НА ГЛАВНУЮ

 

«ПЕПЕЛАЦЫ» ЛЕТЯТ НА ЛУНУ

 

Глава 9 

 

«Гиперболоид инженера Гриффина»

 

Вместо эпиграфа:

 

"Он кто - инженеришка... Ну что у него за жизнь?

Утром на работу, вечером с работы. Дома жена,

дети сопливые... А ты - джентльмен удачи!

Украл, выпил - в тюрьму! Украл, выпил - в тюрьму! 

Романтика... А ты говоришь... Конечно завидует..."

 

(из одного кинофильма)

 

 

Как украсть сто миллиардов долларов?

 

Как известно, современные инженеры больше не живут на зарплату 120 рэ, и не мучаются вопросом: как успеть после работы в гастроном за колбасой по 2-10. По крайней мере некоторые из них. Как говорил тов. Саахов - не из нашего района...

Так вот - если вы сидите и чешите свою репу в поисках разумной мысли на тему: "Как украсть сто миллиардов долларов?", то знайте, что вы не одиноки в этом мире. Вот например в городе Торонто, что на Канадщине, недавно проходила конференция про этот же самый вопрос. Лучшие люди нашей планеты собрались и долго думу думали, переливали воду из графина в стаканы, терзали нервно пальцами сукно стола в президиуме. Вот краткое информационное сообщение на эту тему:

 

 

27.09.2005    Состоялась конференция по лунным исследованиям

С 18 по 23 сентября с.г. в Торонто, Канада, работала международная конференция по лунным исследованиям (International Lunar Exploration). Основной темой форума стало обсуждение последних предложений NASA по возобновлению пилотируемых полетов на Луну.

 

 

Как, вы ничего не поняли!? Спрашиваете - а где миллион... пардон 100 миллиардов? И почему украсть? Может заработать честным трудом на стройках капитализма. Ладно, обо всем по порядку...

 

Начну издалека. Из далЁка... 

 

В марте 2005 года на должность директора НАСА был назначен некий Майкл Гриффин, 1949 года рождения. Вот фото этого гражданина. Улыбается!

Биографию этого товарища можно изучить здесь [1] Надо сказать, что трудовой путь Миши Гриффина еще тот. Начинал он с участия в т.н. "стратегической оборонной инициативе" Рональда Рейгана, где занимался темой ПРО, там и преуспел.

Затем он отчего-то пишет в 1993г. некое письмо протеста якобы против участия этих русских в концепции МКС и пр. Тоже мне - подписант нашелся. За что и поплатился - вылетел пробкой. При Клинтоне наезды на друга Бориса стали неактуальны. Его подогрели, обобрали... бр-р-р. Нет: обогрели, подобрали, и пристроили директором на некую фирму In-Q-Tel, учрежденную ни много ни мало ЦРУ как частную неприбыльную организацию.

Ну и через 12 лет работы в "конторе" сын бывшего директора той самой "конторы", он же Куст-младший назначил его директором НАСА. Вот такой у нас герой капиталистического труда...

 

Так вот, не успел наш дядя Миша вступить на пост, как загорелся супер идеей: Куст-младший хочет "вернутся" на Луну. Пускай! У вас проблемы!? Мы едем к вам! Но такое "возвращение" только состоятельным людям под силу... Миша назвал двести... Нет - не рублей, не евро и даже не швейцарских франков. Двести миллиардов долларов.

Оно и понятно. Назначение на такую должность. Нужно "откатить"... я имел ввиду отблагодарить! Например - вырезкой из газеты "Советский спорт". Там как раз интервью с Ринатом Дасаевым... 

Но Мише сказали - тихо ша! Америка таки тоже не резиновая. Таки да! Поэтому "сто" и поехали! Так в муках родился план НАСА по "возвращению" на Луну и подготовке к полету на Марс!

 

 

Есть ли у вас план - мистер Фикс!?

 

Вот если ваша фирма вдруг захочет взять в кредит какую-то "десятку-сотку" штук баксов в местном коммерческом банке, сколько килограмм-тонн бумаги вам надо будет принести: справки, отчеты, балансы, поручительства, бизнес-планы, залоговое имущество не забыть... Полпачки бумаги А4 как с куста, пардон за каламбур.

Но это для вас, мой дорогой читатель. А с другого Куста, от которого обращается в Конгресс дядя Миша, хватило четыре листа бумаги. Ровно столько было предоставлено в Конгресс США для обоснования ассигнований на сумму около 100.000.000.000,00 долларов. Даже не четыре - там три с четвертью, да и шрифт большой. Смотрите сами - здесь [2]. Объем аж 28 килобайт!  И еще несколько фото и флеш-мультфильм и пару-тройку рисунков-презентаций. Вот и все!

 

Итак, вот основные пункты новой "лунной" программы:

 

  1. Американцы будут делать новый пилотируемый корабль на 4 человека диаметром 5,5м. Этот корабль будет запускаться отдельной, вновь разрабатываемой ракетой на полезную нагрузку всего (!) 25т LEO. Причем объем этого корабля будет втрое больше объема "Аполлона".

  2. Эта некая ракета будет создана из твердотопливного ускорителя Шаттла (1шт) и некой второй водородной ступени. По тандемной (линейной) схеме. Сверху это творение будет венчать САС (система аварийного спасения). Кроме того, с радостью сообщается, что сие изделие будет в 10 раз надежней и безопасней (!!!) Шаттла...

    Ну что ж, лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Наберите в грудь воздух, это - оно (все рисунки взяты из [3]):

 

Рис.1 Ракета-носитель для нового пилотируемого корабля

 

Анализ данных, приведенных на рисунке, позволяет говорить о том, что оценочные характеристики ракеты таковы (согласно рис.1):

 

 

Масса ракеты на начале участка

Масса ступени остаточная

Масса топлива

Удельный имп., сек.

Запас скорости, м/с

Первая ступень 797,2т 81,8т 504,5т 268,8сек 2639м/с
Вторая ступень 209,1т 20,4т 163,5т 452,1сек 6612м/с
Полезный груз 27,0т      Итого 9251м/с

 

С учетом стандарта потерь скорости ~1850м/с и прибавки за счет вращения Земли при наклонении орбиты ί~32,5º (около ~390м/с) мы получим условие вывода на низкую орбиту: конечная скорость Vк~7790м/с для груза весом ~27т

Соответственно, на орбиты с наклонением ί~51,6º носитель гарантировано доставит примерно ~25т при условии, конечно, что заявленные данные будут реализованы на практике. 

 

А вот и вариации нового пилотируемого корабля, который планируется как для полетов к орбитальной станции (рис.2): 

 

Рис.2 Новый пилотируемый корабль CEV (модельный ряд)

 

Не сложно заметить, что Гриффин "изобрел" заново корабль "Аполлон". Только ему надо было увеличить размер с учетом четырех астронавтов вместо трех. И не нашел ничего лучше, как пропорционально увеличить все размеры... Но в итоге новый корабль стал весить только меньше - не более ~22,9т (вариант "Block-2"), что меньше штатной массы "Аполлона" (его орбитального блока) при отправке к Луне - тот весил 28...30т. Занятно...

Странно и другое: зачем проектировать новую ракету на ~25т полезной нагрузки, когда у вас есть "тяжелая" Дельта-4Н!? Получилось так: одни проектировали и надеялись на свою долю рынка пусковых услуг для тяжелой Дельта-4Н, другие лелеяли не менее заветную надежду на проект тяжелого носителя Атлас-5. В итоге оба гиганта космической индустрии оказались на грани того, что их послали на... 

 

Ладно. Хотите все смахнуть, как крошки со стола и начать с чистого листа - не вижу препятствий.

Только помнится, когда-то давно, когда деревья были большими, была у вас ракета почти точь-в-точь как требуется сейчас - Сатурн-1Б. И САС там был. И корабль - похожий. Только отлетался он тридцать лет назад - в 1975г. Получается почти как у Дюма - тридцать лет спустя...

