Луна на 70-тоннике, комфортный LOR на четверых (расчет)

[Reentrant]

Какой тоннаж реально необходим для LOR-схемы в современной редакции?

Возьмем за отправную точку американскую лунную программу 60х-70х годов. Лунная экспедиция с разделением на орбитальный и посадочный модули на окололунной орбите (Lunar Orbit Rendezvous), экипаж 3 человека, 2 человека высаживаются на двое суток на поверхность Луны. Масса перелетного комплекса -- около 45 тонн на отлетной траектории (Trans-Lunar Injection). При использовании для TLI разгонной ступени с характеристиками S-IVB, необходимо менее 115 тонн стартовой массы на околоземной орбите. То есть, без довыведения на РС, даже при относительно низких тогдашних характеристиках, достаточно "честного" 115-120-тонника. Собственно, таким эквивалентом 115-тонника и являлся Сатурн-V по своей энергетике. Честный 140-тонник, к примеру, отправлял бы к Луне на той же разгонной ступени 55-56 тонн вместо 45, что позволило бы уже задуматься уже и о прямой схеме полета (Direct) вместо LOR. И надо сказать, такой вариант рассматривался в NASA, но в лимитах Сатурн-V условия экспедиции получались намного блее жесткими, чем "аполлоновские", и не позволяли рассчитывать на сколько-нибудь содержательную деятельность экспедиции на самой Луне.

Использование РБ с более высокими характеристиками (удельный импульс, отношение начальной массы к конечной), соответствующими современному уровню ракетостроения, позволяют снизить необходимую массу до 100 тонн. Но и это не предел, так как остаются значительные резервы в самом экспедиционном комплексе. Самый значительный из них -- использование водородно-кислородных двигателей для торможения на ОИСЛ и посадки на Луну. Это требует хранения криогенного топлива в космосе в течение около 4 суток с момента старта. Необходимые технологии для этого были известны уже в 60-70 годы, как в США (в вариантах проектов лунного директа), так и в СССР ("блок Р", "блок СР"). Существеную экономию также дает переход на современное оборудование, начиная с солнечных батарей вместо топливных элементов, и заканчивая электроникой. И наконец, оптимизация компоновки, использование кабины лэндера в качестве жилого объема в оба конца полета позволяет сократить массу командного модуля (и/или увеличить численность экипажа).

В совокупности, на современных технологиях необходимую для LOR массу на TLI можно сократить с 45 тонн до 30-31 тонн, при этом увеличив экипаж с 3 до 4 человек, и как минимум, не ухудшив при этом условий полета и высадки. Что позволяет использовать для пилотируемой экспедиции на Луну (а в дальнейшем, смены экипажей на лунной базе) ракеты-носителя 70-тонного класса -- в один запуск с Земли.

Что "кстати" соответствует проектной ПН американской SLS.

[Reentrant]

Схема LOR, трое на Луне, один в ЛОК на орбите.[/size]

Сравнение с "Аполлоном"/"Союзом"
0.250 -- масса на 1 человека (в лунных миссиях "Аполлона" -- 0.200-0.250)
1.500 -- кабина ЛПВК (БО "Союза" -- 1.300)
3.500 -- конечная масса ЛПВК (конечная масса "аполлоновского" -- 2.400)

Сравнение суммарной массы обитаемой части, включая экипаж и снаряжение
6.000 -- СА + кабина ЛПВК (в оба конца перелета)
4.200 -- СА + БО "Союза"
5.500 -- КМ "Аполлона" (на пути к Земле)
7.500 -- КМ + ВС "Аполлон"+ (вместе с ПАО ВС, и только на пути к Луне)

Ракетные блоки и агрегатные модули
isp=470, m0/m1=39.000/4.000=9.75 -- разгонная ступень
isp=470, m0/m1=14.000/2.000=7.00 -- тормозная ступень
isp=320, m0/m1= 5.000/1.000=5.00 -- ПАО ЛПВК
isp=320, m0/m1= 5.500/2.000=2.75 -- ПАО ЛОК

