Нужны ли Роскосмосу низкие цены доступа в космос?
Оригинал взят у alboros в Нужны ли Роскосмосу низкие цены доступа в космос?
Рубрики ТМ
Новая экономика космоса
Из журнала Техника-молодежи 2011 12
12.04.2012
Что нужно сделать, придумать, чтобы космическая деятельность стала экономически эффективной в самом прямом смысле? Можно ли обеспечить это средствами сегодняшней космонавтики, целиком построенной на орбитальных ракетах-носителях, в подавляющем большинстве своём одноразовых?
А если нет - то как?
В ТМ №7 за этот год, в статье «Безракетный космос…», описана принципиально новая концепция доставки грузов на орбиту - геокосмическая транспортная система (ГКТС), основанная на патентах российского инженера Александра Майбороды. На этот раз Александр Олегович рассказал научному редактору ТМ об экономических аспектах разработки и эксплуатации ГКТС и порождаемых ею новых возможностях космической деятельности человека.
Ключевая цифра: стоимость килограмма на орбите
Очень кратко - суть ГКТС.
По орбите движется космический аппарат-накопитель (КАН). Его задача - «собирать» вещество, поднимаемое на высоту орбиты суборбитальными ракетами. Главный выигрыш получается за счёт того, что ракеты не выводят груз на орбиту; значит, им не надо разгоняться до орбитальной скорости, а лишь до суборбитальной, то есть в 4-5 раз меньшей. Теперь начинаем считать.
Удельная стоимость вывода грузов на орбиту в ГКТС складывается из двух основных компонентов. Первый - удельная стоимость вертикального подъёма грузов суборбитальными ракетами-носителями (РН). Второй - удельная стоимость операции захвата и ускорения грузов на борту КАН.
Сначала определимся с первой составляющей стоимости.
Подъём полезного груза (ПГ) на высоту 200 км без существенного разгона по горизонтали современные многоступенчатые РН производят за счёт работы 1-й ступени.
Масса 1-й ступени РН составляет приблизительно две трети стартовой массы. Значит, масса ПГ, доставляемого к КАН с помощью, например, одноступенчатого аналога РН «Протон», может составить 35% стартовой массы. Это в 10,86 раза больше массы ПГ в трёхступенчатой версии «Протона». В ценах конца 2000-х гг. удельная стоимость вывода груза «Протоном» на орбиту высотой 200 км равнялась 3250 долл/кг. Соответственно, почти одиннадцатикратное увеличение доли ПГ в одноступенчатой версии РН «Протон», при неизменной стоимости технологического обеспечения запуска, даёт снижение удельной стоимости до 299 долл/кг.
Более того, КАН в своём перигее может перехватывать груз суборбитальной РН на высоте 90-100 км, и тогда масса ПГ может составить около 44% стартовой массы. В этом случае полученную величину в 299 долл/кг следует уменьшить в 1,25 раза, что даёт 239 долл/кг для одноступенчатой версии «Протона». Если ещё учесть, что стоимость 1-й ступени составляет лишь около 50% от стоимости всей РН, то цифру цены можно снизить до 120 долл/кг.
Но ведь не обязательно использовать именно «протоновскую» ступень. Существуют проекты частично многоразовых многоступенчатых РН, например система РН-35, в которых обеспечивается сохранение 1-й ступени. Предполагаемая кратность использования 1-й ступени РН-35 равна 100; в таком случае, применительно к одноступенчатому варианту многоразовой РН, можно ожидать снижения удельной стоимости в четыре раза и более - то есть падения цены ниже 30 долл/кг.
Расчёты проведены на основе РН большой грузоподъёмности. Это будет справедливо для ГКТС второго поколения, тогда как системы первого поколения должны будут основываться на РН малой и предельно малой грузоподъёмности. Современным прототипом такого одноступенчатого ракетоплана может быть многоступенчатая РН «Микрон» (стартовая масса 7000 кг), запускаемая с борта самолёта МиГ-31. Использование этих средств доставки грузов малыми порциями на орбиту КАН, по всей видимости, не даст существенных отличий в ценообразовании - как показал опыт, использование микроносителя «Микрон» в пересчёте на единицу выводимого груза обходится не дороже запусков РН типа «Протон».
Итак, стоимость ракетной доставки килограмма груза на высоту орбиты КАН на этапе штатной эксплуатации ГКТС можно определить в 30 долл/кг.
Теперь займёмся второй составляющей цены выведения - определим диапазон верхнего и нижнего значений удельной стоимости операции захвата и ускорения грузов на борту КАН. Для этого возьмём задачу, представляющуюся одной из самых интересных: поставки на орбиту ракетного топлива.
Конструктивно КАН - сравнительно простое изделие: это не ракета, которая должна быть прочной, чтобы лететь против тяготения, преодолевая сопротивление атмосферы, и при этом достаточно лёгкой, чтобы вообще лететь. Поэтому стоимость изготовления КАН вместе с его выводом на низкую орбиту вполне можно уложить в 5 тыс. долл. на 1 кг конструкции. При сухой массе КАН в пределах 13,7-20 т цена за каждый аппарат, выведенный на рабочую орбиту, составит 70-100 млн долл.
Космический аппарат-накопитель с тросовой электродинамической системой
а - Тросовый электродвигатель электродинамической тросовой системы (ЭДТС). В магнитном поле Земли на низких орбитах при длине троса порядка десятка километров и токе в нем порядка 10 А суммарная сила Ампера будет равна 5 Н. При нынешнем среднестатистическом воздействии микрометеоритов и космического мусора ЭДТС с диаметром троса до 2 мм могут существовать на орбите около 10 лет.
б - Коннекторы ЭДТС. Устройства на концах троса, как правило, баллонного (надувного) типа, на одной стороне - сбрасывающее в окружающее пространство электроны (эмиттер), на другой - улавливающее электроны из околоземной плазмы (коллектор). В зависимости от режима работы, генераторного или двигательного, каждое из устройств может выполнять функции эмиттера либо коллектора.
в - Плёночные солнечные батареи (СБ).
г - Ротативная ловушка твёрдофазных грузов. Дополнительно КАН может быть оснащён камерной (герметичной) ловушкой для захвата потока низкокипящих (трудно конденсируемых) веществ. Входное окно такой ловушки запирается специально генерируемым сверхзвуковым газовым потоком, который свободно пропускает в камеру поток твёрдофазных частиц вещества, но препятствует выходу паров этого вещества, которые возникают в результате взрывообразного торможения частиц в газовой среде камеры.
д - Электрореактивные двигатели (ЭРД).
е - Бобина для свёртывания плёночной СБ.
ж - Катушка (бобина) для сматывания тросового электродвигателя.
3 - Тросовый электродвигатель в свёрнутом виде.
и - Плёночные СБ в свёрнутом виде.
