Семь вопросов к Lunar Starship
1) Почему Lunar
Starship (LS) в 94 раза массивнее лунного модуля (LM) Apollo?
LM Apollo весил на Земле ~ 15 тонн. Почему LS весит 1420 тонн? Это первый вопрос, который возникает при взгляде на победивший в конкурсе NASA HLS лунный лендер компании SpaceX. Ответ прост: на LS возложено слишком много задач. Он не только должен выполнить посадку на поверхность Луны, а затем и взлёт с её поверхности астронавтов (что делал и LM Apollo), но также должен прежде решить ещё ТРИ задачи (неведомые LM Apollo): доставить себя на НОО, затем отправить себя к Луне, после чего затормозить возле Луны, с целью стыковки с кораблём Орион на орбите ИСЛ. Полный список задач (или этапов) миссии Artemis III, выпавших на долю LS приведён ниже. Расчёт затрат топлива для выполнения всех задач миссии приведён в конце этой статьи.
2) Чем вызван отказ от конструктивной приемственности двух лунных лендеров?
Артемида была сестрой Аполлона, тогда почему LS выглядит как полный антипод LM Apollo? Где их родственное сходство? Где конструктивная преемственность двух концепций лунных лендеров? Полный отказ от использования опыта разработки LM Apollo выглядит как жест неуважения и к разработчикам программы Apollo и к тем, кто эту программу полвека назад осуществил. Развитие в технике обычно происходит на основе опыта предыдущих достижений, а не на забвении триумфального опыта предков. А где гарантии, что полная альтернативность концепций (LM и LS) не повлечёт за собой полную противоположность итоговых результатов?
3) У Луны нет атмосферы, зачем LS обтекаемая форма?
Абсурдная обтекаемая форма на безатмосферной Луне функционально не оправдана. Обтекаемость LS нужна лишь на этапе его выведения на НОО, но для этого существуют специальные устройства, которые так и называются - обтекатели. От них избавляются сразу после прохождения атмосферы. Позже створки обтекателей обычно вылавливают из океана для повторного использования. А возить обтекатель на Луну - недопустимая роскошь.Точнее это можно было бы оправдать стремлением к многоразовости, но возвращать LS на Землю никто не собирается, а значит его форма может быть любой, лишь бы уместилась под обтекатель (диаметром, между прочим, 9 метров).
4) Хватит ли устойчивости лендеру в форме карандаша?
Кроме того, что LS имеет невыгодную форму карандаша, поставленного на торец, у него ещё и высоко задран центр тяжести (внизу пустые топливные баки, вверху 100 т. ПН), что дополнительно усложняет задачу обеспечения вертикальной устойчивости лендера во время посадки . Тут надо учесть, что посадка будет происходить на неподготовленную неровную лунную поверхность. Сочетание этих трёх факторов вызывает большие сомнения в том, что устойчивость LS во время посадки достаточно обеспечена. Поверхность в месте посадки можно подготовить, но для этого кто-то должен прежде доставить на Луну бетоноукладчик. Удивительно, что Илон Маск в качестве CEO Tesla ясно понимает необходимость и пользу понижения центра тяжести транспортного средства, но полностью игнорирует эту задачу для LS в качестве CEO SpaceX (спрашивается, это один и тот же Elon Musk или два разных?).
5) Чем тормозить в процессе посадки?
LS привезёт на Луну не только пустые (на 80%) топливные баки но и 6 ненужных двигателей Raptor. Его вес (не путать с массой) в условиях лунной гравитации перед сходом с орбиты будет составлять 74 тонны, а перед посадкой на поверхность 47 тонн, тогда как тяга одного Раптора составляет 230 т. Казалось бы глубоким дросселированием можно добиться равенства веса LS и тяги его двигателя, но посмотрите на рисунок ниже. Нет у LS центрального двигателя, а есть связка из трёх двигателей (тягой 690 т.). Тут уж никакое дросселирование (до 7% тяги) LS не поможет. Необходим второй комплект двигателей для посадки и взлёта с Луны. А вот теперь, когда выясняется что LS нужны не только могучие лапы вместо крыльев, но и второй комплект двигателей, к любому тезису об "универсальности" Старшипа (как транспортного средства, пригодного для разных планет) - можно и нужно относиться как к пустой болтовне.
6) Неужели совмещение функций всегда полезно?
Совмещение функций, как приём конструирования, отнюдь не всегда обеспечивает положительный эффект. В данном случае LS в своей первой ипостаси (как верхняя ступень сверхтяжёлого носителя) обременяет свою вторую ипостась (лунный лендер) не только бесполезными почти пустыми баками гигантских размеров (на 1200 тонн топлива), но и комплектом из шести негодных для него двигателей. Перед нами именно тот классический случай, когда совмещать разные функции в одном устройстве нелепо. Единственный выход - разделить функции верхней ступени носителя и функции лунного лендера между ДВУМЯ отдельными аппаратами. К Луне логичнее отправить грузовой Starship, в чреве которого будет находиться соразмерный Ориону Lunar Lander (LL) классического типа. Кстати, Cargo Starship (в отличие от LS) можно вернуть на Землю, ведь у него есть и крылья и чешуя из термоплиток. Хватит ли ему для этого маневра топлива? Об этом можно не беспокоиться, потому что отлёт к Земле требует топлива меньше, чем посадка на Луну и взлёт с её поверхности для возвращения к находящемуся на орбите ИСЛ Ориону (этапы 6 и 8 миссии). В следующей лунной миссии Cargo Starship должен будет доставить на орбиту ИСЛ уже лишь топливо для LL и грузовой отсек с новой полезной нагрузкой (но об этом чуть ниже).
7) Разве полная многоразовость - догма?
Задача доставки на поверхность Луны ПН массой 100 т. (научное, энергетическое и транспортное оборудование) ставит под большой вопрос необходимость полной многоразовости лунного лендера. Возвращать на Землю всё, что будет доставлено на Луну, вовсе не требуется, поэтому грузовой отсек лунного лендера может и должен быть одноразовым, способным в каждой новой миссии доставлять на Луну новую ПН. Именно так и летают все корабли Dragon SpaceX (и грузовые и пилотируемые) - в каждом новом полёте у них новый багажник, в котором находится новая ПН. Если грузовой отсек будет расположен внизу (а не наверху, как у LS) то на 8-ом этапе он может выполнять роль стартового стола, которого LS лишён от слова "совсем". А если этот отсек будет герметичным, то из нескольких таких отсеков можно будет собрать модульную обитаемую лунную базу. Нижнее расположение ПН будет выгодно понижать центр тяжести всего лендера, особенно по мере выработки топлива в процессе его посадки на поверхность Луны. Возможный облик такого LL для программы Артемида я попытался представить на рисунке ниже.
Вывод:
Приведённые здесь вопросы должны были возникнуть у жюри конкурса NASA HLS, когда жюри выбирало победителя этого конкурса. Однако случилось то, что произошло. Я призываю NASA и Илона Маска переосмыслить подготовку миссии Artemis III, с учётом изложенных здесь доводов. Ещё не поздно предотвратить воплощение в металле изначально ошибочной концепции лунного звездолёта (пока не построен даже его макет). Тот факт, что для посадки LS на поверхность Луны нужны другие двигатели (расположенные наверху) Илон Маск ранее уже признал во время одной из экскурсий по Starbase:
Расчёт затрат топлива для выполнения всех задач миссии Artemis III.
Рассмотрим этапы 3, 4, 6 и 8 этой миссии в обратном порядке.
Взлёт с поверхности Луны и достижение орбитальной скорости V = 1,73 км/с
Формула Циолковского:
V = I * ln(M/m) , где:
I - удельный импульс для пары метан/кислород двигателя Raptor Vacuum (3,68 км/сек);
M - стартовая масса LS на поверхности Луны;
m - конечная масса LS на орбите ИСЛ, равная сухой массе LS (120 т.)
Решив уравнение:
1,73 = 3,68 * ln(M/120) , находим M = 192 т.
Таким образом для взлёта с поверхности Луны LS потребуется 72 т. топлива.
Поскольку задачей 6-го этапа является не только посадка LS на поверхность Луны, но и доставка туда полезной нагрузки (ПН), учтём это добавив к 192 т. ещё 100 т. ПН.
