Оптимальная транспортная система Земля-Луна

[Fakir]

"Оптимальная транспортная система Земля-Луна, или на Луну по уму"

Какой должна быть транспортная система Земля-Луна? Нынешний американский вариант как-то не вдохновляет: идеология остаётся той же самой, аполлоновской - взлётно-посадочную ступень таскаем каждый раз с собой, от Земли летим одним тяжёлым куском и т.д.  Сакраментальный вопрос: что делать? Что делать, чтобы получить транспортную систему, сделанную по уму, причём для начала - максимально простую, и не требующую большого скопления прорывных технологий?

Итак, цель - создание максимально дешевой и эффективной транспортной системы, функционирующей при минимальном грузопотоке с Земли, причём не требующей разработки тяжёлых носителей.

Конечно, очень хочется задействовать ЯРД - но, думается, на первых порах можно обойтись и без них, вводя их на последующих стадиях развития транспортной системы.

Естественно, стоит разделить пассажирский и грузовой транспортные потоки - космонавтов пускать традиционным "химическим" путём, грузы - малой тягой, на ЭРД с запиткой от реакторов, буксиры многоразовые. Не ново, конечно, и даже банально, обговорено многократно - но логично.

Как сэкономить на посадке-взлёте с Луны?
 
Сама собой напрашивается мысль причислить лэндер к нескоропортящимся грузам, и отправлять малой тягой - в результате для полёта к Луне не очень-то нужён 100-тонный носитель, а можно обходиться и чем поменьше, возможно, даже "Протоном", не говоря об "Ангаре".
Лэндер летит долго, значит, криогенными компонентами его не заправишь - особенно если одна из топливных компонент - водород. Но в конце концов, топливо можно пускать вместе с пилотируемым кораблём, по "быстрой" траектории.

Если предположить, что на Луне мы в состоянии добывать кислород тоннами (не слишком смелое предположение) - возникает смысл использовать топливные пары с кислородом (хоть керосин-кислород, а лучше, конечно, кислород-водород). Если везем с Земли керосин - то его можно тащить и малой тягой, если водород - нужно "по-быстрому"; нужно смотреть, какой вариант даст в сумме преимущество в запускаемой с Земли массе.
Желательно, конечно, сделать лэндер одноступенчатым и многоразовым, что для лунных условий достаточно реально. В случае многоразового лэндера, вероятно, водород проигрывает керосину (или другой высококипящей компоненте) - если топливо нужно длительное время хранить от посадки до взлёта. Т.е. при такой схеме водород выгоден лишь в случае частых челночных рейсов.

Данная схема транспортной системы с развитием техники легко поддаётся апгрейду - разгонный блок для пилотируемого корабля может в дальнейшем стать ядерным, может всё так же использовать ЖРД, но стать многоразовым, причём использовать лунный кислород (тогда потребуется околоземная ОС-"космопорт"). Лэндеры могут тоже перейти на ядерную тягу, используя в качестве рабочего тела тот же кислород, а впоследствии, в случае развертывания добычи гелия-3 -  и водород.

Возможно, целесообразным окажется использование лунной ОС - малой орбитальной станции, эдакого "Салюта-мини", или даже а-ля БО "Союза" (ну, скорее, БО "Шэньчжоу"). Станция, вероятно, имеет смысл в первую очередь как набор стыковочных узлов, оснащённый манипулятором и гиродинами.  

Резюме.
Основные особенности предлагаемой схемы:
1. Транспортировка грузов многоразовыми буксирами на ЭРД с ЯЭУ, космонавтов - на ЖРД.
2. Доставка лэндера (и высококипящей компоненты) малой тягой, криогенной компоненты - вместе с космонавтами.
3. Использование лунного кислорода.
4. Многоразовый одноступенчатый лэндер.
5. Возможно, многоразовый буксир на ЖРД для доставки на LLO и обратно пилотируемых кораблей (с использованием лунного кислорода). Такой вариант, очевидно, подразумевает стыковку с околоземной ОС.
6. Как следствие - отсутствие необходимости в 100-тонном носителе

[Fakir]

Чего не хватает для подобной транспортной системы?

ЭРД и ЯЭУ - практически есть, принципиальных проблем и особо крупных затрат здесь не предвидится.

Нужны - оборудование для получения кислорода из ильменита (НАСА уже объявило конкурс) в первую очередь, и многоразовый одноступенчатый лэндер - во вторую.

Экономия - на тяжёлых носителях и объёмах пусков.

