A mitjan segle XX, la humanitat estava fascinada per l’espai. El llançament del primer satèl·lit, el vol de Gagarin, el passeig espacial, l’aterratge a la lluna –semblava una mica més– i volarem cap a les estrelles, sobretot perquè existien ambiciosos projectes de naus espacials interplanetàries. I, com a bases a la Lluna, vols a Mart, era una cosa que es donava per suposada.
Però les prioritats han canviat. Les tecnologies del segle passat, tot i que van permetre implementar tot l’anterior, eren extremadament costoses. L’expansió a l’espai basada en tecnologies del segle passat requeriria una reorientació de totes les economies dels països líders del món per abordar aquest problema.
L’exploració espacial intensiva requereix la solució de dues tasques bàsiques: la primera és garantir la possibilitat de llançar càrrega massiva voluminosa a l’òrbita i la segona és reduir el cost del llançament a l’òrbita per quilogram de càrrega útil (PN).
Si la humanitat va fer front a la primera tasca relativament bé, llavors amb la segona, tot va resultar ser molt més complicat.
Llarg viatge a l'espai (i molt car)
Des del principi, els vehicles de llançament (BT) eren d’un sol ús. La tecnologia del segle XX no va permetre la creació d’un vehicle de llançament reutilitzable. Sembla increïble quan centenars de milions o milers de milions de rubles / dòlars es cremen a l’atmosfera o s’estavellen a la superfície.
Imaginem que els vaixells només es construirien per a una sortida al mar i, després, es cremarien immediatament. En aquest cas, arribaria l’època dels grans descobriments geogràfics? Estaria colonitzat el continent nord-americà?
Improbable. Molt probablement, la humanitat hauria viscut com a centres de civilització aïllats.
La possibilitat de llançar càrregues grans i superpesants en òrbita de baixa referència (LEO) es va implementar en el monstruós vehicle de llançament súper pesat nord-americà Saturn-5. Va ser aquest coet, capaç de transportar 141 tones de PN a LEO, el que va permetre als Estats Units convertir-se en els líders de la carrera espacial en aquell moment, lliurant astronautes americans a la lluna.
La Unió Soviètica va perdre la carrera per la Lluna perquè no podia crear un vehicle de llançament súper pesant comparable al Saturn-5.
I la URSS no va poder crear un vehicle de llançament súper pesat a causa de la manca de motors coets potents. Per això, es van instal·lar 30 motors NK-33 a la primera etapa del LV N-1 de cinc etapes súper pesants soviètics. Tenint en compte l’absència de la possibilitat de diagnòstic per ordinador i sincronització del funcionament del motor en aquell moment, així com el fet que, a causa de la manca de temps i finançament, es van realitzar proves de dinàmica del terreny i banc de foc de tot el BT o del muntatge de la primera etapa. no realitzades, tots els llançaments de proves del LV N-1 van acabar amb un fracàs a l'etapa de la primera etapa.
El programa del transbordador espacial nord-americà va intentar reduir radicalment el cost del llançament d’una nau espacial en òrbita.
A la sonda espacial reutilitzable de transport del transbordador espacial (MTKK), es van retornar dos de cada tres components: els impulsors de combustible sòlid per paracaigudes van caure a l’oceà i, després de comprovar-los i repostar-los, es van poder reutilitzar i l’avió espacial, un transbordador, va aterrar a la pista segons l’esquema de l’avió. A l’atmosfera, només es cremava un dipòsit d’hidrogen líquid i oxigen, el combustible del qual utilitzaven els motors de la llançadora.
El sistema del transbordador espacial no es pot classificar com un vehicle de llançament súper pesat: el pes màxim de la càrrega útil que va posar en òrbita de referència baixa (LEO) era inferior a 30 tones, que és comparable al rendiment de la càrrega útil del vehicle de llançament de protons russos.
La Unió Soviètica va respondre amb el programa Energy-Buran.
Tot i la similitud externa del transbordador espacial i del sistema Energia-Buran, tenien diferències clau. Si al transbordador espacial, el llançament a l'òrbita va ser dut a terme per dos impulsors de combustible sòlid reutilitzables i la mateixa nau espacial, al projecte soviètic Buran era una càrrega passiva del vehicle de llançament Energia. El propi vehicle de llançament d'Energia es pot atribuir amb raó al "superpesat": era capaç de posar 100 tones en una òrbita de referència baixa, només 40 tones menys que Saturn-5.
