Оптимальная транспортная система Земля-Луна

[Fakir]

Ох, виноват... Перемкнуло в мозгу, на разные строчки смотрел :oops: ...

[pkl]

Мммм... От себя добавлю скромное замечание: на топике обсуждается транспортная система для Луны. Но практически не обсуждается пригодность использования рассматриваемых технологий в других областях. Для полёта на Марс, например. Или в пояс астероидов. Что, имхо, неправильно. Потому что, разрабатывая какую угодно транспортную систему, мы потратим миллионы, если не миллиарды долларов. И хорошо бы, чтобы эти деньги работали как можно дольше. Стартовые столы семёрки были построены ещё в 50-х. А используются до сих пор. И, вероятно, будут использоваться ещё лет 30. Так же и в Штатах, где шаттлы стартуют со стартовых столов Сатурна-5. Мне приходилосьчитать  много зубоскальства по поводу выбранных американцами технических решений. Конечно, они спорны. Но двигаться дальше, опираясь на имеющийся задел - имхо, разумно. Потому что, если начинать каждый проект с нуля, то, учитывая стоимость космических программ, никаких денег не хватит. Ни Дельта-4, ни Атлас-5 изначально не планировались для использовния в пилотируемой программе - ни лунной, ни марсианской, никакой. Их первоначальное назначение - выводить военные спутники. Вот пусть и выводят. А шаттл разрабатывался на основе Сатурна. С учётом возможной грузовой модификации на 70-100 т ПН. Поэтому решение Гриффина в нынешних обстоятельствах /бюджетные ограничения, проистекающие от проблем с экономикой, а проблемы у американцев с экономикой посерьёнее, чем у нас; имеющаяся инфраструктура; возможности промышленности; сроки/ - имхо, единственно правильное. Хотя и не идеальное.
Теперь по теме. Рассматривая тот или иной вариант ТКС, стоит задуматься, насколько универсальна та или иная технология. В данном случае: можем ли мы использовать её ТОЛЬКО для полётов на Луну или ЕЩЁ ДЛЯ ЧЕГО-НИБУДЬ. Американцы, возвращаясь на Луну, не зацикливаются на ней. И поэтому делают CEV, CLV и т.п. с прицелом на Марс. Хотя, конечно, можно спорить, насколько хорошо это у них получается. А мы? Где ещё можно использовать СЭДУ, СРД? Геостационар, да экспедиции к Венере и Меркурию /насколько они актуальны в обозримом будущем, решайте сами/. А ЯЭДУ можно использовать как по вышеперечисленным направлениям, так и дальше: в полёте на Марс, в пояс астероидов и далее. Мало того, технология более гибкая: мы можем использовать как реактор+ЭРД совместно, в транспортной системе, так и по отдельности. Если по каким либо причинам использование реактора нежелательно /пилотируемый КК, вероятность падения на Землю/, ЭРД можно запитать и от тонкоплёночных солнечных батарей. Хотя, я согласен, этот вариант при больших мощностях /100 кВт и более/ по совокупности характеристик хуже реакторного. Реактор также можно использовать отдельно. И база, и установки по производству ракетного топлива будут потреблять очень много энергии. А на Луне ещё и ночь длится две недели.  :shock: Наверное, СЭДУ также можно использовать для выработки энергии. Но в случае разработки ЯЭДУ мы получаем энергоустановку автоматом. Реактор ЯРД также теоретически можно использовать для выработки электроэнергии. Видел схему - там сопло запирается и через активную зону прокачивается теплоноситель. В будущем, глядишь, и до ГфЯРД дорастём. Одним словом, веер возможностей. А вот можно ли на СЭДУ слетать к Марсу? А к Юпитеру? А к Плутону? И вообще, можно ли её ещё как то использовать, кроме как в ТКС? Правильно сказал Агент, нет у неё будущего.