Развесовка

Код Выделить Развернуть

1.000 -- экипаж и снаряжение
 1.500 -- кабина ЛПВК (пустая)
 1.000 -- ПАО ЛПВК (конечная масса)
 4.000 -- топливо ЛПВК (ндмг/ат, рабочий запас)
 0.500 -- шасси и снаряжение ЛПВК
 3.500 -- командный модуль ЛОК (пустой)
 2.000 -- ПАО ЛОК (конечная масса)
 3.500 -- топливо ЛОК (ндмг/ат, рабочий запас)
 2.000 -- тормозная ступень (ТС, конечная масса)
12.000 -- топливо ТС (водород/кислород, рабочий запас)
 4.000 -- разгонная ступень (РС, конечная масса)
35.000 -- топливо РС (водород/кислород, рабочий запас)

Сценарий полета

Код Выделить Развернуть

isp=470  m=70.000-35.000=35.000  dV=3195  разгон на отлетную траекторию
-------  m=35.000- 4.000=31.000  -------  после сброса РС
isp=470  m=31.000- 6.600=24.400  dV=1103  коррекции и выход на окололунную орбиту
-------  m=24.400- 9.000=15.400  -------  после отстыковки ЛПВК+ТС от ЛОК
isp=470  m=15.400- 5.400=10.000  dV=1990  торможение и заход на посадку
-------  m=10.000- 2.000= 8.000  -------  после сброса ТС
isp=320  m= 8.000- 0.500= 7.500  dV= 202  зависание над площадкой и прилунение
-------  m= 7.500- 0.500= 7.000  -------  шасси и снаряжение ЛПВК остается на Луне
isp=320  m= 7.000- 3.500= 3.500  dV=2175  взлет и стыковка
-------  m= 3.500+ 9.000=12.500  -------  ЛПВК + ЛОК на орбите
-------  m=12.500- 1.000=11.500  -------  после сброса ПАО ЛПВК
isp=320  m=11.500- 3.500= 8.000  dV=1139  полет к Земле, с коррекциями
-------  m= 8.000- 3.500= 4.500  -------  сброс ПАО ЛОК и кабины ЛПВК, приземление

Расчет сделан с запасом, для доставки всех 4х на Луну и обратно. Характеристики и скорости взяты на основе данных существующей и исторической космической техники. Все массы в тоннах, все скорости в метрах в секунду.

Водородная тормозная ступень (ТС) сбрасывается после захода на посадку по причине своего относительно большого объема и высоты, что отрицательно сказывается на устойчивости. Зависание и прилунение осуществляется на двигателях ПАО ЛПВК. Для посадки и взлета используется многодвигательная установка с резервированием (6-8 двигателей на нгмд/ат или аналогах) с вытеснительной подачей топлива. Посадочное шасси и негерметичный контейнер снаряжения при взлете остается на Луне.

После возвращения и стыковки к ЛОК, ПАО ЛПВК отстреливается, кабина ЛВПК остается в составе комплекса на время обратного перелета, в качестве дополнительного жилого объема.

[Alex_II]

Вот объясни, зачем сейчас, в 21 веке оставлять человека болтаться на орбите над Луной? Зачем это надо было в 60е-70е - понятно, с автоматической стыковкой было никак (у США) или плохо (у нас) Ну а сейчас-то нафига?

[Дмитрий Инфан]

Ели в сочетании с атомным ЭРД-буксиром, то предпочтительней вариант 2 - 40-тонник двупуск (буксир доставляет посадочный лэндер, массой 40 т, отдельно от экипажа, который летит на корабле с обычным ЖРД).
Если экспедиция осуществляется чисто на ЖРД, то предпочтительней, конечно, супертяж (вариант 5).

[Reentrant]

Вот объясни, зачем сейчас, в 21 веке оставлять человека болтаться на орбите над Луной? Зачем это надо было в 60е-70е - понятно, с автоматической стыковкой было никак (у США) или плохо (у нас) Ну а сейчас-то нафига?

Безопасность людей. Не картошку везем! Есть ряд ситуаций, когда пилот на ЛОК спасает положение. В частности, неисправность на ЛОК, препятствующая стыковке. Пилотируемый ЛОК также может взять на себя активную роль при стыковке, если проблемы возникли у взлетной ступени. В общем, на то и увеличение экипажа, оставлять наверху одного из четверых менее существенно, чем одного из троих. Но схема в любом случае просчитана для прилунения всего экипажа, так что можно и автомату довериться, если так уж понадобится.

Ели в сочетании с атомным ЭРД-буксиром, то предпочтительней вариант 2 - 40-тонник двупуск (буксир доставляет посадочный лэндер, массой 40 т, отдельно от экипажа, который летит на корабле с обычным ЖРД).