Sobre la base del vehicle de llançament Energia, es va planejar la creació d’un vehicle de llançament Vulcan amb un major nombre de blocs laterals fins a 8 peces, capaç de lliurar 175-200 tones de càrrega útil a LEO, cosa que permetria realitzar vols a la Lluna i a Mart.
No obstant això, el desenvolupament més interessant es pot anomenar el projecte "Energy II" - "Hurricane", en el qual tots els elements havien de ser reutilitzables, inclòs el pla espacial orbital, el bloc central de la segona etapa i els blocs laterals de la primera etapa. El col·lapse de l'URSS no va permetre, sens dubte, realitzar un projecte interessant.
Tot i el seu caràcter èpic, ambdós programes es van reduir: un, a causa del col·lapse de l’URSS, i el segon, a causa de l’elevat índex d’accidents de "transbordadors" que va matar una dotzena d’astronautes nord-americans. A més, el programa del transbordador espacial no va complir les expectatives en termes d’una reducció radical del cost del llançament d’una càrrega útil en òrbita.
Després de la finalització del programa Energia-Buran, a la humanitat no li queden vehicles de llançament superpesants. Rússia no tenia temps per a això i els Estats Units havien perdut significativament les seves ambicions espacials. Per resoldre les tasques urgents actuals, els vehicles de llançament disponibles per a ambdós països eren suficients (excepte per la manca temporal de la capacitat dels Estats Units de llançar astronautes de manera independent en òrbita).
L’agència aeroespacial nord-americana NASA va dur a terme el disseny d’un vehicle de llançament súper pesat per resoldre tasques ambicioses: com ara un vol a Mart o la construcció d’una base a la Lluna. Com a part del programa Constellation, es va desenvolupar el vehicle de llançament superpesant Ares V. Es va suposar que "Ares-5" podrà portar 188 tones de càrrega útil a LEO i lliurar 71 tones de PN a la Lluna.
El 2010 es va tancar el programa Constellation. Els desenvolupaments d '"Ares-5" es van utilitzar en un nou programa per crear un LV súper pesat - SLS (Space Launch System). El vehicle de llançament SLS súper pesat de la versió bàsica hauria de ser capaç de lliurar 95 tones de càrrega útil a LEO i, en la versió amb una càrrega útil augmentada, fins a 130 tones de càrrega útil. El disseny SLS LV utilitza motors i impulsors de combustible sòlid creats com a part del programa del transbordador espacial.
De fet, serà una mena de reencarnació moderna de "Saturn-5", similar a la seva característica i cost. Tot i que el programa SLS, molt probablement, encara es completarà, no revolucionarà ni l'astronàutica americana ni la mundial.
Es tracta d’un projecte sense sortida deliberadament.
El mateix destí espera al projecte rus del vehicle de llançament súper pesat Yenisei / Don, si es construeix sobre la base de solucions “tradicionals” utilitzades en tecnologia espacial.
En general, fins a un cert punt, la situació als Estats Units i a Rússia era relativament similar: ni des de la NASA ni des de Roskosmos, difícilment hauríem vist solucions avançades pel que fa a col·locar la càrrega útil en òrbita. Tampoc no es va veure res de nou en altres països. La indústria espacial s’ha convertit en molt conservadora.
Les empreses privades ho han canviat tot, i és natural que això passi als Estats Units, on s’han creat les condicions més còmodes per al negoci.
Espai privat
Per descomptat, en primer lloc estem parlant de l’empresa SpaceX Elon Musk. Tan bon punt no va ser cridat - estafador, "gerent d'èxit", "Ostap Petrikovich Mask", etc., etc. L’autor ha llegit en un dels recursos un article pseudocientífic sobre per què el vehicle de llançament Falcon-9 no volarà: la seva carrosseria no és la mateixa, massa fina i els motors no són els mateixos, en general hi ha milions de motius pels quals "no". Aquestes valoracions, per cert, van ser expressades no només per analistes independents, sinó també per funcionaris, caps d’estructures estatals i empreses russes.
Musk va ser acusat del fet que ell mateix no va desenvolupar res (i va haver de fer tota la documentació de disseny i després muntar el vehicle de llançament pel seu compte?), I que SpaceX va rebre molta informació i materials sobre altres projectes. de la NASA (i SpaceX ho havia de fer tot des de zero, com si abans no existissin programes espacials als Estats Units?).
D’una manera o d’una altra, però el vehicle de llançament Falcon-9 s’ha produït, vola a l’espai amb una regularitat envejable, les primeres etapes treballades aterren amb la mateixa regularitat, una de les quals ja ha volat deu (!) Vegades. Roskosmos ha perdut la major part del mercat per al llançament de càrregues útils en òrbita i després de la creació de SpaceX de la nau espacial tripulada reutilitzable Crew Dragon (Dragon V2) i del mercat per lliurar astronautes nord-americans a l'òrbita.
Però SpaceX també té un coet Falcon Heavy capaç de lliurar més de 63 tones a LEO. Actualment és el vehicle de llançament més pesat i amb més càrrega del món. La seva primera etapa i els reforços laterals també són reutilitzables.
Un altre multimilionari nord-americà, Jeff Bezos, respira a la part posterior del cap de SpaceX. Per descomptat, si bé els seus èxits són molt més modestos, però encara hi ha èxits. En primer lloc, es tracta de la creació d’un nou motor metà-oxigen BE-4, que s’utilitzarà en el vehicle de llançament New Glenn i en el vehicle de llançament Vulcan (que substituirà el vehicle de llançament Atlas-5). Tenint en compte que Atlas-5 ara vola amb motors russos RD-180, després de l'aparició del BE-4, Roskosmos perdrà un altre mercat de vendes.
Als Estats Units i en altres països, hi ha centenars d’empreses per crear vehicles de llançament i altres tipus d’avions per llançar càrregues útils en òrbita, empreses per crear satèl·lits i naus espacials amb diversos propòsits, tecnologies industrials per a l’espai i turisme orbital., etc., etc.
Cap a on portarà tot això?
El fet que el mercat espacial s’expandirà ràpidament i la competència en el mercat per col·locar una càrrega útil en òrbita comportarà una reducció significativa del cost de la seva eliminació del càlcul d’un quilogram.
El cost del llançament d’1 kg de càrrega útil a LEO pel sistema de transbordador espacial o pel coet Delta-4 és d’uns 20.000 dòlars. Els vehicles de llançament de protons de Rússia són capaços de lliurar càrregues útils a LEO per menys de 3.000 dòlars per quilogram, però aquests míssils funcionen amb la dimetilhidrazina asimètrica altament tòxica i actualment estan fora de producció. Barats, desenvolupats a l’URSS, els zenits rus-ucraïnesos també són cosa del passat.
El vehicle de llançament Falcon-9, sempre que s’utilitzi la primera fase de retorn, pot llançar una càrrega útil en una òrbita de referència baixa a un cost inferior a 2.000 dòlars per quilogram. Segons Elon Musk, el Falcon-9 pot reduir potencialment el cost del llançament d’una càrrega útil entre 500 i 1.100 dòlars per quilogram.
Es podria preguntar, per què és ara molt més car per als clients treure càrregues útils?
En primer lloc, el cost està determinat no només pel cost del llançament, sinó també per les condicions del mercat, els preus dels competidors. Quin capitalista renunciaria als beneficis extra? És rendible ser lleugerament inferior als competidors, captar gradualment el mercat, en lloc de fer dumping sense guanyar res, sobretot perquè en una indústria crítica tan específica com és el mercat del llançament espacial, les estructures de control donaran suport en tot cas a diversos proveïdors, fins i tot si un té preus diverses vegades superiors als del competidor.
Es pot suposar que la reducció de preu de SpaceX només es veurà provocada per l’aparició de competidors davant Blue Origin amb el seu vehicle de llançament New Glenn o altres empreses i països que crearan mitjans per llançar càrregues útils amb un cost de llançament baix.
No obstant això, la majoria de les empreses emergents i els projectes prometedors estan relacionats amb el llançament en òrbita d’una càrrega útil que pesa centenars, com a màxim mil quilograms. Això no revolucionarà l’espai: la construcció d’alguna cosa gran requerirà vehicles de llançament reutilitzables pesats i súper pesats amb un baix cost de llançar una càrrega útil en òrbita. I aquí, com ja hem vist més amunt, tot és trist.
Tot excepte el projecte més important de SpaceX, una nau espacial Starship totalment reutilitzable amb una primera etapa Super Heavy totalment reutilitzable
Super pesant reutilitzable
La diferència entre Starship (en endavant Starship com una combinació de Starship + Super Heavy) de la resta de vehicles de llançament és que les dues etapes són reutilitzables. Al mateix temps, la càrrega útil de l'astronave a una òrbita de referència baixa hauria de ser de 100 tones, és a dir, és un coet súper pesat de ple dret. Per a Starship, SpaceX ha desenvolupat nous motors Raptor de cicle tancat de metà oxigen amb gasificació de components complets.
SpaceX planeja substituir tots els seus vehicles de llançament per la nau estel·lar, inclòs l’èxit Falcon 9. Normalment, llançar un coet súper pesat és extremadament car, de l’ordre de mil milions de dòlars. Per mantenir el cost de llançament baix, SpaceX planeja utilitzar les dues etapes moltes vegades: 100 llançaments cadascuna, i possiblement més. En aquest cas, el cost baixarà gairebé dos ordres de magnitud, fins a deu milions de dòlars per llançament. Tenint en compte la càrrega màxima de 100 tones, obtindrem el cost de portar la càrrega útil a LEO al nivell d’uns 100 (!) Dòlars per quilogram.
Per descomptat, les fases retornades requeriran manteniment, substitució del motor després de 50 arrencades, repostatge, caldrà pagar els serveis terrestres, però el mateix Starship costarà probablement menys de mil milions de dòlars i les seves tecnologies de producció i manteniment es milloraran contínuament, ja que s’obté experiència de SpaceX.
De fet, Elon Musk afirma que Starship pot assolir un cost de llançament de càrrega útil d’uns 10 dòlars per quilogram amb un cost total de llançament d’1,5 milions de dòlars i que el cost de lliurar la càrrega a la Lluna serà d’uns 20 a 30 dòlars per quilogram. però això requereix que la Nau Estel·lar es llanci setmanalment.
On obtenir aquests volums?
Fins i tot els militars no tenen una càrrega útil tan gran que ja hi ha espai civil: el desenvolupament del mercat trigarà dècades.
Colonització de Mart?
Difícilment és possible parlar-ne seriosament.
Colonització de la Lluna?
Més a prop, Starship pot enfonsar el SLS i enviar els nord-americans a la lluna per segona vegada. Però es tracta de desenes de llançaments, no de centenars ni de milers.
Tanmateix, SpaceX té un pla de negoci molt més real que enviar colons a Mart, fent servir Starship per transportar passatgers de manera intercontinental. En volar de Nova York a Tòquio per l’òrbita de la Terra, el temps de vol serà d’uns 90 minuts. Al mateix temps, SpaceX planeja garantir la fiabilitat operativa a nivell dels grans avions de línia moderns i el cost del vol, al nivell del cost d’un vol transcontinental en classe empresarial.
Les càrregues es poden lliurar de la mateixa manera. Per exemple, l'exèrcit nord-americà ja s'ha interessat per aquesta oportunitat. Es preveu lliurar 80 tones de càrrega en un sol vol, que és comparable a les capacitats de l'avió de transport C-17 Globemaster III.
En conjunt: el transport de passatgers i càrrega, el lliurament d’astronautes nord-americans a la Lluna i, possiblement, a objectes més distants del sistema solar, la retirada de naus espacials comercials, el turisme espacial, etc., etc. - SpaceX pot proporcionar una reducció del cost de retirar la càrrega útil, tot i que arribaria fins al nivell de 100 dòlars per quilogram.
En aquest cas, Starship iniciarà una nova era en l’exploració espacial i més enllà.
Perspectives i implicacions
Starship es veu amb certa sospita en aquest moment. Sembla que tot és bell sobre el paper, i l'experiència de SpaceX parla per si sola, però d'alguna manera tot és massa rosat?
De vegades hi ha la sensació que el potencial d’aquest sistema no s’adapta a les ments del lideratge de les forces armades nord-americanes, la direcció de la NASA, els propietaris i gestors d’empreses d’una àmplia varietat d’indústries. Durant massa temps, llançar fins i tot una petita càrrega útil a l’espai va suposar costos de diversos milions de dòlars.
La pregunta és: què passa quan es fan realitat 100 dòlars per quilogram?
Quan les persones educades del Departament de Defensa dels EUA entenen que llançar un tanc convencional en òrbita és més ràpid i barat que transportar-lo amb un avió de transport militar del continent americà a Europa, a quines conclusions arribaran?
No, no veurem els Abrams a la Lluna, però el tanc no és l'objectiu, és només una manera de lliurar el projectil a l'enemic. I si és més fàcil obtenir aquest projectil directament des de l'òrbita? Amb quina rapidesa es retiraran els Estats Units del Tractat sobre l’espai ultraterrestre pacífic si hi obtenen un avantatge estratègic (a l’espai)? Amb quina rapidesa els militars nord-americans començaran a migrar a l'òrbita?
A més, fins i tot les capacitats existents per col·locar càrregues útils en òrbita en forma de Falcon-9 i Falcon Heavy, combinades amb tecnologies per a la construcció massiva de satèl·lits, seran suficients perquè LEO estigui embolicat amb satèl·lits de reconeixement, comandament i comunicacions, cosa que fa que que els Estats Units supervisaran la superfície del planeta 24/365. Oblideu-vos de grans forces superficials, agrupacions militars, sistemes míssils terrestres mòbils, tot això només seran objectius per a armes de llarg abast amb correcció de trajectòria de vol.
L'èxit de Starship afegirà una escala d'atac espacial a aquest conjunt, on l'objectiu serà colpejat des de l'espai en poques desenes de minuts després de rebre una sol·licitud. Cap líder polític del món no pot sentir-se segur sabent que una inevitable pluja de tungstè podria caure de l’espai en qualsevol moment.
A un preu de 100 dòlars per quilogram, tothom que no sigui massa mandrós (empreses farmacèutiques, metal·lúrgiques i mineres) pujarà a l’espai. Més endavant parlarem d’economia de l’espai. Si és possible, llançant i eliminant econòmicament la càrrega de l'òrbita, l'espai es convertirà en el nou Klondike. Què podem dir sobre 10 dòlars per quilogram …
És molt possible que ara mateix assistim a un esdeveniment històric que podria esdevenir un punt d’inflexió en el desenvolupament de la humanitat
Es pot aturar aquest procés?
Potser la història és imprevisible. La cobdícia humana, l’estupidesa o simplement un accident, una cadena de fracassos, poden enterrar qualsevol de les empreses amb més èxit. N’hi ha prou amb un parell d’accidents importants amb la mort de centenars de persones, i el procés d’exploració de l’espai es pot tornar a frenar greument, com ja era al segle XX.
En cas d’obtenir un avantatge unilateral a l’espai, els Estats Units començaran a dur a terme una política molt més agressiva que ara. En absència de l’oportunitat d’assegurar la paritat a l’espai, és possible que baixem fins al nivell de Corea del Nord, asseguts sobre una “maleta nuclear” i amenaçant amb minar-nos a nosaltres mateixos, als veïns i a tothom en cas de qualsevol cosa (cosa que, aparentment, per motius estranys, fins i tot apel·la a alguns).
En aquest sentit, cal prestar una major atenció a la indústria espacial, l'estat de la qual en aquest moment no provoca cap optimisme.
Prenem, per exemple, el projecte del vehicle de llançament súper pesat "Yenisei" / "Don": n'hi ha prou amb mirar totes les declaracions mútuament excloents de diversos líders i departaments sobre aquest projecte i queda clar que ningú, en principi, sap per què s'està creant, ni què hauria de ser. Si aquest és el següent "Angara", el projecte es pot tancar ara: no té cap sentit gastar-hi els diners.
Al mateix temps, la Xina no està asseguda de braços creuats.
A més de desenvolupar vehicles de llançament tradicionals, estudien i adopten activament l’experiència americana, sense dubtar a copiar directament. Tot és just en matèria de seguretat nacional.
El Dia Nacional de l'Espai, l'Institut Xinès d'Investigació de Coets va parlar del projecte d'un sistema de coets suborbital, que hauria de lliurar passatgers d'un punt del planeta a un altre en menys d'una hora.
Podem dir que fins ara només són dibuixos, però recentment la Xina ha demostrat reiteradament la seva capacitat per posar-se al dia amb els líders de diverses branques de la ciència i la indústria.
També és hora que Rússia deixi de banda la confusió i la vacil·lació en la indústria espacial, formuli clarament objectius i asseguri la seva implementació per qualsevol mitjà.
Si la Xina i Rússia poden competir amb els Estats Units a l’espai a un nou nivell tecnològic, llavors les òrbites baixes només seran el començament i la humanitat entrarà en una nova era, que fins ara només existeix a les pàgines de les novel·les de ciència ficció.
