоимость в 5-10 раз.

2. Распределение необходимой выводимой нагрузки на много пусков значительно уменьшает стоимость разработки и уплотняет график

3. В сочетании с повторным использованием, дозаправка позволяет заменить экспоненциальное увеличение стоимости на геометрическое.

Также дозаправка на орбите позволит нам использовать намного меньшие ракеты и уменьшить стоимость разработки, хотя она и так достаточно велика. Однако построить что-либо большего в 5-10 раз размера значительно труднее.

Более того, уменьшается чувствительность к параметрам ступени-ускорителя и бака. Если какой-либо из элементов не выполнит свою функцию, это можно скомпенсировать одним или двумя дополнительными полетами на дозаправку. Очень важно уменьшить чувствительность системы к недостаткам производительности.

ПРОИЗВОДСТВО ТОПЛИВА НА МАРСЕ

Производство топлива на Марсе также очень важно. Вновь, если мы этого не сделаем, стоимость поднимется на пол-порядка. Было бы абсурдным строить город на Марсе, если бы космические корабли отправлялись на Марс и не возвращались на Землю. У вас было бы обширное кладбище космических кораблей, вам бы пришлось что-то с ними делать.

Преимущества производства топлива на Марсе:

1. Делает возможным повторное использование кораблей и позволяет людям легко возвращаться на Землю.

2. Обеспечивает использование ресурсов, имеющихся на Марсе.

3. Доставка топлива с Земли потребует в 5 раз большего расхода топлива на его доставку.

Смысла оставлять космические корабли на Марсе нет, вы захотите построить завод по производству топлива на Марсе, и отправить их обратно. На Марсе это легко получится, так как он имеет атмосферу из углекислого газа, в почве есть водяной лед, а с помощью H2O и CO2 вы можете получать метан и кислород.

Читайте: Не пора ли начать думать?

ПРАВИЛЬНОЕ ТОПЛИВО

Выбор правильного топлива также важен. Есть три основных варианта, и каждый имеет свои преимущества.

Во-первых, керосин, или ракетный керосин, по сути высоко очищенная форма реактивного топлива. Он позволяет сохранить размер ракеты небольшим, но он достаточно дорогой. Его потенциал повторного использования ниже. Его трудно производить на Марсе, поскольку там нет нефти. Удельная энергия его достаточно хороша, но не выдающаяся.

Водород, хотя обеспечивает очень высокий импульс, очень дорог, и его очень трудно хранить в жидкой форме, не допуская кипения, поскольку температура жидкого водорода очень близка к абсолютному нулю. Следовательно требуемое оборудование будет огромным, и энергия, необходимая для производства и хранения водорода на Марсе, будет очень большой.

Рисунок 1. Сравнение топлив керосина, системы водород/кислород и криогенной системы метан/жидкий кислород (Deep-Cryo Methalox)

Следовательно, рассматривая общую оптимизацию системы, ясно, что победителем становится метан. Метан потребует от 50 до 60 процентов энергии на Марсе для дозаправки из хранилища, и технические требования намного проще. Так что мы думаем, что метан – лучше всего остального.

Сперва мы думали, что использование водорода имеет смысл, но в конце концов пришли к заключению, что лучший способ оптимизировать соотношение стоимости на единицу массы при полете на Марс и назад – использование полностью метановой системы, технически – криогенной системы метан - жидкий кислород.

Какая бы система ни была разработана, разработает ли ее SpaceX или кто-то еще, мы перечислили четыре ключевых проблемы, которые нужно решить чтобы получить реально низкую стоимость отправки тонны груза на поверхность Марса.

АРХИТЕКТУРА СИСТЕМЫ (5)

Рисунок (2 - Ред.) описывает полную архитектуру системы. Ракетный ускоритель и космический корабль взлетают и выводят космический корабль на орбиту. Затем ускоритель быстро, в пределах 20 минут, возвращается на землю. Он может затем поднять версию космического-корабля-танкера, который устроен также, как и КК, но герметичный и негерметичный объемы заполнены баками с топливом. Это также позволит снизить стоимость разработки, изначально немалую.

Затем танкер с топливом поднимается от трех до пяти раз, чтобы заполнить баки космического корабля на орбите. Когда баки заполнены, а груз передан и наступило время минимального сближения с Марсом, которое наступает раз в 26 месяцев, космический корабль отправляется.

Со временем, космических кораблей будет много. Возможно до 1000 кораблей или более будут ожидать на орбите. Марсианский колониальный флот отправится одновременно.

Есть смысл собирать космические корабли на орбите, потому что на это есть два года, и можно очень интенсивно использовать ускорители и танкеры. Повторное использование космического корабля будет меньше, так как 12-15 полетов займут 30 лет или около того. Следовательно вы захотите максимально увеличить их полезную загрузку и использовать ускорители и танкеры настолько много раз насколько возможно. Итак, корабль отправляется на Марс, там заправляется, и отправляется обратно на Землю.

Рис. 2 Архитектура системы. Конечная цель: 1000 использований ускорителя, 100 использований танкера, 12 использований космического корабля

Корабль будет относительно маленьким по сравнению с межпланетными кораблями будущего. Однако, он должен вместить около 100 человек в герметичной секции, перевозить багаж и не требующие герметизации грузы для постройки завода по производству топлива и всего остального, от металлургических заводов и пиццерий до чего угодно, нам надо перевозить массу грузов.

Рубеж автономного города или цивилизации на Марсе будет составлять миллион человек. При полете раз в два года и вместимости корабля в 100 человек, это 10 000 перелетов. Следовательно, 100 человек на корабль – правильная оценка, и мы можем увеличить пассажирскую секцию, и перевозить 200 или более человек для снижения стоимости на одного человека.

Однако, 10000 полетов – это очень много, так что действительно потребуется около 1000 космических кораблей.

Сколько потребуется времени с момента отправки первого корабля на Марс? Вероятно, от 20 до 50 встреч Марса с Землей, то есть достижение полностью автономной цивилизации на Марсе займет от 40 до 100 лет.