Всё о секретном проекте SpinLaunch — переворот в космической индустрии…
Представьте себе: гигантский ротор раскручивает снаряд, словно праща Давида, и с ревом бросает его в стратосферу, оставляя ракеты прошлого в тени истории. Это не фантазия из романа Жюля Верна, а реальность, которую калифорнийская компания SpinLaunch воплощает в пустыне Нью-Мексико.
Проще говоря, они намерены запускать ракеты в космос с помощью огромной центрифуги.
Всё началось с тишины. Пока SpaceX Илона Маска гремела взлётами Falcon 9, а Blue Origin Джеффа Безоса полировала капсулы для космических туристов, SpinLaunch работала в тени. Никаких пресс-конференций, никаких громких обещаний — только отрывочные слухи о странной машине на космодроме «Америка».
В 2014 году основатель и генеральный директор SpinLaunch Джонатан Яни, будучи вдохновленным американским проектом высотных исследований HARP, в котором в 1960-х годах использовалась космическая пушка для суборбитального запуска снарядов, решил основать свою компанию, которая будет запускать ракеты в космос по принципу пращи.
О проекте HARP и ему подобных космопушек я писал в материале:
Проект космопушки Саддама Хусейна «Из пушки в космос»
На первый взгляд кажется, что это абсурд. В XIX веке Жюль Верн в своём романе «С Земли на Луну» представил пушку-катапульту, ну давайте и в это верить, что с нас убудет?
- Да, но как может абсурдная идея привлечь капиталы на десятки миллионов долларов?
Оказывается, ещё как может! Начнём с Джонатана Яни, её основателя. Он не романтик с телескопом и не миллиардер с эксцентричными твитами. Яни — инженер с холодным взглядом и горячим упрямством. Американский журнал Wired описывает его как человека, одержимого идеей: если пушки прошлого могли метать ядра на километры, почему бы не запустить спутник с помощью центробежной силы?
В 2014 году он вложил свои деньги — миллионы, заработанные на солнечной энергетике, — в этот самый центробежный проект. Его команда начинала с малого: прототипы, расчёты, ошибки. Но к 2021 году первый снаряд взлетел, а к сентябрю 2022-го они провели 10 испытаний.
«Каждый запуск — это не просто тест, а маленький триумф над скептиками», — так писали многочисленные авторитетные журналы.
Яни не говорит громких слов, он строит. И в этой молчаливой решимости — сила, которая заставляет задуматься: а что, если он прав?
За три года компания построила аппарат, который швыряет грузы в небо со скоростью, от которой у физиков дрожат колени.
Центрифуга, назывной «Suborbital Accelerator» (Суборбитальный ускоритель) — это механическое воплощение парадокса. Диаметр 33 метра, ротор из углеродного волокна, вращающийся в вакуумной камере, разгоняет снаряд до нескольких километров в секунду!
На доли секунды груз испытывает перегрузки в 30 000 g, а затем вырывается в небо, оставляя за собой лишь эхо. Заявляется, что установка потребляет электроэнергию около 476 кВт·ч на максимальной мощности, в то время как ракета Falcon 9 сжигает сотни тонн керосина и кислорода. Это не просто экономия, это революция.
- Но есть другой вопрос: выдержат ли спутники такие нагрузки? NASA, Airbus и университеты уже тестировали свои приборы SpinLaunch, и они вернулись целыми.
Подобными восторженными отзывами описывается этот проект в СМИ.
Следующий шаг — строительство более мощной орбитальной системы (L100), системы, которая будет выводить 200 кг на орбиту, затрачивая всего за 100 МВт·ч электроэнергии на разгон, что на порядок меньше, чем затрачивает современный ракетоноситель, выводя полезную нагрузку на околоземную орбиту.
Ротор — сердце системы — сделан из углеродного волокна, материала, который выдерживает напряжения там, где сталь давно бы треснула. На скорости 2080 м/с он вращается с частотой 1300 об/мин, создавая нагрузки, сравнимые с газовыми центрифугами для обогащения урана. Но если центрифуги — это ювелирные игрушки радиусом в полметра, то Suborbital Accelerator — гигант с размахом в десятки метров.
Но 2 км/с — этой скорости недостаточно для выхода на орбиту, нужна минимум 7,8 км/с. Но это не беда, ракета будет забрасываться на высоту в 65 км и далее разгоняться с помощью ракетных двигателей, которым потребуется в 5-10 раз меньше топлива из расчета вывода 1 кг полезной нагрузки, чем ракетам, стартующим с земли.
Компания заявляет, что уже протестировала ракету, необходимую для вывода полезной нагрузки на орбиту.
В 2022 году SpinLaunch привлекла уже 150 млн долларов инвестиций от Kleiner Perkins, Google Ventures, Airbus Ventures, Catapult Ventures, Lauder Partners и McKinley Capital.
150 миллионов долларов — это вера сотен людей в то, что центрифуга может перевернуть космос.
- Но так ли это на самом деле, и как вообще удалось привлечь уже сотни миллионов?
Начинаем самое интересное.
Что может быть рентабельнее, чем многоразовые ракеты? Только система, где самая тяжелая и сложная первая ступень будет оставаться на земле и как-то передавать свою энергию остальной ракете.
Тут центробежная установка заменяет первую ступень ракеты, а оставшийся ракетный снаряд относительно прост и недорог в производстве.
На основании этой идеи компания смогла в короткие сроки привлечь четыре миллиона долларов в виде стартового капитала.
Конечно, они пошли на хитрости, а точнее, на обман, так в 2016 году на привлеченные деньги была построена первая испытательная центрифуга диаметром 12 метров. На ней якобы достигли скоростей в 6500 км/ч, демонстрируя, как объекты вылетали из центрифуги в металлическую стену.
Такой впечатляющий результат позволил привлечь еще 80 миллионов долларов инвестиций для строительства более мощной 33-метровой центрифуги ныне действующего «Суборбитального ускорителя».
Вот только после реальных испытаний 33-метровой центрифуги лучшим результатом стал запуск макета ракеты на высоту 9144 метра со скоростью 1600 км/ч.
А где якобы ранее полученные 4500 км/ч? Но такие вопросы обсуждать не принято, инвесторы уже вложились, а потому… Ну вы поняли…
1600 км/ч — это не 4500 и уж тем более не 7500 км/ч. Но, как говорится, процесс был запущен, и инвесторы принесли еще больше денег, вложившись в компанию на сумму более 150 миллионов долларов в 2022 году.
Но почему? А всё просто, в 2019 году, еще до проведения летных испытаний, компания подписала контракт с отделом оборонных инноваций Пентагона на первые экспериментальные орбитальные запуски. Далее последовал контракт с NASA на испытание и вывод полезной нагрузки.
Как после этого не верить в компанию? На слуху SpaceX, которая ещё не разработала свою первую ракету «Falcon 1», но уже заключила контракты с Пентагоном и НАСА на запуск спутников. Причем госкомпании США продолжали поддерживать SpaceX, несмотря на четыре неудачных запуска подряд.
Тогда в идеи SpaceX не верил практически никто, ну и где теперь эти скептики? А инвесторы, которые могли выгодно вложиться в компанию на заре её становления, сейчас упиваются слезами, рвут волосы на пятой точке и корят своих советников за неверные инвестиционные рекомендации.
- Тут сработало то же самое: если государство верит в проект, то пора вкладываться, ибо в NASA и Пентагоне не дураки сидят, они там всё просчитали же… Верно?
Критики сомневались, что эта система будет работать. Они полагали, что ни ракета, ни спутники не смогут выдержать такие сильные ускорения, которые возникают в центрифуге, и что ракету просто разорвёт на части.
Да, это так, но почему ракету разорвет? Почему нет скептицизма в самой возможности установки развивать скорости в 7500, а в последних версиях все 8000 км/ч?
- Для меня это было загадкой, или уже появились такие материалы, которые способны выдержать подобные нагрузки?
Старые подписчики знают, что я занимаюсь разработкой карбоновых, композитных центрифужных накопителей энергии, которые имеют тот же принцип работы, что и центрифуга компании SpinLaunch, но те цифры и характеристики, которые заявляет компания, совершенно не бьются с реальностью и, более того, даже с теорией сопромата.
И что не так? Начнем с того, что нет материалов, способных выдерживать подобные нагрузки на разрыв, ведь сила (совокупность сил инерции, возникающих в центрифуге) порождает эффект центробежной силы, где атомные связи материала попросту не выдерживают нагрузок.
Компания заявляет, что все нагруженные части центрифуги изготовлены из углеродного волокна, причем высокопрочного углеродного волокна, волокна которого ориентированы вдоль нагрузки.
