Поиск

Тенденции развития космонавтики


    В одном из обзоров уважаемого tenergy справедливо отмечается, что в ближайшее время современный “ренессанс космической многоразовости“ от SpaceX столкнется с ограничением рынка космических нагрузок. Бурное развитие электроники привело к резкому снижению потребности в запусках в космос в 21 веке по сравнению с 20 веком:
            Количество запусков в космос в разные годы космической эры. Источник

  Тут можно упомянуть переход от пленочных возвращаемых спутников к спутникам, использующим ПЗС-камеры, так и увеличение гарантийного ресурса космических аппаратов от нескольких месяцев до 10-15 лет. Эти тенденции стали одной из основных причин экономической неэффективности системы “Спейс Шаттл“. В начале разработки космического челнока в 1970 году говорилось, что для его экономической окупаемости необходимо совершать не менее 30 запусков в год при полном отказе от одноразовых ракетоносителей. Это предполагало грузопоток в космос равный примерно 900 тонн в год, для сравнения в то время он составлял в США менее 150 тонн в год. В реальности, как известно, максимальное количество запусков в год, достигнутое челноками составило 9 в 1985 году. При попытке выйти на уровень один запуск в 2 недели (25 запусков в год) произошла катастрофа “Челленджера“. Из-за сложности межполетного обслуживания система "Спейс Шатлл" так и не стала экономически окупаемой по сравнению с одноразовыми носителями.
   В нынешнем десятилетии компания SpaceX вновь попыталась сделать многоразовые технологии экономически окупаемыми. Но для этого необходимо увеличить количество запусков в космос до нескольких сотен год. В этом направлении возлагаются надежды на два направления:
1) Увеличение количества и общей массы запускаемых спутников

 В настоящее время каждый год в космос запускаются спутники общей массой в несколько сотен тонн:

Графики выводимой массы космических объектов по всем годам космической эры:

 Обозначения: PL – полезная нагрузка и RB – ступень ракеты.
 Как видно из графиков выше наибольший вклад в ежегодно запускаемую массу вносили челноки программы “Спейс Шаттл” (максимум совпадает с максимальным количеством полетов челноков в 1985 году). В связи с этим интересно отметить, что в 2004 году (год, в котором полеты челноков не осуществлялись) масса запущенных космических аппаратов значительно ниже, чем в 2012-2016 годах. Общая масса космических аппаратов и ступеней РН на орбите в настоящее время превышает 8 тысяч тонн:

   Из них на спутники приходится примерно половина от этой массы:

  На выше приведенном графике сокращение EGO (Extended Geostationary Orbit) обозначает орбиты выше геостационарной орбиты (с большой полуосью между 37948 и 46380 км, e < 0.25, i < 25°), а NSO (Navigation Satellites Orbit) орбиты навигационных спутников (50° < i < 70°, с высотой орбиты между 18100 и 24300 км). Расшифровку остальных обозначений можно посмотреть здесь.
  Как видно из вышеприведенных графиков большая часть от массы спутников приходится на геостационарную орбиту. Плотность расположения там космических аппаратов является наиболее высокой:
 Масса геостационарных спутников в последние десятилетия обладает тенденцией роста от 60 кг-аппаратов 60х годов 20 века до 6-7 тонн в 21 веке. Увеличение средней массы геостационарных спутников в 21 веке:

 Основной причиной увеличения массы геостационарных спутников является растущая переполненность геостационарной орбиты:

 Большим минусом геостационарных спутников стала большая временная задержка, а так же неохват полярных регионов. В связи с этим ещё в конце 20 века получили развитие низкоорбитальные системы связи, состоящие из сотни спутников массой в 500-700 кг – Иридиум и Глобалстар. Первоначально развертывание этих систем проходило в условиях низкого спроса, что привело даже к их банкротству. Тем не менее, в последние годы обе этих системы были обновлены на похожие спутники второго поколения. Одновременно примерно в те же годы была предпринята попытка создать ещё более крупное созвездие низкоорбитальных спутников связи – Teledesic, состоящее из 288 спутников на орбитах высотой в 1400 км. В 1998 году в космос был отправлен даже прототип спутника созвездия – космический аппарат массой 120 кг. Высота его орбиты составила около 600 км. После этого компания Teledesic обанкротилась.
 В последние годы планы создания спутниковых группировок, состоящих из нескольких сотен спутников связи, снова начали активно развиваться. В 2018 году ожидается запуск прототипов сразу 3 таких систем:
 a) В недавнем неудачном запуске с космодрома Восточный был потерян 70-кг прототип разрабатываемого созвездия компании Telesat, которое будет состоять из 290 низкоорбитальных спутников связи (первоначально речь шла о 117 спутниках). Второй прототип будет запущен индийской ракетой в начале наступившего года.

 b) В январском запуске SpaceХ с радарным спутником Paz в космос отправятся два прототипа (Microsat-2a и Microsat-2b) массой по 400 кг будущей низкоорбитальной системы связи. Сообщается, что прототипы построены в SpaceХ, и их запуск является одним из самых ожидаемых событий 2018 года от SpaceХ:

 По планам новое созвездие SpaceХ может состоять из 10 тысяч спутников (до 4425 для Ka- и Ku-диапазона и до 7500 для V-диапазона).
 c) И наконец, в 2018 в космос на российском “Союзе“ отправятся первые 10 спутников системы OneWeb, которая будет состоять из 648-900 125-кг спутников, работающих на высоте в 1200 км. Ожидается, что стоимость каждого спутника за счет массового производства будет снижена до половины миллиона долларов.

