Strona główna » transport » Taniej na orbitę

Taniej na orbitę

Archiwum

Po próbie rozszerzenia granic cywilizacji w latach 60-tych, ekspansja człowieka poza nasza planetę ograniczyła się do wysyłania satelitów wspomagających obserwację i komunikację na Ziemi oraz niezbyt licznych projektów obserwacji Kosmosu.

Główną przyczyną tego jest obłędny koszt wysyłania ładunku, który sprawia, że większość przedsięwzięć teoretycznie możliwych nie ma żadnego ekonomicznego sensu.

W takim razie rozsądny człowiek zadaje pytanie- dlaczego to jest takie drogie?

Następnie można udzielić mnóstwa różnych odpowiedzi, że to jest skomplikowana technologia, rządy ją monopolizują z powodów militarnych i podać pięćset innych quasi-uczonych usprawiedliwień. Ja tego nie kupuję, spójrzmy na prawdziwe fundamenty.

Fizyczna rzeczywistość jest taka, że aby coś pozostało w kosmosie, to przede wszystkim nie może spaść na Ziemię. Aby to było możliwe, potrzebna jest po prostu prędkość. Tak duża, aby opadanie wskutek działania grawitacji było równe krzywiźnie Ziemi.

W związku z tym, że zarówno grawitacja jak też krzywizna Ziemi* są możliwe do dokładnego policzenia i policzone zostały, to i obliczenie tej prędkości nie stanowi większego problemu. Wynosi ona 7,9 km/s, czyli dość dużo.   Na tyle dużo, że w pobliżu powierzchni Ziemi tarcie powietrza prędzej czy później (raczej prędzej) odparowałoby każdą substancję i cokolwiek byśmy próbowali tak rozpędzić, stałoby sie  tylko odrobiną tlenków i pyłu w powietrzu. Z tego bardzo prostego powodu tę prędkość można osiągnąć i utrzymać jedynie w miejscu, gdzie atmosfery jest wystarczająco mało, aby nie robiła problemów. Czyli co najmniej 100, a faktycznie 200 km nad poziomem morza. Gdzie zresztą prędkość orbitalna jest nieco mniejsza, jest też zależna od kształtu trajektorii, więc w rzeczywistości bardziej powinniśmy mówić o ilości energii kinetycznej, ale dopóki któryś z Czytelników nie będzie sam budował pojazdu orbitalnego, to możemy tę różnicę odpuścić. A jak ktoś ma zamiar budować, to polecam źródła bardziej wyczerpujące temat niż niniejszy wpis.

Oznacza to, że potrzebujemy napędu, który:

  1. będzie działać bez atmosfery,
  2. szybko dostarczy olbrzymich ilości energii i
  3. pozwoli na osiągnięcie prędkości 30 tys. km/h.

W całości te warunki spełnia silnik rakietowy, czyli taki, gdzie do zewnętrznej komory spalania dostarcza się wszystkie składniki reakcji. Pewnie dlatego nikt jeszcze nie użył niczego innego do transportu na orbitę. Problem i to niemały, polega na tym, że „wszystkie składniki” oznaczają zazwyczaj paliwo i utleniacz. Paliwo to paliwo, prosta sprawa, a jeśli mówimy o czymś przypominającym olej napędowy to nawet bezpieczna. Ale potrzeba drugiego składnika, dzięki któremu paliwo zostanie spalone. W pierwszych wytworach von Brauna, tych służących do demolowania Londynu oraz zapobieganiu demolowania Berlina używano 70% wody utlenionej. Co miało bardzo fajne cechy, że zaledwie korodowało wszystko i wybuchało w kontakcie z każdą substancją organiczną, ale przynajmniej można było składować w zwykłych temperaturach. Oraz taki utleniacz był po prostu bardzo ciężki. Ciężki jest każdy, bo najbardziej podstawowa, dostarczająca najwięcej energii reakcja spalania to łączenie wodoru z tlenem. Gdzie stosunek masy paliwa do utleniacza wynosi 2:16, czyli potrzeba ośmiokrotnie więcej masy  utleniacza niż paliwa. Skoro potrzebujemy sporej prędkości i zabieramy ze sobą cały tlen, to, jak można się domyślić, paliwo i utleniacz stanowią większość wagi rakiety, a na ładunek pozostaje bardzo, bardzo mało. Jak mało? Otóż 1,5% ładunku użytecznego w całkowitej masie to jest już bardzo dobry wynik. Co też oznacza, że na każdy gram ładunku użytecznego potrzeba 50 gramów paliw. Co oznacza, że każda, dokładnie każda minimalizacja masy pozwala na drastyczne poprawienie wydajności. I dopiero w tym miejscu projektowanie pojazdów wynoszących ładunki na orbitę jest rzeczą wymagającą solidnych kwalifikacji. Oraz odpowiada też na drugie pytanie- dlaczego rakiety nośne nie mają skrzydeł, które by pomogły w wyniesieniu i ewentualnym powrocie i innych podobnych gadżetów. Bo zeżarłoby to cały możliwy ładunek użyteczny lub wymagało jeszcze większych rakiet nośnych. Tak jak na przykład Space Shuttle ważył sto ton pod pretekstem możliwości wielokrotnego użytku, dzięki czemu przy porównywalnych możliwościach praktycznych wymagał 3-5 krotnie większych rakiet niż inne systemy.