[Waldi]

1. В другом топике я уже высказал серьезные сомнения по поводу ландера с ЯРД вообще, и с О2 в качестве рабочего тела - в частности. Развейте их, пж-ста.
2. Не рассмотрена возможность грузовых буксиров З-Л на СРД - пара отражателей порядка 100 кв.м. обеспечат ок. 100 кВт мощности для нагрева Н2. По УИ имеем практически мини-ЯРД, без присущих ему неприятностей.  Можно не заморачиваться и с ЯЭУ плюс ионники.

[Fakir]

1. В том-то и дело, что первая стадия такой транспортной системы не предусматривает использования ЯРД. Лунный кислород используется как одна из компонент топлива ЖРД лэндера и, возможно, межорбитального ЖРД-буксира для пилотируемых кораблей.
2. ЭРД легко обеспечивают УИ до 4000 с и выше - для СЭДУ это совершенно нереально.

[Waldi]

Но и УИ=900с на СЭДУ тоже не фунт изюму. Не забывайте еще фактор скорости - или год тащиться, или за 3 дня. Так можно и LCH4, и LO2 на LLO для ландеров возить.
А к ЭРД полагается еще тяжелая ЯЭУ+биозащита+радиаторы. Так что по весу "умрем рядом" :-)

[Fakir]

Медленной тягой мы возим нескоропортящиеся грузы. Пусть хоть год летят, лишь бы с Земли запускать дешевле.
Никакая особая защита не нужна, тем более "биозащита" - ничего нежного мы буксирами не возим, тем более людей.

ИМХО, у СЭДУ мало шансов. Для грузов она проиграет ЭРД за счёт УИ, для пилотируемых полётов - за счёт тяги.

[Waldi]

Это верно. Но для доставки быстропортящихся материалов - низкокипящее топливо для ландеров и отлетных ступеней КК (кислород плюс метан) - самое то.

[Fakir]

Может быть - в таком случае, скорее всего, лишь в качестве промежуточного этапа, до организации добычи кислорода на Луне. Но тут уже считать надо.

[Fakir]

Хотя, кстати, не факт - вероятно, и в качестве такого "промежуточного бензовоза" СЭДУ ничего не светит. Тяга-то у СЭДУ невелика, в результате время выведения на ГСО сокращается всего в 5-10 раз, значит, выигрыш при полёте к Луне того же порядка, и время перелёта - порядка месяца. Стерпит ли такое LH2?

[Waldi]

Не предлагается возить LH2, предлагается жидкий метан и кислород. Если лететь месяц, то это все отпадает. Если тока пару дней, то почему бы нет? Вот тут http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_rocket пишут: "Even the lower specific impulse represents a significant increase over that of conventional chemical rockets, however, an increase that can provide substantial payload gains (45 percent for a LEO-to-GEO mission) at the expense of increased trip time (14 days compared to 10 hours)"
Надо просто оценить тягу СЭДУ на Н2 при располагаемой мощности в 100-200 кВт и сравнить с ЖРД...

[Fakir]

Во-первых, СЭДУ мощностью 100-200 кВт - мощное прожектерство.
См. инфу от разработчиков:
http://www.kerc.msk.ru/ipg/development/solar/sol_eng.shtml

Разгонные блоки (РБ) на базе СЭДУ обеспечивают высокоэффективную доставку КА с низкой опорной орбиты на межпланетные траектории, высокоэллиптические и высокие круговые орбиты (включая геостационарную) за 10...60 суток.

Время транспортировки к Луне - того же порядка, даже больше.
Выигрыш в ПН по сравнению с ЖРД - всего вдвое. Хочется большего.
Выигрыш в сроках транспортировки - всего 5-10 раз. Для груза непринципиально - гораздо важнее больше привезти.
СЭДУ не так уж и проста, как кажется на первый взгляд. И уж тем более не влёт удастся (если удастся) обеспечить ей мощность в 100 кВт. Для ядерной же энергоустановки это не проблема, можно и больше.
Вследствие относительно невысокого (около 800 с) УИ многоразовое применение несколько сомнительно.

ИМХО, СЭДУ - решение со всех точек зрения половинчатое, посему практически для всех задач - далеко не оптимальное.

Не предлагается возить LH2, предлагается жидкий метан и кислород.

Подозреваю, что кислород в конечном итоге окажется проще наработать на Луне.
Кстати, можно, в принципе, добавить в транспортную систему и "третью ветку", специально для быстрой доставки криогенных компонент для лэндеров - на ТфЯРД, как раз на РД-0410.

[Вадим Семенов]

Собственно, никто пока убедительно не обосновал, что долговременное хранение LH2 в космосе невозможно. Хотелось бы все же нечто более весомое, нежли ИМХО. К тому же если водород будет выкипать, но не слишком быстро, его вполне можно утилизовать по ходу дела в той же СЭДУ. А оставшийся водород вкупе с кислородом -- для химического движка взлета и посадки лунного модуля. Довольно красивый симбиоз водорода и СЭДУ получается.