  Несложно посчитать, что спутники всех трех вышеперечисленных созвездий будут обладать суммарной массой до 4 тысяч тонн, что в 40 раз больше чем суммарная масса созвездий Иридиум и Глобалстар или масса челнока. Остаётся лишь вопрос будут ли реализованы эти планы. Одним из главных преимуществ создаваемых созвездий перед наземными системами связи называется обеспечение связью морского и воздушного транспорта. Так, к примеру, за 2017 год коммерческая авиация совершила почти 37 миллионов полетов и перевезла порядка 4 миллиардов человек. Прогнозы говорят, что к 2036 году пассажирооборот мировой авиации вырастет до 8 миллиардов человек. График ежегодного роста пассажиро-километров в мировой авиации:

Альтернативой спутниковой связи в океанах являются лишь плохоразвитое направление высотных самолетов и дирижаблей или заякоренных буев (с километровыми тросами, наподобие метеорологических систем или тихоокеанской системы предупреждения цунами). Схема океанского буя для тихоокеанской системы предупреждения о цунами DART II:

  Расположение буев системы DART:

 Другими тенденциями последних десятилетий стала минитюаризация спутников (особенно для дистанционного наблюдения) и быстрый прогресс в развитии спутниковых группировок небольших государств. Если в 20 веке СССР/Россия и США осуществляли больше 80% запусков в космос:

то к 2017 году эта доля упала до 50%. По причине быстрого развития коммерческого сектора большинство запускаемых сегодня спутников являются коммерческими:

 На двух диаграммах выше показаны данные на 4 октября 2017 года (к этому времени было запущено в общей сложности 8593 космических аппаратов). Средняя масса низкоорбитальных спутников (в отличие от геостационарных) за 21 век снизилась в несколько раз:

 Число работающих спутников за последние 5 лет выросло в 1.5 раза (с тысячи до 1.5 тысяч):

 К концу 2017 года это число достигло 1738:

В целом статистика говорит о том, что растет число запускаемых спутников не только на низкую околоземную орбиту, но и на геостационарную орбиту:

 Прогноз европейской организации Euroconsult от 2016 года сообщает о том, что до 2025 года в среднем каждый год будет запускаться примерно 145 спутников с массой больше 50 кг. Если же в этот прогноз включить космические аппараты с массой меньше 50 кг, а также мегасозвездия OneWeb и SpaceХ, то общее количество запускаемых спутников в ближайшие 10 лет вырастет до 9 тысяч (по сравнению с 1480 аппаратами, запущенными за прошлое десятилетие). Стоимость создания и запусков спутников первой и второй категории составит 250 и 270 млрд. долларов соответственно. Из этих аппаратов 880 будут созданы для правительственных агентств 60 стран мира с общей стоимостью в 193 млрд. долларов.

 В обновленном прогнозе от 2017 года идет речь о 3 тысячах спутников, массой больше 50 кг, которые будут запущены к 2026 году с общей стоимостью в 304 млрд. долларов. Для сравнения средние затраты на изготовление спутников в 2012-2016 годах составили около 15 миллиардов долларов:
2) Развитие космического туризма
 Вторым фактором, который может увеличить количество запусков в космос является космический туризм, как разновидность экстремального туризма. В настоящее время государственные космические агентства крайне неохотно соглашаются на использование своих космических кораблей частными лицами. Всем памятна история первого космического туриста Денниса Тито, которому NASA даже запретило посещение американского сегмента МКС. К настоящему времени в космос за свои деньги слетали только 7 человек (2001-2009 годы). Для сравнения всего к этому времени осуществлены 1254 человеко-полетов в космос 553 космонавтов из 40 стран (некоторые из них слетали по 7 раз). Смертельными стали 18 человеко-полетов или 1.4%. Эта доля значительно ниже, чем смертность при восхождении на любой из восьмитысячников в 2008 году:

 К настоящему времени вышеприведенные показатели несколько снизились: Аннапурна (32%) и Эверест (3.5%). К середине 2017 года число побывавших на Эвересте выросло до 8291 человек, из них 294 погибли. На восьметысячники до сих пор невозможна посадка ни одного типа летательных аппаратов (вертолеты могут лишь кратковременно зависнуть и коснуться снежной поверхности вершины). Для сравнения из 37 миллионов полетов коммерческой авиации в 2017 году смертельным исходом окончились только 10 полетов (в них погибло 35 человек). Этот показатель стал минимальным с 1946 года. При объедении этой статистики с полетами военно-транспортных и правительственных самолетов число авиакатастроф вырастает до 24 (в них погибло в общей сложности 230 человек).
 Большим потенциалом при создании туристической инфраструктуры на околоземной орбите обладают надувные конструкции. В 2006-2007 годах компания Bigelow Aerospace запустила на орбиту два прототипа надувного модуля с объемом по 11.5 кубических метров. В 2016 году к МКС был пристыкован дополнительный модуль BEAM этой же компании общим объемом уже 16 кубических метров и стоимостью 17.8 млн. долларов. Недавно NASA продлило его использование до 2020 года, после чего планируется провести испытания модуля BA330 (общий объем 330 кубических метров, диаметр 6.7 метров, длина 13.7 метров), созданного для размещения 6 человек. Его масса составит 20 тонн (для сравнения масса модуля Destiny с объемом в 110 кубических метров составляет 15 тонн).

  В планах компании есть и модуль BA 2100 (“Олимп“) массой 65-70 тонн, общим объемом 2250 кубических метров. Новый модуль длиной 17.8 метров при диаметре 12.6 метров будет способен разместить 16 человек. Модель модуля:

za-neptunie.livejournal.com

Добавить комментарий