О косморасистах - 10

bigdrum — 24.10.2022

Предыдущие части: 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

Что-то мы забросили этот цикл, надо срочно компенсировать отставание...

В прошлой части мы говорили о баках и сравнивали два подхода. После этого я сделал отступление.

Несмотря на то, что "жесткие" баки прочнее, технологичнее в смысле предпусковых процедур и так далее, я все же считаю, что работать с мягкими баками НАДО. Отклоняясь от темы Союза (ракеты-носителя) в более универсальные контексты, нужно сказать следующее.

Верхняя (третья) ступень ракеты. Это в точности то место на ракете, где каждый грамм веса ступени отбирает грамм веса у полезной нагрузки. Потому третья ступень делается максимально легкой. Кроме того, возвращение верхней ступени ракеты-носителя - наиболее сложная по баллистическим и техническим аспектам задача, и по большому счету, решать ее смысла нет. Соответственно, облегчение верхней ступени на массу систем, необходимых для возвращения, или просто отказ вообще создавать такие системы - повышает весовую отдачу носителя и снижает удельную стоимость выводимой нагрузки.

Как уже говорилось, в "надувном" конструктиве максимальная масса, которую может поднять ступень, определяется давлением в баке, который "надувной". И если для первой ступени, двигатели которой должны развивать огромную тягу, а масса нагрузки включает в себя массу спутника, второй и (если есть) третьей ступени, требуется ОГРОМНОЕ давление в "надувном" баке, то в случае последней ступени носителя все совершенно не так.

Видите ли, спутники имеют конечные размеры. А это означает, что свои два-три метра диаметра бака мы имеем с гарантией. Но одно дело - 3,14 м2, по которым распределено давление на первой ступени, и совсем другое делло - то же самое,но на последней.

Относительно небольшая масса полезной нагрузки, плюс, как правило, небольшая тяга двигателя третьей ступени, позволяют нам в случае "надувного" конструктива последней ступени полностью решать все задачи ракеты-носителя, имея при этом легкий и крайне выгодный в весовом отношении конструктив.

Рассмотрим на примере РН Союз.

Третья ступень (блок «И») имеет цилиндрическую форму, её диаметр 2,66 м, высота 6,70 м. Сухая масса 2355 кг, масса с топливом 27 755 кг. Ступень несёт 7600 кг горючего и 17 800 кг окислителя. Маршевый двигатель ступени — либо РД-0110 (в вакууме тяга 297,9 кН (~30,4 тс), удельный импульс 326 с), либо в более поздних вариантах РД-0124 (в вакууме тяга 294,3 кН (~30,0 тс), удельный импульс 359 с). В обоих случаях двигатель имеет четыре основные камеры сгорания, в варианте РД-0124 они подвижные, каждая из которых может качаться в одной плоскости, обеспечивая управление вектором тяги. В варианте РД-0110 основные камеры неподвижны, управление осуществляется с помощью четырёх рулевых сопел, из которых выбрасывается отработанный газ турбонасосного агрегата[5]. Время горения 270 с. Наддув топлива осуществляется испарением жидкого гелия[1].

Сухая масса ступени - 2355 кг. Масса двигателе - 408 кг. (РД-0110) или 572 кг. (РД-0124). Итого, отбрасывая массу двигателя, имеем сухую массу ступени 2355-572=1783 кг. Выводимая на НОО нагрузка носителя - 8,7 тонны (берем максимум, чтобы прирост был минимальным).

Допустим, мы просто заменили алюминий на углепластик, выиграв 500 кг массы, и отдали эту массу нагрузке. Эта масса составляет 5/87*100=5% повышение грузоподъемности ракеты. Значит, при полной загрузке у нас удельная стоимость выведения на орбиту снизилась бы на 5% в случае равной стоимость материалов.

Вопрос. Насколько дороже будет третья ступень из углепластика в сравнении с алюминием? Смотрим сюда Стоимость сырья для производства кузовных панелей из карбона - 20 долларов за кг. Это было в 2014 году, с тех пор из-за импортных пошлин и санкций цена сильно возросла, но зато в России, например, начали делать свой карбон, который дешевле импортного. Так что предположим 20 долларов. Стоимость листового алюминия порядка 1,5 долларов за килограмм. Пересчитывая на массу третьей ступени за вычетом ДУ, получаем нерадующие цифры.

1783*1,5=2674,5
(1783-500)*20=1283,5*20=25670

Стоимость конструкционного материала алюминиевой ступени - 2674,5 доллара. Стоимость углепластика равнопрочной алюминиевой ступени - 25670 долларов. Двадцать шесть тысяч долларов стоит, очевидно, дороже, чем две тысячи семьсот алюминиевой. Но мы еще не считали полные веса.

25670-2674,5=22955,5 - это стоимость удорожания третьей ступени из карбона. Стоимость старта РН Союз - 30 млн. долларов. Стоимость запуска РН Союз с углепластиковой третьей ступенью из кардона - 30022955,5 долларов (за счет удорожания). Однако веса разные. Во втором случае мы выводим на 500 кг. больше массы.