Тогда m - конечная масса LS после посадки должна быть 292 т. Найдём стартовую массу LS на орбите ИСЛ перед посадкой, используя ту же формулу Циолковского.
1,73 = 3,68 * ln(M/292) Стартовая масса на 6-м этапе составит 467 т.
В том числе 120 т. сухая масса LS + 100 т. масса ПН + 72 т. топлива для взлёта + 175 т. топлива для посадки.
Задача 4-го этапа - торможение возле Луны для изменения скорости LS на величину 0,82 км/сек. Посмотрим сколько топлива понадобится LS для этого маневра.
0,82 = 3,68 * ln(M/467) Стартовая масса на 4-м этапе составит 584 т.
В том числе 120 т. сухая масса LS + 100 т. масса ПН + 72 т. топлива для взлёта + 175 т. топлива для посадки + 117 т. топлива для торможения возле Луны.
Задача 3-го этапа - выведение LS на траекторию перелёта к Луне, для чего скорость надо увеличить с 1-ой космической для Земли до 2-ой на величину 3,22 км/сек.
Посчитаем сколько топлива понадобится LS для этого маневра.
3,22 = 3,68 * ln(M/584) Стартовая масса на 3-м этапе составит 1402 т.
В том числе 120 т. сухая масса LS + 100 т. ПН + 1182 т. топлива. Учитывая, что баки LS вмещают 1200 т. топлива, недолив составит всего 18 т. (1,5%).
Как видим, миссия LS (Artemis III) теоретически выполнима, но с учётом здесь изложенного нуждается в пересмотре. Кстати, руководители NASA уже объявили новый конкурс SLD (Sustaining Lunar Development), по результатам которого в мае 2023 будет выбран альтернативный лунный лендер для программы Artemis.
LM Apollo весил на Земле ~ 15 тонн. Почему LS весит 1420 тонн? Это первый вопрос, который возникает при взгляде на победивший в конкурсе NASA HLS лунный лендер компании SpaceX. Ответ прост: на LS возложено слишком много задач. Он не только должен выполнить посадку на поверхность Луны, а затем и взлёт с её поверхности астронавтов (что делал и LM Apollo), но также должен прежде решить ещё ТРИ задачи (неведомые LM Apollo): доставить себя на НОО, затем отправить себя к Луне, после чего затормозить возле Луны, с целью стыковки с кораблём Орион на орбите ИСЛ. Полный список задач (или этапов) миссии Artemis III, выпавших на долю LS приведён ниже. Расчёт затрат топлива для выполнения всех задач миссии приведён в конце этой статьи.
2) Чем вызван отказ от конструктивной приемственности двух лунных лендеров?
Артемида была сестрой Аполлона, тогда почему LS выглядит как полный антипод LM Apollo? Где их родственное сходство? Где конструктивная преемственность двух концепций лунных лендеров? Полный отказ от использования опыта разработки LM Apollo выглядит как жест неуважения и к разработчикам программы Apollo и к тем, кто эту программу полвека назад осуществил. Развитие в технике обычно происходит на основе опыта предыдущих достижений, а не на забвении триумфального опыта предков. А где гарантии, что полная альтернативность концепций (LM и LS) не повлечёт за собой полную противоположность итоговых результатов?
3) У Луны нет атмосферы, зачем LS обтекаемая форма?
Абсурдная обтекаемая форма на безатмосферной Луне функционально не оправдана. Обтекаемость LS нужна лишь на этапе его выведения на НОО, но для этого существуют специальные устройства, которые так и называются - обтекатели. От них избавляются сразу после прохождения атмосферы. Позже створки обтекателей обычно вылавливают из океана для повторного использования. А возить обтекатель на Луну - недопустимая роскошь.Точнее это можно было бы оправдать стремлением к многоразовости, но возвращать LS на Землю никто не собирается, а значит его форма может быть любой, лишь бы уместилась под обтекатель (диаметром, между прочим, 9 метров).
4) Хватит ли устойчивости лендеру в форме карандаша?
Кроме того, что LS имеет невыгодную форму карандаша, поставленного на торец, у него ещё и высоко задран центр тяжести (внизу пустые топливные баки, вверху 100 т. ПН), что дополнительно усложняет задачу обеспечения вертикальной устойчивости лендера во время посадки . Тут надо учесть, что посадка будет происходить на неподготовленную неровную лунную поверхность. Сочетание этих трёх факторов вызывает большие сомнения в том, что устойчивость LS во время посадки достаточно обеспечена. Поверхность в месте посадки можно подготовить, но для этого кто-то должен прежде доставить на Луну бетоноукладчик. Удивительно, что Илон Маск в качестве CEO Tesla ясно понимает необходимость и пользу понижения центра тяжести транспортного средства, но полностью игнорирует эту задачу для LS в качестве CEO SpaceX (спрашивается, это один и тот же Elon Musk или два разных?).
5) Чем тормозить в процессе посадки?
LS привезёт на Луну не только пустые (на 80%) топливные баки но и 6 ненужных двигателей Raptor. Его вес (не путать с массой) в условиях лунной гравитации перед сходом с орбиты будет составлять 74 тонны, а перед посадкой на поверхность 47 тонн, тогда как тяга одного Раптора составляет 230 т. Казалось бы глубоким дросселированием можно добиться равенства веса LS и тяги его двигателя, но посмотрите на рисунок ниже. Нет у LS центрального двигателя, а есть связка из трёх двигателей (тягой 690 т.). Тут уж никакое дросселирование (до 7% тяги) LS не поможет. Необходим второй комплект двигателей для посадки и взлёта с Луны. А вот теперь, когда выясняется что LS нужны не только могучие лапы вместо крыльев, но и второй комплект двигателей, к любому тезису об "универсальности" Старшипа (как транспортного средства, пригодного для разных планет) - можно и нужно относиться как к пустой болтовне.
6) Неужели совмещение функций всегда полезно?
Совмещение функций, как приём конструирования, отнюдь не всегда обеспечивает положительный эффект. В данном случае LS в своей первой ипостаси (как верхняя ступень сверхтяжёлого носителя) обременяет свою вторую ипостась (лунный лендер) не только бесполезными почти пустыми баками гигантских размеров (на 1200 тонн топлива), но и комплектом из шести негодных для него двигателей. Перед нами именно тот классический случай, когда совмещать разные функции в одном устройстве нелепо. Единственный выход - разделить функции верхней ступени носителя и функции лунного лендера между ДВУМЯ отдельными аппаратами. К Луне логичнее отправить грузовой Starship, в чреве которого будет находиться соразмерный Ориону Lunar Lander (LL) классического типа. Кстати, Cargo Starship (в отличие от LS) можно вернуть на Землю, ведь у него есть и крылья и чешуя из термоплиток. Хватит ли ему для этого маневра топлива? Об этом можно не беспокоиться, потому что отлёт к Земле требует топлива меньше, чем посадка на Луну и взлёт с её поверхности для возвращения к находящемуся на орбите ИСЛ Ориону (этапы 6 и 8 миссии). В следующей лунной миссии Cargo Starship должен будет доставить на орбиту ИСЛ уже лишь топливо для LL и грузовой отсек с новой полезной нагрузкой (но об этом чуть ниже).
7) Разве полная многоразовость - догма?
Задача доставки на поверхность Луны ПН массой 100 т. (научное, энергетическое и транспортное оборудование) ставит под большой вопрос необходимость полной многоразовости лунного лендера. Возвращать на Землю всё, что будет доставлено на Луну, вовсе не требуется, поэтому грузовой отсек лунного лендера может и должен быть одноразовым, способным в каждой новой миссии доставлять на Луну новую ПН. Именно так и летают все корабли Dragon SpaceX (и грузовые и пилотируемые) - в каждом новом полёте у них новый багажник, в котором находится новая ПН. Если грузовой отсек будет расположен внизу (а не наверху, как у LS) то на 8-ом этапе он может выполнять роль стартового стола, которого LS лишён от слова "совсем". А если этот отсек будет герметичным, то из нескольких таких отсеков можно будет собрать модульную обитаемую лунную базу. Нижнее расположение ПН будет выгодно понижать центр тяжести всего лендера, особенно по мере выработки топлива в процессе его посадки на поверхность Луны. Возможный облик такого LL для программы Артемида я попытался представить на рисунке ниже.