к - Блок хранения захваченных грузов и рабочего вещества для ЭРД.
л - Суборбитальная грузовая ракета - поставщик веществ, аккумулируемых КАН.
м - Трек из фрагментов груза, созданный суборбитальной ракетой на пути КАН. Частицы груза могут быть соединены нитью из кевлара и т.п. материала для удобства извлечения из грузового контейнера ракеты и правильного позиционирования в процессе развёртывания перед КАН.
н - Орбитальное хранилище грузов.
ЭДТС - система неракетного поддержания и увеличения скорости полёта ИСЗ. С помощью электродинамического троса можно поддерживать движение спутника без расхода топлива - за счёт силы Ампера. Принцип действия ЭДТС основан на взаимодействии электромагнитного поля Земли с электропроводящим тросом с током, движущимся в электропроводящей плазме. При движении в магнитном поле Земли в тросе возникает разность потенциалов, на высоте полёта около 400 км она оценивается в 140 В на каждый километр троса. При замыкании электрической цепи через плазму в тросе возникает электрический ток; для замыкания на одном конце троса помещался коллектор, на другом эмиттер электронов. При взаимодействии тока троса с геомагнитным полем в генераторном режиме возникает сила, тормозящая трос. Обратный режим - двигательный - реализуется путём приложения к тросу электрического напряжения от внешнего источника. Таким образом спутник можно ускорять, и тогда топливо расходуется только на поддержание его ориентации.
Если средний срок службы КАН равен 10 годам, то амортизация, приходящаяся на каждый аппарат, составит 7-10 млн долл. в год. Для того чтобы оценить удельную стоимость операции захвата и ускорения грузов, нам осталось определиться с грузопотоком, который мы возьмём для расчёта.
Что сегодня составляет подавляющую его часть? Это не припасы для МКС и тем более не аппаратура межпланетных зондов. Это топливо в баках спутников, выводимых на энергоемкие орбиты существенно выше опорной.
Производство солнечных батарей с использованием лунного грунта - реголита
1. Лунный многофункциональный ровер.
2. Скреперный ковш.
3. Грунтомёт (аналог пескоструйного аппарата). Формирует скоростную струю измельчённого лунного грунта, может также метать материалы, выделенные из лунного грунта и гранулированные: кремний, металлы и пр. При наличии на КАН камерной ловушки газофазного типа может создавать поток из гранул лунного льда и/или замороженного кислорода, произведённого на поверхности Луны.
4. КАН с рототивной ловушкой потока твёрдофазных частиц груза, поступающего от ровера. КАН оснащён установкой по выделению кислорода (до 42-44% от массы), кремния и металлов из лунного грунта. Используется пиролизный (термический) метод разложения реголита, который требует весьма высоких температур - порядка 2800ºС. Метод эффективен сам по себе, но здесь он эффективен вдвойне: необходимая для него термическая камера совмещается с камерой ЭРД, например, электродугового типа, дающего значительно более высокую температуру (~20 000ºС). Используя кислород, выделяемый пиролизом из реголита, в качестве рабочего тела ЭРД, получают реактивную струю, компенсирующую торможение, возникающее в процессе «улавливания» потока реголита от ровера. Общий КПД системы таким образом значительно повышается.
Разложение реголита может осуществляться также с использованием известных схем замкнутых циклов, например на основе фтора (Ю. Еськов, «Лунмаш»: ничего невозможного нет». ТМ, № 1 за 2002 г.) и/или метана.
5. Передача реголита и продуктов его переработки в виде кремния, металлов и сжиженного кислорода на межорбитальный многоразовый буксир (ММБ), который оснащён установками по выделению на основе реакций с фтором кремния и металлов и рулонному производству плёночных солнечных батарей (СБ).
6. ММБ, перешедший с геостационарной орбиты на окололунную для получения лунного сырья от КАН. В качестве рабочего вещества ЭРД используется кислород, ранее выделенный из лунного грунта.
7. ММБ, возвращающийся на геостационарную орбиту с запасом лунного сырья, которое во время перехода перерабатывается в плёночные СБ. В основном СБ предназначены для установки на спутниковую солнечную электростанцию (ССЭС); часть их также используется для обновления и наращивания энергоустановки ММБ. В качестве рабочего вещества ЭРД используется кислород, попутно выделяемый из лунного грунта в процессе производства СБ. Часть запасов кислорода передаётся в топливохранилище при ССЭС.
8. Поэтапно наращиваемая ССЭС на геостационарной орбите, совмещённая с платформой для телекоммуникационного оборудования. Является также базой для околоземных космических аппаратов, снабжая их ЭРД рабочим веществом на основе лунного кислорода.
Общая масса таких спутников в последние годы составляет от 500-600 до 1000 т в год; значит, мы можем без натяжки оценить возможный спрос на услуги по дозаправке космических аппаратов на низкой опорной орбите величиной 400 т топлива в год. Тогда, имея в виду приведённую выше сумму годовой амортизации, получаем стоимость операции захвата груза, поднятого до высоты орбиты КАН - 175-250 долл/кг. Добавим первую составляющую - суборбитально-ракетную доставку по цене 30 долл/кг - и получим итоговую цену ракетного топлива в баках КАН: 205-280 долл/кг.
Напомним, что здесь идёт речь об изготовлении и штатной эксплуатации разработанной системы. Стоимость НИР и ОКР - отдельный вопрос, мы рассмотрим его ниже. Сначала надо показать, что этим вообще стоит заниматься - показать, что проект рентабелен.
Даже если брать использованную нами выше стоимость выведения ракетой «Протон» - а она значительно ниже средней по рынку, - то стоимость 400 т топлива на орбите равна 1,3 млрд долл. А издержки при доставке при помощи ГКТС составят 0,082-0,112 млрд долл. в год (с учётом эксплуатационных расходов, включённых в 30-долларовую компоненту цены, где изначально различные коммерческие накрутки образуют до 50% цены). Таким образом, прогнозируемая прибыль составляет в среднем 1,2 млрд долл. в год, а за весь десятилетний срок службы - 12 млрд долл.
Если же исходить не из «протонной цены», а из данных статистики, то финансовый результат окажется значительно лучше. Обобщив эти данные, можно оценить современный объём рынка пусковых услуг примерно в 3,4 млрд долл. в год1. Доля запусков спутников на геостационарную орбиту здесь составляет 70-80%, т.е. 2,6 млрд долл. Доля топлива в массе аппаратов, выводимых с НОО на ГСО, составляет 75-95%; значит, годовой экономический эффект от дозаправки составит 2-2,5 млрд долл.
Мы получили цифры, относящиеся к системе, изготовленной, так сказать, по имеющимся чертежам. Осталось оценить инвестиции, потребные для проведения НИР и ОКР.
