9 March 2019

Долетит ли «Starship» до Марса?

AstronauticsTransportThe future is here
За почти 60 лет освоения космоса проектов полета к Марсу и другим планетам было много и разной степени проработанности. Но проект SpaceX «Starship» (Звездолет) выделяется среди них по следующим причинам:

  1. Полностью частная инициатива и финансирование, по крайней мере пока.
  2. Несмотря на предыдущий пункт, высокая степень готовности. Одна из ключевых технологий (многоразовая жидкостная ступень) уже освоена, ведется строительство прототипа, прошел испытание двигатель.
  3. Амбициозность. Не просто слетать на Марс, а начать строить постоянную колонию. И корабль в перспективе может возить за сотню человек. И не только на Марс.
  4. Отсутствие ядерных, плазменных и гиперпространственных двигателей. Только ЖРД только хардкор.

Почему «Звездолет» сможет обходиться одними ЖРД, как обычно, под катом.

Дозаправка в космосе


Ключевой особенностью проекта «Starship» является использование марсианских ресурсов для производства топлива на обратный полет. Такой ход позволяет фактически уменьшить вдвое ХС ракеты по сравнению с полетом в оба конца на одной заправке с той же скоростью.


Mars Direct. Дальний корабль — возвратный и дожидался прилета корабля с экипажем (ближний), нарабатывая топливо.

Сам по себе такой подход чем-то новым не является: производство метана из марсианской атмосферы и привезенного водорода было еще в проекте «Mars Direct» Роберта Зубрина. Проект Маска отличается размерами корабля, многоразовостью и высокой скоростью межпланетного перелета. Последнее является следствием того, что для выхода на НОО второй ступени многоразовой ракеты со спасением первой ступени по освоенному SpaceX «методу Фалькона-9» требуется обеспечить приращение скорости порядка 7 км/с. А поскольку для перелета к Марсу планируется заправка все той же второй ступени многоразовыми танкерами на ее же базе, то есть смысл заправить ее полностью и улететь по быстрой траектории. От недолива топлива ПН не увеличится (а догрузка сложнее дозаправки, да и отсеки не резиновые), а полеты танкеров планируются ультрадешевыми. Всего планируется 6 запусков на один корабль: вывод собственно корабля и 5 заправочных.


Содержание водорода (скорее всего в виде водяного льда) в приповерхностном слое марсианского грунта по данным спутника «Марс Одиссей».

Итак, осталось развернуть на Марсе производство метан-кислородного топлива из местных ресурсов. А именно: обнаруженных спутниками «грунтовых вод» (скорее всего, в виде мерзлоты, хотя может и жидкой) и углекислого газа из атмосферы.

Метановый заводик


Для производства метана предполагается использовать реакцию Сабатье:

CO2 + 4H2 = CH4 +2H2O

Хорошая новость в том что данная реакция является экзотермической, так что тепло от реактора Сабатье можно приспособить, например на выпаривание вечной мерзлоты. Водород для реакции Сабатье и кислород для ракеты придется добывать электролизом марсианской воды и воды, производящейся в реакции Сабатье.

Согласно презентации 2017 года полная заправка BFR состоит из 240 тонн метана и 860 тонн кислорода. Поскольку с той презентации поменялся материал корпуса, но не двигатель и законы физики — можно считать что пропорция 3.58 тонн окислителя к тонне топлива сохранилась. Но есть один нюанс: количество водорода, необходимое для производства килограмма метана при производстве электролизом дает четыре килограмма кислорода. Так что вместо 1100 тонн нам потребуется произвести 1200. Кстати, 100 тонн кислорода при использовании в СЖО хватит примерно на 100 тыс. человеко-суток.

Электролиз воды — процесс с одной стороны энергозатратный, а с другой при правильно-спроектированной установке имеет КПД вблизи 100 %. Округлив вверх получим 16 МДж на килограмм воды. Или 18 МДж на килограмм произведенного кислорода. В пересчете на килограмм конечного продукта затраты на электролиз составят 14.4 МДж.