 

Идем дальше.

 

А теперь держитесь за спинки стульев - американцы теперь будут лететь на Луну по двухпусковой схеме - то есть за один раз одной ракетой они не могут отправить на орбиту весь нужный груз. Только двумя! А как же фон Браун мог? А как же Сатурн-5 одним рывком поднимал? Вопросы, вопросы...

Так вот - наследники фон Брауна делают еще и вторую ракету. Она якобы сможет выводить на орбиту порядка 125т груза или объект, состоящий из третьей - разгонной ступени, и лунного посадочного модуля. По другим данным (2) - 106 метрических тонн чистого груза.

Новая "большая" ракета получается следующим образом (рис.3): берется два "пороховых" ускорителя первой ступени Шаттла, берется модифицированный топливный бак Шаттла (посередине), снизу к нему присобачиваются пять двигателей типа SSME (на Шаттле таких три). Сам самолет из этой "схемы" выкидывается по банальной причине того, что сея "птичка" уже давно стала пятым колесом в телеге, и без крылатой "птахи" общая композиция только выиграла...

 

 

Рис.3 Слева - "тяжелая" ракета для лунной программы

 

Анализ данных, приведенных на рисунке, позволяет говорить о том, что оценочные характеристики ракеты таковы (согласно рис.2):

 

 

  Масса ракеты на начале участка Масса ступени остаточная Масса топлива Удельный имп., сек. Запас скорости, м/с
Первая ступень 2712,6т 200,8т 1593,6т* 302,4сек* 2624м/с
Вторая ступень 918,2т 97,7т 712,5т* 452,1сек 6627м/с
Полезный груз 108,0т      Итого 9251м/с

*- Учет пакетной схемы: данные по первой ступени соответствуют участку совместной работы обоих ступеней; данные по второй ступени даны с учетом выработки топлива на первом участке.

 

С учетом стандарта потерь скорости ~1850м/с и прибавки за счет вращения Земли при наклонении орбиты ί~32,5º (около ~390м/с) мы получим условие вывода на низкую орбиту: конечная скорость Vк~7790м/с для груза весом ~108т.

Это вариант пуска двумя ступенями. Так что видимо вышеупомянутые ~106т  соответствуют орбитам с наклонением ί~51,6º для полетов на МКС. Любое дальнейшее увеличение полезной нагрузки будет иметь место только с третьей ступенью.

 

 

Дороги, которые мы выбираем...

 

Схема нынешней миссии выбрана такая: первая ракета выводит на орбиту сам орбитальный корабль и стыкуется на орбите ИСЗ со связкой разгонный блок - посадочный модуль, которая должна быть выведена тяжелым носителем. 

Далее: разгон - полет до выхода на орбиту спутника Луны, затем переход всех четверых астронавтов (чтоб никому не обидно!?) в лунный посадочный модуль - посадка на Луну (вес аппарата на Луне аж целых 21т!) - взлет - стыковка на орбите Луны - полет домой на Землю. В рисунках это выглядит так (рис.4): 

 

 

Рис.4 Слева - старт лунника + РБ; в центре - старт пилотируемого корабля; справа - стыковка и разгон к Луне

 

 

А теперь еще раз наберите в грудь воздух, напрягите свое воображение и вглядитесь на разгонный блок (РБ) на рис.4 справа. Не узнаете? Да, да! Это старая знакомая ступень S-IVB с двумя двигателями J-2S. Я не оговорился - в документе [1] четко сказано, что ступень работает на компонентах кислород-водород (масса топлива уже больше ~207т), оснащена двумя (не одним как раньше!) ЖРД J-2S (это американцы довели их сейчас до ума и косвенно хотят доказать, что они летали и 35 лет назад, хотя есть к тому ба-а-альшие сомнения). Только вот в каком чулане их нашли следопыты!?