Есть опыт разработки частной фирмой ракеты Falcon и корабля Dragon, с расходом по 300 млн долларов на каждый из них. Можно предполагать, что разработка КАН первого поколения обойдётся примерно в такую же сумму; для учёта специфики страны-исполнителя определим стоимость НИОКР диапазоном 0,3-0,5 млрд долл. Продолжительность работ, судя по мировому опыту, может составить от 4 до 6 лет.
Такие суммы и сроки заявляются потому, что задача создания ГКТС первого поколения не потребует каких-либо принципиально новых супердорогих технологий, под неё уже сегодня имеется хороший технологический задел.
Сейчас мы постараемся это показать.
Из чего сделана ГКТС?
Хороший задел по конструкции КАН как космического аппарата обеспечивается предварительными работами российских специалистов по проекту пилотируемой экспедиции к Марсу на основе межпланетного буксира с электроракетными двигателями (ЭРД) и солнечными батареями (СБ) в качестве энергоустановки. СБ широко применяются и продолжают совершенствоваться, двигательная часть, будь то ЭРД или тросовый электродвигатель, хорошо отработана и может применяться в том виде, в котором существует сейчас.
Успешно решаются вопросы создания многоразовых суборбитальных летательных аппаратов - пример тому аппараты Space Plane, SpaceShipOne, New Shepard и Michelle-B. Последние два перспективны ещё тем, что могут эксплуатироваться, так сказать, в чистом поле, без дорогостоящих космодромов или обычных аэродромов, которые необходимы для Space Plane и SpaceShipOne. В грузовом беспилотном варианте, удешевлённые за счёт снижения требований к безопасности полётов, такие аппараты могут стать частью ГКТС.
Давно решены вопросы выведения суборбитального аппарата в расчётную точку пространства встречи с ИСЗ - с 1970-х гг. на вооружении стоят высокоточные противоспутниковые ракеты.
Что касается целевой задачи КАН, которую мы взяли за основу для наших расчётов - орбитальной заправки, - то американскими компаниями уже отработаны спутниковые системы автоматической заправки космических аппаратов, через 3-4 года они должны начать работу.
Таким образом, остаются в основном исследования по разработке мишени-ловушки, которая способна решать задачу многократного ударного поглощения груза.
Прообразами технологий ловушки для высокоскоростных грузов являются пулеулавливатели, бронежилеты из специального волокна, другие средства остановки высокоскорост-ных объектов земного и космического происхождения, многоразовые взрывные камеры. Это известные, апробированные технологии.
Для захвата твёрдофазных частиц груза, выбрасываемых суборбитальными челноками, удобно использовать пористые (сотовые) мишени из легкоплавких веществ. В таких мишенях взрывное торможение частиц груза происходит не на поверхности ловушки, а в глубине образующих её пористых слоев, что исключает разлёт поступающего вещества и его потерю. Использованный фрагмент такой ловушки достаточно просто затем быстро переплавить с приданием нужной степени пористости и вернуть в обойму для повторного использования. Конструктивно ловушка грузов может выглядеть как барабан (ротор) со сменными элементами-поглотителями фрагментов груза.
В качестве ловушки могут также использоваться камерные конструкции, подобные ракетным двигателям - вместо выброса реактивной струи такие улавливающие камеры поглощают высокоскоростной «пунктир» фрагментов вещества.
Таким образом, каждая отдельная технология - это давно известный, применяемый на практике процесс или, в крайнем случае, аналогичный процесс-прототип. Так что основная задача в реализации проекта сводится к адаптации, перерасчёту, перемасштабированию известных технических решений, а также к их увязке и согласованию в рамках единой системы.
Что мы с этого будем иметь
Подсчитанный выше экономический эффект от накопления ракетного топлива на орбите с помощью ГКТС касается только одного аспекта - стоимости доставки топлива на орбиту. Но если на орбите появится дешёвое топливо, то станут выполнимыми задачи, которые сегодня не решаются именно из-за дороговизны «вывоза» топлива. А это значит, что можно по-смотреть на вопрос шире: какие ещё выгоды может дать наличие недорогого топлива на орбите?
Операции по спасению спутников связи и/или их ремонту и дозаправке на геостационарной орбите - они сулят на порядок больший доход, ведь удельная стоимость спутников, как правило, превышает 100 тыс. долл/кг. Поэтому известные соглашения по дозаправке геостационарных спутников связи предполагают выгодной цену топлива в 280 тыс. долл/кг.
По прогнозам на текущий период, ежегодный объём продаж геостационарных КА связи и передачи данных составит 11-11,5 млрд долл., а низкоорбитальных - 4-4,5 млрд долл.
Дешёвое топливо на орбите даст возможность заправлять такие аппараты вместо того, чтобы выводить их из эксплуатации по исчерпании бортового запаса. Экономический эффект от этого может исчисляться цифрами, сопоставимыми с объёмами рынка продаж аппаратов.
Но доставка ракетного топлива в орбитальные хранилища - отнюдь не единственное направление эксплуатации КАН. В других применениях его рентабельность может быть ещё более высокой.
Рассмотрим, например, доставку веществ, необходимых для изготовления прямо на орбите одноразовой теплозащиты спускаемых летательных аппаратов, включая орбитальные ракетные ступени, которые традиционными способами в настоящее время не могут быть возращены на Землю для повторного использования.
Коконы, капсулы и экраны для возвращения последних ступеней РН могут быть «отштампованы» в орбитальной автоматической мастерской. Причём масса экрана может быть любой - ведь защищаемой им ступени не надо вывозить его на орбиту. Очень низкая «орбитальная» цена сырья для экрана и высокая стоимость спасаемой ракеты делает выгодным такое узкоспециализированное применение КАН.
Если же применяется эффузионное охлаждение корпуса спускаемых аппаратов, как в немецком аппарате SHEFEX II, жидкостью, подаваемой через поры корпуса, то требуемый запас охлаждающего вещества просто переливается перед спуском из баков КАН в баки возвращаемого аппарата. Соответственно, масса груза, выводимого аппаратом типа SHEFEX II, увеличивается, а масса охлаждающего вещества может быть многократно больше того запаса, который доставляется на борту SHEFEX II.
Таким образом, с учётом того, что принципиальные схемы возвращения первых ступеней РН при помощи парашютов, крыльев и т.п. уже давно существуют, ГКТС позволяет решить проблему создания полностью многоразовых ракет - от первой до последней ступени.
Наибольший же доход от реализации проекта КАН следует ожидать в развитии направления по транспортировке в космос кремния и вспомогательных материалов, необходимых для изготовления фотоэлектрических преобразователей.
Изготовление теплозащитных экранов для последних ступеней орбитальных ракет-носителей
Фазы процесса:
1. Старт суборбитального грузового челнока. Высшая точка траектории соответствует высоте орбиты КАН в перигее (100-300 км).