30022955,5/9200=3263,35 доллара за килограмм в карбоновой версии.
30000000/8700=3448,27 доллара за килограмм в обычной.

Бинго!



Мы взяли ОЧЕНЬ ДОРОГОЙ карбон вместо ОЧЕНЬ ДЕШЕВОГО алюминия, мы сделали очень неоптимальную - РАВНОПРОЧНУЮ систему, и за счет прироста полной нагрузки из-за улучшения весовой отдачи ракеты стоимость выведения УПАЛА.

А если вместо равнопрочной карбоновой конструкции мы сделаем "надувную" третью ступень, а вместо углепластика возьмем дешевую, как прошлогодний снег, сталь, как было сделано на американской ракете Атлас, или пусть будет карбон, но - в надувном тонкостенном конструктиве, с меньшим количеством карбона, но большей весовой отдачей в нагрузку?



Вы можете возразить, что повышение выводимой массы на 500 кг - это превосходное достижение само по себе, но оно играет только в случае полной загрузки, чего "никогда не бывает". Отлично. Тогда мы с вами бемер РН Союз-2.1в. Бывшая вторая ступень становится первой, бывшая третья - второй. На НОО (200 км.) выводится всего 2800 кг.

Перераспределение веса с третьей ступени на вторую поднимает полезную нагрузку носителя сразу до 3300, или на 17%! Семнадцать процентов прироста массы выводимой нагрузки!

Ребята, все очень просто. Дело в том, что если считать стоимость выведения, то она по ракете-носителю распределяется неравномерно. Самая дешевая - первая ступень. Они летит ниже всего, ее весовые колебания меньше всего влияют на нагрузку. Однако последняя - в нашем случае третья - ступень имеет ту же стоимость выведения на орбиту, что и полезная нагрузка! Стоимость выведения третьей ступени такова, что затраты на материалы и работу составляют копейки, а возможность перераспределить массу с третьей ступени на нагрузку дает колоссальный коммерческий эффект, поскольку вместо массы, которая сожрала бабло и просто выброшена, мы получаем дорогостоящую массу, которая будет кружить по орбите и приносить пользу годами!

Давайте подумаем вот о чем.

Третья ступень РН Союз разработана для нагрузки массой около восьми тонн (с учетом массы обтекателя и системы спасения КА Союз). Однако на РН Союз 2.1в масса нагрузки - менее трех тонн. То есть, конструкция ступени для использования на облегченном носителе ПЕРЕТЯЖЕЛЕНА. Если мы облегчим конструкцию, сделав ступень "надувной" на нагрузку в 4-4,5 тонны, мы легко (в рамках энергетики носителя) достигнем 3,5-4 тонны забрасываемого на НОО веса. Современные спутники для НОО имеют массы в сотни килограммов. Повышение отдачи "все того же" носителя 2.1в дает нам возможность плотно набивать его спутниками, благо возросшая грузоподъемность ПОЗВОЛЯЕТ. В результате для создания многоспутниковой группировки нам потребуется МЕНЬШЕ пусков, чем на текущей версии носителя...

Пусть наш спутник имеет массу 800 кг. Сейчас помещается на ракету по массе три спутника (2400<2800). А с новой ступенью будет помещаться ЧЕТЫРЕ (3200<3300). Для запуска группировки из 20 аппаратов нам сейчас надо семь запусков, в с новой верхней ступенью потребовалось бы ПЯТЬ!!!

А если бы конструктив ступени был "надувным", мы уложились бы и в четыре...



Только что мы с вами на формировании маленькой спутниковой группировки дешевой ракетой "нацыганили" денег на покупку ракеты-носителя и космического корабля для полноценной экспедиции на МКС.

Основная цель многоразовой космонавтики - это не баб по Окружной катать. А снижать себестоимость космической программы. Да, в "надувных" ракетах нет ничего многоразового (если это не Фалькон-9 или Старшип). Однако, при разумном подходе, например при изготовлении в "надувном" исполнении верхних ступеней ракет-носителей, мы получаем колоссальное снижение стоимости, и это тот резерв, который необходимо осваивать уже сегодня.

Потому что посадить первую ступень ракеты, хоть методом аэродинамического торможения и посадки, хоть ракетным способом - легко и просто, а вот с верхней (второй или третьей) ступенью у нас жопа, и как раз тут у нас максимальная стоимость килограмма, и как раз тут мы можем добиться максимального коммерческого эффекта, даже на одноразовых носителях.



Глупо вкладывать миллион в надежде получить полмиллиона, и не вложить десять тысяч, чтобы получить те же самые полмиллиона на пять лет раньше...

Я надеюсь, я приблизительно описал логику, и надеюсь, что специалисты сядут и посчитают разные варианты с калькулятором на основании реальных цифр. Здесь есть куда расти, и расти хорошо - и мы должны использовать эту возможность...



Я же говорил, что ракетные баки - это поэма, это сага, это эпос...

Оставить комментарий

Популярные посты:

• Ранее
• Архив