Особо забавно видеть, что двигатели третьей ступени J-2S якобы будут иметь (согласно рис.3) удельный импульс I~451,5сек. Но это чистой воды профанация и утопия, просто в силу того, что двигатель, сделанный по открытой схеме привода ТНА и очень низким давлением в камере, едва набирает весьма посредственные I~430сек и с этим очень мало что можно сделать. По крайней мере тридцать пять лет назад на большее никто и не претендовал. А с учетом того, что новейшие ЖРД RS-68 (которые планируются взамен ЖРД SSME) и вовсе будут иметь I~410сек, то выбирать американцам особо не из чего.

 

А вот так будет выглядеть завершающая фаза полета:

 

Рис.5 Слева - связка корабль-лунник; в центре - посадочный модуль, похожий на ЛМ; справа - посадка а-ля Аполлон

 

 

Этот страшный гиперболоид...

 

В проекте мистер Гриффин принял ряд оригинальных подходов и новаций. Так - пилотируемый орбитальный корабль будет работать не на "вонючих" долго хранимых компонентах, а на паре жидкий кислород - жидкий метан!!! И это при том, что в США нет ни одного "метанового" двигателя ни в металле, ни на бумаге. Более того, жидкий метан имеет температуру кипения около -160˚С и плотность ~0,43кг/м³ что почти в два раза хуже керосина. 

На сегодня гарантийные сроки существования на орбите криогенных РБ исчисляются часами (например РБ ДМ "живет" всего ~7 часов), последняя разгонная ступень Сатурн-5 могла "продержатся" около трех витков или до 5 часов. После чего могла и взорваться от закипания криогенных компонентов внутри бака. Отправлять же подобную "бомбу" в двухнедельное турне - просто утопия. 

К тому же выяснилось, что преимущества метана перед синтетическим керосином несущественны - американцы заявили удельный импульс метанового ЖРД корабля CEV всего I=362сек, тогда как реальный ЖРД РД-58М(синтин) дает ~361сек - разницы нуль, а хлопот уйма. 

 

Но и это не все! У них посадочный модуль двухступенчатый, как и прежде. И "нижняя" - посадочная ступень у Гриффина будет на... жидком водороде и кислороде!!! Дело даже не в том, что плотность у этой топливной пары очень низка ~0,3 а в том, что время "жизни" водородных ступеней еще меньше, чем у кислородно-керосиновых. 

Простой пример: третья ступень Сатурн-5 теряла за 1,5 часа ожидания на орбите ~1,2т чистого водорода в виде испарений. Из примерно 12...13т имевшихся на борту (жидкий кислород не в счет). Или ~10% за полтора часа. Тогда сколько мы потеряем за три дня полета к Луне!? И что мы довезем!?

Зато взлетная ступень лунника на паре кислород-метан. Тоже хорошо. Только ей надо "досидеть" три дня в дороге + семь дней на Луне = итого продержатся 10 дней под палящими лучами Солнца.

 

(Не)стыковка

 

Теперь главное. Даже и не знаю как сказать... Одним словом дело в том, что все это липа. Туфта. Очковтирательство. Обман. 

Рассказываю: в планах есть четкая цифра, что на поверхность Луны будет доставлен груз весом 21 тонна. 

Для тех кто забыл или не знал, напомню - формула Циолковского гласит: идеальное приращение скорости ракетой равно 

 

ΔV=I×ln(M1/M2); где M1/M2 - отношение масс в начале и конце работы реактивного двигателя, I - удельный импульс в м/с.

 

Пусть у нас посадочная ступень таки на "водороде" и удельный импульс равен лучшим водородным двигателям ~4400м/с. Запас идеальной скорости для посадки с орбиты ИСЛ на поверхность Луны за тридцать пять лет изменится не мог ~2100м/с. Тогда отношение масс легко находится: M1/M2=exp(V/I)~1,61 или начальная масса перед торможением 21,0×1,6= ~34,0т. 

Таков начальный вес лунного посадочного модуля на орбите ИСЛ. Если мы четко хотим доставить на поверхность Луны заветное очко (21т), то меньше никак нельзя.

