Последнее время всё чаще вижу на TJ слова о том, что ракета Маска способна доставить 100 тонн до Луны или даже Марса. Это возможно, но только с очень большим количеством допущений, о которых и пойдёт речь в этой статье. Предупреждение! Много расчётов, но в конце есть буквы.
Общий обзор
В 2012 году Маск представил широкой публике новый вариант двигателя Raptor. С этого момента и начинается история проекта. Идея прошла несколько этапов: сначала это был МСТ, потом ITS, в 2017 году проект получил название BFR, сейчас это Starship.
Сам корабль является лишь верхней ступенью, имеет высоту 50 метров, диаметр 9 метров, весит 120 тонн, несёт на себе до 1200 тонн топлива и 100+ тонн полезной нагрузки. Маршевыми являются 3 двигателя Raptor. Как раз они являются одним из ключей к успеху, т.к. используют в качестве топлива смесь жидких метана и кислорода. У такого топлива намного выше эффективность относительно классических керосин + кислород, а значит можно с меньшим запасом топлива развить большую скорость. Какую?
6853 м/с
Много ли это? Разберём далее.
Первая ступень называется Super Heavy. Высота 70 метров, 9 метров в в диаметре, масса топлива — 3400 тонн. Её задача — преодолеть гравитацию, сопротивление воздуха и вывести Starship в космическое пространство. Посчитаем же скорость:
Общая масса: 1420+3400+180=5000 тонн. На первой ступени используются 20 маршевых Raptor. На уровне моря их импульс будет меньше. Поскольку давление и плотность атмосферы изменяется по экспоненте, то средним приближением к импульсу на участке (i=375-(375-330)*(1-1/e)) будет значение в примерно 358. Отсюда находим скорость:
3.789 км/с. Это отличный показатель! Суммарно мы получаем около 10642 м/с характеристической скорости. Кстати, чуть больше об этом можно почитать в этой статье на TJ.
Для выхода на орбиту кораблю необходимо в среднем 9400 м/с, которые расходуются на:
1600 м/с на преодоление земной гравитации
50-70 м/с на преодоление сопротивления атмосферы
200 м/с на управление, разворот ракеты по определённой программе
примерно 7500 м/с на достижение первой космической скорости
Остальные 1000 м/с будут использоваться как раз для успешного возврата ступеней на Землю.
Но погодите. А Луна? А Марс?
100 тонн на Марс
Как мы увидели из расчётов выше нам хватает топлива, чтобы выйти на низкую опорную орбиту(200-300 км) и вернуться на Землю, и всё, дальше ни шагу вперёд, а хочется. Для начала давайте посмотрим на эту прекрасную схему московского метро:
Здесь мы можем видеть энергетические затраты на перемещение между разными телами и орбитами. Это такие идеальные средние цифры для Гомановского перехода. Как видим для того, чтобы добраться от низкой орбиты Земли до поверхности Луны, необходим запас в 5670 м/с, чтобы вернуться обратно примерно 3000, для посадки на Землю мы почти не тратим топливо, так как нас тормозит атмосфера. Топлива у нас почти нет, помощь ждать только с Земли и вот нам отправляют дозаправщики. Да. Это будет несколько дозаправщиков, опять математика. Нам нужно топливо на примерно 9000 м/с, у нас еще есть примерно 48 тонн(расчёты за кадром). Падажжи. Стой. У нас же сам Starship вмещает топлива только на 6853.
Конец.
На самом деле нет, можно же сами заправщики превратить в дополнительные баки! Только не очень тяжёлые, а то всю математику придётся заново считать.
9000 м/с в равны примерно 2540 тонн топлива. Это почти в 2 раза больше чем вмещает стандартный Starship. И это топливо ещё надо как-то доставить на орбиту. Как? Теми же Starship, только грузовыми. Понадобится примерно 25 рейсов, но мы сможем!
Но если мы хотим просто выйти на орбиту Луны, допустим к орбитальной станции, и вернуться домой, нам надо всего 4000-4500 м/с, что эквивалентно 700 дополнительным тоннам. Т.е всего 7 дозаправочных рейсов.
Как видите тирания формулы Циолковского мешает нам спокойно летать по космосу. Чем больше мы хотим взять в космос, тем больше топлива нам надо сжечь. Пока что посадка Starship на Луну или Марс и затем возвращение на Землю только мечта.
Лучик солнца
Но не всё так печально. Starship всё ещё очень классный проект. В тех же путешествиях на Луну или Марс, если будет развита инфраструктура, то можно дозаправляться прямо на поверхности и обходиться меньшими запасами топлива на разных участках полёта, а не тащить всё с собой.
К тому же вторым ключом к успеху является возвращаемость. Нет необходимости каждый раз строить новый Starship, ведь они не сгорают, не взрываются, не падают, они плавно садятся на площадку. Именно это открывает огромные перспективы. Корабль можно использовать и для доставки грузов на орбиту, и для межконтинентальных полётов, для космического туризма. В особых случаях можно доставлять грузы до лунной или марсианской орбиты, если там есть запас топлива, добываемый из местных ресурсов.
ОПЯТЬ математика, но интереснее.
100 тонн, которые доставляет на низкую орбиту Starship можно визуализировать. Носовой обтекатель имеет параметры 9 метров в диаметре и 18 в высоту, что даёт нам порядка 1100 кубометров объёма. Около 20-30% уйдёт на технические системы, а остальное пространство можно отдать под пассажирские места. Если каждый пассажир будет занимать примерно 4 кубометра(чуть больше, чем в капсульных отелях), то получится 200 пассажиров. С таким раскладом и парой дозаправок уже можно отправляться в путешествие вокруг Луны. Не говоря уже о 300-400 пассажирах до любой точки Земли за 1.5 часа. Стоить это будет соответствующе пока что, но с развитием инфраструктуры на Земле, цена будет падать.
Ответ на вопрос в заголовке: Starship это будущее.
Вместо заключение, прошу вас больше не писать о том, что Starship может доставить 100 тонн на Марс. Если где ошибся, жду дискуссию, все расчёты готов предоставить.