Итак, какой мне видится идеальная транспортная система для Луны?
Ну, во-первых, очевидно, нам нужны две транспортные системы: одна для транспортировки людей, другая - грузовая. Причём, видимо, это будут действительно ДВЕ ОТДЕЛЬНЫЕ системы, практически не пересекающиеся. Хотя какой-то трансферт технологий, заимствование технических решений, унификация, безусловно необходимы. Но это будут разные ТКС. Потому что требования к ним будут разные. К "человечьей":
1. Возможность аварийного спасения на всех этапах траектории - от старта до посадки на Землю.
2. Высокая живучесть - КК должен продолжать полёт при нескольких серьёзных отказах.
3. Надёжность.
К "грузовой":
1. Экономичность - грузы должны доставляться с минимальными затратами.
2. Универсальность.
3. Масштабируемость - сначала грузопоток будет сравнительно невелик - порядка нескольких тонн /исследовательские роверы/, а когда начнём добывать полезные ископаемые - вырастет на два-три порядка.
Ну и, общее требование к обеим системам - возможность развития и использования в других проектах - см. выше. Получается, что у них будет меньше, чем у грузовика и легковушки.

Старт с Земли. Носитель нам понадобится мощный. Сначала я тоже надеялся обойтись Протонами, Зенитами и т.п. Потом, /под влиянием Зомби/ думал, что РН будет выносить на орбиту 40-70 т. Но, сейчас думаю надо дерать ракету на тонн эдак на 100. Или даже 200. Больше - невыгодно, будут акустические нагрузки и т.п. Меньше - слишком много стыковок. Без них, видимо, никак. Как и без сборочных работ. В любом случае придётся забрасывать кучу грузов. А чем мощнее носитель, тем меньше стыковок. Да и доля систем стыковок в общей массе, выводимой на орбиту, уменьшается. К тому же, если мы собираемся осваивать Луну и прочие тела всерьёз /а ведь мы собираемся, не так ли?/ нам понадобится доставлять туду очень тяжёлые, крупногабаритные и неделимые конструкции. Реакторы например - вряд ли удастся разбить активную зону на модули. Установки для производства ракетного топлива. Всякая строительная и добывающая техника - бульдозеры, экскаваторы, краны и т.д. Здесь, пожалуй, возможна унификация, когда одним носителем выводится и КК с космонавтами, и оборудование.

Буксиры. Про реакторы уже сказал. Их в любом случае придётся делать. А ЭРД лучше всего на щелочных металлах. Они доступнее /а где на Луне/Марсе взять ксенон или криптон?/. Т.к. и на Луне, и на Марсе калий обнаружен, а вот ксенон - нет. Что открывает возможности для производства рабочего тела на месте. Хотя мороки с ними, конечно... Двигатель придётся выносить на отдельной ферме по дальше от буксира. Получается длинное такое коромысло, на одном консце которого - реактор, на другом - ЭРД. Груз - в центре.

Теперь по лэндеру. Я - за несимметричный диметилгидразин и четырёхокись азота. Потому что их относительно легко хранить /в баках АМС они плещутся годами/, они самовоспламеняются, а у.и. у них лишь чуть хуже, чем у керосина с кислородом, что на Луне не очень существенно /и Марсе тоже/. Т.е., никакой криогеники - от неё одни заморочки с хранением, перекачкой. Да и наладить их производство теоретически тоже возможно на месте.

Людей также возить с орбиты на орбиту и сажать на Луну на гидразиновых аппаратах. Т.е., использовать технические решения на основе Бриза и Фрегата. Ну а в перспективе, на межорбитальном КК перейти на ЯРД. Впрочем, если СРД дейстивительно так хорош, как пишет Sevlagor, стоит рассмотреть и его. Но это в будущем, когда транспортные космические системы будут созданы и в основном отработаны.

Теперь по многоразовости. Я вообще сторонник многоразовых систем. Потому что космическая техника дорога и РН никогда не будет стоить столько же, сколько пластиковая бутылка или пакет. Но есть соответствующие исследования, которые показывают, что МТКС эффективны лишь при очень, очень больших грузопотоках. Называлась цифра свыше 50 000 т за 15 лет. Порядка 3000 т/год. Сейчас, и в обозримом будущем, будет меньше. Сейчас, после прекращения полётов шаттлов, в год и тысячи тонн не набирается. Имеет значение и частота пусков. Если мы летаем раз в полгода - однозначно одноразовые систем. Которые и проще, тем более, что и опыта у нас маловато. Если каждый месяц - полагаю одноразовые и многоразовые идут вровень. И только когда начнём добывать гелий-3 и проч.; и летать, соответственно, каждую неделю - тогда да, тогда переходить на многоразовые системы. Что ещё не скоро. Я думаю, оптимальным решением будет следующее - начать с упрощённых одноразовых систем. Но ещё на этапе проектирования закладывать возможность многоразовости. Как на Энергии. РН делать моноблочной, на базе блок Ц Энергии с её же двигателями и возможностью в перспективе установки теплозащиты, крыльев, шасси и т.д. Наращивать ресурс реактора /10 лет без перезагрузки/ и ЭРД. Ну, системы дозаправки орбитальных станций и сейчас есть. Вот такие у меня соображения.