СЭДУ не так уж и проста, как кажется на первый взгляд.

ЯРД тем более непрост. Разница как между электроплиткой и ядерным реактором примерно.

ИМХО, СЭДУ - решение со всех точек зрения половинчатое, посему практически для всех задач - далеко не оптимальное.

Для Луны как раз и оптимальное, потому что половинчатое. С одной стороны тяга повыше, чем у ЭРД, с другой импульс повыше, чем у химии. На ЭРД слишком долго, на химии -- затратно. Для грузовых операций к Луне СЭДУ близка к оптимуму.

ЯРД, конечно, еще круче, но это уже совсем другой уровень технологий и, как следствие, совсем другой уровень финансирования потребен для создания такой транспортной системы. Может, когда-нибудь и до ЯРД дело дойдет, но на первом этапе новой лунной программы и при российских финансовых возможностях в обозримом будущем это не вариант.

[Igor]

Ксенон довольно редкое и дорогое вещество. При стабильном и большом грузопотоке его просто не хватит. Да и цена может быть такой, что перекроет все выгоды от использования ЭРД. Мое мнение или ТфЯД или СЭДУ. Причем я так понимаю для СЭДУ не принципиально чем заправлять, хоть СО2 или любым высококипящим компонентом. Конечно УИ упадет. Но для медленных грузов это несмертельно. Кстати вопрос, возможно ли такое на ТфЯД.

[Waldi]

Собственно, я имел в виду как раз не такой СЭДУ с электронагреванием рабочего тела, как по ссылке выше. Низкий КПД СБ как раз не вдохновляет.
Имелось в виду честная СДУ с прямым нагревом рабочего тела солнечными лучами. Имеем более 1 кВт с каждого кв. метра отражателей. Соотв-но для печки на 200 кВт нуна два лопуха 10х10 метров, что ИМХО на сейчас очень даже не запредельно. Ясно, что придется учитывать быструю деградацию отражателей, но игра может очень стоить свечь :-)

[avmich]

По поводу ХС для полётов ИСЗ-ИСЛ.

Для полётов на ЖРД - это примерно 4 км/с. Грубо, 3 км/с на старт к Луне, 1 км/с на выход на окололунную. При использовании водорода - УИ 4500 - отношение масс будет exp(4000/4500) = 2,43 . То есть, сухая масса - 40% от полной.

Для полётов на ЭРД - это примерно 8 км/с, из-за другой баллистики. Используя традиционные сегодня СПД-100, с УИ 15000 м/с, имеем отношение масс exp(8000/15000) = 1,7 . То есть, сухая масса - 60% от полной.

Таким образом, грубо, ЭРД позволяют уполторить сухую массу.

[Waldi]

ЭРД позволяют уполторить сухую массу.

Почему-то все забывают вес источника энергии для ЭРД. А он может съесть бОльшую часть выигрыша по массе.

Может ли кто грубо оценить баллистику перелета ИСЗ-ИСЛ буксира+ПН сухой массой порядка 10-20 тонн с помощью честной СДУ с прямым нагревом Н2 (УИ~900) и мощностью ~200 кВт? Какая будет тяга при этом?
Почему-то мне кажется, что при времени работы СДУ порядка нескольких часов потребная ХС будет не намного хуже ЖРД.

[Sevlagor]

Честный буксир на СДУ. Схематично.



Желтое - солнечные концентраторы - зеркала 20-30 м (масштаб не соблюдён).
Фокусируют свет на камере двигателя - маленький красный шарик.
Фиолетовое это сопло. красный шарик рядом.
Размер камеры двигателя 20-30 см. Материал графит или тугоплавкий карбид.
Материал тот  же что разработан и испытан для РД-0410.
Бо температура та же, условия работы те же. Топливо то же - водород.
Давление в камере можно сделать раза в 2-3 меньше чтоб ресурс увеличить. Потери УИ полностью компенсируем увеличением диаметра среза сопла.
УИ = ~9000 м/сек. Температура ~3000 К
Расход топлива буквально граммы, на большее энергии нехватит, размер камеры поэтому совсем маленький.
Тяга маленькая но всёже во много раз больше чем у любого ЭРД.

Оранжевый шар - бак с водородом.
Зелёное - ПГ.
Два тёмно-синих круга перед баком и ПГ - лёгкие теплозащитные экраны.
Синии линии и узкий конус - фермы.