 

С другой стороны - оптимизация параметров показывает, что возможности тяжелого носителя с третьей ступенью (согласно таблице) 

 

  Масса ракеты на начале участка Масса ступени остаточная Масса топлива Удельный имп., сек. Запас скорости, м/с
Первая ступень 2874,6т 200,8т 1593,6т* 302,4сек* 2395м/с
Вторая ступень 1080,2т 97,7т 712,5т* 452,1сек 4774м/с
Третья ступень 270,0 110,0т 430,0сек 2205м/с
Выводимый груз 160,0т      Итого 9374м/с**

* - Учет пакетной схемы: данные по первой ступени соответствуют участку совместной работы обоих ступеней; данные по второй ступени даны с учетом выработки топлива на первом участке.

** -  Из-за слишком низкой тяговооруженности 3-й ступени (порядка ~0,6) суммарные потери будут выше стандартных на ~100м/с так что конечная скорость активного участка будет оставаться в пределах ~7800м/с при наклонении орбиты ί~32,5º

 

Так вот - возможности тяжелого носителя с третьей ступенью по выводу на орбиту частично выработанной третьей ступени с лунным посадочным модулем при том, что отдельно будет запущен скажем CEV варианта "Block 2" весом ~22,9т, ограничены совокупным грузом брутто на низкой опорной орбите порядка ~160т. В эту цифру входят: остаточный вес 3-й ступени 22,1т; остаток топлива ~97,7т и лунный посадочный модуль ~40,2т. К ним стыкуется CEV Block-2 и получается связка весом ~183т. Несложно заметить, что данный случай имеет место при расходе топлива на первый импульс верхней ступени порядка 110т. Меньшее количество топлива не даст вывести груз на орбиту, а большее - мало останется топлива на второй импульс разгона к Луне.

 

Теперь нам нужно прирастить 3200м/с для отлета к Луне. При этом двигатели J-2S хорошо известны - удельный импульс УИ~430сек (~4214м/с). Тогда вес отправляемый к Луне от Земли: 183/exp(3200/4214) = ~85,6т. Что в точности совпадает с суммой: 22,9т + 40,2т + 22,1т=85,2т. Из которых чистый вес отправки в сторону Луны составляет 85,2-22,1= ~63т.

 

Подлетая к Луне, нам нужно приложить тормозной импульс ~1000м/с при запасе на коррекцию ~100м/с всего ~1100м/с чтобы выйти на орбиту ИСЛ. Если тормозим "водородным" ЖРД у которого УИ~4400м/с, то тогда масса комплекса на орбите ИСЛ: 63/exp(1100/4400)= ~49т.

 

Что же это получается??? Посадочный лунный модуль (как показано выше) должен весить никак не меньше ~34т. А общий вес системы на орбите ИСЛ всего ~49т. Это значит, что на пилотируемый корабль остается аж 49-34=15т, а ведь он должен весить больше: ~22,9т (рис.2) 

Полная чепуха у дяди Миши! У НАСА как всегда цифры не сходятся, не стыкуются. Весовой расчет "снизу" (от посадочной массы) не сошелся с весовым расчетом "сверху" (от массы на орбите ИСЛ).

Для того, чтобы цифры сошлись, мы должны иметь возможность отправить к Луне не менее 73т, то бишь дефицит массы целых 10т. Если же тормозить "метановым" ЖРД, то дефицит будет только еще больше. То есть никак и никогда мистер Гриффин не сможет доставить на поверхность спутника Земли обещанные 21т. НИКАК.

 

Давайте пойдем с другой стороны. Вернемся к нашему посадочному модулю. Он весит вторую половину системы - или 49-23=26т. На Луну из них может сесть лишь ~26/exp(2100/4400)= ~16т, а с поверхности Луны обратно сможет вырваться на метановых ЖРД около ~6,5т чистого груза, из которых добрая половина - кислородно-метановые баки и двигатели. Значит "кабинка" посадочного  весит около ~3т всего!? На четверых!? Это если делать из фольги и затолкать астронавтов как шпрот в консервную банку! 

Для примера - если взять узкий орбитальный отсек-шар корабля Союз диаметром что-то около 2,5м и объемом примерно пять кубов, набить туда четырех мужиков в скафандрах (как!?) и прибавить хоть какую-то аппаратуру и сотню-другую кг лунного грунта - будет как раз три тонны весу. Или нечто похожее на Восход-1. Только там их было трое. Без скафандров. Всего сутки. А тут неделю на Луне кантоваться. А воздух? А еда? вода, туалет... 

Или возьмем старую советскую телефонную будку. Ее объем примерно 2,5м³. Если принять среднюю отсековую плотность порядка ~0,3т/м³ и чистую массу отсека ~3т (четыре мужика в скафандрах с запасом пищи и кислорода каждому - это тонна, плюс ~2,5т двигатели, баки и пр. аппаратура =всего 6,5т.), то общий объем можно оценить как ~10м³ или четыре телефонных будки на четверых! 

 

Недавно пробегало сообщение, что в силу известных лишь Богу и НАСА причин в дальнейшем использование эффективных ЖРД SSME не планируется, а взамен них на тяжелый носитель поставят RS-68 с крайне низким удельным импульсом всего I~410сек. 

Это приведет соответственно к тому, что вместо 63т к Луне можно будет отправить лишь жалкие 55т и  будет означать дальнейшее урезание массы на орбите ИСЛ до 43т, что означает посадку на лунную поверхность всего ~12т. 

А это уже почти в два раза меньше заявленных НАСА целей. И положа руку на сердце, вырождает весь концепт экспедиции до символического посещения на пару часов нашего естественного спутника с целью втыкания флага. При этом один (максимум два человека), стоя на одной ноге в "телефонной будке" будут изображать вопли радости для телекамер. Вместо первоклассного товара нам пытаются всучить дешевую ("китайскую" по духу) подделку.

 

Я не знаю, есть ли в Америке еще генеральный прокурор, или в Конгрессе счетная палата, но расходование более ста миллиардов долларов на такую галиматью больше напоминает ловкую аферу с бюджетными деньгами.

А ведь дядя Миша (Гриффин) уверяет, что это корабль можно использовать для полетов на Марс! Как!? Он и до Луны едва дотягивает (теоретически). Заявляю со всей ответственностью - сей фантастический "Пепелац" полностью, т.е. абсолютно не пригоден для полетов на Марс длительностью около двух лет ни по одному из показателей. Ни двигательная система, ни энергетика, ни СЖО на это никак не расчитаны.

 

 

P.S.

 

23 сентября состоялась всемирная премьера нового фильма Тома Хэнкса (Tom Hanks) "Великолепное опустошение: Прогулка по Луне" (Magnificent Desolation: Walking on the Moon), созданного с использовнием трехмерной графики. По замыслу создателей этого 40-мигутного, зрители должны перенестись в мир другого небесного тела и "самостоятельно" прогуляться по Луне. 

 

Вот теперь я могу быть совершенно спокоен за планы "возвращения" на Луну - они в надежных руках!

 

P.P.S.

 

Прошли годы. Президентом США был избран Барак Обама. Он подумал, взвесил, посоветовался с товарищами, и уволил "дядю Мишу" Гриффина, а потом, в феврале 2010 года, и вовсе закрыл неиссякаемый источник бюджетных расхищений под видом т.н. "лунной программы".

Как стало известно, новый руководитель NASA Чарльз Болден уже сообщил Роскосмосу об отказе от космической программы "Созвездие" (Constellation), а также о прекращении разработки космического корабля "Орион" и ракет-носителей "Арес I" и "Арес V".

 

 

Аркадий Велюров

 

 

[1] "Вики-педия" http://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Griffin#Education

[2] Fact Sheet (28 Kb PDF)  images.spaceref.com/news/2005/lunarrollout/133820main_ESAS_Facts.pdf 

[3] "A Closer Look at NASA's New Exploration Architecture" http://www.spaceref.com/ Keith Cowing Sunday, October 9, 2005

 

 

 

(читать дальше) 

 

 

ОБСУДИТЬ НА ФОРУМЕ


 

НА ГЛАВНУЮ