Proč a jak zlevnit kosmonautiku
Tento
článek vznikl jako podklad pro přednášku na KNP
2002.
Obsah:
- Proč zlevnit kosmonautiku?
- Jak zlevnit kosmonautiku?
- Programy SLI a ASTP
Proč
zlevnit kosmonautiku?
Protože její cena zatím neodpovídá možným praktickým přínosům a neumožňuje
její větší rozvoj.
Doprava na LEO stojí cca 10000 USD/kg (1 tuna za 10 mil. USD). Nejlevnější
je Proton za cca 5000 USD/kg, což je technologie 60. let 20. století. Od té
doby se cenu za dopravu nepodařilo snížit. Proč? Důvodů je určitě více. Kromě
zřejmých technologických a investičních (finančních) problémů, jsou zde i důvody
méně zřejmé, jako například nevhodný směr vývojových investic (investice nepřinášejí
odpovídající výsledky) a hlavně relativně malý tlak na snižování ceny za dopravu,
protože i ceny užitečných zatížení (družic) zůstávají vysoké.
Samotná
družice běžně stojí cca 100000 USD/kg (1 tuna za 100 mil. USD). Doprava tedy
činí jen 10% celkové ceny družice (a cena dopravy tedy není rozhodující). Proč
jsou družice tak drahé? Protože musí pracovat ve velmi nehostinném prostředí,
daleko od uživatele a prakticky bez možnosti opravy. Přitom je třeba snažit
se o co nejnižší hmotnost (kvůli ceně dopravy) a co nejmenší spotřebu energie
(protože energetické zdroje na oběžné dráze jsou omezené a drahé).
Výše uvedenými cenami se kosmonautika zcela vymyká běžným pozemským zvyklostem.
Přitom například automobilová i letecká doprava jsou na Zemi navzájem zhruba
stejně drahé a činí cca 100 USD/kg na cestu kolem světa (což je srovnatelné
s cestou na nízkou oběžnou dráhu). Podobně i technicky nejdokonalejší pozemská
zařízení (mobilní telefony, hi-tech elektronika, letadla, zbraně) stojí vždy
zhruba 1000 USD/kg (maximálně 10000 USD/kg). Optimální by tedy bylo snížit ceny
v kosmonautice řádově 100 krát (dopravu i družice). Dále uvidíme, že to není
jen moje utopická vize.
Jak zlevnit kosmonautiku?
Máme
zhruba tyto obecné možnosti:
- vyvinout zcela nové technologie (to je drahé, zdlouhavé a
nejisté, ale přesto nejnadějnější)
- zjednodušit, zmenšit a zlehčit (plným využitím stávajících
technologií a dosud získaných zkušeností)
- použít levnější pozemské technologie (jsou mnohonásobně ověřené
a hromadně vyráběné)
- použít nové přístupy a principy (jednoduchá vylepšení, ale
i nějaké zcela převratné objevy)
V nějaký převratný objev můžeme jen věřit, ale ostatní postupy jsou zcela reálné.
Osobně si myslím že obrovský potenciál je ještě v plném využití klasických pozemských
technologií v kosmonautice. Prvních deset let (v 60. letech 20. století) kosmonautika
přispívala k rychlému rozvoji pozemských technologií. Pak se na třicet let odmlčela
a pozemská technologie ji mezitím svou úrovní předstihla. Teď přišla vhodná
doba, aby se vše plně využilo a vrátilo kosmonautice.
U zmenšování a zlehčování jde o relativní zlevnění. Pokud například stejných
funkcí dosáhneme pomocí zařízení 10 x menšího a lehčího než dnes, tak automaticky
dosáhneme relativního zlevnění dopravy ve stejném poměru. Myslím, že dnešní
družice a sondy jsou zbytečně veliké a hmotné a pokud se do všeho nasadí technologie
na úrovni mobilních telefonů tak se úspěch musí dostavit. Nemusí to ale být
ještě dostatečné.
