A metà del XX secolo, l'umanità era affascinata dallo spazio. Il lancio del primo satellite, il volo di Gagarin, la passeggiata spaziale, l'atterraggio sulla luna - sembrava un po' di più - e voleremo verso le stelle, soprattutto da quando esistevano ambiziosi progetti di astronavi interplanetarie. E come basi sulla luna, voli su Marte - era qualcosa che era dato per scontato.
Ma le priorità sono cambiate. Le tecnologie del secolo scorso, sebbene consentissero di implementare tutto quanto sopra, erano estremamente costose. L'espansione nello spazio basata su tecnologie del secolo scorso richiederebbe un riorientamento di tutte le economie dei principali paesi del mondo per affrontare questo problema.
L'esplorazione intensiva dello spazio richiede la soluzione di due compiti fondamentali: il primo è garantire la possibilità di lanciare in orbita carichi ingombranti massicci e il secondo è ridurre il costo del lancio in orbita per un chilogrammo di carico utile (PN).
Se l'umanità ha affrontato relativamente bene il primo compito, quindi con il secondo, tutto si è rivelato molto più complicato.
Lungo viaggio nello spazio (e molto costoso)
Fin dall'inizio, i veicoli di lancio (LV) erano usa e getta. La tecnologia del XX secolo non ha permesso la creazione di un veicolo di lancio riutilizzabile. Sembra incredibile quando centinaia di milioni o miliardi di rubli/dollari bruciano nell'atmosfera o si schiantano sulla superficie.
Immaginiamo che le navi vengano costruite solo per un'uscita sul mare, dopodiché vengano immediatamente bruciate. In questo caso, sarebbe arrivata l'era delle grandi scoperte geografiche? Il continente nordamericano sarebbe colonizzato?
Improbabile. Molto probabilmente, l'umanità sarebbe vissuta come centri di civiltà isolati.
La possibilità di lanciare carichi grandi e super pesanti in un'orbita di riferimento bassa (LEO) è stata implementata nel mostruoso veicolo di lancio super pesante americano Saturn-5. È stato questo razzo, in grado di trasportare 141 tonnellate di PN a LEO, che ha permesso agli Stati Uniti di diventare i leader nella corsa allo spazio in quel momento, consegnando gli astronauti americani sulla luna.
L'Unione Sovietica ha perso la corsa per la luna perché non è stata in grado di creare un veicolo di lancio super pesante paragonabile a Saturn-5.
E l'URSS non ha potuto creare un veicolo di lancio super pesante a causa della mancanza di potenti motori a razzo. Per questo motivo, 30 motori NK-33 sono stati installati nella prima fase del super pesante LV N-1 a cinque stadi sovietico. Considerata l'assenza della possibilità di diagnostica computerizzata e sincronizzazione del funzionamento del motore in quel momento, nonché il fatto che, per mancanza di tempo e di fondi, sono state effettuate prove dinamiche a terra e al banco antincendio dell'intero BT o dell'assemblaggio del primo stadio non effettuati, tutti i lanci di prova della LV N-1 si sono conclusi con un fallimento nella fase della prima fase.
Un tentativo di ridurre radicalmente il costo del lancio di un veicolo spaziale in orbita è stato il programma American Space Shuttle.
Nella navicella spaziale da trasporto riutilizzabile dello Space Shuttle (MTKK), sono stati restituiti due dei tre componenti: i propulsori a combustibile solido con il paracadute sono precipitati nell'oceano e, dopo il controllo e il rifornimento di carburante, potrebbero essere riutilizzati e l'aereo spaziale - una navetta, è atterrato sulla pista secondo lo schema aereo. Nell'atmosfera bruciava solo un serbatoio per l'idrogeno liquido e l'ossigeno, il cui carburante veniva utilizzato dai motori della navetta.
Il sistema Space Shuttle non può essere classificato come un veicolo di lancio super pesante: il peso massimo del carico utile messo in orbita di riferimento bassa (LEO) era inferiore a 30 tonnellate, che è paragonabile alle prestazioni del carico utile del veicolo di lancio russo Proton.
L'Unione Sovietica ha risposto con il programma Energy-Buran.
Nonostante la somiglianza esterna dello Space Shuttle e del sistema Energia-Buran, avevano differenze fondamentali. Se nello Space Shuttle, il lancio in orbita è stato effettuato da due booster a propellente solido riutilizzabili e dal veicolo spaziale stesso, nel progetto sovietico Buran era un carico passivo del veicolo di lancio Energia. Lo stesso veicolo di lancio Energia può essere giustamente attribuito al "superpesante": era in grado di mettere 100 tonnellate in un'orbita di riferimento bassa, solo 40 tonnellate in meno di Saturno-5.
