Колонизация Титана

[Vavanzer]

Если удастся совершить полуторагодовую полноавтономную экспедицию в межпланетной среде с посадкой на малоатмосферное тело и обратным взлётом из планетарного гравиколодца - это главное достижение.

  И это все, предел химических ракет!  А ядерных буксиров пока и нет и особо не предвидится. Бумазные проекты только, как обычно.  Это раз.
 Во вторых, предел по полученой дозе радиации при полете на Марс как раз -полгода-год полета. 10 лет на Титан + еще 10 лет обратно уже не потянет организм. Так что это второй ограничивающий фактор серьезный. Нужна толстостенная консервная банка, или в 10 раз более быстрый корабль...
  Третий фактор. Для 20-летней экспедиции нужна полеая автономность на все эти 20 лет, или огромные запасы, в тч и заведомо доставленные. Т е обьем и количество запусков на порядок больше потребуется...

  Итог - разве что небольшие автоматические станции туда отправлять. Есть пить по пути им не надо. Радиацию стерпят. Жилище тоже не нужно. Будут исследовать атмосферу, поверхность, глубины озер, на орбите кружить. Наверное, это максимум для нынешнего столется...

[MenFrame]

Химические ракеты себя исчерпывают еще на уровне Марсианской орбиты.

Если использовать лунную дозаправку и эффектом Оберта у земли с прибавкой в 7 км/с, то до Сатурна можно добраться за 3 года.

[Маковец]

Не случайно. Химические ракеты себя исчерпывают еще на уровне Марсианской орбиты.

Химические ракеты себя исчерпывают уже при старте с Земли.
 Нужен новый способ закидывать грузы хотя бы до орбиты Земли.
Тут же все рядом. Вот она ,орбита. Вот он - груз. Энергии - хоть завались. Не хватает мелочи - работоспособной идеи.

[MenFrame]

Химические ракеты себя исчерпывают уже при старте с Земли.
 Нужен новый способ закидывать грузы хотя бы до орбиты Земли.

Химические ракеты как раз очень эффективны. КПД от 10-15% для обычных ракет, до 30% для систем воздушного старта. Вообще химия отлично справляется со всеми задачами в СС, если нет нужды таскать тушку человека.

[alex_semenov]

А почему с каждым уровнем растет количество экипажа!?) Можно ведь и на Луну по 100-1000 человек летать. Причем это более реально, чем даже 10 человек к Титану отправить!)

Имеется в виду МИНИМАЛЬНЫЙ экипаж (надо исправить). Нижняя граница разумного числа людей отправляемых в экспедицию. Чем дальше вы отправляетесь тем больше становится миримальная команда. Так на  орбиту Земли или на Луну (даже) мог бы слетать и один человек (лунный проект Челомея, например), хотя при недельном полёте удобней отправить уже 2-3 человека (это для первой экспедиции было бы оптимально). Можно конечно сразу отправить 10-15 или даже 50 человек (см. ранние проекты фон Брауна начала 50х), но это уже слишком "жирные" проекты. Не минимальные.
Марс. Не может быть уже и речи отправить одного человека. Даже два в годы полёта - не очень разумно. Тут три-четыре человека - это самый минимум. Лучше 5. Пять человек на три года непрерывного тесного взаимодейстия. Хотя опять же, если бы был "жир", можно отправить и 20 и 100...
Но вот уже к Титану,  где перелёт в одну сторону, скорей всего займёт пару лет, то есть вся экспедиция не менее 5 лет а то и все 10-15 лет команда из 5 человек - это нездоровый минимализм и черезмерные риски. Тут можно спорить (но я нигде не видел подобных обсуждений). Но я бы команду менее 20 человек в такой длительный полёт (до 8-10 лет) не отправлял бы. Просто потому что вам нужно будет масса специалистов, например одним медиком вы в такой длительной экспедиции не обойдётесь.
Ну и межзвёздный полёт. Только в кино и дрянной фантастике (кинофантастика почти всегда дрянная) вы можете отправить десяток человек к звёздам. Это - несерьёзно. Как по мне минимальная ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ (даже без обязательной опции колонизации) межзвёздная команда, летящая однозначно в один конец, должна минимум состоять из 1000 человек что бы представлять достаточный пул мозгов и компетентности там, на той стороне, где любая быстрая консультация с Землёй невозможна. Хотя в таблице я указал не менее 100 человек (дань массовому сознанию).

[Маковец]

Химические ракеты как раз очень эффективны. КПД от 10-15% для обычных ракет

Отнюдь.
Привезти с Марса грузик полкило уже проблема. Пока неразрешимая.
 Вот если бы эту тысячу тонн с орбиты Земли пульнуть - то огромный запас.

[alex_semenov]

Химические ракеты себя исчерпывают уже при старте с Земли.
 Нужен новый способ закидывать грузы хотя бы до орбиты Земли.

Химические ракеты как раз очень эффективны. КПД от 10-15% для обычных ракет, до 30% для систем воздушного старта. Вообще химия отлично справляется со всеми задачами в СС, если нет нужды таскать тушку человека.

Если использовать лунную дозаправку и эффектом Оберта у земли с прибавкой в 7 км/с, то до Сатурна можно добраться за 3 года.

Я в свое время предлагал безумный бросок еще первого варианта тяжёлого корабля Маска к Титану мимо Сатурна за 2,25 года.



Тут, кажется не используется еще лунное топливо, но используется сумма гравманёвра и эффекта Оберта у Юпитера. Орбиту  Сатурна корабль (заправленный сверх нормы) подлетает с сухими баками на скорости более 40 км/с. Это пересечение орбиты. Но если там Сатурн он еще сильней притянет своей гравямой и ускорит наш корабль. То есть, у вас проблема с торможением у цели. Тут мыслим только аэробрекинг. Но скорость настолько безумна, что это будет просто сумасшедший перелёт. Это тот самый случай, когда что бы понять границы возможного надо отважиться на невозможное. Да, тут без атомной тяги уже не обойтись.
Вообще, время ИНЕРЦИОННОГО перелёта до Сатурна представлена на этом графике (полёт к прочим планетам, например к Марсу, качественно выглядят точно так же).



Самый медленный перелёт - это перелёт по Гомону. Далее мы видим что время перелёта быстро сокращается в 2-3 раза с ростом скорости а далее, как бы "упирается в стену". И дальнейшее сокращение времени перелёта покупается уже очень дорогой ценой. При этом тут есть зелёным такая составляющая "цены" как скорость прибытия (то есть пересечения орбиты цели, на самом деле она будет еще больше так как будет падение в гравяму планеты прибытия), погасить которую еще сложней чем разогнаться.
Мы видим, в частности, что хотя 1 летний перелёт к Титану и мыслим, но он уже находится на "вертикальной стене" и  это - очень дорогое удовольствие. Разумное (компромиссное) время перелёта порядка 2-3 х лет.

И очевидно, что химическая тяга тут уже явно не справляется с пилотируемым перелётом. Хотя ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ  доставка экспедиционного оборудования в беспилотном варианте (по Гомону за 7 лет) - вполне мыслима и даже разумна. Глупо отправлять людей и оборудование вместе. Тяжёлое десантное оборудование лучше отправить заранее в беспилотном режиме по самой экономичной траектории и пусть оно путешествует к цели за 7 лет (при этом и аэроторможение об атмосферу Сатурна будет выглядеть разумным манёвром). Но людей надо доставлять отдельным рейсом. И это должен быть рейс где-то два года. И "налегке". Хотя два года туда, два года назад, там пару лет, набегает 6 или даже больше лет в экспедиции. И всё - в одной команде людей. Команда не может быть малой группой, скажем, в 7 человек. Это повод друг друга в конечном итоге прикончить.

[MenFrame]

Привезти с Марса грузик полкило уже проблема. Пока неразрешимая.

Речь вообще шла о запуске на орбиту земли. А так в принципе если на Марсе появиться заправка, то доставка груза уже проблемой не будет. А если использовать тросовую систему, то и заправка не понадобиться.

[MenFrame]

Оберта у Юпитера.

Юпитер конечно дает хороший пинок, но минус его в том что траектория удлиняется из-за того что планета ломает траекторию. Ну дельта-ве по прибытию больше в вашем варианте.

Тут мыслим только аэробрекинг. Но скорость настолько безумна, что это будет просто сумасшедший перелёт.

Тут есть свои плюсы, во первых водородно гелиевая атмосфера при сжатии намного хуже излучает, нежели земная или марсианская. Во вторых траектория для погашения большая в следствии больших размеров планеты. Ну и работает обратный эффект оберта при торможении. Если нужно погасить по прибытии 10км/с, то в нижней точке это всего лишь 1,38км/с, но гасить ее нужно на скорости 36км/с.

[alex_semenov]

Все улеглись (энергии ни у кого нет). Киевстаровский интернет стал терпим.

Нет, 3й - нет мотивации. Титан - он вообще зачем?

Жить там очень дорого выйдет.

Жить везде - дорого. Это закон жизни. Кстати, жить жирно и счастливо - слишком дорого. Обычно заканчивается вымиранием.
Но это так мы опять выходим на тот самый центральный с-р-а-ч ВЖР - "а нахрен нам выходить из колыбели?"
Не хотелось бы это разводить и здесь. Поэтому давайте просто в рамках игры постулируем: НАДО! Ну вот нам зачем-то понадобился срочно Титан. Туда добраться именно людьми и там - закрепиться (развернуть исследовательскую базу как минимум).
Как мы это будем делать? Есть ВИДЕНИЕ? Насколько технически грамотное (не отличимо от лучшей инженерии) оно у нас?

Тут есть свои плюсы, во первых водородно гелиевая атмосфера при сжатии намного хуже излучает, нежели земная или марсианская.

Гм... не обращал на это внимание. А насколько это лучше для торможения?

Во вторых траектория для погашения большая в следствии больших размеров планеты. Ну и работает обратный эффект оберта при торможении. Если нужно погасить по прибытии 10км/с, то в нижней точке это всего лишь 1,38км/с, но гасить ее нужно на скорости 36км/с.

Да, торможение об атмосферы планет гигантов - одно удовольствие (как инженерная задача). И тем не менее сливать надо эм-вэ-квадрат на два (вернее разность квадратов) и это не фунт изюма. В том смысле что очень большие скорости сливать становится очень тяжело и рисковано. Да, вопрос надо исследовать. И мы тут уже игрались (@SpaceEngineer) с этой задачаей как-то и выяснили, что  для чудо-торможений (слива больших скоростей прибытия) нам нужен особый "глайдер" с хорошим Сy, способный "вверх тормашками" "прилипать" к атомсфере планеты и таким образом относительно мягко (с терпимым пиковым ускорением) сливать большие скорости. То есть подобный аппарат должен обладать особой аэродинамикой и возможно, уловками по гиперзвуковым технологиям (держать температурные нагрузки). В общем, такое торможение - отдельная тема и она не может быть "гаджетом-примочкой" (мол, а давайте еще и об атмосферу тормознём! Давайте! А что для этого надо? Перестрить весь корабль от начала до конца ПОД ЭТО).



Хотя да. Если вы входите в систему Сатурна как бы (КАК БЫ) с гомоновской траектории, то вам нужно совсем небольшое атмосферное торможение чтобы выйти на орбиту Сатурна и тут "примочки" (в духе показанного в "Одиссея 2010")  типа некого надувного щита очень даже могут сработать. AlexAV тут об этом говорил в приложении к даже ажурным кораблям на электротяге.



Вообще, общая мысль у меня пока такая. Доставлять ГРУЗЫ таким образом - вполне разумно (тут могут быть и ограничения по ускорению быть куда мягче), но вот людей.... Хотя для фантастики - очень крутой аттракцион (и жалко его пропускать).

[alex_semenov]

Так. Главный гештальт, который НАДО закрыть.
Тут уже это проявилось.
Мол, нужен чудо-двигатель. Без него - никак!
Проблема в чём?
Место "чудо-двигателя" давно и прочно ЗАНЯТО. Это всем нам знакомый любимый/ненавидимый "Орион"

 

Привод на ядерной энергии с одновременно чудесным удельным импульсом и тягой. Аппарат, способный на любые разумные чудеса. Не станем тут долго углублятся, ибо использование "Ориона" для полёта к Сатурну настолько упрощает задачу (скажем можно долететь туда за 1 год и вернуться за второй, слетать туда-обратно за 3 года как на Марс) что задача становится и не особо интересной.
То есть место ЧУДО-двигателя  УЖЕ ЗАНЯТО "Орионом" и ожидать что есть некое другое чудо - как-то сомнительно.
Хотя, да есть. Есть и второй чудо-двигатель. Чуть меньшее чудо, но тоже чудо (природа нам дуракам дала второй шанс).
И это чудо уже тут описано тоже (не надо ничего НОВОГО искать).

Получается, что минимальная удельная мощность (в расчёте на сухую), необходимая для того чтобы за два года можно было перейти с круговой околосолнечной орбиты радиусом 1 а.е. на круговую околосолнечную с радиусом равным радиусу большой полуоси Сатурна равна приблизительно 75 Вт/кг.

Вид зависимости времени перехода от удельного импульса показана на первом рисунке (см. приложенные файлы). Оптимум - около 60 км/с (при этом переход будет осуществляться за 1.97 лет). Нужно отметить, что между УИ = 30 км/с и УИ равном 140 км/с зависимость времени перелёта от УИ - достаточно слабая. При УИ = 30 км/с перелёт занял бы 2.32 года, при 140 км/с - 2,35 лет (только где-то на 15% медленнее, чем при оптимальном). С учётом того, что повышение УИ при заданной удельной мощности сокращает расход рабочего тела и упрощает двигательную установку - технически оптимальный УИ, видимо, будет несколько выше оптимального по времени перелёта. Вероятно около 120 км/с (при этом время перелёта будет 2.24 года, на 99 дней длиннее перелёта по оптимальной, зато расход рабочего тела при этом сократится в четыре раза, а его необходимый запас отнесённый к массе сухой конструкции с 2.59 до 0.73, что представляется существенным выигрышем).

Энерговооружённость на уровне 75 Вт/кг представляется технически достижимой. А значит использование ионного двигателя позволяет осуществить перелёт к Сатурну без необходимости использовать аэродинамическое торможение (на рассматриваемой траектории торможение осуществляется самим ионным двигателем), проходить через радиационные пояса Юпитера или Сатурна или привлечения ISRU (очень сомнительная в плане технической реализуемости и безопасности концепция, особенно для первого полёта, нормальная схема полёта хоть к Марсу, хоть к Сатурну никакого ISRU в качестве обязательного элемента включать не должна, как дополнительный - можно, но должен всегда существовать вариант возврата экипажа без  ISRU).

В общем минимальные параметры для нормального полёта к Сатурну можно задать как наличие двигательной установки с ядерным источником энергии и электрореактивным двигателем, обеспечивающей общую энерговооружённость конструкции >75 Вт/кг  и с УИ~120 км/с (при таком УИ, кстати, ионный двигатель выглядит как вполне разумный вариант выбора электрореактивного двигателя).

На графиках ниже показана траектория перелёта, зависимость полной скорости от времени, полной энергии отнесённой к массе от времени и значений косинуса и синуса управляющего параметра при оптимальном перелёте с энерговооружённостью 75 Вт/кг и УИ = 120 км/с.

P.S. Хорошо бы доработать алгоритм так, чтобы он также учитывал наклонения орбит, но в случае Сатурна это, думаю ничего качественно не поменяет. Изменение наклонения тут требует ХС порядка 1 км/с, а ХС требуемое для перелёта в одной плоскости достигает 66 км/с. Т.е. тут изменение наклонения будет лишь малой поправкой к решению в одной плоскости.

Интересно было бы узнать какая минимальная удельная мощность нужна электролету чтобы добраться до Сатурна за 1 год?

570 Вт/кг (при УИ 120 км/с). Не то что совсем недостижимая цифра... за неё побороться в принципе можно. Однако если космическую ядерную энергетическую установку с удельной мощностью 7-8 кг/кВт (120 - 140 Вт/кг), что соответственно даст около 60 - 70 Вт/кг энерговооруженности космического корабля (условно половина сухой массы - энергетическая установка с двигателями, половина - всё остальное) - можно начинать строить чуть ли не завтра (тут я конечно несколько утрирую, естественно, и тут требуется довольно большая НИОКР, но такие параметры практически точно достижимы и при наличие потребности и достаточного финансирование такое лет за 10 - 15 можно довести до вполне реального изделия, приблизительно такие параметры, кстати, заложены в ТЭМ), то энерговооруженность корабля на уровне 570 Вт/кг (что потребует удельную мощность собственно энергетической установки на уровне ~1000 Вт/кг) - требует куда больших усилий и успех тут уже не выглядит столь гарантированным.

Если сделать космическую реакторную установку с удельной мощностью ~1000 Вт/кг - удалось бы (что позволяет создать космический корабль с удельной энерговооружённостью на уровне 500 - 600 Вт/кг) , то такое устройство сделало бы доступным по сути всё основную часть солнечной системы. С таким устройством можно достичь легко и без всяких ухищрений (вроде ISRU, сложных гравитационным манёвров и т.д.) любых тел с орбитами лежащими внутри орбиты Нептуна включительно. При энерговооружённости в 600 Вт/кг даже до Нептуна можно добраться всего за 2.3 года. По сути его можно было бы назвать философским камнем межпланетной космонавтики.

А какая минимальная удельная мощность нужна электролету для того чтобы добраться с Земли до Марса за 100 дней?

110 Вт/кг (при УИ 25 км/с). При этом время достижения Марса будет 100 сут. Однако, тут нужно отметить, что относительно небольшим увеличением времени перелёта требование к мощности можно резко сократить. Скажем при мощности 65 Вт/кг (и УИ 21 км/с) время будет 118 суток. Т.е. требование по мощности сократилось в 1.7 раз, в время перелёта выросло всего в 1.18 раз (т.е. на 18 суток). При мощности 35 Вт/кг (и УИ 18 км/с) - 142 сут. При мощности 18 Вт/кг (и УИ 15 км/с) - 174 сут.

Представляется, что разумный компромисс тут между временем, мощностью и расходом рабочего тела - это что-то около 50 Вт/кг, УИ - 40 км/с (это существенно выше оптимума, но такой выбор позволяет существенно сократить расход рабочего тела). Тогда время перелёта получится 143 сут, отношение необходимой массы рабочего тела к сухой массе конструкции - 0.77. Это больше 100 суток, но какой-то принципиальной разницы между 100 сут и  143 сут не видно, а технических проблем при таком выборе будет существенно меньше.

110 Вт/кг (при УИ 25 км/с). При этом время достижения Марса будет 100 сут. Однако, тут нужно отметить, что относительно небольшим увеличением времени перелёта требование к мощности можно резко сократить. Скажем при мощности 65 Вт/кг (и УИ 21 км/с) время будет 118 суток. Т.е. требование по мощности сократилось в 1.7 раз, в время перелёта выросло всего в 1.18 раз (т.е. на 18 суток). При мощности 35 Вт/кг (и УИ 18 км/с) - 142 сут. При мощности 18 Вт/кг (и УИ 15 км/с) - 174 сут.

Ещё одно замечание. Эти цифры при торможение двигателями. Если тормозить аэродинамически (т.е. ионные двигатели работают только на разгон), то чтобы достичь Марса за 99 дней достаточно энерговооруженности 50 Вт/кг (при УИ 25 км/с). При энерговооружённости 75 Вт/кг и использование аэродинамического торможения хватит 89 дней. Вообще использование аэродинамического торможения может сильно снизить требование к энерговооружённости. Однако это сильно усложняет миссию в техническом плане.

Наиболее удобная компоновка корабля для долгосрочного перелёта - модульная конструкция типа МКС, но она практически абсолютно непригодна для аэродинамического торможения с большими скоростями, для этого нужна компоновка похожая на самолёт (тот же Шаттл), что сразу создаёт кучу сложно решаемых проблем.

Самолётоподобную конструкцию нельзя собрать на орбите из модулей, её надо поднимать в готовом виде с Земли, а это сразу ограничивает максимальную массу корабля грузоподъёмностью РН (для модульной конструкции масса практически не ограничена и никак не привязана к грузоподъёмности РН).

Конструкция пригодная для аэродинамического торможения должна обладать большой прочностью и серьёзной теплозащитой. А значит планер такой конструкции с теплозащитой будет банально очень тяжёлым, а отношение полезной массы к массе планера низким. Тут разумно посмотреть примеры из области авиации (где проблемы связанные с прочностью конструкции весьма похожи на те с которыми придётся иметь дело при разработки аппарата для аэродинамического торможения), скажем допустимая перегрузка Boeing 777X - 1.3g, при больших он рисует банально развалиться в воздухе, и даже при такой скромном пределе допустимой нагрузки отношение максимальной массы к массе конструкции у него всего 2.1, а это самолёт которому теплозащита не нужна, а теплозащита - тоже имеет приличный вес, вообще для корабля рассчитанного на аэродинамическое торможение с серьёзными перегрузками (т.е. 2-4g и тем более больших), если учитывать имеющийся опыт авиационной техники, рассчитывать на отношение полной массе к массе конструкции лучше 2 - 3 -  выглядит довольно утопичным.

В конце-концов не очень понятно как обеспечивать энергообеспечение этой конструкции в длительном перелёте. Реактор? Так вне аэродинамического корпуса его размещать нельзя (т.е. вариант вынести его подальше на штангу и обойтись только сравнительно простой теневой защитой - не подходит). А если размещать внутри корпуса - нужна очень тяжёлая биологическая защита, которая явно не проходит по ограничениям по массе, которую можно запустить с Земли одним блоком. Солнечные батареи - так их нельзя размещать на поверхностях, которые при торможение будут подвергаться воздействию высоких температур. Да и сама площадь поверхности аппарата аэродинамической формы получится слишком малой. А развешивать их лопухами, как у МКС - нельзя, не переживут они в таком виде аэродинамическое торможение.   

В общем, представляется, что куда проще повысить удельную мощность реактора и тормозить двигателями, чем связываться с этим ворохом сложнорешаемых технических проблем, связанных с требованиями к аппарату, пригодному для аэродинамического торможения на гиперболических скоростях (тут одна необходимость вписываться в ограничение по массе, которая может быть выведена с Земли одним блоком и невозможность создания по настоящему больших модульных конструкций - уже основание достаточное для отказа от такого подхода). 

"Обычная" ядерная электроракета с удельной мощностью ниже 100 ватт/кг (75 ватт/кг) сухой массы добирается до Сатурна "на мягких лапах" (без гравманёвров и аэробрекингов) за 2.35 года. Если же мы "прокачаем" обычный ионник до ~500 ватт/кг (что пока не ясно как но вполне инженерно мыслимо) то мы будем так же "мягко" на постоянно включенной тяге (сначала разгон, потом торможение) добираться до Сатурна за год!
Вот вам и второй чудо-двигатель. То есть. Всё. Проблема тяги снята уже. Не нужны никакие чудо-прорывные идеи. Нужно взять ионную тягу и допилить ее до уровня реальной конструкции. И тут я поднимаю старую-старую работу Спитцера 1951-го года (где по-сути и описывается первая в истории реально мыслимая ядерно-ионная тяга, ибо предыдущее описание Клевера и Шепарда 1949-го года "закрыло" тему ионно-ядерной ракеты как невозможую) и обнаруживаю что он там описывает... по-сути "экспресс к Титану", который идеально вписывается в параметры, полученные оптимизацией AlexAV для Титана! Просто идеально!
Одна идея выдвинутая тогда астрофизиком Спитцером, хорошо забытая всеми, просто потрясает своей уместностью. Спитцер предлагал использовать в какчестве рабочего тела для ионника там не привычный уже всем ксенон или там аргон а... азот. На основании того что в те годы (1951) считалось что азот есть в атмосфере любой планеты Солнечной системы. И поэтому, считал Спитцер, ионнный корабль может заправляться рабочим телом не опускаясь на поверхность планеты, а черпать его из атмосферы находясь на орбите.
Сейчас мы знаем, что азотная атмосфера - не так сильно распространена как тогда считалось. Но есть две планеты, где азот в атмосфере приобладает. Это Земля и Титан.
И вторая тонкость-совпадение. Спитцер предполагал в 1951-м году скорость истечения для азота точно такую же (140 км/с) как и рассчитал AlexAV для оптимального экспресса Земля-Титан (оптимальная в смысле минимизации и ракетной массы, которой вы должны заправится из атмосферы точки отправления - 0,73 сухой массы корабля).
То есть, путь на Титан - давно открыт.
Осталось прорисовать его детали.