На своих красивых компьютерных анимациях они правильно показывают расположение волокон (синяя стрелочка), но вот держатель ракеты (красный четырехугольник), даже если он будет изготовлен из такого же высокопрочного углеродного волокна, развалится примерно на скорости в 1 900 км/час.
Что, кстати, согласуется с тем, что они смогли реально запустить ракету на скорости только в 1600 км/ч, фактически на пределе прочности материалов установки.
Я рассчитал предельную прочность материалов при вращении, где показана теоретическая максимальная линейная скорость на периферии материала, превышение которой ведет к его неминуемому разрушению:
Графен и углеродные нанотрубки выделены серым цветом, так как из них пока невозможно изготовление каких-либо конструкций даже в теории при нынешних технологиях, следовательно, они не применимы в промышленности.
Реально существующий кандидат — это высокопрочное углеродное волокно с анизотропной структурой (волокна ориентированы вдоль нагрузки + полимерные матрицы). Теоретический предел тангенциального напряжения обеспечивает ему линейную скорость в центрифуге в 7099,2 км/ч.
Но важно понимать, что изготовить таким способом можно только пластины, а точнее, тот самый плоский ротор, который раскручивает ракету:
И то это очень дорогостоящая конструкция, где любой дефект снижает прочность на десятки процентов.
- Волокна кевлара тоже должны быть ориентированы вдоль нагрузки для достижения теоретических скоростей в 5691,96 км/ч.
А изготовление компонентов ракеты и системы держателей с ориентацией волокон строго вдоль нагрузки невозможно из-за геометрии подобных изделий.
Компания показала, что их ракета состоит из углеволокна, и в ней, разумеется, нет нужной ориентации волокон, и это понятно, такую ракету фактически будет невозможно сделать, так как она имеет сферическую форму.
А потому предел прочности самой ракеты — 1924,2 км/ч. Держатели можно сделать из мартенситно-стареющей стали типа C350 с максимальным пределом прочности в 2400 МПа, в теории она должна держать подобную нагрузку.
Собственно, на этом можно расходиться. Про какие 8000 км/ч на периферии ротора заявляет компания — это к разряду магии, так как для выдерживания подобных нагрузок материал должен обладать прочностью на разрыв не менее 9 ГПа.
Всё, что есть на сегодня, это углеродное волокно: 5–7 ГПа, кевлар: 3–4 ГПа и высокопрочные стали: 2–3 ГПа.
Но на этом проблемы не заканчиваются. Что такое 8000 км/ч? Это гиперзвуковая скорость в 6,7 Маха, которая начинается не на высоте 20-50 км, а прямо на уровне моря. Такая ракета должна преодолеть самые плотные слои атмосферы, разогревая воздух до состояния плазмы.
Исходя из параметров ракеты, я посчитал, до каких температур она будет разогреваться в зависимости от высоты пуска:
Для понимания: носовая часть Спейс шаттла выдерживала до 1200 °C благодаря армированному углерод-углеродному (RCC) материалу, и то на высоте 80 км, где мало кислорода. Далее нужны были керамические теплозащитные плитки для выдерживания 1650 °C.
- А тут нужна теплозащита из вольфрама, но он окислится на воздухе и разрушится еще до покидания ракетой плотных слоев атмосферы.
Может, карбид тантала (TaC), выдерживающий 3800 °C? Да, но есть большая такая проблема — максимальная линейная скорость TaC в центрифуге 540–720 км/ч, потому любая теплозащита разрушится еще до того, как ракета достигнет оптимальной скорости пуска.
Ну и самое моё любимое про 8000 км/ч — это то, что если изготовить из такого чудо-материала маховичный накопитель энергии, то его удельная энергия составит порядка 630 Вт·ч/кг, что в 2–3 раза выше, чем у литий-ионных аккумуляторов. Революция в энергетике!
Но спустимся с небес на землю. В компанию уже вложено сотни миллионов долларов, и просто так дать ей погореть правительство США уже не даст.
Недавно стало известно, что совет директоров SpinLaunch назначил нового генерального директора, а основатель и бывший генеральный директор Джонатан Янг покинул компанию по никому не известным причинам…
Хотя вы уже догадываетесь, по каким именно…
Видимо, в NASA поняли, что вложились в очередную фантастику даже без теоретической доказательной базы. Судя по последним данным, реально чем занимается компания, так это тестированием электронных компонентов на предмет выдерживания высоких перегрузок (до 10 000 G), и о полетах как-то забыли, ограничившись компьютерными мультиками.
Тем не менее, допустим, компания каким-то образом реально достигла показателей скорости в 6500 км/ч, и, допустим, зажимы фиксации и сама ракета каким-то образом всё выдержали, что тогда?
Напомню, что теоретический предел линейной скорости у высокопрочного углеродного волокна с анизотропной структурой — 7099,2 км/ч, а 6500 км/ч выбрано, так как они ранее заявляли, что уже запускали объекты с такой скоростью в бетонную стену.
Но температура ракеты, которая будет лететь сквозь плотные слои атмосферы, всё равно будет выше предельной прочности любых теплозащитных материалов.
6500 км/ч — это 5,45 Маха, и на таких скоростях доминируют ударные волны и ионизация воздуха.
Углеродное волокно обладает высокой термостойкостью только в инертной среде (например, в вакууме или азоте), но в атмосфере, насыщенной кислородом, при высоких температурах оно окисляется и быстро разрушается.
На высоте до 20 км без дополнительной теплозащиты углеволокно начинает окисляться при температуре всего в 400°C (в присутствии кислорода), а при температуре от 1500°C полностью деградирует за секунды.
В реальности температура ракеты, изготовленной из углеродного волокна, не должна превышать 400 °C на высоте до 20 км, а учитывая это, её максимальная скорость не должна превышать 4500 км/ч. Но опять-таки подобные скорости нереалистичные.
Композитная ракета, которую представили в компании, теоретически способна выдержать на пределе своих возможностей скорость в 1900 км/ч в центрифуге, дальше её волокна начнут разрушаться, а эта скорость близка к той, которую реально достигли SpinLaunch при самом удачном своём испытании, порядка 1600 км/ч.
Тогда, судя по формуле Циолковского, учитывая гравитационные и аэродинамические потери, при включении метан-кислородного ракетного двигателя на высоте 10–12 км, то для вывода на НОО 200 кг полезной нагрузки понадобится израсходовать минимум 10811 кг топлива.
Стартовая масса ракеты составит около 11500 кг, с учетом массы топлива, конструкции и полезной нагрузки.
И тут начинаются странности. Ракета SpaceX Falcon 9, с которой компания SpinLaunch желает конкурировать, получается дешевле:
- Полезная нагрузка на НОО: 15600 кг с возвратом первой ступени;
- Стартовая масса: 549054 кг;
- Масса топлива (RP-1 + жидкий кислород): 395700 кг.
Банально делим 549054 на 15600, получаем 35,19 кг на вывод 1 кг полезной нагрузки.
Для SpinLaunch показатель будет следующий: 11500/200 = 57,5 кг на вывод 1 кг полезной нагрузки + затраты на электроэнергию на работу центрифуги.
Тут, как говорится, комментарии уже излишни. Тем не менее я вынужден согласиться с инвесторами, поверившими в эту идею, ведь 99% стартапов прогорает, но 1% успешных покрывает все убытки с лихвой, это уже доказано.
Тут я даже сам пустил скупую слезу, ибо при таком подходе к финансированию технических стартапов, как в США, то тоже признаю, что если бы я начал реализовывать свой проект по магнитоэнергетике не в России, а в США, то давно бы его реализовал. А меня ведь туда звали в 2011 году, даже с видом на жительство…
Но я понадеялся на хваленое «Сколково», притащил туда работоспособный прототип пассивного магнитного подшипника, распределяющую 99,9% массы в магнитном поле, на суд так называемым «экспертам» Сколково.
Эти эксперты, глядя на установку, не поверили своим глазам и постановили, что это невозможно. Магия, короче…
Это, конечно, был треш высшей категории, о чем я писал тут:
В чём великая тайна Сколково? Этому инновационному центру уже 10 лет, а толку нет…
В чём смысл Инновационного Центра «Сколково»?
Наверно, поэтому в России до сих пор нет своих Илонов Масков, парадигма другая, ведь нужно вкладываться в перспективные проекты, а в «Сколково», как выяснилось, наоборот, воровали бюджетные деньги. Хорошо, что после моих материалов эту конторку подчистил Мишустин.
Но всё равно жаль, что так вышло. Касательно моего проекта, то он на последней фазе испытаний, слишком сложный был НИОКР. Делаю я его за свой счет, а бан этого канала сильно подорвал финансирование этого проекта, ибо деньги от монетизации шли туда, но куда же без трудностей…
Как-то так…
Vkontakte
Twitter
Одноклассники
