Другая точка зрения, читать с картинками:
https://naked-science.ru/artic ... ngaraЦитата:
Запуск «Ангары» снова отложили — и лучше бы навсегда. Что нужно России вместо нее? 5.5 Позавчера, 16:40
Александр Березин
Российская тяжелая ракета имеет все шансы взлететь после Starship, хотя ее начали создавать на 20 лет раньше, да и по параметрам она радикально уступает детищу Илона Маска. Попробуем разобраться, почему любая попытка создать классическую ракету в наши дни — пустая трата времени и средств. А заодно дать ответ на вопрос, какую космическую ракету на самом деле стоит создавать России.
«Ангарf-A5» на стартовом столе, видна часть ее «модулей-карандашей» / ©Министерство обороны
23 декабря с космодрома Плесецк должны были запустить тяжелую ракету «Ангару А5», но в последний момент пуск перенесли на следующие сутки (а потом еще раз). Пока — на 27 декабря 2021 года. Хотя часто говорят, что в 2014 и 2020 годах «Ангара А5» уже летала, на самом деле, новый пуск — совсем не просто «еще один». В нем впервые планируется использовать разгонный блок «Персей», с увеличенной емкостью баков. За счет него ракета сможет выводить на геостационарную орбиту (высотой 36 тысяч километров) не 2,8 тонны, а 3,6 тонны. Из одной этой цифры кажется очевидным, что речь идет о большом шаге вперед.
К сожалению, только кажется. Фактическая картина намного хуже.
Зачем Россия начала создавать «Ангару»?
Разработка этой ракеты формально была запущена указом президента России от 6 января 1995 года — а сроком первого полета был назначен 2005 год. В случае соблюдения этих сроков создание такой ракеты имело бы большой смысл: за счет унификации ее модулей можно было (при условии изготовления многих ракет в год) получить снижение цены даже относительно «Протона».
«Ангара» задумывалась как «лего из карандашей»: универсальные ракетные модули могли составить ракету от легкого (один модуль в первой ступени) до тяжелого (семь модулей) класса. Каждый ракетный «модуль-карандаш» можно было перевозить по железной дороге по отдельности, стыкуя потом на месте. Ведь его длина — всего 25,1 метра, а диаметр — лишь 2,9 метра. В России, где ракеты традиционно возят именно по железной дороге, это важно: слишком большую ракету по «железке» не перевезти.
«Ангара» с одним универсальным ракетным модулем в первой ступени давала легкую ракету «Ангара-1.2ПП», с тремя — «Ангару-3», с пятью — «Ангара-5». Исходно планировался даже вариант с семью такими модулями / ©Wikimedia Commons
«Ангара» с одним универсальным ракетным модулем в первой ступени давала легкую ракету «Ангара-1.2ПП», с тремя — «Ангару-3», с пятью — «Ангара-5». Исходно планировался даже вариант с семью такими модулями / ©Wikimedia Commons
В 1994–1995 годах абсолютно все специалисты ракетно-космической отрасли понимали, что осилить новые ракетные двигатели в рамках этого проекта будет невозможно. Отрасль была в тот момент не в том состоянии, чтобы сделать что-то новое и сложное. Поэтому в проекте предусматривалось использование только уже наработанных технологий — кислород-керосиновых двигателей, с которых в нашей стране и началась космонавтика.
Правда, ракетные двигатели на гептиле, типа «Протона», были тоже хорошо проверены на практике, и «по цифрам» их применение было бы эффективнее кислород-керосиновых движков. Однако гептил ядовит, и именно поэтому со времен Королева у нас его не планируют к использованию в пилотируемой космонавтике. Между тем в 1990-х ракеты семейства Р-7 — созданного еще Королевым — были откровенно устаревшими, и считалось, что их надо менять. Создавать отдельную ракету для пилотируемой космонавтики было невозможно: денег не было.
А вот кислород-керосиновая «Ангара» в перспективе могла быть использована для пилотируемых полетов — особенно после того, как полеты ее грузовых версий накопили бы достаточную статистику, чтобы показать большую надежность нового носителя. Это был разумный проект, и он стал бы большим успехом — в случае реализации в заданные сроки.
Но любой, кто хорошо помнит девяностые годы в России, понимает, что в реальности никаких «небумажных» работ по «Ангаре» тогда не могло быть в принципе, и, разумеется, их не было. Реально что-то начали делать только в конце нулевых XXI века, отчего первый полет нового носителя состоялся уже в 2014 году. И кажется, теперь уже поздно.