Для дистилляции воды для подготовки к электролизу требуется порядка 22-30 кДж на килограмм воды (дистиллятор на Марсе может работать вблизи тройной точки), причем перегонка требуется только грязной местной воде, а не отходам реакции Сабатье, и конденсацию компонентов в жидкое состояние (для кислорода без учета КПД холодильника в пределах 0.4 МДж/кг). Затраты на термостатирование компонентов топлива в баках без знания конструкции корабля сколько-нибудь точно оценить не получится. Так что просто будем считать что нам требуется 20 МДж на килограмм конечного продукта. Или +5.6 МДж на затраты не связанные с электролизом.

Итак. Мы оценили потребность в энергии в 20 МДж на килограмм продукта. С одной стороны, это много. Но с другой — между стартовыми окнами два года, соответственно столько времени у нас есть на выработку 1200 тонн продукта. Два года — это примерно 60 миллионов секунд, итого средняя производительность топливного «завода» должна быть… 20 граммов в секунду. Потому «завод» и в кавычках. Средняя потребляемая мощность составит 400 кВт.

Ядерный реактор отпадает — все реально существовавшие космические ЯЭУ имели электрическую мощность на два порядка меньше требуемой. SpaceX разработку еще и ЯЭУ с нужной удельной мощностью точно не потянет. Зато у Маска есть Tesla с бывшей Solar City, производящая солнечные батареи.


Советские космические ЯЭУ. Проект Топаз-100/40 до космоса не добрался. И у всех, мягко говоря, не вдохновляет длительность работы в режиме максимальной мощности

Хорошая новость — буферные аккумуляторы топливному заводу не нужны. Производство ракетного топлива и есть зарядка аккумулятора. Так что достаточно посчитать только площадь солнечных батарей, требующихся для обеспечения средней мощности в 400 кВт с учетом усредненного суточного цикла.

В среднем за марсианский год солнечная постоянная составляет около 600 Вт/м2 по нормали. Будем считать что СБ просто лежат на склоне кратера в оптимальном для данной широты положении — это еще и основной способ их монтирования на Земле. Без учета пылевых бурь за среднестатистические марсианские сутки на квадратный метр падает 191 Вт света (600/pi). Для учета бурь введем коэффициент 0.7 (марсианской метеорологии не знаю, но наверняка будут выбирать место где пылит поменьше). В итоге при КПД 20 % получим 26 Вт на квадратный метр в среднем за сутки. Опять же для удобства и надежности округлим, но на этот раз вниз — до 20 Вт/м2. Для искомых 400 кВт понадобится 20 000 квадратных метров или 2 гектара солнечных батарей. У современных хозяйственно-бытовых СБ удельный вес около 10 кг/м2. Вместе с коробкой для крепления на крышу, на Земле, где давление ветра на порядки сильнее марсианского. При том что конструкторы этой коробки ее оптимизировали на технологичность, а не вес. У гибких солнечных батарей (опять же для бытовых целей) удельный вес уже 3.5 кг/м2. На Марсе их можно просто раскатывать на грунте — при давлении 6 мбар ветер их унести не сможет. Зато сможет принести пыль, которую придется сдувать или сметать роботам или самим астронавтам («Спириту» же приходилось ждать «пыльного дьявола»).


Гибкая СБ для Земли

Но допустим, вместе с проводами наша солнечная энергоустановка все-таки весит 10 кг на метр. Для искомых 2 гектаров батарей нам понадобится 200 тонн. При том что по плану на Марс в начале стартует 2 беспилотных корабля, а в следующее окно — 2 грузовых и 2 пилотируемых с экипажем не более 10 человек. Итого 6 кораблей и от 600 до 900 тонн на поврехности Марса. Первая цифра получена из предположения о том что на 150 тонн ПН выйти не успеют или не смогут (а ракеты на 100 тонн на НОО вполне существовали). Минимум в 3 раза больше чем требуется.

Вот только кроме топливного заводика энергия потребуется еще и…

СЖО


Первое, оно же главное(с): Россия не сможет оставить SpaceX без космического унитаза. Дело в том что надежность советского космического туалета по сравнению WCS стоявшей на Шаттле — заслуга не суперсекретных советских технологий, а того что американцы переусложнили свою систему попытавшись автоматизировать процесс эвакуации каловых масс подальше от космонавта. Что приводит к засорам и прочим «радостям». В то время как в советском-российском космосортире поток воздуха только обеспечивал прижим фекалий к поверхности перфорированного пакета, который после использования требуется поместить на хранение руками. На «Скайлэбе» у американцев была еще более простая система в которой пакет для фекалий был герметичным и требовал отпихивать продукты жизнедеятельности пальцами (с помощью специальных мешочков) глубже в пакет, но зато имел систему откачки мочи. SpaceX может как поднять чертежи туалета «Скайлэба» (который, не смотря на необходимость дополнительных манипуляций с пакетом, еще надежней, чем российский) так и разработать свой аналог союзовского с прижимом отходов к мешку потоком воздуха.


Схема советского космического унитаза. Моча уходит по трубе с потоком воздуха, кал остается в отсеке с цифрой 5, прижатый потоком воздуха.


Туалет американский времен «Шаттла». Большая сложность (и меньшая надежность) системы связана с попыткой эвакуировать кал в том же потоке, что унес мочу.

От удаления отходов перейдем к другим человеческим потребностям. Как видно из таблицы (взятой отсюда) потребность экипажа из 6 человек на полет длительностью в 500 суток (что несколько меньше ожидаемой продолжительности марсианской миссии на «Звездолете») потребуется 58 тонн кислорода, пищи и воды. Из которых вода составляет 50 тонн.



В принципе с учетом быстрой траектории полета «Звездолета» (время зависит от типа противостояния, но в среднем 115 суток) на корабле можно обходиться запасами воды. Но поскольку марсианский завод все равно требует разработки технологии подготовки местной воды для электролиза (т.е. ее очистки и дистилляции) — можно и регенерировать.

Разработанные в СССР для станции «Мир» системы регенерации воды весили 2.4 тонны в расчете на 6 человек экипажа. В случае использования воды, регенерированной из мочи, для производства кислорода электролизом (масса мочи за сутки как раз примерно совпадает с потребностью человека в кислороде за то же время), основным потребителем опять будет электролизер с его 18 МДж на килограмм продукта. Кислорода человеку в сутки требуется около килограмма что дает потребляемую электролизером мощность 208 Вт на человека. Дистилляция, повторюсь, при наличии вакуума требует около 22 кДж на килограмм, что пренебрежимо мало на фоне расходов электролизера, даже с учетом большего объема хозяйственно-бытовой воды. Приняв потребность в энергии в 300 Вт на человека, включая затраты на освещение и зарядку планшетов (с космическими картами, ага), получим 30 кВт для 100-местного корабля. Это лишь вдвое больше того, что дают СБ современных спутников связи (до 15 кВт на спутник). По прилету на Марс затраты на электролиз воды для обеспечения кислородом отключаются — топливный завод и так вырабатывает 100 лишних тонн кислорода на одну заправку.

И радиация


Ее опасность во многом преувеличена. В космосе есть два источника радиации: Солнце, дающее много относительно низкоэнергетических частиц, но излучающее только с одного направления, и ГКИ, «светящее» малыми количествами высокоэнергетических частиц отовсюду. Соответственно от Солнца можно защититься просто компоновкой — повернув к нему нежилые отсеки. Собственно, так и планируется, о чем говорит хотя бы расположение СБ на «Звездолете» (см. картинку). ГКИ же проще перетерпеть, благо полет проходит по быстрой траектории. Полученная за время перелета доза ГКИ с одной стороны выше норм земных работников атомной промышленности, но с другой стороны в разы ниже того, что требуется для развития даже хронической лучевой болезни.


Рендер тогда еще ITS. Корпус теперь другой, но размещение СБ осталось прежним.
Tags:SpaceX Starshipкосмонавтика
Hubs: Astronautics Transport The future is here
+54
25.1k 35
Comments 675
Top of the last 24 hours