[Fakir]

По реакторам. Процитирую здесь то, что писал в аналогичном топике на Авиабазе yuu2 (из ФЭИ им. Лейпунского):

У нас вариант на 400 кВт эл. вышел в районе 4 т. В этом году будем пытаться "впихнуть" в 18-20 тонн максимально возможную мощность. Есть надежда на 10 МВт эл.

[Fakir]

pkl

Старт с Земли. Носитель нам понадобится мощный. Сначала я тоже надеялся обойтись Протонами, Зенитами и т.п. Потом, /под влиянием Зомби/ думал, что РН будет выносить на орбиту 40-70 т. Но, сейчас думаю надо дерать ракету на тонн эдак на 100.

Если приглядеться - можно обойтись даже "Протоном" на 20-22 тонны, не говоря об "Ангаре" на 30-35.
По крайней мере, на начальном этапе не стоит заморачиваться с тяжёлым, даже 40-тонным носителем, а решать более ключевые задачи.

А ЭРД лучше всего на щелочных металлах. Они доступнее /а где на Луне/Марсе взять ксенон или криптон?/

На щелочных металлах трудно сделать хороший плазменный двигатель с заметной тягой и УИ в 3000 с. Металлы годятся для ионников - но там тяги не те, для дуговых движков - но там УИ не те. Движки в духе СПД - только на газах. В принципе, не обязательно инертных - можно на том же кислороде. Это со всех точек зрения удобнее - не нужно создавать на Луне две добывающие системы вместо одной и т.д.

придётся выносить на отдельной ферме по дальше от буксира. Получается длинное такое коромысло, на одном консце которого - реактор, на другом - ЭРД. Груз - в центре.

Нет смысла удалять ЭРД от реактора. На него радиация практически не влияет.

Теперь по лэндеру. Я - за несимметричный диметилгидразин и четырёхокись азота.

Только на самых первых этапах - пара первых посадок. В устоявшейся транспортной системе - только кислород-водородники.

[Fakir]

С использованием реактора вполне реален ТМБ (тяжёлый межорбитальный буксир) с электрической мощностью не менее 500 кВт, УИ 3000 с (т.е. тяга порядка 20 Н) и массой в пределах 7 тонн (ПН "Союза"). Ресурс по реактору - не менее 5 лет, ресурс ЭРД (до первой замены канала) - не менее 1,5 лет.


Если такой буксир подхватывает на околоземной орбите груз, выведенный "Протоном" (20-22 тонны) - непосредственно ПН+баки с ксеноном - то ускорение составит примерно 0,7 мм/с^2. При таком ускорении перелёт до LLO займёт в пределах 5 месяцев. ПН у Луны (включая ксенон на обратную дорогу) - примерно 15 тонн, "чистая" ПН - 12-13 тонн. Перелёт обратно на LEO займёт порядка месяца. Итого на одну ходку туда-обратно - около полугода.  
Если подхватывать с "Ангары" (30-35 тонн) - ускорение около 0,5 мм/с^2, перелёт к Луне займёт в пределах 7 месяцев. "Чистая" ПН на LLO - 18-22 тонны. Перелёт обратно, опять-таки, порядка месяца.

За срок службы ТМБ может доставить на LLO от 100 до 130 тонн.


Пуск "Протона" - от 10 тонн на LLO
Пуск "Ангары" - от 18 тонн на LLO [/size]

Вам всё еще нужен 40-тонник? :wink:

Возможно, оптимальным для транспортировки нагрузки в ПН "Протона" окажется несколько менее мощный (и, естественно, менее массивный) буксир - например, на 400 кВт и массой около 5 тонн. Срок транспортировки несколько возрастёт, но ПН у Луны будет побольше, в т.ч. за счёт экономии на массе рабочего тела для возвращения ТМБ к Земле. Если масса буксира меньше ПН "Союза" на несколько тонн - то в первом пуске целесообразно выводить вместе с буксиром доп. бак с ксеноном, и доставлять к Луне большую ПН, уже не 10-12, а до 18, к примеру, тонн (а 18 тонн - это уже "Салют-1").