V oblasti kosmické dopravy je řada dalších možností zlepšení. Nosiče mohou
být kompletně mnohonásobně použitelné (jako dnešní letadla a automobily), mohou
mít lepší záchranné systémy (aby při havárii nedošlo ke ztrátě drahého užitečného
nákladu), mohou být zjednodušeny konstrukčně i operačně (při pozemní přípravě)
a také samozřejmě mohou být technologicky dokonalejší (výkonnější).
Nadějnou cestou dalšího zlevňování a zdokonalování kosmonautiky tedy zůstává
i vývoj zcela nových technologií. Je však třeba to dělat efektivně (rychle,
levně, správným směrem a s měřitelnými výsledky). Proto je výhodné stanovit
si dostatečně vysoké, jasné a správné cíle.
Programy SLI a ASTP
Pro
oblast dopravy do kosmu už NASA vyhlásila program, který si klade dost vysoké
a přitom jasné a ověřitelné cíle. Jedná se o Space Launch Initiative
(SLI) a týká se vývoje nových mnohonásobně použitelných kosmických nosičů (RLV
- Reusable Launch Vehicle). Klade si za cíl vyvinout tzv. 2. generaci RLV, která
několikanásobně zlepší parametry současné 1. generace RLV (STS), což je dnes
10000 USD/libru a 250 misí na jednu ztrátu posádky (pravděpodobnost havárie)
[250 při startu a 500 při přistání].
2. generace RLV má sloužit kosmické dopravě:
- 10 x levněji a 100 x bezpečněji než dnes
- 1000 USD/libru (cca 2000 USD/kg) a 10000 misí na jednu ztrátu posádky
- do roku 2010
- s nosností kolem 30 tun (zaměření na geostacionární družice)
Dalším
cílem SLI je získat mnohem větší podíl na trhu s kosmickými nosiči.
V roce 2001 byla zahájena první fáze SLI a cca 20 soukromých firem získalo
kontrakty na úvodní studie. Po jednom roce první fáze skončila. Dne 30.04.2002
byly zveřejněny návrhy některých firem (Boeing, Lockheed Martin a Orbital/Northrop
Grumman). Celkem bylo prezentováno asi 15 návrhů. Do konce roku 2002 budou možné
přístupy zredukovány na 3 a v roce 2003 budou do závěrečného kola soutěže vybrány
dva nejlepší koncepty. NASA počítá s investicemi do SLI zhruba ve výši 1 mld.
USD ročně.
Existuje však také program Advanced Space Transportation Program (ASTP),
který jde ještě mnohem dále. Klade si za cíl vyvinout 3. a 4. generaci RLV s
vynikajícími parametry.
3.
generace RLV:
- 100 x levněji a 10000 x bezpečněji než dnes
- 100 USD/libru a 1000000 misí na jednu ztrátu posádky
- do roku 2025
4. generace RLV:
- 1000 x levněji a 20000 x bezpečněji než dnes
- 10 USD/libru a 2000000 misí na jednu ztrátu posádky
- do roku 2040
Je tedy vidět, že už 3. generace RLV se velmi blíží mnou předpokládané optimální
ceně a 4. generace RLV ji ještě snižuje.
Po
nasazení 4. generace RLV by pak mělo být samozřejmostí například:
- kosmická turistika a cestování
- kosmický průmysl (orbitální průmyslové zóny)
- kosmické elektrárny
- kosmické nemocnice
- těžba a zpracování surovin z asteroidů
- celosvětová doprava do 2 hodin
zkrácení
doby meziplanetárních letů
Jak ale na to? Jakým způsobem chtějí vědci a technici stanovených cílů
dosáhnout? Už krátce po zahájení vývoje se objevily první náměty na řešení.
