Em meados do século 20, a humanidade era fascinada pelo espaço. O lançamento do primeiro satélite, o vôo de Gagarin, a caminhada no espaço, o pouso na lua - parecia um pouco mais - e vamos voar para as estrelas, especialmente porque ambiciosos projetos de espaçonaves interplanetárias existiam. E como bases na lua, voos para Marte - era algo que era dado como certo.
Mas as prioridades mudaram. As tecnologias do século passado, embora tornassem possível a implementação de tudo isso, eram extremamente caras. A expansão para o espaço com base nas tecnologias do século passado exigiria uma reorientação de todas as economias dos principais países do mundo para resolver esse problema.
A exploração intensiva do espaço requer a solução de duas tarefas básicas: a primeira é garantir a possibilidade de lançamento de cargas volumosas massivas em órbita e a segunda é reduzir o custo de lançamento em órbita por um quilograma de carga útil (PN).
Se a humanidade lidou com a primeira tarefa relativamente bem, então com a segunda - tudo acabou sendo muito mais complicado.
Longa viagem ao espaço (e muito cara)
Desde o início, os veículos lançadores (BT) eram descartáveis. A tecnologia do século 20 não permitiu a criação de um veículo de lançamento reutilizável. Parece incrível quando centenas de milhões ou bilhões de rublos / dólares queimam na atmosfera ou se espatifam na superfície.
Imaginemos que os navios seriam construídos apenas para uma saída para o mar, e depois disso seriam queimados imediatamente. Nesse caso, viria a era das grandes descobertas geográficas? O continente norte-americano seria colonizado?
Improvável. Muito provavelmente, a humanidade teria vivido como centros isolados de civilização.
A possibilidade de lançar cargas grandes e superpesadas em órbita de baixa referência (LEO) foi implementada no monstruoso veículo de lançamento superpesado americano Saturn-5. Foi esse foguete, capaz de transportar 141 toneladas de PN para o LEO, que permitiu aos Estados Unidos se tornarem os líderes da corrida espacial da época, levando astronautas americanos à lua.
A União Soviética perdeu a corrida pela lua porque não conseguiu criar um veículo de lançamento superpesado comparável ao Saturn-5.
E a URSS não conseguiu criar um veículo de lançamento superpesado devido à falta de motores de foguete potentes. Por causa disso, 30 motores NK-33 foram instalados no primeiro estágio do LV N-1 superpesado soviético de cinco estágios. Considerando a ausência da possibilidade de diagnósticos informatizados e sincronização do funcionamento do motor naquele momento, bem como o fato de que, por falta de tempo e recursos, foram realizados ensaios dinâmicos de solo e de bancada de incêndio de todo o VE ou da montagem do primeiro estágio não realizados, todos os testes de lançamento do LV N-1 terminaram em falha na fase da primeira fase.
Uma tentativa de reduzir radicalmente o custo de lançar uma espaçonave em órbita foi o programa American Space Shuttle.
Na espaçonave de transporte reutilizável do ônibus espacial (MTKK), dois dos três componentes foram devolvidos - propulsores de combustível sólido por paraquedas espirrados no oceano e, após verificação e reabastecimento, poderiam ser reutilizados, e o avião espacial - um ônibus espacial pousou na pista de acordo com o esquema do avião. Na atmosfera, queimava apenas um tanque para hidrogênio líquido e oxigênio, combustível usado pelos motores do ônibus espacial.
O sistema do ônibus espacial não pode ser classificado como um veículo de lançamento superpesado - o peso máximo da carga útil que ele colocou em órbita de referência baixa (LEO) foi inferior a 30 toneladas, o que é comparável ao desempenho da carga útil do veículo de lançamento Proton russo.
A União Soviética respondeu com o programa Energy-Buran.
Apesar da semelhança externa entre o ônibus espacial e o sistema Energia-Buran, eles tinham diferenças importantes. Se no ônibus espacial, o lançamento em órbita foi realizado por dois propulsores de propelente sólido reutilizáveis e a própria espaçonave, então no projeto soviético Buran era uma carga passiva do veículo de lançamento Energia. O próprio veículo lançador Energia pode ser legitimamente atribuído ao "superpesado" - era capaz de colocar 100 toneladas em uma órbita de referência baixa, apenas 40 toneladas a menos que o Saturno-5.
Com base no lançador Energia, estava prevista a criação de um lançador Vulcan com um número aumentado de blocos laterais para 8 peças, capaz de entregar 175-200 toneladas de carga útil à LEO, o que permitiria a realização de voos para a Lua e Marte.
No entanto, o desenvolvimento mais interessante pode ser chamado de projeto "Energia II" - "Furacão", no qual todos os elementos seriam reutilizáveis, incluindo o plano espacial orbital, o bloco central do segundo estágio e os blocos laterais do primeiro estágio. O colapso da URSS não permitiu que este, sem dúvida, um projeto interessante se realizasse.
Apesar de todo o seu caráter épico, ambos os programas foram reduzidos: um - por causa do colapso da URSS, e o segundo - por causa da alta taxa de acidentes de "ônibus espaciais" que mataram uma dúzia de astronautas americanos. Além disso, o programa do Ônibus Espacial não atendeu às expectativas em termos de redução radical do custo de lançamento de uma carga útil em órbita.
Após a conclusão do programa Energia-Buran, a humanidade não tem mais veículos de lançamento superpesados. A Rússia não tinha tempo para isso e os Estados Unidos haviam perdido significativamente suas ambições espaciais. Para resolver as tarefas urgentes atuais, os veículos de lançamento disponíveis para ambos os países eram suficientes (exceto pela falta temporária da capacidade dos Estados Unidos de lançar astronautas em órbita de forma independente).
A agência aeroespacial americana NASA gradualmente desenvolveu o projeto de um veículo de lançamento superpesado para resolver tarefas ambiciosas: como um vôo para Marte ou a construção de uma base na lua. Como parte do programa Constellation, o veículo de lançamento superpesado Ares V foi desenvolvido. Foi assumido que o "Ares-5" será capaz de trazer 188 toneladas de carga útil para LEO e entregar 71 toneladas de PN para a lua.
Em 2010, o programa Constellation foi encerrado. Os desenvolvimentos do "Ares-5" foram usados em um novo programa para a criação de um LV superpesado - SLS (Space Launch System). O veículo de lançamento SLS superpesado na versão básica deve ser capaz de entregar 95 toneladas de carga útil para LEO, e na versão com uma carga útil aumentada - até 130 toneladas de carga útil. O projeto SLS LV usa motores e propulsores de propelente sólido criados como parte do programa Space Shuttle.
Na verdade, será algum tipo de reencarnação moderna de "Saturno-5", semelhante a ele tanto em características quanto em custo. Apesar de o programa SLS, muito provavelmente, ainda estar concluído, ele não revolucionará a astronáutica americana ou mundial.
Este é um projeto deliberadamente sem saída.
O mesmo destino aguarda o projeto russo do veículo de lançamento superpesado Yenisei / Don, se for construído com base em soluções “tradicionais” utilizadas na tecnologia espacial.
Em geral, até certo ponto, a situação nos Estados Unidos e na Rússia era relativamente semelhante: nem da NASA, nem da Roskosmos, dificilmente teríamos visto soluções inovadoras em termos de colocar a carga útil em órbita. Nada de novo foi visto em outros países. A indústria espacial se tornou muito conservadora.
As empresas privadas mudaram tudo e é natural que isso tenha acontecido nos Estados Unidos, onde se criaram as condições mais confortáveis para os negócios.
Espaço privado
Claro, em primeiro lugar, estamos falando sobre a empresa SpaceX Elon Musk. Assim que ele não foi chamado - um vigarista, "gerente de sucesso", "Ostap Petrikovich Mask" e assim por diante. O autor leu em um dos recursos um artigo pseudo-científico sobre por que o veículo de lançamento Falcon-9 não voa: seu corpo não é o mesmo, muito fino e os motores não são os mesmos, em geral, há um milhões de razões pelas quais "não". Essas avaliações, aliás, foram feitas não apenas por analistas independentes, mas também por funcionários, chefes de estruturas estatais e empresas russas.
Musk foi acusado de não ter desenvolvido nada por ele mesmo (e ele mesmo teve que fazer toda a documentação do projeto e, em seguida, montar o veículo de lançamento por conta própria?), E que a SpaceX recebeu muitas informações e materiais sobre outros projetos da NASA (e a SpaceX tinha que fazer tudo do zero, como se programas espaciais não existissem nos Estados Unidos antes disso?).
De uma forma ou de outra, mas o lançador Falcon-9 já deu certo, ele voa para o espaço com uma regularidade invejável, as primeiras etapas trabalhadas pousam com a mesma regularidade, uma das quais já voou 10 (!) Vezes. Roskosmos perdeu a maior parte do mercado para lançar cargas úteis em órbita, e após a criação da SpaceX da nave espacial tripulada reutilizável Crew Dragon (Dragon V2) e o mercado para colocar astronautas americanos em órbita.
Mas a SpaceX também tem um foguete Falcon Heavy capaz de entregar mais de 63 toneladas à LEO. Atualmente, é o veículo de lançamento mais pesado e com mais carga útil do mundo. Seu primeiro estágio e reforços laterais também são reutilizáveis.
Outro bilionário americano, Jeff Bezos, respira na nuca da SpaceX. Claro, embora seus sucessos sejam muito mais modestos, mas ainda há conquistas. Em primeiro lugar, trata-se da criação de um novo motor de metano-oxigênio BE-4, que será usado no lançador New Glenn e no lançador Vulcan (que substituirá o lançador Atlas-5). Considerando que o Atlas-5 agora voa com motores russos RD-180, após o surgimento do BE-4, a Roskosmos perderá mais um mercado de vendas.
Nos Estados Unidos e em outros países, existem centenas de start-ups para criar veículos de lançamento e outros tipos de aeronaves para lançar cargas úteis em órbita, start-ups para criar satélites e espaçonaves para vários fins, tecnologias industriais para o espaço, turismo orbital, e assim por diante.
Para onde tudo isso vai levar?
Ao fato de que o mercado espacial se expandirá rapidamente, e a competição no mercado para colocar uma carga útil em órbita levará a uma redução significativa no custo de sua retirada do cálculo para um quilograma.
O custo de lançamento de 1 kg de carga útil para LEO pelo sistema do ônibus espacial ou pelo foguete Delta-4 é de cerca de US $ 20.000. Os veículos de lançamento Proton da Rússia são capazes de entregar cargas úteis à LEO por menos de US $ 3.000 por quilo, mas esses mísseis funcionam com dimetilhidrazina assimétrica altamente tóxica e estão atualmente fora de produção. Barato, desenvolvido na URSS, o Zenits russo-ucraniano também é coisa do passado.
O veículo de lançamento Falcon-9, desde que o primeiro estágio de retorno seja usado, pode lançar uma carga útil em uma órbita de baixa referência a um custo de menos de US $ 2.000 por quilograma. De acordo com Elon Musk, o Falcon-9 pode reduzir o custo de lançamento de uma carga útil para US $ 500-1100 por quilograma.
Alguém pode perguntar: por que agora é muito mais caro para os clientes retirar cargas úteis?
Primeiro, o custo é determinado não apenas pelo custo de lançamento, mas também pelas condições de mercado - os preços dos concorrentes. Que capitalista abriria mão de um lucro extra? É lucrativo ser um pouco menor do que os concorrentes, gradualmente capturando o mercado, ao invés de despejar sem ganhar nada, especialmente porque em uma indústria crítica específica como o mercado de lançamento espacial, estruturas de controle irão em qualquer caso apoiar vários fornecedores, mesmo que um tenha preços várias vezes superiores aos do concorrente.
Pode-se presumir que a redução de preço da SpaceX só será motivada pelo surgimento de concorrentes em face da Blue Origin com seu veículo lançador New Glenn ou outras empresas e países que criarão meios de lançamento de cargas úteis com baixo custo de lançamento.
No entanto, a maioria dos start-ups e projetos promissores estão relacionados ao lançamento de uma carga útil de centenas, no máximo mil quilos, em órbita. Isso não revolucionará o espaço - construir algo grande exigirá veículos de lançamento reutilizáveis pesados e superpesados com um baixo custo de lançamento de uma carga útil em órbita. E aqui, como já vimos acima, tudo é triste.
Tudo, exceto para o projeto mais importante da SpaceX, uma nave espacial totalmente reutilizável com um primeiro estágio Super Pesado totalmente reutilizável
Superpesado reutilizável
A diferença entre a Starship (doravante denominada Starship como uma combinação de Starship + Super Heavy) de todos os outros veículos de lançamento é que ambos os estágios são reutilizáveis. Ao mesmo tempo, a carga útil da nave para uma órbita de baixa referência deve ser de 100 toneladas, ou seja, é um foguete superpesado de pleno direito. Para a Starship, a SpaceX desenvolveu novos motores de metano-oxigênio Raptor de ciclo fechado exclusivos com gaseificação de componentes completos.
A SpaceX planeja substituir todos os seus veículos de lançamento pela Starship, incluindo o Falcon 9, de grande sucesso. Normalmente, o lançamento de um foguete superpesado é extremamente caro - da ordem de um bilhão de dólares. Para manter o custo de lançamento baixo, a SpaceX planeja usar os dois estágios muitas vezes - 100 lançamentos cada e possivelmente mais. Nesse caso, o custo cairá quase duas ordens de magnitude - até dez milhões de dólares por lançamento. Levando em consideração a carga máxima de 100 toneladas, teremos o custo de trazer a carga útil para a LEO no nível de cerca de 100 (!) Dólares por quilograma.
Claro, os estágios devolvidos exigirão manutenção, substituições de motor após 50 partidas, reabastecimento, serviços de solo precisarão ser pagos, mas a própria nave estelar custará menos de um bilhão de dólares, e suas tecnologias de produção e manutenção serão continuamente aprimoradas conforme experiência é adquirida pela SpaceX.
Na verdade, Elon Musk afirma que a nave estelar pode potencialmente atingir um custo de lançamento de carga útil de cerca de US $ 10 por quilograma, com um custo total de lançamento de US $ 1,5 milhão, e o custo de entrega de carga à Lua será de cerca de US $ 20-30 por quilograma. mas isso requer que a nave seja lançada semanalmente.
Onde obter esses volumes?
Mesmo os militares simplesmente não têm essa quantidade de carga útil, que já existe espaço civil - o desenvolvimento do mercado levará décadas.
Colonização de Marte?
É quase impossível falar sobre isso a sério.
Colonização da Lua?
Mais perto, Starship pode muito bem afundar o SLS e enviar os americanos à lua uma segunda vez. Mas são dezenas de lançamentos, não centenas ou milhares.
No entanto, a SpaceX tem um plano de negócios muito mais real do que enviar colonos a Marte - usando a nave espacial para transportar passageiros intercontinentais. Ao voar de Nova York a Tóquio pela órbita da Terra, o tempo de vôo será de cerca de 90 minutos. Ao mesmo tempo, a SpaceX planeja garantir a confiabilidade operacional no nível dos grandes aviões modernos e o custo do voo - no nível do custo de um voo transcontinental na classe executiva.
As cargas podem ser entregues da mesma forma. Por exemplo, os militares dos EUA já se interessaram por esta oportunidade. Ele está planejado para entregar 80 toneladas de carga em um vôo, o que é comparável às capacidades da aeronave de transporte C-17 Globemaster III.
No total: o transporte de passageiros e carga, a entrega de astronautas americanos à lua e, possivelmente, a objetos mais distantes do sistema solar, a retirada de espaçonaves comerciais, turismo espacial e assim por diante e assim por diante - A SpaceX pode muito bem proporcionar uma redução no custo de retirada da carga útil, embora seja de até US $ 100 por quilograma.
Neste caso, a Starship dará início a uma nova era na exploração espacial e além.
Perspectivas e implicações
A nave estelar é vista com alguma suspeita no momento. Parece que tudo é lindo no papel, e a experiência da SpaceX fala por si, mas de alguma forma tudo é muito otimista?
Às vezes, há a sensação de que o potencial desse sistema simplesmente não se encaixa nas mentes da liderança das forças armadas dos EUA, da administração da NASA, dos proprietários e gerentes de empresas em uma ampla variedade de setores. Por muito tempo, lançar até mesmo uma pequena carga útil no espaço significou custos de vários milhões de dólares.
A questão é: o que acontecerá quando US $ 100 por quilo se tornar realidade?
Quando pessoas instruídas no Departamento de Defesa dos Estados Unidos entenderem que colocar um tanque convencional em órbita é mais rápido e barato do que transportá-lo por uma aeronave de transporte militar do continente americano para a Europa, a que conclusões chegarão?
Não, não veremos o Abrams na Lua, mas o tanque não é o alvo, é apenas uma forma de entregar o projétil ao inimigo. E se for mais fácil tirar esse projétil diretamente da órbita? Com que rapidez os Estados Unidos se retirarão do Tratado do Espaço Exterior Pacífico se obtiverem uma vantagem estratégica nele (no espaço)? Com que rapidez os militares dos EUA começarão a migrar para a órbita?
Além disso, mesmo as capacidades existentes para colocar cargas úteis em órbita na forma de Falcon-9 e Falcon Heavy, combinadas com tecnologias para construção de satélites em massa, serão suficientes para que o LEO seja congestionado com satélites de reconhecimento, comando e comunicações, levando ao fato que os Estados Unidos irão monitorar a superfície do planeta 24/365. Esqueça as grandes forças de superfície, agrupamentos militares, sistemas de mísseis terrestres móveis - todos esses serão apenas alvos para armas de longo alcance com correção de trajetória de vôo.
O sucesso de Starship adicionará um escalão de ataque espacial a este conjunto, onde o alvo será atingido do espaço dentro de algumas dezenas de minutos após receber um pedido. Nenhum líder político do mundo pode se sentir confiante sabendo que uma inevitável chuva de tungstênio pode cair do espaço a qualquer segundo.
A um preço de US $ 100 por quilo, todo aquele que não for muito preguiçoso - empresas farmacêuticas, metalúrgicas, mineradoras - escalará para o espaço. Falaremos mais sobre economia espacial mais tarde. Se possível, lançando e retirando cargas da órbita de maneira barata, o espaço se tornará o novo Klondike. O que podemos dizer de cerca de 10 dólares por quilo …
É bem possível que neste momento estejamos testemunhando um evento histórico que pode se tornar um ponto de inflexão no desenvolvimento da humanidade
Este processo pode parar?
Talvez a história seja imprevisível. A ganância humana, a estupidez ou apenas um acidente - uma cadeia de fracassos pode enterrar qualquer um dos empreendimentos mais bem-sucedidos. Bastam alguns acidentes graves na nave com a morte de centenas de pessoas, e o processo de exploração espacial pode novamente ser severamente desacelerado, como já acontecia no século XX.
No caso de obter vantagem unilateral no espaço, os Estados Unidos começarão a seguir uma política muito mais agressiva do que agora. Na ausência de uma oportunidade de garantir a paridade no espaço, podemos muito bem deslizar para o nível da Coreia do Norte, sentados em uma "mala nuclear" e ameaçando prejudicar a nós mesmos, vizinhos e todos os outros em caso de qualquer coisa (o que, aparentemente, por razões estranhas, até atrai alguns).
A este respeito, é necessário dedicar cada vez mais atenção à indústria espacial, cujo estado, neste momento, não suscita qualquer otimismo.
Tomemos, por exemplo, o projeto do veículo de lançamento superpesado "Yenisei" / "Don" - basta olhar para todas as declarações mutuamente exclusivas de vários líderes e departamentos sobre este projeto, e fica claro que ninguém, em princípio, sabe por que está sendo criado, nem o que é, deveria eventualmente se tornar. Se este é o próximo "Angara", então o projeto pode ser encerrado agora - não adianta gastar dinheiro das pessoas nisso.
Ao mesmo tempo, a China não fica de braços cruzados.
Além de desenvolver veículos de lançamento tradicionais, eles estão estudando ativamente e adotando a experiência americana, não hesitando em copiar diretamente. Tudo é justo em questões de segurança nacional.
No Dia Nacional do Espaço, o Instituto de Pesquisa de Foguetes da China falou sobre o projeto de um sistema de foguete suborbital, que deve levar passageiros de um ponto a outro do planeta em menos de uma hora.
Podemos dizer que até agora são apenas desenhos, mas a China recentemente provou repetidamente sua capacidade de alcançar líderes em vários ramos da ciência e da indústria.
Também é hora de a Rússia deixar de lado a confusão e as vacilações na indústria espacial, formular metas claramente e garantir sua implementação por qualquer meio.
Se China e Rússia puderem competir com os Estados Unidos no espaço em um novo nível tecnológico, então as órbitas baixas serão apenas o começo, e a humanidade entrará de fato em uma nova era, que até agora existe apenas nas páginas dos romances de ficção científica.
