A mediados del siglo XX, la humanidad estaba fascinada por el espacio. El lanzamiento del primer satélite, el vuelo de Gagarin, la caminata espacial, el aterrizaje en la luna - parecía un poco más - y volaremos a las estrellas, sobre todo porque existían ambiciosos proyectos de naves espaciales interplanetarias. Y como bases en la luna, vuelos a Marte, era algo que se daba por sentado.
Pero las prioridades han cambiado. Las tecnologías del siglo pasado, aunque permitieron implementar todo lo anterior, eran extremadamente caras. La expansión al espacio basada en tecnologías del siglo pasado requeriría una reorientación de todas las economías de los países líderes del mundo para abordar este problema.
La exploración espacial intensiva requiere la solución de dos tareas básicas: la primera es garantizar la posibilidad de poner en órbita carga masiva y voluminosa, y la segunda es reducir el costo de puesta en órbita por kilogramo de carga útil (PN).
Si la humanidad hizo frente a la primera tarea relativamente bien, entonces con la segunda, todo resultó ser mucho más complicado.
Largo viaje al espacio (y muy caro)
Desde el principio, los vehículos de lanzamiento (LV) fueron desechables. La tecnología del siglo XX no permitió la creación de un vehículo de lanzamiento reutilizable. Parece increíble cuando cientos de millones o miles de millones de rublos / dólares se queman en la atmósfera o chocan contra la superficie.
Imaginemos que los barcos se construirían solo para una salida al mar, y luego serían inmediatamente quemados. En este caso, ¿vendría la era de los grandes descubrimientos geográficos? ¿Sería colonizado el continente norteamericano?
Improbable. Lo más probable es que la humanidad hubiera vivido como centros aislados de civilización.
La posibilidad de lanzar cargas grandes y súper pesadas a una órbita de referencia baja (LEO) se implementó en el monstruoso vehículo de lanzamiento súper pesado estadounidense Saturn-5. Fue este cohete, capaz de transportar 141 toneladas de PN a LEO, lo que permitió a Estados Unidos convertirse en el líder de la carrera espacial en ese momento, entregando astronautas estadounidenses a la Luna.
La Unión Soviética perdió la carrera por la luna porque no pudo crear un vehículo de lanzamiento súper pesado comparable al Saturno-5.
Y la URSS no pudo crear un vehículo de lanzamiento súper pesado debido a la falta de potentes motores de cohetes. Debido a esto, se instalaron 30 motores NK-33 en la primera etapa del LV N-1 superpesado soviético de cinco etapas. Teniendo en cuenta la ausencia de la posibilidad de diagnóstico por computadora y sincronización del funcionamiento del motor en ese momento, así como el hecho de que, debido a la falta de tiempo y financiamiento, se realizaron pruebas dinámicas en tierra y en banco de fuego de toda la BT o del ensamblaje de la primera etapa. no se llevó a cabo, todos los lanzamientos de prueba del LV N-1 terminaron en falla en la etapa de la primera etapa.
Un intento de reducir radicalmente el costo de poner en órbita una nave espacial fue el programa del transbordador espacial estadounidense.
En la nave espacial de transporte reutilizable del Transbordador Espacial (MTKK), se devolvieron dos de los tres componentes: propulsores de combustible sólido en paracaídas salpicado en el océano y, después de revisar y repostar, se pudo reutilizar, y el avión espacial, un transbordador, aterrizó. en la pista de acuerdo con el esquema del avión. En la atmósfera, solo se quemaba un tanque de hidrógeno líquido y oxígeno, cuyo combustible era utilizado por los motores del transbordador.
El sistema del transbordador espacial no puede clasificarse como un vehículo de lanzamiento superpesado: el peso máximo de la carga útil que puso en la órbita de referencia baja (LEO) fue inferior a 30 toneladas, lo que es comparable al rendimiento de la carga útil del vehículo de lanzamiento ruso Proton.
La Unión Soviética respondió con el programa Energy-Buran.
A pesar de la similitud externa del transbordador espacial y el sistema Energia-Buran, tenían diferencias clave. Si en el Transbordador Espacial, el lanzamiento a la órbita se llevó a cabo mediante dos propulsores de propulsor sólido reutilizables y la propia nave espacial, entonces en el proyecto soviético Buran era una carga pasiva del vehículo de lanzamiento Energia. El vehículo de lanzamiento Energia en sí puede atribuirse legítimamente al "superpesado": era capaz de poner 100 toneladas en una órbita de referencia baja, solo 40 toneladas menos que Saturno-5.
Sobre la base del vehículo de lanzamiento Energia, se planeó crear un vehículo de lanzamiento Vulcan con un número aumentado de bloques laterales a 8 piezas, capaz de entregar 175-200 toneladas de carga útil a LEO, lo que permitiría realizar vuelos. a la Luna y Marte.
Sin embargo, el desarrollo más interesante se puede llamar el proyecto "Energía II" - "Huracán", en el que todos los elementos debían ser reutilizables, incluido el avión espacial orbital, el bloque central de la segunda etapa y los bloques laterales de la primera etapa. El colapso de la URSS no permitió que se realizara este, sin duda, un proyecto interesante.
A pesar de su carácter épico, ambos programas se vieron restringidos: uno, por el colapso de la URSS, y el segundo, por la alta tasa de accidentes de los "transbordadores" que mataron a una docena de astronautas estadounidenses. Además, el programa del Transbordador Espacial no cumplió con las expectativas en términos de una reducción radical en el costo de poner en órbita una carga útil.
Después de la finalización del programa Energia-Buran, a la humanidad no le quedan vehículos de lanzamiento superpesados. Rusia no tenía tiempo para esto y Estados Unidos había perdido significativamente sus ambiciones espaciales. Para resolver las urgentes tareas actuales, los vehículos de lanzamiento disponibles para ambos países fueron suficientes (excepto por la falta temporal de la capacidad de Estados Unidos para lanzar astronautas en órbita de forma independiente).
La agencia aeroespacial estadounidense NASA llevó a cabo paulatinamente el diseño de un vehículo de lanzamiento superpesado para resolver tareas ambiciosas: como un vuelo a Marte o la construcción de una base en la Luna. Como parte del programa Constellation, se desarrolló el vehículo de lanzamiento superpesado Ares V. Se asumió que "Ares-5" podrá llevar 188 toneladas de carga útil a LEO y entregar 71 toneladas de PN a la Luna.
En 2010, se cerró el programa Constellation. Los desarrollos en "Ares-5" se utilizaron en un nuevo programa para crear un LV - SLS (Space Launch System) superpesado. El vehículo de lanzamiento SLS súper pesado en la versión básica debería ser capaz de entregar 95 toneladas de carga útil a LEO, y en la versión con una carga útil aumentada, hasta 130 toneladas de carga útil. El diseño SLS LV utiliza motores y propulsores de propulsor sólido creados como parte del programa del transbordador espacial.
De hecho, será una especie de reencarnación moderna de "Saturno-5", similar tanto en características como en costo. A pesar de que el programa SLS, muy probablemente, aún se completará, no revolucionará ni la astronáutica estadounidense ni la mundial.
Este es un proyecto deliberadamente sin salida.
El mismo destino le espera al proyecto ruso del vehículo de lanzamiento superpesado Yenisei / Don, si se construye sobre la base de las soluciones "tradicionales" utilizadas en la tecnología espacial.
En general, hasta cierto punto, la situación en los Estados Unidos y en Rusia era relativamente similar: ni de la NASA, ni de Roskosmos, difícilmente hubiéramos visto soluciones innovadoras en términos de colocar la carga útil en órbita. Tampoco se vio nada nuevo en otros países. La industria espacial se ha vuelto muy conservadora.
Las empresas privadas lo han cambiado todo, y es bastante natural que esto haya sucedido en Estados Unidos, donde se han creado las condiciones más cómodas para los negocios.
Espacio privado
Por supuesto, en primer lugar estamos hablando de la empresa SpaceX Elon Musk. Tan pronto como no fue llamado - un estafador, "gerente exitoso", "Máscara de Ostap Petrikovich" y así sucesivamente. El autor ha leído en uno de los recursos un artículo pseudocientífico sobre por qué el vehículo de lanzamiento Falcon-9 no volará: su cuerpo no es el mismo, demasiado delgado y los motores no son los mismos, en general, hay un millones de razones por las que "no". Tales evaluaciones, por cierto, fueron expresadas no solo por analistas independientes, sino también por funcionarios, jefes de estructuras y empresas estatales rusas.
Musk fue acusado de que él mismo no desarrolló nada (¿y tuvo que hacer toda la documentación de diseño él mismo, y luego ensamblar el vehículo de lanzamiento por su cuenta?), Y que SpaceX recibió mucha información y materiales sobre otros proyectos. de la NASA (y SpaceX tuvo que hacer todo desde cero, ¿como si los programas espaciales no existieran en los Estados Unidos antes que él?).
De una forma u otra, pero el vehículo de lanzamiento Falcon-9 ha tenido lugar, vuela al espacio con una regularidad envidiable, las primeras etapas trabajadas aterrizan con la misma regularidad, una de las cuales ya ha volado 10 (!) Veces. Roskosmos ha perdido la mayor parte del mercado para el lanzamiento de cargas útiles en órbita, y después de la creación de SpaceX de la nave espacial tripulada reutilizable Crew Dragon (Dragon V2) y el mercado para llevar astronautas estadounidenses a la órbita.
Pero SpaceX también tiene un cohete Falcon Heavy capaz de entregar más de 63 toneladas a LEO. Actualmente es el vehículo de lanzamiento más pesado y con mayor carga útil del mundo. Su primera etapa y los impulsores laterales también son reutilizables.
Otro multimillonario estadounidense, Jeff Bezos, respira en la parte posterior de la cabeza de SpaceX. Por supuesto, si bien sus éxitos son mucho más modestos, todavía hay logros. En primer lugar, se trata de la creación de un nuevo motor de metano-oxígeno BE-4, que se utilizará en el vehículo de lanzamiento de New Glenn y en el vehículo de lanzamiento Vulcan (que sustituirá al vehículo de lanzamiento Atlas-5). Teniendo en cuenta que Atlas-5 ahora vuela con motores RD-180 rusos, después de la aparición de BE-4, Roskosmos perderá otro mercado de ventas.
En Estados Unidos y en otros países, existen cientos de start-ups para crear vehículos de lanzamiento y otros tipos de aeronaves para lanzar cargas útiles en órbita, start-ups para crear satélites y naves espaciales para diversos fines, tecnologías industriales para el espacio, turismo orbital, y así sucesivamente y así sucesivamente.
¿A dónde conducirá todo esto?
El hecho de que el mercado espacial se expandirá rápidamente y la competencia en el mercado para colocar una carga útil en órbita conducirá a una reducción significativa en el costo de su eliminación del cálculo de un kilogramo.
El costo de lanzar 1 kg de carga útil a LEO por el sistema del transbordador espacial o por el cohete Delta-4 es de aproximadamente $ 20,000. Los vehículos de lanzamiento Proton de Rusia son capaces de entregar cargas útiles a LEO por menos de $ 3,000 por kilogramo, pero estos misiles funcionan con dimetilhidrazina asimétrica altamente tóxica y actualmente están fuera de producción. Baratos, desarrollados en la URSS, los Zenits ruso-ucranianos también son cosa del pasado.
El vehículo de lanzamiento Falcon-9, siempre que se utilice la primera etapa de retorno, puede lanzar una carga útil a una órbita de referencia baja a un costo de menos de $ 2,000 por kilogramo. Según Elon Musk, el Falcon-9 puede reducir potencialmente el costo de lanzar una carga útil a $ 500-1100 por kilogramo.
Uno podría preguntarse, ¿por qué ahora es mucho más caro para los clientes sacar cargas útiles?
Primero, el costo está determinado no solo por el costo de lanzamiento, sino también por las condiciones del mercado: los precios de los competidores. ¿Qué capitalista renunciaría a un beneficio extra? Es rentable ser un poco más bajo que los competidores, capturando gradualmente el mercado, en lugar de hacer dumping sin ganar nada, especialmente porque en una industria crítica tan específica como el mercado de lanzamientos espaciales, las estructuras de control apoyarán en cualquier caso a varios proveedores, incluso si uno tiene precios varias veces superiores a los de la competencia.
Se puede suponer que la reducción de precio de SpaceX solo será impulsada por la aparición de competidores frente a Blue Origin con su vehículo de lanzamiento New Glenn u otras compañías y países que crearán medios para lanzar cargas útiles con un bajo costo de lanzamiento.
Sin embargo, la mayoría de las empresas emergentes y los proyectos prometedores están relacionados con el lanzamiento de una carga útil que pesa cientos, como máximo mil kilogramos, en órbita. Esto no revolucionará el espacio: construir algo grande requerirá vehículos de lanzamiento reutilizables pesados y superpesados con un bajo costo de lanzamiento de una carga útil en órbita. Y aquí, como ya hemos visto arriba, todo es triste.
Todo excepto el proyecto más importante de SpaceX, una nave espacial Starship totalmente reutilizable con una primera etapa Super Heavy totalmente reutilizable
Reutilizable super pesado
La diferencia entre Starship (en lo sucesivo, Starship como una combinación de Starship + Super Heavy) de todos los demás vehículos de lanzamiento es que ambas etapas son reutilizables. Al mismo tiempo, la carga útil de Starship a una órbita de referencia baja debería ser de 100 toneladas, es decir, es un cohete superpesado en toda regla. Para Starship, SpaceX ha desarrollado nuevos y únicos motores Raptor de metano-oxígeno de ciclo cerrado con gasificación de componentes completos.
SpaceX planea reemplazar todos sus vehículos de lanzamiento con Starship, incluido el exitoso Falcon 9. Por lo general, lanzar un cohete súper pesado es extremadamente costoso, del orden de mil millones de dólares. Para mantener bajo el costo de lanzamiento, SpaceX planea usar ambas etapas muchas veces: 100 lanzamientos cada una, y posiblemente más. En este caso, el costo se reducirá en casi dos órdenes de magnitud, hasta diez millones de dólares por lanzamiento. Teniendo en cuenta la carga máxima de 100 toneladas, obtendremos el costo de llevar la carga útil a LEO a un nivel de aproximadamente 100 (!) Dólares por kilogramo.
Por supuesto, las etapas devueltas requerirán mantenimiento, reemplazos de motor después de 50 arranques, reabastecimiento de combustible, los servicios en tierra deberán pagarse, pero Starship en sí costará menos de mil millones de dólares, y sus tecnologías de producción y mantenimiento se mejorarán continuamente a medida que La experiencia la gana SpaceX.
De hecho, Elon Musk afirma que Starship puede alcanzar potencialmente un costo de lanzamiento de carga útil de aproximadamente $ 10 por kilogramo con un costo total de lanzamiento de $ 1.5 millones, y el costo de entregar carga a la Luna será de aproximadamente $ 20-30 por kilogramo. pero esto requiere que la nave estelar se lance semanalmente.
¿Dónde conseguir esos volúmenes?
Incluso los militares simplemente no tienen tal cantidad de carga útil, que ya hay espacio civil: el desarrollo del mercado llevará décadas.
¿Colonización de Marte?
Difícilmente es posible hablar de esto en serio.
¿Colonización de la Luna?
Más cerca, Starship bien podría hundir el SLS y enviar a los estadounidenses a la luna por segunda vez. Pero estos son decenas de lanzamientos, no cientos o miles.
Sin embargo, SpaceX tiene un plan de negocios mucho más real que enviar colonos a Marte: usar Starship para transportar pasajeros de forma intercontinental. Al volar de Nueva York a Tokio a través de la órbita de la Tierra, el tiempo de vuelo será de unos 90 minutos. Al mismo tiempo, SpaceX planea garantizar la confiabilidad operativa al nivel de los grandes aviones modernos y el costo del vuelo, al nivel del costo de un vuelo transcontinental en clase ejecutiva.
Las cargas se pueden entregar de la misma forma. Por ejemplo, el ejército estadounidense ya se ha interesado en esta oportunidad. Está previsto entregar 80 toneladas de carga en un vuelo, lo que es comparable a las capacidades del avión de transporte C-17 Globemaster III.
En conjunto: el transporte de pasajeros y carga, la entrega de astronautas estadounidenses a la luna y posiblemente a objetos más distantes del sistema solar, la retirada de naves espaciales comerciales, el turismo espacial, etc., etc. - SpaceX bien puede proporcionar una reducción en el costo de retirar la carga útil, aunque sería hasta el nivel de $ 100 por kilogramo.
En este caso, Starship marcará el comienzo de una nueva era en la exploración espacial y más allá.
Perspectivas e implicaciones
Starship se ve con cierta sospecha en este momento. Parece que todo es hermoso en el papel, y la experiencia de SpaceX habla por sí sola, pero ¿de alguna manera todo es demasiado color de rosa?
A veces existe la sensación de que el potencial de este sistema simplemente no encaja en las mentes de los líderes de las fuerzas armadas estadounidenses, la administración de la NASA, los propietarios y gerentes de empresas en una amplia variedad de industrias. Durante demasiado tiempo, lanzar incluso una pequeña carga útil al espacio significó costos multimillonarios.
La pregunta es, ¿qué sucede cuando $ 100 por kilogramo se hacen realidad?
Cuando las personas educadas del Departamento de Defensa de EE. UU. Comprendan que poner en órbita un tanque convencional es más rápido y más barato que transportarlo en un avión de transporte militar desde el continente americano a Europa, ¿a qué conclusiones llegarán?
No, no veremos al Abrams en la Luna, pero el tanque no es el objetivo, es solo una forma de entregar el proyectil al enemigo. ¿Y si fuera más fácil sacar este proyectil directamente desde la órbita? ¿Con qué rapidez se retirará Estados Unidos del Tratado sobre el espacio ultraterrestre pacífico si obtiene una ventaja estratégica en él (en el espacio)? ¿Con qué rapidez comenzarán a migrar a la órbita los militares estadounidenses?
Además, incluso las capacidades existentes para colocar cargas útiles en órbita en forma de Falcon-9 y Falcon Heavy, combinadas con tecnologías para la construcción de satélites masivos, serán suficientes para que LEO se bloquee con satélites de reconocimiento, comando y comunicaciones, lo que lleva al hecho que Estados Unidos monitoreará la superficie del planeta 24/365. Olvídese de las grandes fuerzas de superficie, las agrupaciones militares, los sistemas móviles de misiles terrestres; todos estos serán solo objetivos para armas de largo alcance con corrección de la trayectoria de vuelo.
El éxito de Starship agregará un escalón de ataque espacial a este conjunto, donde el objetivo será alcanzado desde el espacio dentro de unas pocas decenas de minutos después de recibir una solicitud. Ningún líder político del mundo puede sentirse seguro sabiendo que una lluvia de tungsteno inevitable podría caer del espacio en cualquier segundo.
A un precio de 100 dólares el kilogramo, todos los que no sean demasiado perezosos (empresas farmacéuticas, metalúrgicas, mineras) subirán al espacio. Hablaremos más sobre la economía espacial más adelante. Si es posible, lanzando y sacando la carga de la órbita a bajo costo, el espacio se convertirá en el nuevo Klondike. ¿Qué podemos decir de 10 dólares el kilogramo …
Es muy posible que en este momento estemos presenciando un hecho histórico que podría convertirse en un punto de inflexión en el desarrollo de la humanidad
¿Puede detenerse este proceso?
Quizás la historia sea impredecible. La codicia humana, la estupidez o simplemente un accidente, una cadena de fracasos, puede sepultar cualquier empresa de mayor éxito. Un par de accidentes importantes de Starship con la muerte de cientos de personas son suficientes, y el proceso de exploración espacial puede volver a ralentizarse severamente, como ya sucedió en el siglo XX.
En caso de obtener una ventaja unilateral en el espacio, Estados Unidos comenzará a seguir una política mucho más agresiva de lo que es ahora. En ausencia de una oportunidad para garantizar la paridad en el espacio, bien podemos deslizarnos hasta el nivel de Corea del Norte, sentados en una "maleta nuclear" y amenazando con socavarnos a nosotros mismos, a los vecinos y a todos los demás en caso de cualquier cosa (que, aparentemente, por extrañas razones, incluso atrae a algunos).
En este sentido, es necesario prestar mayor atención a la industria espacial, cuyo estado en este momento no causa ningún optimismo.
Tomemos, por ejemplo, el proyecto del vehículo de lanzamiento súper pesado "Yenisei" / "Don": basta con mirar todas las declaraciones mutuamente excluyentes de varios líderes y departamentos en este proyecto, y queda claro que nadie, en principio, sabe por qué se está creando, ni en qué se debe convertir. Si este es el próximo "Angara", entonces el proyecto puede cerrarse ahora; no tiene sentido gastar el dinero de la gente en él.
Al mismo tiempo, China no se queda de brazos cruzados.
Además de desarrollar vehículos de lanzamiento tradicionales, están estudiando y adoptando activamente la experiencia estadounidense, sin dudar en copiar directamente. Todo es justo en materia de seguridad nacional.
En el Día Nacional del Espacio, el Instituto Chino de Investigación de Cohetes habló sobre el proyecto de un sistema de cohetes suborbitales, que debería llevar a los pasajeros de un punto del planeta a otro en menos de una hora.
Podemos decir que hasta ahora estos son solo dibujos, pero recientemente China ha demostrado repetidamente su capacidad para ponerse al día con los líderes en varias ramas de la ciencia y la industria.
También es hora de que Rusia deje de lado la confusión y las vacilaciones en la industria espacial, formule objetivos con claridad y garantice su implementación por cualquier medio.
Si China y Rusia pueden competir con Estados Unidos en el espacio a un nuevo nivel tecnológico, entonces las órbitas bajas serán solo el comienzo y la humanidad entrará en una nueva era, que hasta ahora solo existe en las páginas de las novelas de ciencia ficción.