2. generace RLV:
- záchranný systém pro posádku
- zefektivnění pozemní přípravy
technologické
pokroky v konstrukci, pohonu, řízení, navigaci a monitorování stavu nosiče
3. generace RLV:
- pohony se spalováním vzdušného kyslíku (hypersonické, náporové)
- rekonfigurace pohonného systému za letu (proudový/náporový/raketový)
- magnetická levitace (start magnetickým katapultem)
- inteligentní monitorovací systémy (predikující stav systémů nosiče)
4.
generace RLV:
- jaderná fůze
- antihmota
- externí dodávka energie (napájení)
- kosmický výtah
Dnes již máme možnost porovnat tyto první ideové náměty s konkrétními myšlenkami,
představenými jednotlivými firmami v rámci SLI dne 30.04.2002:
Lockheed
Martin:
- oddělená doprava posádky a nákladu (náklad automaticky, posádka bez
nákladu)
- záchranný systém pro posádku
- speciální náběžné hrany křídel (ke zvýšení doletu a manévrovatelnosti
při přistání)
- tajemství dosažení hranice 1000 USD/libru spočívá v efektivnější pozemní
přípravě a údržbě
Boeing/Rocketdyne:
-
prověřili
mnoho systémů a vybrali z nich 5, které splňují požadavky armády,
NASA i průmyslu
- nejdůležitější komponenty jsou nádrže, křídla, automatika a motory
(ty dodá Rocketdyne)
- vše se ověří na X-37
Orbital/Northrop Grumman:
- TSTO (Two Stages To Orbit) [dvojstupňový nosič]
- oddělení letů s posádkou a s nákladem
využití
letounu pro posádku jako záchranného prostředku v průběhu startu i u ISS (CRV)- snížení hmotnosti nákladu dopravovaného zpět na Zemi
- letoun pro posádku může startovat i klasickou raketou
Jak je vidět, nejedná se zatím o zvlášť revoluční návrhy. Myšlenka SSTO (předpokládaná
například u Venture Star) byla odsunuta do pozadí. Reálný vzhled prostředků
2. generace RLV mi zatím připadá dost těžkopádný a mohutný. Nejvíc se mi líbí
přístup konsorcia firem Orbital/Northrop, ale je to jen můj soukromý názor.
Program SLI i ASTP je teprve v počátečním stádiu, takže ještě
nelze spolehlivě odhadnout zda se skutečně podaří dosáhnout deklarovaných cílů,
ale věřme, že se to povede. Můžeme se také pokusit každý svým dílem nějak pomoci
(financováním, geniální myšlenkou, nebo alespoň propagací a popularizací).
Doufejme
také, že podobného vývoje se podaří dosáhnout i u cen kosmických zařízení (družic),
protože ty by měly být v rozumném poměru k cenám za dopravu. Kolem roku 2020
by tak mohly nastat velmi příznivé podmínky pro bouřlivý rozvoj kosmonautiky,
protože v té době by ceny v kosmonautice mohly dosáhnout cenové úrovně srovnatelné
s ostatními oblastmi pozemské dopravy a průmyslu. Je však také zřejmé, že se
bude muset změnit i struktura nákladů vynášených do kosmu. Vědeckých, komunikačních
ani vojenských družic nebude třeba o mnoho více než dnes, takže musí dojít k
rozvoji vynášení komerčních nákladů (průmyslová zařízení, turistika).
Do té doby to na nějaký boom moc nevypadá, ale alespoň můžeme být u toho a
zúčastnit se této cenové revoluce, která by nakonec mohla mít ještě větší důsledky
pro lidstvo, než začátek kosmické éry v 60. letech 20. století.
Aktualizováno: 03.06.2002
[ Obsah | Články
| Doprovodná PowerPoint prezentace přednášky na KNP 2002
(0.9 MB) ]
Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie z NASA (viz. Using NASA Imagery) a dalších volně přístupných zdrojů.
(originál je na https://mek.kosmo.cz/novinky/clanky/pjzk/index.htm)