[Ворон]

Fakir в рамках современной ситуации я предложу "непопулярное решение".

 Не надо долго перемалывать "то как мы туда доставим что-то" - вопрос в том, ЧТО мы будем доставлять на Луну.

 Я предлагаю доставить, для начала, колонию автоматов - "лунных роверов", по ходу дела их усложнять, первые будут чисто исследовательскими, следующие попробуют что-то построить и т. д.

 Мы во-первых, сразу получим кучу информации о Луне. Во-вторых, не будет "фактора пилотируемости" - погибший автомат не вызывает эмоций.
 Мы не привязаны жестко к массе ПН - можем и "подохлее" автоматику туда отправить.
 Разумеется, можно рассмотреть не автономный режим, а управление с Земли - задержка по времени мала. На Земле сидит оператор и управляет лунным роботом.

 А потом - подготовить посещаемую "поляну", произвести первые рейсы с людьми.

[Sevlagor]

Fakir, таки достучались вы до меня
Посмотрел справочники на предмет теплопроводности.
вывод: маленькой нагревательную камеру не сделать.  

Приходит в голову такая нетривиальная конструкция:
Тонкий чёрный блин довольно большого диаметра окружаем сферической оболочкой внутренняя поверхность которой зеркальная.

Сверху и снизу в оболочке два отверстия диаметрами по 15-20 см.

Зеркала концентрируют свет на этих отверстиях и он входит внутрь сверической оболочки и попадает на блин.

Блин нагревается до ~3000 К, почти всё тепло что он излучает отражается оболочкой на него же и только малая часть тепла выходит через отверстия и теряется.
Эти отверстия представляют собой "виртуальные" чёрные тела. Они находятся в тепловом равновесии с блином.

Блин имеет большую площадь достаточную для передачи тепла водороду протекающему внутри него.

Если бы вокруг блина небыло оболочки его равновесная температура упала бы значительно ниже 3000 К. Но оболочка отражает почти всё тепло обратно на блин. Излучать он может только через две маленькие дырки.

[Agent]

Agent

Если вариант с базой, то первым делом встает вопрос о ее разворачивании. Долго нельзя (лет 5-7 максимум), нужно около 100т посадить на поверхность. В "протонах" получаются запредельные цифры

А откуда берутся именно 100 тонн на поверхности? Что входит?
Кстати, при использовании многоразовых буксиров, в попугаях... тьфу, в "Протонах"... получается при умном раскладе меньше 20-ти. Не что-то запредельное.
При использовании двух многоразовых буксиров - меньше 5 лет.

Я посмотрел на насовскую, и не нашел чего можно отрезать. А там 100т.
Потом начал мысленно резать МКС (гироскопы, лабу и тд нафиг, СБ меняем на реактор) - все одно приблизительно те же самые 100т.
20 Протонов - цифра тоже запредельная. К тому же, сколько их будет потом нада для годовой экспедиции 3-4 человек? Штук 6-7* Грузопоток то будет околоМКСовский (за вычетом модулей).

[Fakir]

Поставим вопрос иначе: что вошло в насовскую?

[Agent]

Поставим вопрос иначе: что вошло в насовскую?

[Fakir]

Эх, к этому бы еще размассовочку, да расшифровку некоторых терминов для полного счастья
Что имеется в виду под PMAD, Comm, ISRU?

[Зомби. Просто Зомби]

pkl

Старт с Земли. Носитель нам понадобится мощный. Сначала я тоже надеялся обойтись Протонами, Зенитами и т.п. Потом, /под влиянием Зомби/ думал, что РН будет выносить на орбиту 40-70 т. Но, сейчас думаю надо дерать ракету на тонн эдак на 100.

Если приглядеться - можно обойтись даже "Протоном" на 20-22 тонны, не говоря об "Ангаре" на 30-35.
По крайней мере, на начальном этапе не стоит заморачиваться с тяжёлым, даже 40-тонным носителем, а решать более ключевые задачи.