Podstawowym sposobem oszczędzania masy jest zwyczajne wyrzucanie tego co niepotrzebne. Dlatego rakiety orbitalne składają się z wielu członów odrzucanych w trakcie podróży i dlatego są jednorazowe. Bo jakikolwiek system powrotu po prostu swoje waży.

Cóż, budowanie wielkich pojazdów, które są starannie zaprojektowane i wykonane, a następnie wyrzucanie ich po każdym użyciu musi kosztować. Aby zrobić to taniej trzeba zrobić te pojazdy mniejszymi, wielokrotnego użytku oraz wytwarzać je w tańszy sposób.

Mniejszy pojazd oznacza po prostu mniej mniej utleniacza, a jeszcze lepiej również mniej paliwa. Wielokrotnego użytku oznacza rozwiązanie problemu powrotu i lądowania w stanie nadającym się do powtórnego użytku. Tańszy sposób wytwarzania oznacza właśnie to- lepsze metody produkcji, czyli tańszą obróbkę i montaż.

W związku z tym, że prawie wszystkie współczesne systemy transportu orbitalnego wywodzą się bezpośrednio z niemieckiej twórczości wdrożonej do produkcji w 1944 roku, to i są dostosowane do ówczesnych możliwości obróbki. Co jest oczywistym idiotyzmem, z którym cokolwiek zrobił dopiero Elon Musk i SpaceX. Zastosowanie po prostu współczesnych metod projektowych, spawalniczych i produkcyjnych nagle obniżyło koszty kilkukrotnie bez innych większych zmian. Nadal transport odbywa się rakietami, które zabierają ze sobą cały zapas utleniacza, nadal nie są powtórnie wykorzystywane i nadal ładunek użyteczny stanowi drobny ułamek masy startowej. Ale przynajmniej oszczędności masy były wystarczające na zainstalowanie systemu odzyskiwania pierwszego członu. Który co prawda jeszcze nigdy nie został powtórnie wykorzystany, ale SpaceX nie jest od tego daleko. A przynajmniej bliżej niż gdyby pozostali przy  projektach von Brauna, które z von Braunem we własnej osobie trafiły do USA, ale jego rysunki i obliczenia z Armią Radziecką prosto z Niemiec do Moskwy.

Skoro już wiemy, że większość transportu orbitalnego jest żenująco przestarzała,  a jedyny współczesny system, mający związek z dzisiejszymi metodami wytwarzania oferuje SpaceX **, to co może być przyszłością?

Elektryfikacja, jak zawsze. Elon Musk twierdzi, że każdy transport zostanie zelektryfikowany, bo to najbardziej efektywny sposób zasilania transportu, ale z wyjątkiem rakiet, bo to zawsze będzie niemożliwe. Co do rakiet w sporej części ma rację (nie w całości). Ale jeśli zmienimy problem na „transport z Ziemi na orbitę” to już nie tak bardzo.

Ma zupełną rację, że dziś, ani w przewidywalnej przyszłości nie będzie możliwe dostanie się na orbitę za pomocą jednego rodzaju napędu innego niż rakietowy. Ale przecież nie musimy korzystać z jednego rodzaju napędu, nieprawdaż?

Wpis robi się nieco długi, więc potraktujmy go jako wstęp, a później podzielimy naszą podróż bezrakietową na orbitę na trzy zupełnie różne etapy.

* Uwaga dotycząca neutralności naukowej i krzywizny Ziemi: Na tym blogu dyskryminuje się przedstawicieli poglądu polegającego na twierdzeniu, że Ziemia jest płaska oraz innych podobnie umocowanych w aktualnym stopniu wiedzy o świecie.

** Zanim ktoś zacznie ze mną polemizować „bo mu się wydaje” na tematy obróbki metali, to bardzo polecam zapoznanie się z hasłami „stir welding”, wymaganiami dotyczącymi kształtu przewodów doprowadzających do dysz silników rakietowych i w związku z tym możliwościami dzisiejszego druku 3D. A potem zapraszam do dyskusji.