Слом эпох
Перед Второй мировой множество стран строило вооруженные гигантскими пушками линкоры — и эти линкоры были технически намного сильнее, чем в Первую мировую. Однако в новой войне оказалось, что они, в норме, не могут топить авианосцы, потому что у авианосцев есть возможность отправить линкор на дно еще до того, как они сблизятся с ними на расстояние пушечного выстрела. Новые ударные самолетонесущие корабли изменили ситуацию настолько, что линкорные флоты прошлого перестали решать ход и исход боя.
Похожая история случилась со всеми разработками ракет, запущенными до 2010 года. Они могут быть насколько угодно мощнее, лучше и рациональнее своих предшественников, но в длительной перспективе это уже ни на что не влияет.
Все дело в том, что двадцать лет назад один взбалмошный бизнесмен африканского происхождения хотел сделать небольшую, но красивую пиар-акцию, привлекающую внимание к освоению космоса. Денег у него было мало, поэтому он приехал в Россию и хотел недорого прикупить здесь пуски конверсионных ракет (бывших баллистических). Но российские космические структуры заломили цену выше той, которую ожидал выходец из Африки. На обратном пути в США его команда пила с горя, а Маск щелкал клавишами на ноутбуке. Один из его спутников вспоминает: «Мы [в этот момент] думали: ..…й нерд. Сейчас-то он чего суетится?» В этот момент нерд произнес:
«Эй, ребята. Я думаю, мы можем построить эту ракету сами».
Эти слова тридцатилетнего человека перевернули историю мирового ракетостроения, и — если ему повезет — сильно изменят историю нашей планеты. Маск не просто построил ракету сам (именно он принимал и принимает ключевые решения по техническому облику систем SpaceX, часто вопреки мнению своих инженеров), но по пути внес в эту отрасль два очень крупных новшества. Он, впервые для земных условий, применил ракетодинамическую схему посадки первой ступени ракеты на хвост.
То, что этот плакат не нарисован в СССР времен зари космической эры, становится вполне ясно только из-за лица слева. Сама стилистика предельно симптоматична: Штаты в ближайшие десять лет смогут начать полеты Starship к Марсу / ©Red Dress
Поскольку на такую посадку нужно было некоторое количество топлива, то, чтобы не снижать полезную нагрузку запуска, он ввел новшество № 2: заливку в ракетные баки керосина и жидкого кислорода в переохлажденном виде (заметно ниже точки кипения кислорода, например). Плотность таких переохлажденных жидкостей выше, чем у тех, что заливали в ракеты до этого. Поэтому полезную нагрузку удалось удержать в приемлемых рамках даже несмотря на допзатраты топлива на посадку первой ступени после запуска.
За время работы над всем этим Маск не просто лично корпел над учебниками ракетостроения (включая один советский) и лично придумывал описанные выше эволюционные улучшения космических носителей. Он задумался совсем над другим: ракетой, на которой можно колонизировать Марс. Мы о ней уже писали — вот ссылка, чтобы не повторяться, — поэтому перейдем сразу к влиянию Starship на космическую отрасль и российскую «Ангару».
Эффект масштаба
В космонавтике давно известно: вывод килограмма груза в космос легкой и особенно сверхлегкой ракетой обходится намного дороже, чем тяжелой ракетой, типа «Протона» или Falcon 9 от SpaceX. Причины — в простом эффекте масштаба. При условном увеличении длины, ширины и высоты ракеты вдвое площадь ее поверхности растет примерно вчетверо, а объем — примерно в восемь раз. Вес пустой ракеты складывается в основном из ее поверхностей, то есть тоже растет намного медленнее, чем ее внутренний объем. А вот полезная нагрузка ракеты увеличивается примерно пропорционально ее объему.
Диаметр российской ракеты действительно упрощает перевозку составляющих ее частей, но что от этого толку, если в итоге «Ангара» будет возит грузы на орбиту намного дороже, чем неудобный в перевозке Starship, который SpaceX готова собирать хоть на космодроме? / ©Wikimedia Commons
Именно поэтому в домасковскую эпоху развития космонавтики основной «рабочей лошадкой» были тяжелые «Протоны» — и поэтому же тяжелая «Ангара» (из многих «модулей-карандашей») по размерам была сопоставима с ними. Ракеты делали бы и еще больше, но вот беда: для слишком больших просто не находилось рынка. Коммерческим заказчикам не нужно было выводить в космос спутники в десяток тонн и более, а заказчики правительственные не хотели лететь к Луне и далее. Ведь лунная гонка уже кончилась, а понять, зачем нужны такие полеты, если это вне гонок престижа, типичный политик не может.