2. Выброс из челнока груза в горизонтальном направлении со скоростью 40-80 м/с в виде линейной последовательности фрагментов вещества - трека.
3. Поглощение трека из фрагментов груза ловушкой КАН.
4. Возвращение суборбитального челнока: торможение в атмосфере и вертикальная посадка в зоне старта с использованием реактивных двигателей и/или других возможных средств посадки - парашюта, вертолётного ротора, крыльев.
5. Передача аккумулированного вещества в орбитальное хранилище. Передача осуществляется путём стыковки КАН с хранилищем либо при помощи вспомогательных межорбитальных буксиров.
6. Передача веществ, необходимых для изготовления теплозащитных материалов, в производственный блок орбитального комплекса.
7. Изготовление из накопленного на орбите сырья теплозащитных оболочек (капсул и экранов) и передача изделий на линию стыковки с объектами защиты - спускаемыми аппаратами космических кораблей, последними ступенями орбитальных ракет-носителей.
8. Старт двухступенчатой орбитальной ракеты-носителя.
9. Отделение многоразовых крылатых блоков первой ступени, возращение в зону старта и мягкая посадка.
10. Выход последней ступени ракеты-носителя на орбиту производственно-накопительного комплекса, сближение с ним, передача на станцию доставленных грузов, обмен экипажами и приём возвращаемых на Землю грузов.
11. Соединение орбитальной ракетной ступени и/или возвращаемого корабля с теплозащитными капсулами и экранами, дозаправка спускаемых аппаратов топливом для выдачи импульса схода с орбиты (тормозного импульса) и, в некоторых вариантах спуска (схемах возвращения), запасом топлива для посадки аппаратов на реактивной тяге.
12. Сход защищённой ступени, космического корабля с орбиты, торможение в атмосфере.
13. Сброс теплозащитных оболочек, раскрытие парашютов и приводнение.
Возможна и вертикальная посадка орбитальной ступени с использованием тяги основного двигателя, для этого ступень дозаправляется в космосе топливом (5-10% от массы ступени) на основе высококипящих (не криогенных) компонентов.
На МКС неоднократно производились опыты по производству плёночных СБ. В условиях космического вакуума для изготовления СБ потребовалось недорогое оборудование со скромной массой в 3,5 т; около 17 млн долл. стоила его доставка на орбиту шаттлом. Для строительства и оборудования наземного предприятия подобного профиля необходимо затратить несколько миллиардов. Однако высокая стоимость доставки сырья на МКС съедает весь экономический выигрыш.
Применение КАН кардинально меняет ситуацию. На его борт кремний может забрасываться в виде трисилана (Si3Н8) - некриогенной жидкости, удобной для транспортировки суборбитальными грузовиками и переброски на КАН. Претерпев взрывное торможение в ловушке, трисилан распадается на кремний и водород. Кремний используется в производстве СБ, а водород направляется в ЭРД для создания тяги, которая компенсирует потери скорости КАН из-за столкновения с порцией трисилана. Если используется тросовый электродвигатель, то водород можно сохранить для использования на следующем этапе - в качестве рабочего тела ЭРД при выводе продукции к месту использования на ГСО.
Плёночные фотоэлектрические преобразователи, произведённые на орбитальном заводе, найдут применение в качестве дополнительного оборудования для старых геостационарных спутников и новых КА, стартующих в уменьшенной комплектации в расчёте на дооснащение на орбите. Часть СБ будет использована для многократного повышения мощности энергопитания ЭРД на самом КАН, что приведёт к соответствующему снижению стоимости его эксплуатации.
Отдельная большая статья потребления продукции КАН - спутниковые солнечные электростанции (ССЭС). Как известно, их сооружение планируется Соединёнными Штатами, Японией и Германией - дело только в ценах на геокосмические перевозки. Этот рынок гарантирует объём заказов на транспортные услуги КАН только от одной Японии минимум на 20 млрд долл.
Для разных сценариев развития событий грузопоток сырья для производства СБ может составить от 4 до 40 тыс. т в год. При этом цена транспортных услуг КАН опускается до 48-55 долл/кг (18-25 долл/кг + 30 долл/кг) для нижней границы и до 32-33 долл/кг (2-2,5 долл/кг + 30 долл/кг) - для верхней.
Похоже будет выглядеть ещё более перспективное производство плёночных СБ из реголита на борту лунного КАН. Кислород, выделяемый из лунной пыли, используется в качестве рабочего вещества ЭРД, а кремний и металлы используются в производстве СБ. Готовая продукция и оставшаяся часть лунного сырья затем неспешно переправляется солнечными межорбитальными буксирами на геостационарную орбиту, где используется для сооружения первых спутниковых солнечных электростанций и оснащения солнечными батареями орбитальных платформ с телекоммуникационным оборудованием, а так же обеспечения рабочим веществом ЭРД буксиров и геостационарных спутников.
Становится рентабельным производство полупроводниковой продукции и для наземных потребителей. Возврат готовых изделий на Землю выгодно осуществлять одноразовыми баллистическими капсулами, которые серийно «штампуются» на орбите - совершенно так же, как описано выше для теплозащитных экранов орбитальных ступеней РН. На данный момент мировой объём продаж плёночных батарей оценивается в 25 млрд долл. - четверть мирового рынка всех СБ. Разумно предположить, что он может быть полностью освоен производителями СБ на борту КАН.
И, само собой разумеется, благодаря проекту ГКТС космические АЗС с дешёвым ракетным топливом, орбитальные хранилища с недорогими запасами воды и других веществ станут трамплином для стартов межпланетных экспедиций. Многие сотни тонн веществ, необходимые для осуществления межпланетного полёта, совсем не обязательно доставлять на опорную орбиту дорогими многоступенчатыми ракетами - более 90% материалов, нужных для полёта на Марс или астероиды, теперь могут доставляться при помощи ГКТС по цене 30-50 долл/кг.
***
Международная патентная экспертиза, как и предшествующая российская, показала, что проект КАН имеет мировую новизну. Зарубежные аналоги этого изобретения по разным причинам не стоят в планах на реализацию аэрокосмических агентств - условия их материализации экологически и экономически не оптимальны. Таким образом, по крайней мере, в теоретическом аспекте, Россия опередила другие космические державы. В настоящее время это преимущество закрепляется патентами в этих странах.
Вместе с тем, особенно после публикации материалов международной заявки на изобретение, такие страны, как Китай, Япония, Индия, Израиль, Иран, Северная Корея смогут, не тратясь на повторение устаревших ракетно-космических технологий, догнать США, Евросоюз и Россию.