Чисто гептильный ЛПВК всего 15 тонн весит, а экипаж на ОИСЛ доставляется и забирается в двухпуск 25-тоннок (корабль + РБ). Либо атомный буксир, либо 40-тонники, вместе избыточно.

Если экспедиция осуществляется чисто на ЖРД, то предпочтительней, конечно, супертяж (вариант 5).

Вариант пять (150 тонн и более) это уже директ.

[Shestoper]

70-тонника пока нет.
150+ - тонника тоже нет.
Не вижу радикальной разницы в стоимости разработки этих носителей, да и инфраструктура под них не так уж сильно будет различаться.
К тому же наша цель в сияющем завтра - не флаговтык, а постоянная база на Луне, и желательно не одна. И про Марс забывать не надо.
А чем больше грузов нужно забросить наверх - тем нужнее большая ракета.
Поэтому не вижу большого смысла экономить по мелочам и набирать в экипаж карликов для сокращения массогабаритов корабля.
Всё равно помимо людей для лунной базы нужно будет возить кучу грузов.
Я за пятый вариант.
Первый и второй вариант (серийные тяжи существующие или перспективные, 20-40 тонн) имел бы смысл для разовых флаговтыков.
А 70-тонник - ни рыба ни мясо. Для флаговтыка дорого особый носитель делать, для большой программы 70 тонн маловато и неудобно.

[Alex_II]

Безопасность людей. Не картошку везем! Есть ряд ситуаций, когда пилот на ЛОК спасает положение. В частности, неисправность на ЛОК, препятствующая стыковке.

Это какая например? Что-то сходу не придумываются неисправности, которые препятствуют стыковке и могут быть легко устранены силами одного пилота...

Пилотируемый ЛОК также может взять на себя активную роль при стыковке, если проблемы возникли у взлетной ступени.

Какие например проблемы? Не вышла на орбиту? Так это трындец, никакой ЛОК не спасет. Проблемы с управляемостью? Управление ЛОКом с Земли, на конечном участке - ТОРУ. Больно расточительно возить космонавта к Луне и оставлять там на орбите.

Чисто гептильный ЛПВК всего 15 тонн весит, а экипаж на ОИСЛ доставляется и забирается в двухпуск 25-тоннок (корабль + РБ). Либо атомный буксир, либо 40-тонники, вместе избыточно.

Зачем такой легкий лэндер, если речь не идет о полете на ЛБ? Чисто флаговтык на 3 дня? Зачем? Толку с такого полета? Так что вам дело говорят - тяжелый лэндер атомным бкусиром (можно - многоразовый, потом только горючее подвозить) и экипаж на ОИСЛ сорокатонником.

[Shestoper]

Больно расточительно возить космонавта к Луне и оставлять там на орбите.

А если экспедиция длительная? Этот вариант должен быть основным для вменяемой программы.
Тогда для космонавта на орбите делать радиационное убежище массой 100500 тонн?
Понятно что в длительных полетах придется сажать на Луну весь экипаж, на этот вариант надо ориентироваться.

[Mark]

Shestoper :

А 70-тонник - ни рыба ни мясо

Dа , много правды !!!
Нужно сделать только один модульный носитель например з PN ом 105 do 250 тонн. Енергиа была сделана на 35 до 200 тонн ПН. А МРКН также носитель на 70 тонн. Другом словом, будет МРКН ,70 тонник и 180 тонник !
Три носители! А справа деньгов ? NASA делает только один носитель от 70 до до 165 тонн ПН.

[Veganin]

Если уж серьезно браться за Луну нужен и соответствующий носитель - от 150т.
Наверняка такой носитель до конца века эксплуатироваться будет, если первые испытания году в 2030-35 будут. Лет 30-40 точно будет рабочей лошадкой.