Илон Маск и созданная им SpaceX подошли к этому вопросу под совсем неожиданным углом. Бывший африканец понимал, что колонизировать Марс на ракетах размерах «Протона» / Falcon 9 слишком дорого (маловаты они для таких задач), но понимал и то, что создавать носитель без коммерческой ниши он не осилит по деньгам. Поэтому решил: если рынка для сверхбольшого Starship нет, то его надо создать.
Для этого он придумал идею облака из многих тысяч спутников на относительно низких орбитах, раздающих интернет. Все его предшественники раздавали интернет через спутники на 36 тысячах километрах (геостационарная орбита), ограничения скорости света делали задержку сигнала слишком большой для онлайн-игр, и тут действительно была ранее не занятая ниша: низкоорбитальный Starlink от SpaceX давал куда меньшую задержку. И к тому же его выводили в космос куда дешевле (потому что пуски Falcon 9 стоят меньше, чем у конкурентов), чем это могли сделать ракеты любой другой компании. Все это, впервые в истории, делало спутниковый интернет достаточно комфортным для массовой аудитории.
Как только был создан рынок под сверхбольшие носители, все носители меньших размеров автоматически получили сильнейший удар, от которого не смогут оправиться уже никогда. Чтобы понять почему, взглянем на цифры.
Высота масковского Starship — примерно 120 метров, диаметр — девять метров, масса пустого корабля, совмещенного с носителем, около 300 тонн, масса топлива — 4800 тонн. Полезная нагрузка — не ниже 100 тонн для первого варианта, дальше ее планируется нарастить до 150 тонн.
«Ангара А5», составленная из «карандашей» длиной 25,1 и диаметром 2,9 метра, весит 773 тонны, полезная нагрузка — 24,5 тонны, и ни одна из ступеней не является возвращаемой.
Части «Ангары» в цеху производственного объединения «Полет», 2015 год / ©Wikimedia Commons
Если ракета №1 имеет массу 5 тысяч тонн и выводит 100 тонн на орбиту, а ракета №2 весит 773 тонны, и выводит на орбиту вчетверо меньше, то кажется, что вторая ракета будет эффективнее. Но это только кажется. Ложное ощущение возникает от того, что ~300 тонн сухой массы обеих ступеней Starship при каждом полете будут возвращаться на Землю, тратя часть топлива. По данным на 2018 год стоимость «Ангары А5» сегодня можно оценить в ~100 миллионов долларов. Значит, каждый килограмм выводимого ею на орбиту груза пока стоит четыре тысячи долларов. Если бы ее выпускали крупной серией, как все еще намеревается делать «Роскосмос», цена эта могла бы упасть в полтора раза. Килограмм груза все равно обходился бы в ~2,5 тысячи долларов.
А вот у Starship стоимость запуска, по самым пессимистичным оценкам, составит 10 миллионов долларов, что дает 100 долларов за килограмм. Сам Маск ожидает в будущем два миллиона долларов за рейс, или 20 долларов за килограмм. Потому что 4800 тонн жидкого кислорода и метана стоят очень и очень немного (900 тысяч долларов с услугами заправки), а очень недешевая первая и вторая ступени при пуске не расходуются. Ожидаемое число циклов их использования крайне велико: метан при горении не оставляет сажи, что отличает его от керосина. Поэтому метановые двигатели Starship без переборок можно будет использовать и для сотни полетов без замены. А вот керосиновые двигатели — как на том же Falcon 9 — позволяют использовать первую ступень без серьезного ремонта не больше десятка раз.
Может ли «Ангара» покрыть разрыв между 2,5 тысячи долларов за килограмм у нее и сотней долларов за килограмм у Starship? Нет. Для этого ее нужно сделать полностью многоразовой, с сотней циклов использования, что технически невозможно. И не только потому, что она — керосиновая ракета, а керосин оставляет (на компонентах ракетного двигателя) сажу при сжигании, затрудняя пуски от десятого и дальше.
Первая ступень Starship на колесном транспортере, 21 декабря 2021 года. SpaceX планирует первый космический полет новой системы уже в начале 2022 года. Даже если новая модификация «Ангары» и сможет незначительно опередить конкурента, морально она уже устарела / ©Wikimedia Commons
Еще важнее то, что в одном «модуле-карандаше» «Ангары» всего один крупный двигатель. Пустая ступень весит очень немного, поэтому, чтобы спуститься на работающем двигателе на Землю (а не начать вместо этого снова подниматься), этой ступени нужна очень малая тяга. А существующие ракетные двигатели нельзя заставить устойчиво работать на одном проценте мощности — и вообще, слабее нескольких десятков процентов от номинала такое для них очень проблематично. Falcon 9 и Starship умеют садиться потому, что у них много двигателей в каждой из ступеней, то есть можно при посадке использовать не все, а только часть из них, при этом не на самой большой мощности.
Для «Ангары» добиться ракетодинамической посадки ступеней на хвост невозможно: для этого нужно изменить всю конструкцию, отказаться от «модулей-карандашей», дать ей двигательную компоновку совсем другого типа. Но даже если бы всю ракету так и переделали, оставив от «Ангары» одно название, это не помогло бы. Эффект масштаба играет за Starship и против всех ракет меньших возможностей.
Даже SpaceX признает, что после начала регулярных полетов своего нового носителя будет вынуждено отказаться от Falcon 9, поскольку те перестанут быть конкурентоспособными с их же собственной новинкой. У «Ангары», в отличие от Falcon 9, нет и, как мы показали выше, не может быть многоразовости даже для первой ступени. Она обречена выводить грузы в десятки раз дороже западного конкурента.
А может, космос просто не для России?
Однажды руководитель «Роскосмоса» произнес такие слова:
«Если в Америке сказали, что можно производить жвачку на Луне, то это вовсе не означает, что к этому надо относиться с серьезной миной и делать то же самое. Не надо делать то же самое, что и они, у нас должен быть свой, очень прагматичный выбор, у нас денег намного меньше, ресурсов меньше, надо тратить их с большим умом».
Слова эти относятся, конечно, совсем не к жвачке, но, напротив, к выбору магистрального пути развития космонавтики. SpaceX нацеливается на сверхбольшие ракеты с предельно низкой ценой доставки груза в космос. «Роскосмос» пока не нацелен на это, потому что такие низкие цены на вывод грузов в космос возможны, только если у вас есть для этого космоса очень большие грузы.
Полная группировка Starlink потребует как минимум тысячи спутников — а то и более десятка тысяч / ©Wikimedia Commons
Россия пока не планирует никакого Starlink: это очень крупный проект, многие тысячи спутников нельзя запустить без громадных инвестиций. Малым такой проект делать коммерчески невыгодно: если спутников в нем будут всего сотни, постоянное покрытие сможет охватить лишь небольшие площади планеты. А там, как ни крути, много клиентов не набрать.
Позиция «у нас нет денег на космос» кажется логичной. Конечно, можно возразить, что мы пишем это про страну, которая в период пандемического кризиса 2020–2021 годов увеличила свои валютные резервы на 80 миллиардов долларов. SpaceX за всю свою уже почти двадцатилетнюю историю таких денег и близко не видела.
Но руководство «Роскосмоса» могло бы — в кулуарном, конечно, порядке — справедливо указать на то, что руководство страны не дает на космос в год и десятка миллиардов долларов, поэтому не все ли равно, что у государства образуются огромные излишки денег ежегодно? И это возражение будет верным.
Даже испытательные полеты одной только первой ступени Starship дают представление о его огромности / ©SpaceX
Но лишь отчасти. Потому что ограниченные деньги на космос в нашей стране выделяют не потому, что денег у нее нет, а потому, что наша космическая отрасль не может внятно объяснить руководству страны, зачем, собственно, нам нужно летать в космос в больших масштабах, по-взрослому.
И зачем нам сверхбольшая ракета?
Starship — это «Фау-2» нашего времени, ракета, чье влияние полностью меняет стратегический баланс в мире. Из потомков «Фау-2» в конечном счете получились межконтинентальные баллистические ракеты с ядерными боеголовками — сломавшие существовавший до них военный баланс. Starship может дать космический транспорт, позволяющий сравнительно недорого развернуть в космосе не запрещенные никаким договором лазерные системы мегаваттной мощности.