Reklamy

13 Komentarzy

  1. PawelW pisze:

    Fajne artykuly o SpaceX tutaj sa:

    1) http://waitbutwhy.com/2016/09/spacexs-big-fking-rocket-the-full-story.html
    2) http://waitbutwhy.com/2015/08/how-and-why-spacex-will-colonize-mars.html

    Tym niemniej z podzieleniem transportu na różne stadia może być bardzo ciekawie jak uda się zrobić windę orbitalna 🙂
    https://pl.wikipedia.org/wiki/Winda_kosmiczna

  2. Winda orbitalna na dziś nie jest kwestią przyszłości technologii tylko zakresem S-F. Nie wiadomo jak rozwiązać bardzo wiele podstawowych problemów, od samego unobtanium jako materiału konstrukcyjnego zaczynając, ale bynajmniej to nie koniec.

  3. A te teksty o SpaceX akurat czytałem w zeszłym tygodniu 🙂 Zresztą baardzo polecam przeczytanie całego cyklu o Musku i okolicach

  4. PawelW pisze:

    Z windą owszem jeszcze to jest raczej kwestia SF, jednakże widzisz… duży zakres dzisiaj nas otaczającej technologi (smartphony, laptopy, komunikacja przy pomocy obrazu obojętnie gdzie na planecie jestes itd) był z punktu widzenia Startreków końcem lat 80tych a początkiem 90tych tematyką SF… minęło niecałe 30 lat i poza prędkością warp, podróżami międzygwiezdnymi i teleportacją to wszystko co tam pokazywali jest dziś naszą codziennością.

    Przedwczoraj w Norymberdze byłem na pokazie Siemensa odnośnie technologi holograficznej… powoli idzie to w kierunku holodecku jako narzędzia zarówno rozrywkowego jak i inżynierskiego 🙂

    Oceniam, że przy takim postępie technologicznym dożyję momentu uruchomienia tej windy 🙂 a może i nawet załapię się na podróż na Marsa o czym od ponad 20 lat marzę.

  5. Ale każda z tych rzeczy była teoretycznie możliwa. Wiadomo było jakich materiałów użyć i jak je połączyć. Tyle, że nikt się nie spodziewał tak szybkiej masowej produkcji i upowszechnienia. Z windą orbitalną sytuacja bardziej przypomina mówienie o smartfonach przed wynalazkiem tranzystora, a może i w ogóle triody. Teoretycznie możliwe, ale nikt nie wie jak miałoby to działać i z czego być zrobione. A od tranzystora do iPhone’a minęło pół wieku.
    Za to nawet względnie masowa i tania podróż na Marsa- Elon Musk dokładnie opisał jak zamierza to zrobić i to zrobi w ramach dzisiejszej techniki. Ja w tym cyklu opiszą jak można to zrobić za ćwierć jego ceny jutrzejszą techniką, która wiadomo, że będzie i mniej- więcej wiadomo kiedy.

  6. brysio pisze:

    A dyskryminujesz zwolenników pogladu że do „zamachu smoleńskiego” doprowadzili Błasik z PLK?

  7. Migrant Worker pisze:

    Maczeto, wspomnij też proszę w następnych częściach do czego tanie loty na orbitę mogą być wykorzystane. Rozumiem przez to rzeczy, które nie mogą być zrealizowane przy pomocy obecnych, drogich metod wynoszenia obiektów na orbitę. Jak się nad tym zastanowiłem, to żadna zupełnie nowa rzecz mi nie przyszła do głowy; ale tematyki eksploracji kosmosu nie śledzę, więc mam prawo nie wiedzieć.

  8. Jeśli chodzi ci o oficjalną wersję rosyjsko- milerowską to tak. Ma tyle wspólnego z fizyką, co teoria płaskiej Ziemi.

  9. brysio pisze:

    A jaka jest prawda? Ile było tych wybuchów i na jakiej wysokości nastąpiły? Nawiasem mówiąc mam ubaw połączony z przerażeniem kiedy na twitterzeze wypowiada się Wosztyl. Ten od „Tu pizda jest ale możesz spróbować”. No i spróbowali…

  10. Nie wiem jaka jest i kompletnie nie mam informacji, aby sobie wyrobić zdanie. Ale względnie potrafię odróżnić brednie od rzeczy, które mogą być prawdziwe.

  11. brysio pisze:

    Streszczając. Dla prawdziwego wojskowego twardziela jakies głupie minima i tym podobne bzdury nie mają znaczenia. On ląduje jak chce i kiedy chce. W Smoleńsku była tylko jedna dziwna rzecz. Że doszło do niego tak późno! System okazał się nieodporny dopiero na połączenie Błasika z Kaczyńskim.

  12. Tu kończymy rozmowę n ten temat. A właściwie już ja skończyliśmy.

  13. Wojtek inzynier pisze:

    [wyedytowany]
    Przepraszam, ale już wyżej napisałem, że ten temat tu zakończyliśmy. Redakcja

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj / Zmień )

Zdjęcie na Google+

Komentujesz korzystając z konta Google+. Wyloguj / Zmień )

Connecting to %s

Follow rewolucja energetyczna on WordPress.com
%d blogerów lubi to: