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 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 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 ап-парат-накопитель (КАН). Его задача -«собирать» вещество, поднимаемое на высоту орбиты суборбитальными ракетами. Главный выигрыш получается за счёт того, что ракеты не выводят груз па орбиту; значит, им не надо разгоняться до орбитальной скорости, а лишь до суборбитальпой, то есть в 4-5 раз меньшей. Теперь начинаем считать.
Удельная стоимость вывода грузов па 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 па 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 одиннадцати кратное 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 цепы 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 па 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 па орбиту ракетного топлива.
Конструктивно КАН - сравнительно простое изделие: это не ракета, которая должна быть прочной, чтобы лететь против тяготения, преодолевая сопротивление атмосферы, и ЭДТС - система не ракетного 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 па 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 па 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 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 цепа за каждый аппарат, составит 70-100 млн долл. Если средний срок службы КАН равен 10 годам, то амортизация, приходящаяся на каждый аппарат, составит 7-10мли. дол. Для того чтобы оценить удельную стоимость операции захвата и ускорения грузов, нам осталось определиться с грузопотоком, который мы возьмем для расчета.
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 па 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 па 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 суборбиталыюго 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 мише-ии-ловушки, которая способна решать задачу многократного ударного поглощения груза.
Прообразами технологий ловушки для высокоскоростных грузов являются пуле улавливатели, бронежилеты из специального волокна, другие средства остановки высокоскоростных объектов земного и космического происхождения, многоразовые взрывные камеры. Это известные, апробированные технологии. Для захвата твердофазных частиц груза, выбрасываемых суборбитальными челноками, удобно использовать пористые (сотовые) мишени из легкоплавких веществ. В таких мишенях взрывное торможение частиц груза происходит пе 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-поглотителя-ми 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, перемасштабироваиию 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 па 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 посмотреть на вопрос шире: какие ещё выгоды может дать наличие недорогого топлива па 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 цепу топлива в 280 тыс. долл/кг. По прогнозам1 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 орбитальнои автоматической мастерской. Причём масса экрана может быть любой - ведь защищаемой им ступени пе надо вывозить его на орбиту. Очень низкая «орбитальная» цена сырья для экрана и высокая стоимость спасаемой ракеты делает выгодным такое узкоспециализированное применение КАН.