[mihalchuk]

Не нужно ни 100-, ни 75-тонника. Нужны РН обычной размерности и орбитальная заправка. Для активной детельности на Луне нужен прежде всего приличный грузопоток. Для него делаем два носителя. Первый:
Мо=600 т, Мпг=25 т.
Последняя ступень - водородная, приспособленная под дозаправку на орбите, масса - 146 т, топливо - 125 т.
Второй:
Мо=440 т, Мпг=7,7 т.
Последняя ступень - метановая, приспособленная для дозаправки на орбите, масса - 77 т, топливо -62 т.
На заправочной станции из последних ступеней делается и заправляется двухступенчатая РН, полезный груз составляется из двух ПГ. Одна ступень работает на разгон, другая - на торможение и посадку. В итоге на Луну лоставляется 32,7 т груза. Почти 100 т при 3-х операциях в год, и 200 - при 6-ти. Вполне приемлемо и принципиально. Общий потенциал технологии - объём её использования, не исчерпав который, не стоит переходить на следующую, предлагаю считать в 200 операций. Иными словами, пока мы не доставим на Луну 32,7*200=6540 т груза, никакой (никакой!) супертяж не нужен.
Омен.

[Reentrant]

Это какая например? Что-то сходу не придумываются неисправности, которые препятствуют стыковке и могут быть легко устранены силами одного пилота...

Легко. Взять хотя бы отказ системы ориентации. Неконтролируемое вращение началось, и привет. Пилот с этим справится на ручном управлении, дистанционка -- нет.

Какие например проблемы? Не вышла на орбиту?

Да сколько угодно. Отказ одного или нескольких двигателей в конце выведения. Отказ системы управления. Отказ систем сближения. Перерасход топлива по любой причине. И т.д. В подобных случаях пилотируемый ЛОК сам подбирает "застрявшую" на орбите взлетную ступень. Управлять им с Земли затруднительно -- мало того, что задержки из-за большого расстояния, так еще часть витка вне радиовидимости может оказаться, а ждать удобного положения у взлетной ступени автономность не резиновая (особенно, в случае аварии).

Зачем такой легкий лэндер, если речь не идет о полете на ЛБ? Чисто флаговтык на 3 дня? Зачем? Толку с такого полета? Так что вам дело говорят - тяжелый лэндер атомным бкусиром (можно - многоразовый, потом только горючее подвозить) и экипаж на ОИСЛ сорокатонником.

Советую уже осознать, что LOR принципиально предназначен только для коротких посещений Луны. За несколько суток орбита "уплывает", и вернуться по желанию, когда приспичило, уже нельзя. Только в "окно" (которое будет уже лунной ночью или через ночь -- не хотите провести ночку на Луне в лэндере?). Поэтому либо короткая экскурсия на пару-тройку дней, либо лунная база (хотя бы небольшой стационарный лагерь), где можно жить. Городить при этом особые тяжелые ракеты только ради того, чтобы вместо нормального лэндера таскать с собой летающий жилой барак, это маразм.

Людям вообще нечего там делать на пустом месте. Луна не тайга, куда геологи  экспедиции мотаются. Думаю, эта архаичная аналогия на мозг давит, когда про такие вот "исследования" Луны говорят, мол, высадим туда геологов с молотками, пусть бродят, копаются. :lol: Да уж, наверное, трактор в тайгу забросить подороже будет, чем лишнюю пару бородатых. Только вот с Луной все строго наоборот.

[Shestoper]

В итоге на Луну лоставляется 32,7 т груза. Почти 100 т при 3-х операциях в год, и 200 - при 6-ти. Вполне приемлемо и принципиально.

Топливо не само придет на заправку. Его нужно доставлять. Плюс заправку вывести надо, заменять на ней вышедшие из строя узлы.
Для того, чтобы мягко положить на Луну 1 кг груза, надо вывести на НОО примерно 8-10 кг.
Каждая ваша операция потребует доставки на НОО порядка 300 тонн. То есть 12 пусков только 25-тонника. 6 операций в год - 72 пуска.

[Shestoper]

Советую уже осознать, что LOR принципиально предназначен только для коротких посещений Луны.

Полет по прямой схеме, и никакого баловства. Ни стыковок, ни ожидания нужного положения орбиты при экстренной эвакуации. А что накладно по энергетике - так нужно плясать от "грузовика", доставляющего на Луну модули.
И никаких 70-тонников.  

[Reentrant]

Не вижу радикальной разницы в стоимости разработки этих носителей, да и инфраструктура под них не так уж сильно будет различаться. К тому же наша цель в сияющем завтра - не флаговтык, а постоянная база на Луне, и желательно не одна. И про Марс забывать не надо. А чем больше грузов нужно забросить наверх - тем нужнее большая ракета. Поэтому не вижу большого смысла экономить по мелочам и набирать в экипаж карликов для сокращения массогабаритов корабля.

Хотя вообще-то LOR на 70-тоннике нормально выходит, без карликов (на уровне "Аполлона" примерно, плюс-минус), но я согласен насчет того, что между различными супертяжами не такая уж пропасть, а возить лучше квантами побольше. Потому и тему опроса так поставил. Успешным может оказаться любой вариант, вопрос подхода.

[mihalchuk]

В итоге на Луну лоставляется 32,7 т груза. Почти 100 т при 3-х операциях в год, и 200 - при 6-ти. Вполне приемлемо и принципиально.

Топливо не само придет на заправку. Его нужно доставлять. Плюс заправку вывести надо, заменять на ней вышедшие из строя узлы.
Для того, чтобы мягко положить на Луну 1 кг груза, надо вывести на НОО примерно 8-10 кг.
Каждая ваша операция потребует доставки на НОО порядка 300 тонн. То есть 12 пусков только 25-тонника. 6 операций в год - 72 пуска.

Откуда вы взяли 300 т? Я же привёл данные: 125 т кислородно-водородного и 62 т кислородно-метанового топлива. Итого 187 т. Только их не нужно 25-тонником пускать. Фантазии нужно побольше.

[Mark]

Не нужно ни 100-, ни 75-тонника. Нужны РН обычной размерности и орбитальная заправка. Для активной детельности на Луне нужен прежде всего приличный грузопоток. Для него делаем два носителя. Первый:
Мо=600 т, Мпг=25 т.
никакой (никакой!) супертяж не нужен.
Омен.

Масса ТЭМ- 25 мВт будет 120 тонн ! Ядерный двигатель на 25 мВт не можна сделать из 5 модулей !

[mihalchuk]

Не нужно ни 100-, ни 75-тонника. Нужны РН обычной размерности и орбитальная заправка. Для активной детельности на Луне нужен прежде всего приличный грузопоток. Для него делаем два носителя. Первый:
Мо=600 т, Мпг=25 т.
никакой (никакой!) супертяж не нужен.
Омен.

Масса ТЭМ- 25 мВт будет 120 тонн ! Ядерный двигатель на 25 мВт не можна сделать из 5 модулей !

Не нужен такой ТЭМ. Делите на 5.

[Shestoper]

Откуда вы взяли 300 т? Я же привёл данные: 125 т кислородно-водородного и 62 т кислородно-метанового топлива. Итого 187 т. Только их не нужно 25-тонником пускать. Фантазии нужно побольше.

У Вас ПН + 2 ступени + топливо для них = 255,7 тонн.
Но для ПН нужны посадочные опоры, нужна силовая рама, к которой будут крепиться эти опоры, целевая ПН и посадочный ЖРД, который будет окончательно гасить скорость.
С учетом этого масса лэндера при посадке будет больше 32,7 тонн. И этот дополнительный груз нужно разгонять с НОО.
Или Вы записали все эти системы в ПН? Тогда урезайте осетра, то есть целевую ПН.
При отлетной массе комплекса на НОО 255,7 тонн собственно ПН будет тонн 25.

И какой фантазией вы хотите топливо на орбиту доставлять? Пушкой или ещё какой экзотикой?

[mihalchuk]

Откуда вы взяли 300 т? Я же привёл данные: 125 т кислородно-водородного и 62 т кислородно-метанового топлива. Итого 187 т. Только их не нужно 25-тонником пускать. Фантазии нужно побольше.

У Вас ПН + 2 ступени + топливо для них = 255,7 тонн.

Ну хорошо, учли ПН. 187+32,7=220 т. Но не 300. С чего вы в массу включаете ступени? Или вы считаете их как ПН? тогда надо добавлять.

Но для ПН нужны посадочные опоры, нужна силовая рама, к которой будут крепиться эти опоры, целевая ПН и посадочный ЖРД, который будет окончательно гасить скорость.

Всё включено.

С учетом этого масса лэндера при посадке будет больше 32,7 тонн. И этот дополнительный груз нужно разгонять с НОО.

Сколько?! Это Луна!

Или Вы записали все эти системы в ПН? Тогда урезайте осетра, то есть целевую ПН.

А может быть добавить посадочную ступень к ПН? Вдруг её использовать можно?

И какой фантазией вы хотите топливо на орбиту доставлять? Пушкой или ещё какой экзотикой?

Любой, главное - чтобы дёшево было.