Sulla base del veicolo di lancio Energia, è stato pianificato di creare un veicolo di lancio Vulcan con un numero di blocchi laterali aumentato a 8 pezzi, in grado di fornire 175-200 tonnellate di carico utile a LEO, che consentirebbe di effettuare voli alla Luna e a Marte.
Tuttavia, lo sviluppo più interessante può essere chiamato il progetto "Energy II" - "Hurricane", in cui tutti gli elementi dovevano essere riutilizzabili, incluso lo spazioplano orbitale, il blocco centrale del secondo stadio e i blocchi laterali del primo stadio. Il crollo dell'URSS non ha permesso di realizzare questo, senza dubbio, un progetto interessante.
Nonostante il suo carattere epico, entrambi i programmi sono stati ridotti: uno - a causa del crollo dell'URSS, e il secondo - a causa dell'alto tasso di incidenti di "navette" che hanno ucciso una dozzina di astronauti americani. Inoltre, il programma Space Shuttle non ha soddisfatto le aspettative in termini di riduzione radicale dei costi di lancio in orbita di un carico utile.
Dopo il completamento del programma Energia-Buran, l'umanità non ha più veicoli di lancio super pesanti. La Russia non aveva tempo per questo e gli Stati Uniti avevano perso significativamente le loro ambizioni spaziali. Per risolvere gli attuali compiti urgenti, i veicoli di lancio disponibili per entrambi i paesi erano abbastanza (tranne per la temporanea mancanza della capacità degli Stati Uniti di lanciare in orbita gli astronauti in modo indipendente).
L'agenzia aerospaziale americana NASA ha gradualmente portato avanti la progettazione di un veicolo di lancio super pesante per risolvere compiti ambiziosi: come un volo su Marte o la costruzione di una base sulla Luna. Come parte del programma Constellation, è stato sviluppato il veicolo di lancio super pesante Ares V. Si presumeva che "Ares-5" sarebbe stato in grado di portare 188 tonnellate di carico utile a LEO e consegnare 71 tonnellate di PN alla Luna.
Nel 2010 il programma Constellation è stato chiuso. Gli sviluppi su "Ares-5" sono stati utilizzati in un nuovo programma per la creazione di un LV super pesante - SLS (Space Launch System). Il veicolo di lancio SLS super pesante nella versione base dovrebbe essere in grado di fornire 95 tonnellate di carico utile a LEO e, nella versione con un carico utile maggiore, fino a 130 tonnellate di carico utile. Il design SLS LV utilizza motori e booster a propellente solido creati come parte del programma Space Shuttle.
In effetti, sarà una sorta di reincarnazione moderna di "Saturno-5", simile sia nelle caratteristiche che nel costo. Nonostante il fatto che il programma SLS, molto probabilmente, sarà ancora completato, non rivoluzionerà né l'astronautica americana né quella mondiale.
Questo è un progetto volutamente senza uscita.
Stessa sorte attende il progetto russo del veicolo di lancio superpesante Yenisei/Don, se costruito sulla base di soluzioni “tradizionali” utilizzate nella tecnologia spaziale.
In generale, fino a un certo punto, la situazione negli Stati Uniti e in Russia era relativamente simile: né dalla NASA, né da Roskosmos, difficilmente avremmo visto soluzioni rivoluzionarie in termini di immissione in orbita del carico utile. Nulla di nuovo si è visto nemmeno in altri paesi. L'industria spaziale è diventata molto conservatrice.
Le società private hanno cambiato tutto, ed è del tutto naturale che ciò sia avvenuto negli Stati Uniti, dove si sono create le condizioni più confortevoli per gli affari.
Spazio privato
Ovviamente, prima di tutto stiamo parlando della società SpaceX Elon Musk. Non appena non è stato chiamato - un truffatore, "manager di successo", "Ostap Petrikovich Mask" e così via e così via. L'autore ha letto su una delle risorse un articolo pseudo-scientifico sul perché il veicolo di lancio Falcon-9 non volerà: il suo corpo non è lo stesso, troppo sottile, e i motori non sono gli stessi, in generale, ci sono un milioni di ragioni per cui "no". Tali valutazioni, tra l'altro, sono state espresse non solo da analisti indipendenti, ma anche da funzionari, capi di strutture statali e imprese russe.
Musk è stato accusato del fatto che lui stesso non ha sviluppato nulla (e ha dovuto creare da solo tutta la documentazione di progettazione e quindi assemblare il veicolo di lancio da solo?), E che SpaceX ha ricevuto molte informazioni e materiali su altri progetti dalla NASA (e SpaceX ha dovuto fare tutto da zero, come se i programmi spaziali non esistessero negli Stati Uniti prima?).
In un modo o nell'altro, ma il veicolo di lancio Falcon-9 ha avuto luogo, vola nello spazio con una regolarità invidiabile, i primi stadi elaborati atterrano con la stessa regolarità, uno dei quali ha già volato 10 (!) Volte. Roskosmos ha perso la maggior parte del mercato per il lancio di payload in orbita, e dopo la creazione di SpaceX del veicolo spaziale riutilizzabile con equipaggio Crew Dragon (Dragon V2) e il mercato per la consegna degli astronauti americani in orbita.
Ma SpaceX ha anche un razzo Falcon Heavy in grado di consegnare oltre 63 tonnellate a LEO. Attualmente è il veicolo di lancio più pesante e con il maggior carico utile al mondo. Anche il suo primo stadio e i booster laterali sono riutilizzabili.
Un altro miliardario americano, Jeff Bezos, respira nella parte posteriore della testa di SpaceX. Certo, mentre i suoi successi sono molto più modesti, ma ci sono ancora risultati. Innanzitutto, si tratta della creazione di un nuovo motore metano-ossigeno BE-4, che verrà utilizzato nel veicolo di lancio New Glenn e nel veicolo di lancio Vulcan (che sostituirà il veicolo di lancio Atlas-5). Considerando che Atlas-5 ora vola su motori russi RD-180, dopo la comparsa di BE-4, Roskosmos perderà un altro mercato di vendita.
Negli Stati Uniti e in altri paesi ci sono centinaia di start-up per creare veicoli di lancio e altri tipi di velivoli per il lancio in orbita di payload, start-up per creare satelliti e veicoli spaziali per vari scopi, tecnologie industriali per lo spazio, turismo orbitale, E così via e così via.
Dove porterà tutto questo?
Al fatto che il mercato spaziale si espanderà rapidamente e la concorrenza nel mercato per mettere in orbita un carico utile porterà a una significativa riduzione del costo della sua rimozione dal calcolo per un chilogrammo.
Il costo del lancio di 1 kg di carico utile su LEO dal sistema Space Shuttle o dal razzo Delta-4 è di circa $ 20.000. I veicoli di lancio Proton russi sono in grado di fornire carichi utili a LEO per meno di $ 3.000 per chilogrammo, ma questi missili funzionano con la dimetilidrazina asimmetrica altamente tossica e sono attualmente fuori produzione. Economici, sviluppati in URSS, anche gli Zenit russo-ucraini sono un ricordo del passato.
Il veicolo di lancio Falcon-9, a condizione che venga utilizzato il primo stadio di ritorno, può lanciare un carico utile in un'orbita di riferimento bassa ad un costo inferiore a $ 2.000 per chilogrammo. Secondo Elon Musk, il Falcon-9 può potenzialmente ridurre il costo del lancio di un carico utile a $ 500-1100 per chilogrammo.
Ci si potrebbe chiedere, perché ora è molto più costoso per i clienti estrarre i payload?
Innanzitutto, il costo è determinato non solo dal costo di lancio, ma anche dalle condizioni di mercato, dai prezzi dei concorrenti. Quale capitalista rinuncerebbe al profitto extra? È vantaggioso essere leggermente al di sotto dei concorrenti, conquistando gradualmente il mercato, piuttosto che fare dumping senza guadagnare nulla, tanto più che in un settore critico così specifico come il mercato dei lanci spaziali, le strutture di controllo supporteranno comunque più fornitori, anche se uno ha prezzi parecchie volte superiori a quelli della concorrenza.
Si può presumere che la riduzione del prezzo di SpaceX sarà dettata solo dall'emergere di concorrenti di fronte a Blue Origin con il suo veicolo di lancio New Glenn o altre società e paesi che creeranno mezzi per lanciare carichi utili con un basso costo di lancio.
Tuttavia, la maggior parte delle start-up e dei progetti promettenti sono legati al lancio in orbita di un carico utile del peso di centinaia, al massimo mille chilogrammi. Ciò non rivoluzionerà lo spazio: costruire qualcosa di grande richiederà veicoli di lancio riutilizzabili pesanti e super pesanti con un basso costo per il lancio di un carico utile in orbita. E qui, come abbiamo già visto sopra, tutto è triste.
Tutto tranne il progetto più importante di SpaceX, un veicolo spaziale Starship completamente riutilizzabile con un primo stadio Super Heavy completamente riutilizzabile
Riutilizzabile super pesante
La differenza tra Starship (di seguito denominata Starship come combinazione di Starship + Super Heavy) da tutti gli altri veicoli di lancio è che entrambe le fasi sono riutilizzabili. Allo stesso tempo, il carico utile dell'astronave su un'orbita di riferimento bassa dovrebbe essere di 100 tonnellate, cioè è un razzo super pesante a tutti gli effetti. Per Starship, SpaceX ha sviluppato nuovi, esclusivi motori Raptor a ciclo chiuso a metano-ossigeno con gassificazione completa dei componenti.
SpaceX prevede di sostituire tutti i suoi veicoli di lancio con l'astronave, incluso il Falcon 9 di grande successo. Di solito il lancio di un razzo super pesante è estremamente costoso, dell'ordine di un miliardo di dollari. Per mantenere basso il costo del lancio, SpaceX prevede di utilizzare entrambe le fasi molte volte: 100 lanci ciascuno e forse di più. In questo caso, il costo diminuirà di quasi due ordini di grandezza, fino a dieci milioni di dollari per lancio. Tenendo conto del carico massimo di 100 tonnellate, otterremo il costo per portare il carico utile a LEO a un livello di circa 100 (!) Dollari per chilogrammo.
Naturalmente, le fasi restituite richiederanno manutenzione, sostituzioni del motore dopo 50 avviamenti, rifornimento di carburante, servizi a terra dovranno essere pagati, ma la stessa Starship costerà molto probabilmente meno di un miliardo di dollari e le sue tecnologie di produzione e manutenzione saranno continuamente migliorate poiché l'esperienza è acquisita da SpaceX.
In effetti, Elon Musk afferma che Starship può potenzialmente raggiungere un costo di lancio del carico utile di circa $ 10 per chilogrammo con un costo totale di lancio di $ 1,5 milioni e il costo di consegna del carico sulla Luna sarà di circa $ 20-30 per chilogrammo. ma questo richiede il lancio dell'astronave su base settimanale.
Dove trovare tali volumi?
Anche i militari semplicemente non hanno una tale quantità di carico utile, che c'è già spazio civile - lo sviluppo del mercato richiederà decenni.
Colonizzazione di Marte?
Difficilmente è possibile parlarne seriamente.
Colonizzazione della Luna?
Più vicino, l'astronave potrebbe affondare la SLS e inviare gli americani sulla luna una seconda volta. Ma queste sono dozzine di lanci, non centinaia o migliaia.
Tuttavia, SpaceX ha un piano aziendale molto più reale dell'invio di coloni su Marte: utilizzare Starship per trasportare passeggeri intercontinentali. Quando si vola da New York a Tokyo attraverso l'orbita terrestre, il tempo di volo sarà di circa 90 minuti. Allo stesso tempo, SpaceX prevede di garantire l'affidabilità operativa al livello dei moderni grandi aerei di linea e il costo del volo, al livello del costo di un volo transcontinentale in business class.
I carichi possono essere consegnati allo stesso modo. Ad esempio, l'esercito americano si è già interessato a questa opportunità. Si prevede di consegnare 80 tonnellate di carico in un volo, che è paragonabile alle capacità dell'aereo da trasporto C-17 Globemaster III.
Nel complesso: il trasporto di passeggeri e merci, la consegna di astronauti americani sulla luna, e possibilmente verso oggetti più distanti del sistema solare, il ritiro di veicoli spaziali commerciali, turismo spaziale, e così via e così via, e così via - SpaceX potrebbe anche fornire una riduzione del costo di ritiro del carico utile, anche se sarebbe fino al livello di $ 100 per chilogrammo.
In questo caso, Starship inaugurerà una nuova era nell'esplorazione dello spazio e oltre.
Prospettive e implicazioni
L'astronave è vista con un certo sospetto al momento. Sembra che tutto sia bello sulla carta e l'esperienza di SpaceX parla da sola, ma in qualche modo tutto è troppo roseo?
A volte si ha la sensazione che il potenziale di questo sistema non si adatti alle menti della leadership delle forze armate statunitensi, della direzione della NASA, dei proprietari e dei dirigenti di imprese in un'ampia varietà di settori. Per troppo tempo, lanciare anche un piccolo carico utile nello spazio ha significato costi multimilionari.
La domanda è: cosa succede quando 100 dollari al chilogrammo diventano realtà?
Quando le persone istruite del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti capiranno che lanciare in orbita un carro armato convenzionale è più veloce ed economico che trasportarlo con un aereo da trasporto militare dal continente americano all'Europa, a quali conclusioni arriveranno?
No, non vedremo Abrams sulla Luna, ma il carro armato non è il bersaglio, è solo un modo per consegnare il proiettile al nemico. E se fosse più facile ottenere questo proiettile direttamente dall'orbita? Quanto velocemente gli Stati Uniti si ritireranno dal Trattato sullo spazio extraatmosferico pacifico se otterranno un vantaggio strategico in esso (nello spazio)? Quanto velocemente l'esercito americano inizierà a migrare in orbita?
Inoltre, anche le capacità esistenti per mettere in orbita carichi utili sotto forma di Falcon-9 e Falcon Heavy, combinate con le tecnologie per la costruzione di satelliti di massa, saranno sufficienti per incastrare LEO con satelliti di ricognizione, comando e comunicazione, portando al fatto che gli Stati Uniti monitoreranno la superficie del pianeta 24 ore su 24, 365 giorni all'anno. Dimentica le grandi forze di superficie, i raggruppamenti militari, i sistemi missilistici terrestri mobili: tutti questi saranno solo bersagli per armi a lungo raggio con correzione della traiettoria di volo.
Il successo di Starship aggiungerà un livello di attacco spaziale a questo set, in cui il bersaglio verrà colpito dallo spazio entro poche decine di minuti dopo aver ricevuto una richiesta. Nessun leader politico al mondo può sentirsi sicuro sapendo che un'inevitabile pioggia di tungsteno potrebbe cadere dallo spazio da un momento all'altro.
Al prezzo di $ 100 al chilogrammo, tutti coloro che non sono troppo pigri - aziende farmaceutiche, metallurgiche, minerarie - saliranno nello spazio. Parleremo più avanti di economia spaziale. Se possibile, lanciando e rimuovendo a buon mercato merci dall'orbita, lo spazio diventerà il nuovo Klondike. Cosa possiamo dire di 10 dollari al chilogrammo …
È del tutto possibile che in questo momento stiamo assistendo a un evento storico che potrebbe diventare un punto di svolta nello sviluppo dell'umanità
Questo processo può interrompersi?
Forse la storia è imprevedibile. L'avidità umana, la stupidità o solo un incidente - una catena di fallimenti, possono seppellire qualsiasi impresa di maggior successo. Un paio di gravi incidenti Starship con la morte di centinaia di persone sono sufficienti e il processo di esplorazione dello spazio può essere nuovamente fortemente rallentato, come già nel XX secolo.
In caso di vantaggio unilaterale nello spazio, gli Stati Uniti cominceranno a perseguire una politica molto più aggressiva di quella attuale. In assenza di un'opportunità per garantire la parità nello spazio, potremmo benissimo scivolare al livello della Corea del Nord, seduti su una "valigia nucleare" e minacciando di minare noi stessi, i vicini e tutti gli altri in caso di qualsiasi cosa (che, a quanto pare, per strani motivi, piace anche ad alcuni).
A tal proposito occorre prestare maggiore attenzione all'industria spaziale, il cui stato al momento non desta alcun ottimismo.
Prendi, ad esempio, il progetto del veicolo di lancio super pesante "Yenisei" / "Don" - è sufficiente guardare tutte le dichiarazioni che si escludono a vicenda di vari leader e dipartimenti su questo progetto, e diventa chiaro che nessuno, in linea di principio, sa perché viene creato, né cosa dovrebbe diventare alla fine. Se questo è il prossimo "Angara", allora il progetto può essere chiuso ora - non ha senso spendere i soldi della gente su di esso.
Allo stesso tempo, la Cina non sta a guardare.
Oltre a sviluppare veicoli di lancio tradizionali, stanno attivamente studiando e adottando l'esperienza americana, non esitando a copiare direttamente. Tutto è lecito in materia di sicurezza nazionale.
In occasione del National Space Day, il Chinese Rocket Research Institute ha parlato del progetto di un sistema missilistico suborbitale, che dovrebbe trasportare passeggeri da un punto all'altro del pianeta in meno di un'ora.
Possiamo dire che finora si tratta solo di disegni, ma la Cina ha recentemente ripetutamente dimostrato la sua capacità di raggiungere i leader in vari rami della scienza e dell'industria.
È anche tempo che la Russia metta da parte la confusione e le esitazioni nell'industria spaziale, formuli chiaramente gli obiettivi e ne garantisca l'attuazione con ogni mezzo.
Se la Cina e la Russia possono competere con gli Stati Uniti nello spazio a un nuovo livello tecnologico, allora le orbite basse saranno solo l'inizio e l'umanità entrerà davvero in una nuova era, che finora esiste solo nelle pagine dei romanzi di fantascienza.