Впереди новая космическая гонка; есть основания полагать, не военная, а индустриально-коммерческая. Кто выиграет в ней? Поживём - увидим!тм
Графические материалы
изготовлены и предоставлены
Александром МАЙБОРОДОЙ,
дизайнер-консультант
Денис АНИСИМОВ
Автор: Владимир МЕЙЛИЦЕВ
Год: 2011
Номер: 12
Рубрики ТМ
Новая экономика космоса
Из журнала Техника-молодежи 2011 12
12.04.2012
Что нужно сделать, придумать, чтобы космическая деятельность стала экономически эффективной в самом прямом смысле? Можно ли обеспечить это средствами сегодняшней космонавтики, целиком построенной на орбитальных ракетах-носителях, в подавляющем большинстве своём одноразовых?
А если нет - то как?
В ТМ №7 за этот год, в статье «Безракетный космос…», описана принципиально новая концепция доставки грузов на орбиту - геокосмическая транспортная система (ГКТС), основанная на патентах российского инженера Александра Майбороды. На этот раз Александр Олегович рассказал научному редактору ТМ об экономических аспектах разработки и эксплуатации ГКТС и порождаемых ею новых возможностях космической деятельности человека.
Ключевая цифра: стоимость килограмма на орбите
Очень кратко - суть ГКТС.
По орбите движется космический аппарат-накопитель (КАН). Его задача - «собирать» вещество, поднимаемое на высоту орбиты суборбитальными ракетами. Главный выигрыш получается за счёт того, что ракеты не выводят груз на орбиту; значит, им не надо разгоняться до орбитальной скорости, а лишь до суборбитальной, то есть в 4-5 раз меньшей. Теперь начинаем считать.
Удельная стоимость вывода грузов на орбиту в ГКТС складывается из двух основных компонентов. Первый - удельная стоимость вертикального подъёма грузов суборбитальными ракетами-носителями (РН). Второй - удельная стоимость операции захвата и ускорения грузов на борту КАН.
Сначала определимся с первой составляющей стоимости.
Подъём полезного груза (ПГ) на высоту 200 км без существенного разгона по горизонтали современные многоступенчатые РН производят за счёт работы 1-й ступени.
Масса 1-й ступени РН составляет приблизительно две трети стартовой массы. Значит, масса ПГ, доставляемого к КАН с помощью, например, одноступенчатого аналога РН «Протон», может составить 35% стартовой массы. Это в 10,86 раза больше массы ПГ в трёхступенчатой версии «Протона». В ценах конца 2000-х гг. удельная стоимость вывода груза «Протоном» на орбиту высотой 200 км равнялась 3250 долл/кг. Соответственно, почти одиннадцатикратное увеличение доли ПГ в одноступенчатой версии РН «Протон», при неизменной стоимости технологического обеспечения запуска, даёт снижение удельной стоимости до 299 долл/кг.
Более того, КАН в своём перигее может перехватывать груз суборбитальной РН на высоте 90-100 км, и тогда масса ПГ может составить около 44% стартовой массы. В этом случае полученную величину в 299 долл/кг следует уменьшить в 1,25 раза, что даёт 239 долл/кг для одноступенчатой версии «Протона». Если ещё учесть, что стоимость 1-й ступени составляет лишь около 50% от стоимости всей РН, то цифру цены можно снизить до 120 долл/кг.
Но ведь не обязательно использовать именно «протоновскую» ступень. Существуют проекты частично многоразовых многоступенчатых РН, например система РН-35, в которых обеспечивается сохранение 1-й ступени. Предполагаемая кратность использования 1-й ступени РН-35 равна 100; в таком случае, применительно к одноступенчатому варианту многоразовой РН, можно ожидать снижения удельной стоимости в четыре раза и более - то есть падения цены ниже 30 долл/кг.
Расчёты проведены на основе РН большой грузоподъёмности. Это будет справедливо для ГКТС второго поколения, тогда как системы первого поколения должны будут основываться на РН малой и предельно малой грузоподъёмности. Современным прототипом такого одноступенчатого ракетоплана может быть многоступенчатая РН «Микрон» (стартовая масса 7000 кг), запускаемая с борта самолёта МиГ-31. Использование этих средств доставки грузов малыми порциями на орбиту КАН, по всей видимости, не даст существенных отличий в ценообразовании - как показал опыт, использование микроносителя «Микрон» в пересчёте на единицу выводимого груза обходится не дороже запусков РН типа «Протон».
Итак, стоимость ракетной доставки килограмма груза на высоту орбиты КАН на этапе штатной эксплуатации ГКТС можно определить в 30 долл/кг.
Теперь займёмся второй составляющей цены выведения - определим диапазон верхнего и нижнего значений удельной стоимости операции захвата и ускорения грузов на борту КАН. Для этого возьмём задачу, представляющуюся одной из самых интересных: поставки на орбиту ракетного топлива.
Конструктивно КАН - сравнительно простое изделие: это не ракета, которая должна быть прочной, чтобы лететь против тяготения, преодолевая сопротивление атмосферы, и при этом достаточно лёгкой, чтобы вообще лететь. Поэтому стоимость изготовления КАН вместе с его выводом на низкую орбиту вполне можно уложить в 5 тыс. долл. на 1 кг конструкции. При сухой массе КАН в пределах 13,7-20 т цена за каждый аппарат, выведенный на рабочую орбиту, составит 70-100 млн долл.
Космический аппарат-накопитель с тросовой электродинамической системой
а - Тросовый электродвигатель электродинамической тросовой системы (ЭДТС). В магнитном поле Земли на низких орбитах при длине троса порядка десятка километров и токе в нем порядка 10 А суммарная сила Ампера будет равна 5 Н. При нынешнем среднестатистическом воздействии микрометеоритов и космического мусора ЭДТС с диаметром троса до 2 мм могут существовать на орбите около 10 лет.
б - Коннекторы ЭДТС. Устройства на концах троса, как правило, баллонного (надувного) типа, на одной стороне - сбрасывающее в окружающее пространство электроны (эмиттер), на другой - улавливающее электроны из околоземной плазмы (коллектор). В зависимости от режима работы, генераторного или двигательного, каждое из устройств может выполнять функции эмиттера либо коллектора.
в - Плёночные солнечные батареи (СБ).
г - Ротативная ловушка твёрдофазных грузов. Дополнительно КАН может быть оснащён камерной (герметичной) ловушкой для захвата потока низкокипящих (трудно конденсируемых) веществ. Входное окно такой ловушки запирается специально генерируемым сверхзвуковым газовым потоком, который свободно пропускает в камеру поток твёрдофазных частиц вещества, но препятствует выходу паров этого вещества, которые возникают в результате взрывообразного торможения частиц в газовой среде камеры.
д - Электрореактивные двигатели (ЭРД).
е - Бобина для свёртывания плёночной СБ.
ж - Катушка (бобина) для сматывания тросового электродвигателя.
3 - Тросовый электродвигатель в свёрнутом виде.
и - Плёночные СБ в свёрнутом виде.
к - Блок хранения захваченных грузов и рабочего вещества для ЭРД.
л - Суборбитальная грузовая ракета - поставщик веществ, аккумулируемых КАН.
м - Трек из фрагментов груза, созданный суборбитальной ракетой на пути КАН. Частицы груза могут быть соединены нитью из кевлара и т.п. материала для удобства извлечения из грузового контейнера ракеты и правильного позиционирования в процессе развёртывания перед КАН.
н - Орбитальное хранилище грузов.
ЭДТС - система неракетного поддержания и увеличения скорости полёта ИСЗ. С помощью электродинамического троса можно поддерживать движение спутника без расхода топлива - за счёт силы Ампера. Принцип действия ЭДТС основан на взаимодействии электромагнитного поля Земли с электропроводящим тросом с током, движущимся в электропроводящей плазме. При движении в магнитном поле Земли в тросе возникает разность потенциалов, на высоте полёта около 400 км она оценивается в 140 В на каждый километр троса. При замыкании электрической цепи через плазму в тросе возникает электрический ток; для замыкания на одном конце троса помещался коллектор, на другом эмиттер электронов. При взаимодействии тока троса с геомагнитным полем в генераторном режиме возникает сила, тормозящая трос. Обратный режим - двигательный - реализуется путём приложения к тросу электрического напряжения от внешнего источника. Таким образом спутник можно ускорять, и тогда топливо расходуется только на поддержание его ориентации.
Если средний срок службы КАН равен 10 годам, то амортизация, приходящаяся на каждый аппарат, составит 7-10 млн долл. в год. Для того чтобы оценить удельную стоимость операции захвата и ускорения грузов, нам осталось определиться с грузопотоком, который мы возьмём для расчёта.
Что сегодня составляет подавляющую его часть? Это не припасы для МКС и тем более не аппаратура межпланетных зондов. Это топливо в баках спутников, выводимых на энергоемкие орбиты существенно выше опорной.
Производство солнечных батарей с использованием лунного грунта - реголита
1. Лунный многофункциональный ровер.
2. Скреперный ковш.
3. Грунтомёт (аналог пескоструйного аппарата). Формирует скоростную струю измельчённого лунного грунта, может также метать материалы, выделенные из лунного грунта и гранулированные: кремний, металлы и пр. При наличии на КАН камерной ловушки газофазного типа может создавать поток из гранул лунного льда и/или замороженного кислорода, произведённого на поверхности Луны.
4. КАН с рототивной ловушкой потока твёрдофазных частиц груза, поступающего от ровера. КАН оснащён установкой по выделению кислорода (до 42-44% от массы), кремния и металлов из лунного грунта. Используется пиролизный (термический) метод разложения реголита, который требует весьма высоких температур - порядка 2800ºС. Метод эффективен сам по себе, но здесь он эффективен вдвойне: необходимая для него термическая камера совмещается с камерой ЭРД, например, электродугового типа, дающего значительно более высокую температуру (~20 000ºС). Используя кислород, выделяемый пиролизом из реголита, в качестве рабочего тела ЭРД, получают реактивную струю, компенсирующую торможение, возникающее в процессе «улавливания» потока реголита от ровера. Общий КПД системы таким образом значительно повышается.
Разложение реголита может осуществляться также с использованием известных схем замкнутых циклов, например на основе фтора (Ю. Еськов, «Лунмаш»: ничего невозможного нет». ТМ, № 1 за 2002 г.) и/или метана.
5. Передача реголита и продуктов его переработки в виде кремния, металлов и сжиженного кислорода на межорбитальный многоразовый буксир (ММБ), который оснащён установками по выделению на основе реакций с фтором кремния и металлов и рулонному производству плёночных солнечных батарей (СБ).
6. ММБ, перешедший с геостационарной орбиты на окололунную для получения лунного сырья от КАН. В качестве рабочего вещества ЭРД используется кислород, ранее выделенный из лунного грунта.
7. ММБ, возвращающийся на геостационарную орбиту с запасом лунного сырья, которое во время перехода перерабатывается в плёночные СБ. В основном СБ предназначены для установки на спутниковую солнечную электростанцию (ССЭС); часть их также используется для обновления и наращивания энергоустановки ММБ. В качестве рабочего вещества ЭРД используется кислород, попутно выделяемый из лунного грунта в процессе производства СБ. Часть запасов кислорода передаётся в топливохранилище при ССЭС.
8. Поэтапно наращиваемая ССЭС на геостационарной орбите, совмещённая с платформой для телекоммуникационного оборудования. Является также базой для околоземных космических аппаратов, снабжая их ЭРД рабочим веществом на основе лунного кислорода.
Общая масса таких спутников в последние годы составляет от 500-600 до 1000 т в год; значит, мы можем без натяжки оценить возможный спрос на услуги по дозаправке космических аппаратов на низкой опорной орбите величиной 400 т топлива в год. Тогда, имея в виду приведённую выше сумму годовой амортизации, получаем стоимость операции захвата груза, поднятого до высоты орбиты КАН - 175-250 долл/кг. Добавим первую составляющую - суборбитально-ракетную доставку по цене 30 долл/кг - и получим итоговую цену ракетного топлива в баках КАН: 205-280 долл/кг.
Напомним, что здесь идёт речь об изготовлении и штатной эксплуатации разработанной системы. Стоимость НИР и ОКР - отдельный вопрос, мы рассмотрим его ниже. Сначала надо показать, что этим вообще стоит заниматься - показать, что проект рентабелен.
Даже если брать использованную нами выше стоимость выведения ракетой «Протон» - а она значительно ниже средней по рынку, - то стоимость 400 т топлива на орбите равна 1,3 млрд долл. А издержки при доставке при помощи ГКТС составят 0,082-0,112 млрд долл. в год (с учётом эксплуатационных расходов, включённых в 30-долларовую компоненту цены, где изначально различные коммерческие накрутки образуют до 50% цены). Таким образом, прогнозируемая прибыль составляет в среднем 1,2 млрд долл. в год, а за весь десятилетний срок службы - 12 млрд долл.
Если же исходить не из «протонной цены», а из данных статистики, то финансовый результат окажется значительно лучше. Обобщив эти данные, можно оценить современный объём рынка пусковых услуг примерно в 3,4 млрд долл. в год1. Доля запусков спутников на геостационарную орбиту здесь составляет 70-80%, т.е. 2,6 млрд долл. Доля топлива в массе аппаратов, выводимых с НОО на ГСО, составляет 75-95%; значит, годовой экономический эффект от дозаправки составит 2-2,5 млрд долл.
Мы получили цифры, относящиеся к системе, изготовленной, так сказать, по имеющимся чертежам. Осталось оценить инвестиции, потребные для проведения НИР и ОКР.
Есть опыт разработки частной фирмой ракеты Falcon и корабля Dragon, с расходом по 300 млн долларов на каждый из них. Можно предполагать, что разработка КАН первого поколения обойдётся примерно в такую же сумму; для учёта специфики страны-исполнителя определим стоимость НИОКР диапазоном 0,3-0,5 млрд долл. Продолжительность работ, судя по мировому опыту, может составить от 4 до 6 лет.
Такие суммы и сроки заявляются потому, что задача создания ГКТС первого поколения не потребует каких-либо принципиально новых супердорогих технологий, под неё уже сегодня имеется хороший технологический задел.
Сейчас мы постараемся это показать.
Из чего сделана ГКТС?
Хороший задел по конструкции КАН как космического аппарата обеспечивается предварительными работами российских специалистов по проекту пилотируемой экспедиции к Марсу на основе межпланетного буксира с электроракетными двигателями (ЭРД) и солнечными батареями (СБ) в качестве энергоустановки. СБ широко применяются и продолжают совершенствоваться, двигательная часть, будь то ЭРД или тросовый электродвигатель, хорошо отработана и может применяться в том виде, в котором существует сейчас.
Успешно решаются вопросы создания многоразовых суборбитальных летательных аппаратов - пример тому аппараты Space Plane, SpaceShipOne, New Shepard и Michelle-B. Последние два перспективны ещё тем, что могут эксплуатироваться, так сказать, в чистом поле, без дорогостоящих космодромов или обычных аэродромов, которые необходимы для Space Plane и SpaceShipOne. В грузовом беспилотном варианте, удешевлённые за счёт снижения требований к безопасности полётов, такие аппараты могут стать частью ГКТС.
Давно решены вопросы выведения суборбитального аппарата в расчётную точку пространства встречи с ИСЗ - с 1970-х гг. на вооружении стоят высокоточные противоспутниковые ракеты.
Что касается целевой задачи КАН, которую мы взяли за основу для наших расчётов - орбитальной заправки, - то американскими компаниями уже отработаны спутниковые системы автоматической заправки космических аппаратов, через 3-4 года они должны начать работу.
Таким образом, остаются в основном исследования по разработке мишени-ловушки, которая способна решать задачу многократного ударного поглощения груза.
Прообразами технологий ловушки для высокоскоростных грузов являются пулеулавливатели, бронежилеты из специального волокна, другие средства остановки высокоскорост-ных объектов земного и космического происхождения, многоразовые взрывные камеры. Это известные, апробированные технологии.
Для захвата твёрдофазных частиц груза, выбрасываемых суборбитальными челноками, удобно использовать пористые (сотовые) мишени из легкоплавких веществ. В таких мишенях взрывное торможение частиц груза происходит не на поверхности ловушки, а в глубине образующих её пористых слоев, что исключает разлёт поступающего вещества и его потерю. Использованный фрагмент такой ловушки достаточно просто затем быстро переплавить с приданием нужной степени пористости и вернуть в обойму для повторного использования. Конструктивно ловушка грузов может выглядеть как барабан (ротор) со сменными элементами-поглотителями фрагментов груза.
В качестве ловушки могут также использоваться камерные конструкции, подобные ракетным двигателям - вместо выброса реактивной струи такие улавливающие камеры поглощают высокоскоростной «пунктир» фрагментов вещества.
Таким образом, каждая отдельная технология - это давно известный, применяемый на практике процесс или, в крайнем случае, аналогичный процесс-прототип. Так что основная задача в реализации проекта сводится к адаптации, перерасчёту, перемасштабированию известных технических решений, а также к их увязке и согласованию в рамках единой системы.
Что мы с этого будем иметь
Подсчитанный выше экономический эффект от накопления ракетного топлива на орбите с помощью ГКТС касается только одного аспекта - стоимости доставки топлива на орбиту. Но если на орбите появится дешёвое топливо, то станут выполнимыми задачи, которые сегодня не решаются именно из-за дороговизны «вывоза» топлива. А это значит, что можно по-смотреть на вопрос шире: какие ещё выгоды может дать наличие недорогого топлива на орбите?
Операции по спасению спутников связи и/или их ремонту и дозаправке на геостационарной орбите - они сулят на порядок больший доход, ведь удельная стоимость спутников, как правило, превышает 100 тыс. долл/кг. Поэтому известные соглашения по дозаправке геостационарных спутников связи предполагают выгодной цену топлива в 280 тыс. долл/кг.
По прогнозам на текущий период, ежегодный объём продаж геостационарных КА связи и передачи данных составит 11-11,5 млрд долл., а низкоорбитальных - 4-4,5 млрд долл.
Дешёвое топливо на орбите даст возможность заправлять такие аппараты вместо того, чтобы выводить их из эксплуатации по исчерпании бортового запаса. Экономический эффект от этого может исчисляться цифрами, сопоставимыми с объёмами рынка продаж аппаратов.
Но доставка ракетного топлива в орбитальные хранилища - отнюдь не единственное направление эксплуатации КАН. В других применениях его рентабельность может быть ещё более высокой.
Рассмотрим, например, доставку веществ, необходимых для изготовления прямо на орбите одноразовой теплозащиты спускаемых летательных аппаратов, включая орбитальные ракетные ступени, которые традиционными способами в настоящее время не могут быть возращены на Землю для повторного использования.
Коконы, капсулы и экраны для возвращения последних ступеней РН могут быть «отштампованы» в орбитальной автоматической мастерской. Причём масса экрана может быть любой - ведь защищаемой им ступени не надо вывозить его на орбиту. Очень низкая «орбитальная» цена сырья для экрана и высокая стоимость спасаемой ракеты делает выгодным такое узкоспециализированное применение КАН.
Если же применяется эффузионное охлаждение корпуса спускаемых аппаратов, как в немецком аппарате SHEFEX II, жидкостью, подаваемой через поры корпуса, то требуемый запас охлаждающего вещества просто переливается перед спуском из баков КАН в баки возвращаемого аппарата. Соответственно, масса груза, выводимого аппаратом типа SHEFEX II, увеличивается, а масса охлаждающего вещества может быть многократно больше того запаса, который доставляется на борту SHEFEX II.
Таким образом, с учётом того, что принципиальные схемы возвращения первых ступеней РН при помощи парашютов, крыльев и т.п. уже давно существуют, ГКТС позволяет решить проблему создания полностью многоразовых ракет - от первой до последней ступени.
Наибольший же доход от реализации проекта КАН следует ожидать в развитии направления по транспортировке в космос кремния и вспомогательных материалов, необходимых для изготовления фотоэлектрических преобразователей.
Изготовление теплозащитных экранов для последних ступеней орбитальных ракет-носителей
Фазы процесса:
1. Старт суборбитального грузового челнока. Высшая точка траектории соответствует высоте орбиты КАН в перигее (100-300 км).
2. Выброс из челнока груза в горизонтальном направлении со скоростью 40-80 м/с в виде линейной последовательности фрагментов вещества - трека.