Вывод:
Приведённые здесь вопросы должны были возникнуть у жюри конкурса NASA HLS, когда жюри выбирало победителя этого конкурса. Однако случилось то, что произошло. Я призываю NASA и Илона Маска переосмыслить подготовку миссии Artemis III, с учётом изложенных здесь доводов. Ещё не поздно предотвратить воплощение в металле изначально ошибочной концепции лунного звездолёта (пока не построен даже его макет). Тот факт, что для посадки LS на поверхность Луны нужны другие двигатели (расположенные наверху) Илон Маск ранее уже признал во время одной из экскурсий по Starbase:
Расчёт затрат топлива для выполнения всех задач миссии Artemis III.
Рассмотрим этапы 3, 4, 6 и 8 этой миссии в обратном порядке.
Взлёт с поверхности Луны и достижение орбитальной скорости V = 1,73 км/с
Формула Циолковского:
V = I * ln(M/m) , где:
I - удельный импульс для пары метан/кислород двигателя Raptor Vacuum (3,68 км/сек);
M - стартовая масса LS на поверхности Луны;
m - конечная масса LS на орбите ИСЛ, равная сухой массе LS (120 т.)
Решив уравнение:
1,73 = 3,68 * ln(M/120) , находим M = 192 т.
Таким образом для взлёта с поверхности Луны LS потребуется 72 т. топлива.
Поскольку задачей 6-го этапа является не только посадка LS на поверхность Луны, но и доставка туда полезной нагрузки (ПН), учтём это добавив к 192 т. ещё 100 т. ПН.
Тогда m - конечная масса LS после посадки должна быть 292 т. Найдём стартовую массу LS на орбите ИСЛ перед посадкой, используя ту же формулу Циолковского.
1,73 = 3,68 * ln(M/292) Стартовая масса на 6-м этапе составит 467 т.
В том числе 120 т. сухая масса LS + 100 т. масса ПН + 72 т. топлива для взлёта + 175 т. топлива для посадки.
Задача 4-го этапа - торможение возле Луны для изменения скорости LS на величину 0,82 км/сек. Посмотрим сколько топлива понадобится LS для этого маневра.
0,82 = 3,68 * ln(M/467) Стартовая масса на 4-м этапе составит 584 т.
В том числе 120 т. сухая масса LS + 100 т. масса ПН + 72 т. топлива для взлёта + 175 т. топлива для посадки + 117 т. топлива для торможения возле Луны.
Задача 3-го этапа - выведение LS на траекторию перелёта к Луне, для чего скорость надо увеличить с 1-ой космической для Земли до 2-ой на величину 3,22 км/сек.
Посчитаем сколько топлива понадобится LS для этого маневра.
3,22 = 3,68 * ln(M/584) Стартовая масса на 3-м этапе составит 1402 т.
В том числе 120 т. сухая масса LS + 100 т. ПН + 1182 т. топлива. Учитывая, что баки LS вмещают 1200 т. топлива, недолив составит всего 18 т. (1,5%).
Как видим, миссия LS (Artemis III) теоретически выполнима, но с учётом здесь изложенного нуждается в пересмотре. Кстати, руководители NASA уже объявили новый конкурс SLD (Sustaining Lunar Development), по результатам которого в мае 2023 будет выбран альтернативный лунный лендер для программы Artemis.
Post Scriptum:
нужно отметить, что способность Cargo Starship выводить на НОО 100 тонн
полезной нагрузки полностью отменяет необходимость привлечения
фантастической технологии орбитальной дозаправки. Сто тонн на НОО
вполне достаточно для отправки к Луне комплекса, состоящего из
разгонного блока (аналогичного DCSS
для
SLS) и
лунного лендера (соразмерного кораблю Орион). Поэтому создание Cargo
Starship представляется гораздо более актуальной задачей, чем
разработка столь уязвимого для критики LS. Примерно таким же двупуском
и Китай намерен в ближайшем будущем доставить своих хантяньюаней на
Луну. Нет никаких сомнений, что китайцы не станут для этого
изобретать технологии орбитальной дозаправки, а используют проверенные
временем, надёжные технические решения.