Может, тогда лучше не приглядываться? :mrgreen:
А то глюки у вас какие-то :roll:

1. Носитель - как раз и есть ключевая задача
2. Реактор для пилотируемых полетов реалистичен только для Марса, и только для старта с ЛЕО, весь остальной полет - только на гидразине, никакой ядерщины, никакой "малой тяги"
Здесь, во-первых, дополнительной радиационой защитой служит "весь корабль" со всеми неизрасходованными еще гидразиновыми топливными баками, сам старт занимает минимум времени и вдобавок в состав корабля входит в обязательном порядке некое "радиационное убежище", в котором экипаж и проведёт всё время старта
3. 40-тонка - это "лунный минимум", вдобавок не "под Луну", а под ЛОС, вообще pkl прав конечно, трудно обойтись без "100-тонника"
Но, тем не менее, идя на некоторые достаточно существенные неудобства, в принципе все же можно, если перевести "грузовой поток" на некие "буксиры", чего нельзя сделать с "пилотами"

Вам всё еще нужен 40-тонник?

Увы, увы...

Сдругой стороны, руководствуясь "идеями Дмитрия Воронцова", мы отчетливо видем (приглядевшись :wink: ), что "40-тонка" - это естественное продолжение "линии Ангары":
После Ангары-5 мы просто делаем 5-метровый диаметр и "моторную группу" вполне Ангарской мощности (5-6 РД-191) объединяем "в один флакон"
Причем помимо Ангары-40 (ряд-2 :lol:  :wink: ), получаем, довешивая УРМы на первую ступень А-40 как ЦБ, некоторый "спектр масс ПН", до где-то 80 тонн, что для ЛОС есть "самое оно"

А там пойдет обещанная уже Ангара-100 :roll: ... - и тд :wink:  :mrgreen:
Но это уже к базе на Луне и к Марсу :mrgreen:  :mrgreen:  :mrgreen:

[Waldi]

PMAD (Power Management and Distribution) - это такая тележка с мотор-колесами, набором розеток и катушкой силового кабеля. Когда энергетический модуль Power Supply (ЯЭУ) прилунился, от него отделяется эта самая PMAD и едет пару километров до ближайшей равнины. Все следующие модули садятся по радиомаяку рядом с ней, подключаются каким-то образом к розетке и снабжаются от нее ЭЭ.
Comm - это телекоммуникационная фигня.
ISRU- In-Situ Resource Utilisation

[Fakir]

Ворон

Не надо долго перемалывать "то как мы туда доставим что-то" - вопрос в том, ЧТО мы будем доставлять на Луну.

Это отдельный вопрос, не вполне совпадающий с темой данного топика

Я предлагаю доставить, для начала, колонию автоматов - "лунных роверов", по ходу дела их усложнять, первые будут чисто исследовательскими, следующие попробуют что-то построить и т. д.

Это, опять-таки, другой вопрос. Если речь идёт о куче сравнительно мелких автоматов - ради них еще нет смысла затевать транспортную систему с многоразовыми буксирами и т.д. Вполне можно ограничиться ЭРД с СБ - в один конец, и конверсионными носителями.
Меня же больше интересует сейчас "массивное" присутствие на Луне - с производством кислорода, недорогой транспортной системой с высокой пропускной способностью, т.е. система, готовая к развёртыванию промышленной эксплуатации Луны - той же добыче гелия-3 или выработке топлива для марсианской экспедиции.

А потом - подготовить посещаемую "поляну", произвести первые рейсы с людьми.

Примерно о том и речь. Сначала, первые несколько лет - создание инфраструктуры, желательно - добыча кислорода (надеюсь, её можно развернуть в еще беспилотном режиме). Потом - пилотируемая экспедиция на поверхность.

[Fakir]

Sevlagor

вывод: маленькой нагревательную камеру не сделать.

Ну хоть на этом сговорились
Хотя я бы всё же внёс коррективы: маленькой не сделать мегаваттную нагревательную камеру. А на несколько киловатт - вполне может быть.

Приходит в голову такая нетривиальная конструкция:

ИМХО, нет особого смысла так заморачиваться. Основные проблемы теплообмена всё равно так не решить. Вообще проще попытаться войти с таким агрегатом в нишу малой мощности - единицы, максимум десятки кВт. Там всё должно быть еще относительно просто.
И лучше бы СДУ - в отдельный топик :wink: И так ею половина этого топика занята

[Fakir]

Agent

20 Протонов - цифра тоже запредельная.

Больше, чем хотелось бы, конечно - но еще куда ни шло. И её, в принципе, вполне можно снижать - до 15-ти, может быть, и до 12-ти.

А всё-таки: сколько весят изображенные на картинке компоненты? Скажем, массы посадочных ступеней - входят или нет?

К тому же, сколько их будет потом нада для годовой экспедиции 3-4 человек? Штук 6-7*

Меньше. И намного. Штуки две от силы, полагаю.

[Fakir]

Зомби. Просто Зомби

2. Реактор для пилотируемых полетов реалистичен только для Марса, и только для старта с ЛЕО, весь остальной полет - только на гидразине, никакой ядерщины, никакой "малой тяги"

Зомби, вы уж извините, но "чукча явно не читатель"  :wink:
Русским же по белому в самом первом посте было написано: пилотируемые - на ЖРД, на ядерной малой тяге - грузы!

3. 40-тонка - это "лунный минимум", вдобавок не "под Луну", а под ЛОС

ТМБ + "Ангара" 35 тонн = 18 тонн на LLO. "Салют-1" на орбите Луны. Чем не ЛОС? :wink:
ТМБ + "Протон", два раза - двухмодульная станция больше чем на 20 тонн на орбите Луны, в качестве ЛОС первой фазы - выше головы.

[Waldi]

А всё-таки: сколько весят изображенные на картинке компоненты? Скажем, массы посадочных ступеней - входят или нет?

The outpost deployment manifest is as follows:
• Less than 2,000 kg
• Rover Logistics Box (100 kg),
• Two Un-pressurized Rovers (500 kg),
• ISRU Lunar Miner/Hauler (600 kg),
• ISRU O2 Pilot Plant (800 kg),
• Inchworm (900 kg),
• ISRU Logistics Carrier (1,000 kg),
• ISRU Lunar Polar Resource Extractor (1,200 kg), and
• Power Management and Distribution (PMAD)/Communications Center (1,570 kg);
• 2,000 kg – 10,000 kg
• Evolved Payload Unloaders (TBD kg); and
• Greater than 10,000 kg
• Logistics Module (10,000 kg),
• Pressurized Rover (10,000 kg) (Evolved Capability),
• Primary Surface Power Source (11,500 kg), and
• Habitat Module, not outfitted (15,000 kg).
ISRU=In-Situ Resource Utilization
Массы ступеней вряд ли входят.

[Зомби. Просто Зомби]

ТМБ - ТМ... буксир?
Вы бы всё-таки расшифровывали малоупотребительные абревиатуры

Вероятно - атомный буксир...
Ну да, я согласен, "80-тонку" для ЛОС и "первой фазы работ на Луне" можно ... э... "элиминировать"

Но 40, в крайнем пределе - 35 тонн для пилотируемого корабля - вынь да полож!  :mrgreen:

А двойной пуск "40-тонки" обеспечивает со стыковкой порядка 20 тонн на ЛЛО
То есть - вроде бы "крайней" необходимости в "буксире" тоже нет, экономия, от него проистекающая достаточно эфемерно, и, очевидно, может проявится лишь при когда перевозки станут более или менее "массовыми"

Я про то и пою :mrgreen:
Фаза-1 - достоточно "40-тонки"
Фаза-2 - "что-то" (80-тонка или буксир) уже "весьма желателно
А при переходе к конкретным существенным операциям на самой Луне - уже точно "надо"

И здесь вариант именно атомного буксира, учитывая ваши замечания по его возможному ресурсу - вполне смотрится
"Есть над чем поработать" :wink:

[Зомби. Просто Зомби]

Зомби. Просто Зомби

2. Реактор для пилотируемых полетов реалистичен только для Марса, и только для старта с ЛЕО, весь остальной полет - только на гидразине, никакой ядерщины, никакой "малой тяги"

Зомби, вы уж извините, но "чукча явно не читатель"  :wink:
Русским же по белому в самом первом посте было написано: пилотируемые - на ЖРД, на ядерной малой тяге - грузы!

Но тем же и по тому же задавался вопрос:
"Вы все еще хотите 40-тонки?"
Так что - вас, извините, не всегда понятно :wink:  :mrgreen:  :lol: