Idea (2. SpaceX & NASA): "US Space Orbiter Transporter Cargo"

Technologię, Nauka

ChatGPT: Ilustracja przedstawia futurystyczny transportowy statek kosmiczny cargo wyposażony w napęd jonowy, który może realizować misje pomiędzy orbitą wokołoziemską a orbitą wokołoksiężycową. Jego zaawansowany system napędowy, emitujący charakterystyczne niebieskie światło, odzwierciedla technologię zdolną do efektywnego transportu towarów w przestrzeni kosmicznej na dalekie dystanse, z widocznym Ziemią i Księżycem w tle.

Uspołecznione kosmiczne misje bezzałogowe

Przesłanka: "4x20/80 LEO-LLO".

W idei profuturo: ustawy Senatu US o wspieraniu rozwoju narodowych kompetencji kosmicznych poprzez realizację budowy międzyorbitalnych "Ziemia - Księżyc" kosmolotów transportowych cargo z napędem jonowym oraz projektów misji bezzałogowych eksportu maszyn i robotów na Księżyc wraz z metodą zdalnej koordynacji ich pracy na nim w ramach amerykańskiego systemu telemechaniki i telepracy kosmicznej, finansowanych metodą funduszy społecznościowych (crowdfunding).

W idei:

1. Notka ułożona jest w oparciu o rakietę Falcon 9 i możliwości zamówienia dostaw na orbitę LEO środków technicznych o masie 20 ton.
2. Ogólnie w rozważaniach ChatGPT przekazuje,  względnie wobec metody Starship, pozytywną opinię o metodzie w idei międzyorbitalny kosmolot cargo z napędem jonowym, uwzględniając akcent uwarunkowania ufizycznienia długodystansowych misji bezzałogowych, a w szczególności dostaw towarowych cargo z orbity wokołoziemskiej (LEO) na orbitę wokołoksiężycową (LLO). Wskazuje na dostępne silniki jonowe (NASA) wraz z uwagą, że są obecnie stosowane w skali technicznej dostosowanej do mniejszej masy pojazdów kosmicznych i wymagany byłby znaczy wzrost ich rozmiarów lub ich ilość. Ponadto dodaje zależność napędu jonowego od energii elektrycznej. I z tego powodu potrzebę, np. dużej powierzchni paneli PV. Tymczasem, pośrednio względem rakiety Falcon 9 i ISS, ale jeszcze nie w pierwszym przybliżeniu szkicu w idei, masa kosmolotu towarowego cargo "lokuje" się w okolicy 260 ton, w tym masa konstrukcji i paliwa jonowego (ksenonu), co może być jednak tylko efektem dobranych w idei zapytań. Masa paliwa (ksenon) w tej idei może się ostatecznie okazać znacząco za mała do ułożenia szkicu zagadnień kosmolotu towarowego cargo z napędem jonowym.
3. Zatem w tym ułożeniu, realizowane profuturo projekty misji bezzałogowych eksportu robotów na Księżyc, finansowane metodą społecznościową, oparte są na dostawie jednocześnie, w ramach jeden misji kosmolotu towarowego cargo na Księżyc, maksymalnie czterech osobnych ładunków, każdy o masie 20 ton.
4. Do kosmolotu z napędem jonowym na orbicie LEO dołączone są środki techniczne, których suma masy wynosi 240 ton, w tym: masa lądowników (4 x 20 ton), masa paliwa lądowników (4 x 20 ton) i masa ładunków (4 x 20 ton).
5. Łączna masa startowa kosmolotu towarowego cargo z orbity LEO na LLO wynosi (tymczasem) w tej idei 500 ton, a masa końcowa ("powrotna" z LLO na LEO) wynosi 340 ton, czyli pomniejszona o masę zużytego paliwa chemicznego księżycowych lądowników i masę ładunków pozostawionych na Księżycu. Dla porównania masa ISS wynosi ok 420 ton.
6. W tej idei łączny koszt (bez kosztów "paliwa' - ksenonu) pierwszej wyprawy towarowej cargo z orbity LEO wraz z kosztem 4-ch projektów w domenie amerykańskiej telemechaniki i telepracy kosmicznej na Księżycu to rząd wielkości $1 mld ($800 mln + 200 mln).

NASA & SpaceX

W rozważaniach ChatGPT proponuje napęd jonowy dla międzyorbitalnego (LEO-LLO) kosmolotu towarowego cargo, stosowany przez NASA, a do dostawy ładunku z orbity LLO na powierzchnię Księżyca napęd chemiczny stosowany przez firmę SpaceX (model silnika pracujący w próżni).

W tym ułożeniu dobrano w idei szkic uwarunkowań technicznych.

Ułożenie ruchu transportowego:

Szkic w idei:

USA - napęd chemiczny - LEO - napęd jonowy - LLO -napęd chemiczny - powierzchnia Księżyca

1. USA - LEO: napęd chemiczny, rakieta Falcon 9, dostawą ładunku do budowy na LEO kosmolotu towarowego cargo oraz paliwa do księżycowego lądownika towarowego w trakcie misji kosmolotu cargo.
2. LEO - LLO: napęd jonowy, międzyorbitalny wahadłowiec transportowy cargo, dostarczający na orbitę LLO 4 ładunki, każdy o masie 20 ton.
3. LLO - powierzenia Księżyca: napęd chemiczny, lądownik - ładunek na powierzchnię Księżyca jest dostarczany przez 4 lądowniki (każdy kontener z ładunkiem o masie 20  ton za pomocą jednego lądownika), każdy lądownik posiada masę 20 ton, i każdy dysponuje paliwem chemicznym o masie 20 ton.
4. Powierzchnia księżyca - LLO: napęd chemiczny, powrót do kosmolotu towarowego cargo na orbitę LLO lądownika bez ładunku.

Masa ładunku i paliwa chemicznego w jednej misji:

• Łączna masa ładunku w jednej misji cargo wynosi w tej idei 80 ton (4 x 20 ton).
• Łączna masa zatankowanego na orbicie LEO paliwa chemicznego dla jednej misji cargo wynosi w tej idei 80 ton (4 x 20 ton).

1. W idei oznaczenie "4x20" to symboliczny zapis:

• Masa 20 ton dostawy elementów do budowy na orbicie LEO kosmolotu towarowego cargo oraz paliwa jonowego (ksenon) za pomocą rakiety Falcon 9.
• Masa 20 ton paliwa do zatankowania lądownika księżycowego, dostarczonego na LEO za pomocą rakiety Falcon 9.
• Masa 20 ton towarowego lądownika cargo, służącego do dostawy ładunku z orbity LLO na powierzchnię Księżycu.
• Masa 20 ton ładunku dostarczonego lądownikiem z orbity LLO na powierzchnię Księżyca

2. Oznaczenie "80 ($80 mln)" to symboliczny zapis kosztu usługi jednej dostawy na LEO za pomocą rakiety Falcon 9 masy 20 ton oraz operacji powiązanych z dostawą, tj przekazanie ładunku do budowy kosmolotu towarowego cargo, nadzoru i wprowadzenie do ładowni kosmolotu towarowego cargo ładunku oraz związanych z operacją tankowania na orbicie LEO, dotyczącego towarowych lądowników księżycowych (paliwo chemiczne) oraz osobno kosmolotu towarowego cargo ("paliwo jonowe" ksenon).

3. Oznaczenie "LEO-LLO" to odniesienie do orbity wokołoziemskiej (LEO) i orbity wokołoksiężycowej (LLO), pomiędzy którymi przemieszcza się kosmolot transportowy cargo z napędem jonowym.

*

1. ChatGPT:

Pytanie: Jaki jest koszt wyniesienia na LEO maksymalnej masy przez rakietę Falcon 9?

Koszt wyniesienia maksymalnej masy na niską orbitę okołoziemską (LEO) przez rakietę Falcon 9 wynosi około 67 milionów dolarów za jeden start. Maksymalna masa, jaką Falcon 9 może wynieść na LEO, to 22,8 ton.

Koszt na kilogram:

Koszt wyniesienia ładunku na LEO przez Falcon 9 można obliczyć, dzieląc całkowity koszt startu przez maksymalną masę ładunku:

67 milionów USD / 22,800 kg = około 2,940 USD za kilogram.

Tak więc, koszt wyniesienia maksymalnej masy (22,8 ton) przez Falcon 9 to 67 milionów USD, a jednostkowy koszt wyniesienia na orbitę to około 2,940 USD za kilogram.

*

2. ChatGPT:

Pytanie: Jaki byłby koszt 20 ton paliwa chemicznego do napędu pojazdu kosmicznego wyposażonego w silniki firmy SpaceX? 

Koszt 20 ton paliwa chemicznego dla pojazdu kosmicznego wyposażonego w silniki firmy SpaceX można oszacować na podstawie kosztów paliwa używanego przez silniki Raptor, które wykorzystują mieszankę ciekłego metanu (CH₄) i ciekłego tlenu (LOX).

Skład paliwa:

• Ciekły metan (CH₄): stosunek paliwa do utleniacza wynosi około 3,5:1.

• Ciekły tlen (LOX): jest używany jako utleniacz.

Koszt paliwa:

• Ciekły metan (CH₄): cena to około $1–3 za kg.

• Ciekły tlen (LOX): cena to około $0.20–0.50 za kg.

Zakładając, że stosunek metanu do tlenu wynosi 3,5:1, dla 20 ton paliwa (całość) - obliczenia:

• Ciekły metan (CH₄): Masa = 16 ton. Koszt = 16,000 kg × $2 (średnia cena) = $32,000.

• Ciekły tlen (LOX): Masa = 4 ton. Koszt = 4,000 kg × $0.35 (średnia cena) = $1,400.

Łączny koszt 20 ton paliwa chemicznego: $32,000 + $1,400 = $33,400.

Podsumowanie:
Koszt 20 ton paliwa chemicznego (ciekły metan i ciekły tlen) wynosi około $33,400.

*

3. ChatGPT:

Pytanie: Jaki jest koszt jednego sinika firmy SpaceX, który by mógł posłużyć do lądownika lądującego na Księżycu?

Koszt pojedynczego silnika Raptor firmy SpaceX, który mógłby być użyty w lądowniku lądującym na Księżycu, nie jest publicznie podany w oficjalnych dokumentach. Jednakże, szacuje się, że koszt jednego silnika Raptor może wynosić od kilku do kilkunastu milionów dolarów.

Warto zauważyć, że SpaceX rozwija te silniki w ramach projektów związanych z rakietami Starship, które są przeznaczone zarówno do misji na Marsa, jak i do lądowań na Księżycu (np. w ramach programu NASA Artemis). Cena może się zmieniać w zależności od etapu produkcji, skali zamówienia i postępów technologicznych firmy.

*

4. ChatGPT:

Zadanie: Oblicz masę i objętość paliwa zużytego przez lądownik, aby dostarczył z orbity LLO na powierzchnię Księżyca ładunek o masie 20 ton, a po pozostawieniu ładunku na Księżycu, już sam lądownik powrócił na LLO. Lądownik posiada własną masę równą 20 ton i wyposażony jest w silniki chemiczne firmy SpaceX. Wybierz silniki i podaj ile musiałoby ich być. Podaj sumę mas tej ilości silników. Pokaż tylko założenia i wyniki końcowe.

Założenia:

1. Masa lądownika: 20 ton.
2. Masa ładunku: 20 ton.
3. Misja: Transport ładunku z orbity LLO (Low Lunar Orbit) na powierzchnię Księżyca i powrót na LLO po rozładunku.
4. Silniki chemiczne: Wybieram silniki Raptor firmy SpaceX. Impuls właściwy (Isp): 330 s w próżni. Ciąg jednego silnika: około 2 MN (meganiutonów). Masa jednego silnika: około 1,5 tony.
5. Założone ΔV (potrzebna zmiana prędkości):

• Z LLO na powierzchnię Księżyca: 1.87 km/s.
• Z powierzchni Księżyca na LLO: 1.87 km/s.
• Całkowite ΔV = 3.74 km/s.

6. Wzór na zużycie paliwa (równanie Ciołkowskiego):

Wyniki:

1. Całkowita masa startowa (m_start): 40 ton (lądownik + ładunek).

2. Masa końcowa (m_end): 20 ton (po rozładunku).

3. Masa paliwa: około 18 ton (do przemieszczenia lądownika z orbity LLO na Księżyc i powrotu).

4. Objętość paliwa: Z założeniem, że paliwo to ciekły metan i ciekły tlen (stosunek paliwa do utleniacza wynosi 3,5:1), objętość paliwa wynosi około 30 m³.

5. Ilość silników: Do tego manewru potrzebne byłyby 2 silniki Raptor, ponieważ pojedynczy silnik Raptor zapewnia wystarczający ciąg w próżni, ale dla zwiększenia redundancji i bezpieczeństwa lądownika użyto by dwóch.

• Łączna masa silników: 3 tony (1.5 tony na silnik).

Podsumowanie:

• Masa paliwa: około 18 ton.
• Objętość paliwa: około 30 m³.
• Liczba silników: 2 silniki Raptor.
• Suma masy silników: 3 tony.

// Przyjęta w rozważaniach masa księżycowego lądownika to 20 ton (konstrukcja, układ napędowy, układ sterowania, układ rozładowania, kontener bez ładunku, układ przełączenia do orbitalnego kosmolotu towarowego cargo, itp.), czyli poza silnikami chemicznymi, pozostała masa techniczna lądownika (bez paliwa) wynosi 17 ton. Dla poglądowego w idei opisu masa kontenera nie jest masą ładunku, kontener jednak pozostaje z ładunkiem na powierzchni Księżyca. Powracający lądownik na orbitę LLO do kosmolotu towarowego cargo miałby zatem mniejszą masę o masę kontenera. //

*

5. ChatGPT:

1. Tankowanie paliwa w kosmosie: Tankowanie w przestrzeni kosmicznej wymaga zaawansowanego systemu transferu paliwa, który nie jest jeszcze w pełni opracowany ani powszechnie stosowany. SpaceX pracuje nad tym problemem, szczególnie w kontekście misji Starship, który ma być tankowany na orbicie w ramach misji na Księżyc i Marsa.
2. Paliwo i napęd: Starship w wersji lądującej na Księżycu używa napędu methalox (metan + tlenek), który ma specyficzny impuls (ISP) na poziomie 380 sekund w próżni (dla Raptora 2). Impuls ISP wpływa na efektywność zużycia paliwa i na to, ile paliwa potrzebuje pojazd na każdą misję.

*

Obraz w idei:

Po odłączeniu się lądowników z ładunkiem na orbicie LLO od "międzyorbitalnego kosmolotu transportowego cargo LEO-LLO" z napędem jonowym, lądowniki dostarczają ładunek na powierzenie Księżyca i już bez ładunku powracają do kosmolotu na orbicie LLO:

ChatGPT: Stworzyłem ilustrację przedstawiającą dwa lądowniki księżycowe, jeden lądujący, a drugi przygotowujący się do startu. Oba mają silniki chemiczne SpaceX i są położone blisko siebie na powierzchni Księżyca, zgodnie z Twoim opisem. 

*

Zatem w tym ułożeniu na orbicie LLO (wokołoksiężycowa) lądownik "staruje z ładunkiem z kosmolotu towarowego cargo i na nim ląduje bez ładunku". Jednak w tym czasie kosmolot jest w ruchu orbitalnym na LLO. Natomiast na orbicie LEO (wokołoziemska) kontener jest dołączany do lądownika oraz lądownik jest tankowany. I w tym przypadku kosmolot jest w ruchu orbitalnym na LEO.