Как мы уже писали, формально их можно называть противоастероидными, но реально они вполне могут сбивать межконтинентальные баллистические ракеты (МБР). Причем не устаревшие, как действующая сейчас система американской противоракетной обороны, а любой степени современности. От лазерного луча в открытом космосе не убежит никакая ракета, и противоспутниковые ракеты просто не смогут сбить орбитальную лазерную платформу до того, как ее лучи нейтрализуют их самих.
Starship станет мощнее, и американские ВВС уже проявили к нему интерес. Как именно военные исполь...
До сих пор полезную нагрузку корабля, объединенного в одно целое с ракетой, ожидали в районе 100 тонн. Новые метановые двигатели Raptor-2 станут заметно мощнее, а финальная нагрузка детища Илона Ма...
naked-science.ru
И рано или поздно США обратятся к этой возможности. У них просто нет другого выхода: пока их ракетное вооружение сильно отстает от российского. «Калибры» лучше «Томагавков», а аналогов уже серийных гиперзвуковых «Цирконов» и «Кинжалов» у Штатов пока нет в принципе, и испытания их американских прототипов идут неудачно. Новые боевые части для МБР (типа уже испытанного российского «Авангарда») американские конструкторы пока не начали даже рисовать, не то что строить. Это очень большое отставание, которое можно преодолеть лишь за много лет.
Штыри для крепления теплоизоляционной плитки на поверхность Starship / ©Wikimedia Commons
На этом фоне давно предлагаемая в Штатах идея лазерных платформ на орбите, работающих по принципу фазированной антенной решетки — неизбежность. Вопрос не в том, создадут ли ее там, вопрос только в том, когда в Пентагоне захотят это сделать.
Разумеется, мы могли бы дополнить цели сверхбольшой ракеты для России еще и тем, что без нее нельзя будет участвовать в освоении Марса, которое может начаться в ближайшие десятки лет (подробнее — тут). И что тот, кто в нем участвовать не сможет, окажется в крайне невыгодном положении. Но это цель дальняя и пока еще не для всех понятная.
Колония на Марсе к 2050 году: построит ли Илон Маск город на Красной планете
SpaceX рассчитывает к 2050 году создать на Марсе колонию на миллион человек. Звучит абсурдно: осталось всего 30 лет, а до первого полета на Марс еще многие годы. Некоторые ученые, включая российски...
naked-science.ru
Оптимальной траекторией развития отечественной космонавтики был бы отказ от доведения «до ума» всех ракет, не имеющих значительного опыта серийного производства. Строить одновременно и морально устаревшие «линкоры» из прошлого, и реально эффективные сегодня «авианосцы» могут себе позволить разве что США. Поэтому там делают одновременно и ненужную ракету SLS, и Starship. А вот для России было бы довольно накладно потянуть сразу и нужный «неоСтаршип», и ненужную «Ангару». Лучше сразу сосредоточиться на более осмысленном варианте.
А летать к МКС с Байконура и выводить спутники для военных с Плесецка в ближайшие десять лет можно и с имеющимися ракетными семействами, пусть их история и уходит во времена Королева. За эти же ближайшие десять лет России предстоит создать аналог Starship — и, как ни странно, у нее в этой области местами есть существенные козыри, которых нет у Илона Маска.
Реальные внутренности Starship для полета к Марсу почти наверняка будут выглядеть иначе, чем на этом концепте. Но и он дает представление о том, насколько велика обитаемая часть этой системы / ©Wikimedia Commons
Скажем, его сравнительно небольшая компания не может построить для своих ракет завод, где их внутренние части сваривали бы из титановых деталей. Для такой сварки крупных конструкций нужны огромные цеха с чистой аргоновой атмосферой, по которым бродят сварщики, одетые во что-то вроде космических скафандров. Такие цеха были у СССР (для производства гигантских подлодок), и они вполне по силам России — но не SpaceX, находящейся в стране, где ничего подобного вообще никогда не делали. И для «сторазовых и более» космических платформ титан во внутренней части конструкции может быть вполне оправдан экономически. Ведь он заметно легче равнопрочных стальных конструкций, а значит, позволит увеличить полезную нагрузку при той же массе, что у Starship.
Это просто один из примеров. У того, кто идет по пятам первопроходца (которым Маск, бесспорно, является), часто есть возможность сэкономить силы и средства, избегая уже выявленных его предшественником тупиков. Вопрос только в том, когда руководство России вполне осознает, что идти этим путем все равно придется.