Зеркала могут вращаются каждое по двум осям - голубая ось для наведения на солнца. ну и сам аппрат целиком по продольной оси вращается.

Торможение в нижних слоях ионосферы (высота 120-150 км)
Зеркала разворачиваются на 180 град от нарисованного положения - обратной стороной вперёд.
Их обратная сторона защищена углеродной тканью. Ею и тормозимся.
Каждое зеркало может немного (на 30-40 град.) поворачиватся вокруг второй оси (обозначена красным, хорошо видна у верхнего зеркала)
это на случай если промахнёмся ниже коридора - поворачиваем зеркала - площадь лобовой проекции уменьшается и мы благополучно компенсируем промах.

Удельная тяга двигателя 5560 Вт/Н
При тепловой мощности 2 МВт (площадь зеркал общая ~1000 м2) - тяга = 360 Н
Расход топлива 40 г/сек

При начальной массе 28,85 т на разгон до II космической надо ~8850 кг топлива.
Время разгона до II космической 2.55 суток.
Учитывая что часть орбиты в тени реально уйдёт от 2.55 до 4.5 суток в зависимости от "сезона".
Масса конечная 20 т

Время торможения у Луны 13-24 часа
Расход топлива 1900 кг
Масса конечная на Лунной орбите 18100 кг

Масса ЛБ сухая 2-4 т
Масса топлива на отлёт к Земле 200-400 кг

Масса ПГ на лунной орбите 12-14 т

Общая масса топлива (водород) 11100 - 11300 кг
Масса топлива на стыковки (НДМГ+АТ) ~500 кг

[Waldi]

Вот-вот, я это же видел на форуме несколько месяцев назад! Запало...
Как раз это я и имел в виду. Большое спасибо за массу информации. Это Ваш проект?
Как оцениваете реализуемость по времени и деньгам?
Сколько надо топлива на торможение пустого буксира у Земли, если не заморачиваться ионосферной фичей? Можно прилично сэкономить на огромной ТЗ лопухов и их поворотных приводах, существенно облегчить конструкцию без риска деформации зеркал при торможении.
А нельзя ли лопухи максимально приблизить к продольной оси КК?
Кстати, а зачем разворачивать лопухи назад для торможения в ионосфере? Не проще ли тормозиться задней стороной буксира, где сопло, которое можно закрывать (а надо ли?). Тогда имеем всегда одно направление перегрузок - от носа в корму, что плюс для конструкции.

[Fakir]

Вадим Семенов

Собственно, никто пока убедительно не обосновал, что долговременное хранение LH2 в космосе невозможно. Хотелось бы все же нечто более весомое, нежли ИМХО.

Просто для начала закладываемся на худший вариант. Если возможно достаточно простое хранение LH2 по полгода - тем лучше.

ЯРД тем более непрост. Разница как между электроплиткой и ядерным реактором примерно.

ЯРДы - были. СЭДУ - нет. Это уже о чём-то говорит :wink:
СЭДУ, которая "электроплитка" до 100 кВт не дотянет в жизни - понадобятся чудовищные СБ, и реактор той же мощности окажется заметно легче.
СЭДУ, которая с солнечными концентраторами на 100-200 кВт, будет очень сложна - посложнее и электроплитки, да и ЯРДа, пожалуй: с помощью концентраторов очень сложно будет сбросить такую мощность на развитые поверхности теплообмена.

Для Луны как раз и оптимальное, потому что половинчатое. С одной стороны тяга повыше, чем у ЭРД, с другой импульс повыше, чем у химии. На ЭРД слишком долго

Не слишком. Пускай хоть год летит. Лишь бы ПН была в несколько раз больше.

ЯРД, конечно, еще круче, но это уже совсем другой уровень технологий

Да, это другой уровень технологий - не 2000-х, а 1970-х  :mrgreen:

[Fakir]

Igor

Ксенон довольно редкое и дорогое вещество. При стабильном и большом грузопотоке его просто не хватит. Да и цена может быть такой, что перекроет все выгоды от использования ЭРД.

Ну я уже язык обмолол - на ксеноне свет клином не сошёлся "Криптон спасёт отца русской демократии!" Он примерно на порядок дешевле, доступен, при использовании криптона несколько растёт энергопотребление ЭРД, но вместе с тем растут УИ и тяга. Из-за более низкой плотности криптона по сравнению с ксеноном возрастёт масса баков, но это, надо полагать, не смертельно.

Конечно УИ упадет. Но для медленных грузов это несмертельно.

Как раз смертельно. Упадёт ПН - что крайне нежелательно.

Кстати вопрос, возможно ли такое на ТфЯД.

Возможно, конечно. Но упадёт УИ.