3. Поглощение трека из фрагментов груза ловушкой КАН.
4. Возвращение суборбитального челнока: торможение в атмосфере и вертикальная посадка в зоне старта с использованием реактивных двигателей и/или других возможных средств посадки - парашюта, вертолётного ротора, крыльев.
5. Передача аккумулированного вещества в орбитальное хранилище. Передача осуществляется путём стыковки КАН с хранилищем либо при помощи вспомогательных межорбитальных буксиров.
6. Передача веществ, необходимых для изготовления теплозащитных материалов, в производственный блок орбитального комплекса.
7. Изготовление из накопленного на орбите сырья теплозащитных оболочек (капсул и экранов) и передача изделий на линию стыковки с объектами защиты - спускаемыми аппаратами космических кораблей, последними ступенями орбитальных ракет-носителей.
8. Старт двухступенчатой орбитальной ракеты-носителя.
9. Отделение многоразовых крылатых блоков первой ступени, возращение в зону старта и мягкая посадка.
10. Выход последней ступени ракеты-носителя на орбиту производственно-накопительного комплекса, сближение с ним, передача на станцию доставленных грузов, обмен экипажами и приём возвращаемых на Землю грузов.
11. Соединение орбитальной ракетной ступени и/или возвращаемого корабля с теплозащитными капсулами и экранами, дозаправка спускаемых аппаратов топливом для выдачи импульса схода с орбиты (тормозного импульса) и, в некоторых вариантах спуска (схемах возвращения), запасом топлива для посадки аппаратов на реактивной тяге.
12. Сход защищённой ступени, космического корабля с орбиты, торможение в атмосфере.
13. Сброс теплозащитных оболочек, раскрытие парашютов и приводнение.
Возможна и вертикальная посадка орбитальной ступени с использованием тяги основного двигателя, для этого ступень дозаправляется в космосе топливом (5-10% от массы ступени) на основе высококипящих (не криогенных) компонентов.
На МКС неоднократно производились опыты по производству плёночных СБ. В условиях космического вакуума для изготовления СБ потребовалось недорогое оборудование со скромной массой в 3,5 т; около 17 млн долл. стоила его доставка на орбиту шаттлом. Для строительства и оборудования наземного предприятия подобного профиля необходимо затратить несколько миллиардов. Однако высокая стоимость доставки сырья на МКС съедает весь экономический выигрыш.
Применение КАН кардинально меняет ситуацию. На его борт кремний может забрасываться в виде трисилана (Si3Н8) - некриогенной жидкости, удобной для транспортировки суборбитальными грузовиками и переброски на КАН. Претерпев взрывное торможение в ловушке, трисилан распадается на кремний и водород. Кремний используется в производстве СБ, а водород направляется в ЭРД для создания тяги, которая компенсирует потери скорости КАН из-за столкновения с порцией трисилана. Если используется тросовый электродвигатель, то водород можно сохранить для использования на следующем этапе - в качестве рабочего тела ЭРД при выводе продукции к месту использования на ГСО.
Плёночные фотоэлектрические преобразователи, произведённые на орбитальном заводе, найдут применение в качестве дополнительного оборудования для старых геостационарных спутников и новых КА, стартующих в уменьшенной комплектации в расчёте на дооснащение на орбите. Часть СБ будет использована для многократного повышения мощности энергопитания ЭРД на самом КАН, что приведёт к соответствующему снижению стоимости его эксплуатации.
Отдельная большая статья потребления продукции КАН - спутниковые солнечные электростанции (ССЭС). Как известно, их сооружение планируется Соединёнными Штатами, Японией и Германией - дело только в ценах на геокосмические перевозки. Этот рынок гарантирует объём заказов на транспортные услуги КАН только от одной Японии минимум на 20 млрд долл.
Для разных сценариев развития событий грузопоток сырья для производства СБ может составить от 4 до 40 тыс. т в год. При этом цена транспортных услуг КАН опускается до 48-55 долл/кг (18-25 долл/кг + 30 долл/кг) для нижней границы и до 32-33 долл/кг (2-2,5 долл/кг + 30 долл/кг) - для верхней.
Похоже будет выглядеть ещё более перспективное производство плёночных СБ из реголита на борту лунного КАН. Кислород, выделяемый из лунной пыли, используется в качестве рабочего вещества ЭРД, а кремний и металлы используются в производстве СБ. Готовая продукция и оставшаяся часть лунного сырья затем неспешно переправляется солнечными межорбитальными буксирами на геостационарную орбиту, где используется для сооружения первых спутниковых солнечных электростанций и оснащения солнечными батареями орбитальных платформ с телекоммуникационным оборудованием, а так же обеспечения рабочим веществом ЭРД буксиров и геостационарных спутников.
Становится рентабельным производство полупроводниковой продукции и для наземных потребителей. Возврат готовых изделий на Землю выгодно осуществлять одноразовыми баллистическими капсулами, которые серийно «штампуются» на орбите - совершенно так же, как описано выше для теплозащитных экранов орбитальных ступеней РН. На данный момент мировой объём продаж плёночных батарей оценивается в 25 млрд долл. - четверть мирового рынка всех СБ. Разумно предположить, что он может быть полностью освоен производителями СБ на борту КАН.
И, само собой разумеется, благодаря проекту ГКТС космические АЗС с дешёвым ракетным топливом, орбитальные хранилища с недорогими запасами воды и других веществ станут трамплином для стартов межпланетных экспедиций. Многие сотни тонн веществ, необходимые для осуществления межпланетного полёта, совсем не обязательно доставлять на опорную орбиту дорогими многоступенчатыми ракетами - более 90% материалов, нужных для полёта на Марс или астероиды, теперь могут доставляться при помощи ГКТС по цене 30-50 долл/кг.
***
Международная патентная экспертиза, как и предшествующая российская, показала, что проект КАН имеет мировую новизну. Зарубежные аналоги этого изобретения по разным причинам не стоят в планах на реализацию аэрокосмических агентств - условия их материализации экологически и экономически не оптимальны. Таким образом, по крайней мере, в теоретическом аспекте, Россия опередила другие космические державы. В настоящее время это преимущество закрепляется патентами в этих странах.
Вместе с тем, особенно после публикации материалов международной заявки на изобретение, такие страны, как Китай, Япония, Индия, Израиль, Иран, Северная Корея смогут, не тратясь на повторение устаревших ракетно-космических технологий, догнать США, Евросоюз и Россию.
Впереди новая космическая гонка; есть основания полагать, не военная, а индустриально-коммерческая. Кто выиграет в ней? Поживём - увидим!тм
Графические материалы
изготовлены и предоставлены
Александром МАЙБОРОДОЙ,
дизайнер-консультант
Денис АНИСИМОВ
Автор: Владимир МЕЙЛИЦЕВ
Год: 2011
Номер: 12