Любая ерунда, поднятая на орбиту, начинает стоить на несколько тысяч долларов дороже, чем точно такая же на Земле. Банка тушёнки, поднятая Шаттлом на низкую опорную орбиту, стоила бы на $7930 дороже, чем в супермаркете у вашего дома. А пустая(!) жестянка из-под неё обошлась бы в $1268 (по текущему курсу — 71290р.)
Очевидно, что при такой стоимости вывода грузов на орбиту ни о какой серьёзной колонизации космоса речь идти не может. Когда-то в космической отрасли было время первых: первый спутник, первый полёт человека, первый выход в открытый космос, первая посадка на Луне, первый орбитальный телескоп.
Сейчас наступило время эффективных: чтобы двигаться дальше, нужно снижать стоимость вывода космических грузов в разы, а точнее — в десятки раз. Космическая гонка не закончилась, просто её правила стали сложнее: победа «любой ценой» теперь равносильна поражению.
Стоимость «космического килограмма», выведенного разными носителями, выглядит примерно так:
Стоимость вывода килограмма груза на орбиту разными ракетами-носителями
«Примерно», потому что, во-первых, не все из этих ракет сейчас продолжают летать, и, во-вторых, стоимость запуска одного и того же носителя могла существенно меняться со временем.
Самым дорогим носителем из всех, как это ни странно, оказались многоразовые Space Shuttle: после каждого полёта они нуждались в крайне дорогостоящем обслуживании и проверке. Первый полёт Шаттла совпал с двадцатилетием полёта Гагарина , а последний состоялся 8 июля 2011.
Каждый килограмм, выведенный Шаттлом на низкую опорную орбиту, стоил поистине космические $19824. Для сравнения: килограмм золота стоит в районе $40000.
Следующий за ним по стоимости вывода носитель — Дельта-4 от компании Боинг. Её крайняя дороговизна компенсируется тем, что на сегодняшний день она выводит наибольшую полезную нагрузку среди всех эксплуатируемых ракет-носителей в мире. Американские военные любят тяжёлые спутники, поэтому кряхтят, но платят.
Замыкает сегмент дорогих носителей европейская ракета Ариан-5. Кроме цены, она больше ничем не примечательна, хотя на орбиту выводит груза меньше, чем наш Протон.
Средняя ценовая категория это японские, китайские, индийские, российские и американские ракеты. Среди них особенно примечательны Атлас-5 — американская ракета с российским двигателем РД-180 и Союз-2 — наша ракета, предназначенная для пилотируемых запусков.
Союз-2 принадлежит к славному семейству ракет Р-7. Именно эти ракеты вывели на орбиту первый искусственный спутник, первый спутник с живым существом на борту и первый пилотируемый человеком космический корабль.
В нижнем ценовом сегменте три основных игрока: дешёвые украинские лёгкие носители, переделанные из баллистических ракет, российские Протоны, и Falcon Илона Маска.
Собственно, вся интрига космической гонки последних лет до декабря 2015 года заключалась именно в противостоянии Протона и Фалькона.
С Протоном всё было ясно: это очень старая (впервые полетела в 1965 году), непригодная для пилотируемых запусков из-за ядовитого топлива и слишком часто падающая из-за снизившейся культуры производства, но очень дешёвая для своего класса ракета.
Фалькон наоборот, был тёмной лошадкой. Новейшая разработка, возможность сертификации для пилотируемых полётов и, самое главное, возвращаемые ступени, резко снижающие стоимость запусков. Непонятно было только, получится это или нет.
Получилось. Первые успешные посадки воспринимались почти как чудо, а сейчас Маск планирует вернуть все три блока тяжёлой ракеты Falkon Heavy и это уже никого не удивляет. Даже без возвращаемых ступеней Фалькон был самым дешёвым носителем, а с ними и вовсе оторвался от конкурентов, став лидером в отрасли по стоимости килограмма груза на орбите.
Был, правда, один интересный (последний для этого носителя) запуск старенького советского Востока с индийским спутником на борту в 1991 году. Страна разваливалась на глазах и запуск обошёлся индусам в смешные $1586 за килограмм, хотя с учётом обстоятельств это вряд ли можно считать достижением.
P.S. Полтора года назад, после первой посадки Фалькона, будущее российского космоса стало очевидно печальным и я об этом уже
или полезный груз космического аппарата - это количество, тип или масса полезного оборудования, ради которого создается или запускается данный космический аппарат . В технической литературе обычно используются сокращения этого термина: «ПГ » (полезный груз) или «Необходимо учитывать, что «вес, выводимый на орбиту» (например, спутник связи) и «вес, доставляемый к МКС » - это разные вещи. Ведь при доставке к МКС необходимо доставить на орбиту собственную двигательную установку космического корабля (вместе с топливом для неё), систему управления, сам корпус космического корабля и т. д. Так, например, масса КК «Союз» составляет чуть больше 7 тонн, но до МКС «долетает» обычно всего 2,5 тонны груза из выведенных на орбиту 7 тонн.
Поэтому, в зависимости от типа космических аппаратов, существует два толкования этого термина: ПН космических аппаратов и ПН ракет-носителей . Используя пример с КК «Союз», ПН «Союза» составляет 2,5 тонны, в то время как ПН ракеты-носителя - 7 тонн.
Модуль полезной нагрузки КА
Космическая платформа и модуль полезной нагрузки
Применительно к космическим аппаратам, термин ПН относится к массе модуля полезной нагрузки или типу используемого оборудования. Практически все современные космические аппараты строятся на основе двух составных частей: модуля служебных систем и модуля полезной нагрузки.
- В «Модуль Служебных Систем (МСС)» , который также называют «космическая платформа», входят все служебные системы спутника: все двигатели и горючее для них, система энергоснабжения, система управления движением, ориентации и стабилизации, система терморегулирования, бортовой компьютер и другие вспомогательные системы.
- «Модуль Полезной Нагрузки» (МПН) обычно включает отсек для установки оборудования выполняющего функции, для которых данный КА был создан. Обычно платформы оптимизируются под массу выводимой полезной нагрузки, что в свою очередь определяет массу всего КА и мощность системы энергоснабжения.
Отношение ПН к общей массе КА
Отношение массы полезного груза коммерческих телекоммуникационных спутников к общей массе КА
Одним из важнейших параметров является отношение массы ПН к общей массе КА. Очевидно, что чем лучше это соотношение, тем эффективнее могут быть выполнены задачи миссии. Обычно грузоподъемность ракеты-носителя определяет максимальную массу КА на орбите. Таким образом, чем меньше весит платформа, тем больше полезного груза может быть доставлено на заданную орбиту.
В настоящее время это отношение составляет примерно 18-19 % для современных тяжелых телекоммуникационных платформ, таких как Спейсбас или Экспресс 2000 . Основной технологической проблемой является энергетическая стоимость повышения орбиты с геопереходной до геостационарной. КА должны нести большое количество горючего для повышения орбиты (до 3 тонн и больше). Кроме того, еще 400-600 кг используется для удержания спутника на заданной орбите за все время активной эксплуатации. В недалеком будущем, широкое использование электрических ионных двигателей, а также уменьшение массы солнечных батарей и аккумуляторов должно привести к улучшению этого соотношения до 25 % и более. Например, электрический ионный двигатель фирмы Boeing XIPS25, использует всего лишь 75 кг горючего для удержания спутника на орбите в течение 15 лет. При возможном использовании этого двигателя для повышения и последующего удержания орбиты, можно сэкономить до 50 млн Евро (хотя в данный момент эта функция полностью не используется) .
Для ракет-носителей , в качестве полезной нагрузки выступают спутники, космические корабли (с грузами, либо с космонавтами) и т. д. В этом случае, термин «полезная нагрузка» означает полную массу КА выводимого на заданную орбиту. То есть масса корпуса КА и горючего на борту выводимого КА также считается полезной нагрузкой.
Необходимо различать массу ПН на различных орбитах. В общем случае, любая ракета-носитель выводит больше груза на низкую опорную круговую орбиту высотой 200 км, чем на высокоэнергетические орбиты (бо́льшей высоты). Так, РН Протон выводит до 22 т на опорную орбиту (в трехступенчатом варианте, без разгонного блока), более 6,0 тонн на геопереходную и до 3,7 тонны на геостационарную орбиту (в четырехступенчатом варианте, с разгонным блоком Бриз-М или ДМ).
Стоимость доставки грузов на орбиту
Цифры доставки грузов на орбиту в разных источниках довольно сильно отличаются. Кроме того, часто цифры даны в разных валютах, относятся к разным годам (год определяет как инфляцию, так и мировую конъюнктуру стоимости пусков), относятся к запускам на разные орбиты, некоторые из цифр характеризуют себестоимость пуска, другие источники дают стоимость пуска для заказчика, при этом источник не поясняет какая из цифр приведена. Поэтому сравнивать цифры нужно крайне осторожно и можно оценить лишь приблизительные значения.
Современные средства:
| Стоимость доставки грузов на низкую орбиту | ||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Носитель | Стоимость, долларов за кг | Стоимость запуска, млн. долларов | Грузоподъемность, тонн | Примечание | ||||||
| Зенит-2/3SL | 2 567-3 667 | 35-50 | 13,7 | |||||||
| Спейс шаттл (многоразовый КК) | 13 000-17 000 | 500 | 25 | при полной загрузке корабля 29,5 тонн, возрастает до $40-50 тыс./кг при частичной загрузке в 10 тонн. Максимальный вес доставки на орбиту - около 120-130 тонн (вместе с кораблем), максимальный вес полезной нагрузки - 24,4 тонн, максимальный вес возврата на землю - 14,5 тонн. Стоимость запуска - около $500 млн . | ||||||
| «Союз » (одноразовая ракета-носитель) | 4 242-11 265 | 35-78,858 | 8,25 | до $25 тыс./кг на ГСО . Максимальный груз который можно взять в корабль Союз ТМА, запускаемый РН Союз - около 300 кг. Максимальный вес доставки на орбиту - 7-7,5 тонн. В случае использования для вывода спутников, стоимость запуска: | ||||||
| «Восток » | 1 586 | 7,5 | 4,73 | В начале 90-х была всего-лишь $7-8 млн для привлечения иностранных клиентов . С 1991 года выведена из эксплуатации. | ||||||
| «Протон » (одноразовая ракета-носитель) | 1 136-4 546 | 25-100 | 22 | Цена запусков изменяется с годами, в последнее время, она постоянно растёт. Данные стоимости запусков на ГСО: | ||||||
| «Атлас-5 » (одноразовая ракета-носитель) | 187 | 9.75 - 29.42 (НОО) 4.95 - 13 на ГПО |
(только беспилотные спутники), максимальный вес доставки на НОО - 30 тонн, 13 тонн на ГПО. Стоимость пуска - около $187 млн . | |||||||
| «Днепр » (одноразовая ракета-носитель) | 2 703 | 10 | 3,7 | (только беспилотные спутники), максимальный вес доставки на орбиту - 3,7 тонны. Стоимость пуска - около $10 млн. | ||||||
Разрабатываемые средства следующего поколения (планируемые цифры по курсу рубля и доллара 90-х годов, без учета многомиллиардных расходов на разработку и испытания):
- МАКС - $1-2 тыс./кг
В настоящее время даже завышенные цифры по стоимости запуска одноразовых космических кораблей (эти завышенные цифры появились, видимо, в ходе переговоров по подготовке экваториальных стартов РН «Союз» с космодрома Куру) как минимум не уступают по экономической эффективности многоразовым системам, имеющимся на настоящий момент. Если использовать средние цифры (в том числе из приведенных выше), то одноразовые системы экономически эффективнее как минимум вдвое, что означает, что многоразовые системы на сегодняшний день не дешевле, но решают две важные задачи: свод с орбиты значительной массы и выполнение военно-стратегических целей. Обе эти цели в настоящий момент мало востребованы.
Примечания
- Boeing 702HP fleet . Boeing. Архивировано из первоисточника 21 июня 2012. Проверено 19 декабря 2010.
- Американцам придется уйти с МКС . «Комсомольская правда», 21 Сентября 2008. Архивировано из первоисточника 8 июля 2012. Проверено 20 декабря 2010.
- Российско-французский проект компании «Старсем» по осуществлению запусков РН «Союз» с космодрома Куру во Французской Гвиане . Center for Arms Control, Energy and Environmental Studies. Архивировано
- Анализ. Прогноз. Комментарии . ИАЦ "Спейс-Информ". Архивировано из первоисточника 8 июля 2012. Проверено 19 декабря 2010.
Сколько же стоит запуск ракеты «Калибр» по целям противника и «Союз» в космос? Разберемся в данном вопросе более подробно.
Жесткая конкуренция в ракетостроении
Инженер Илон Макс утверждает, что цена запуска 1 ракеты составляет 60 млн. долларов при полезной нагрузке в 22,8 тонны.
Себестоимость доставки груза на НОО составляет 4,3 тыс. долларов на 1 кг. Современная разработка имеет следующие преимущества, а именно:
- возможность возвращать на Землю первую ступень без повреждений, что позволяет удешевить строительство носителя;
- на топливо и прочие расходные материал тратится около 200 тыс. $;
- многократное использование ускорителей;
- сохранение работоспособного двигателя.
Ответ на вопрос
Россия является абсолютным лидером по дешевизне доставки грузов на земную орбиту (НОО). Исследования РБК показали следующую экономическую картину по странам-производителям носителей:
- российские – 6,3-8,9 тыс. долларов /1 кг;
- американские (США) -12,5-18,8 тыс. долларов /1кг;
- европейские (страны Евросоюза) -11,0-13,6 тыс. долларов /1 кг;
- китайские – 8,1-10,8 тыс. долларов /1 кг.
Беспилотный космический аппарат «Dragon» от компании «Space X» доставил на МКС 2268 кг полезного груза. Ранее стоимость отправки 0,5 кг на функциональном «Шаттле» достигала 10 тыс. долларов.
Использование современной ракеты «Falcon 9» позволяет без проблем транспортировать 3300 кг.
- бутылка воды (0,5 л) – 9100 -27000 тыс. долларов;
- 70 мышей для выполнения опытов -470 тыс. долларов;
- шотландская волынка -162 тыс. у.е.;
- классическая кофемашина – больше 1 млн. долларов;
- оранжерея – 145 тыс. долларов;
- костюм гориллы – 116 тыс. долларов. Так, например, в ютубе очень популярен ролик астронавта, который переоделся в костюм зверя и летал по космической станции;
- 1 шт. лимона – от 2-х до 5,9 тыс. долларов;
- детеныш кальмара – до 5-и долларов. Нередко ученые в космосе проводят специальные опыты и исследования над различными организмами, чтобы установить их поведение в условиях гравитации.
Доставка груза на орбиту или цена космических операций
Здесь очень важно давать оценку земным работам инженеров, страхованию объекта и прочим организационным элементам. Рассмотрим рейтинг космических проектов по мере возрастания их стоимости:
- «Electron». Затраты 1 ракеты составляют 4,9 млн. долларов. Запуск был произведен в мае 2017 года американской компанией «Rocket Lab»;
- «Вега». Носитель одноразового использования, который проектировался «ESA» и «ASI». Цена проекта равнялась 5-и млн. $;
- ракета «Восток». Разработка была способна доставить на орбиту 4,73 тонн груза. Объем финансирования составил 7,5 млн. у.е. С 1991 года устройство выведено и эксплуатации;
- «Днепр». Стоимость запуска одноразового носителя достигал уровня в 10 млн.$. Ракета выводила на орбиту беспилотные спутники;
- «Союз -2.1 в». Инвестиции в запуск «детища» советских инженеров составили 14,5 млн. долларов;
- «PH PSLV» -это индийский летательный аппарат, который обошелся компании ISRO свыше 15 млн. у.е. Носитель 4-х ступенчатого типа мог поднять груз в 3,8 тонны;
- «Зенит -2/3SL» -советско-украинская разработка, которая была спроектирована и собрана на Днепропетровском заводе. Основу топлива составлял кислород жидкого типа. Стоимость 1 одноразовой ракеты составляла 35-50 млн. $;
- «Союз ФГ», «Союз 2.1.А», «Союз 2.1.Б», «Ангара 1,2» потребовали денежных вливаний в 40-50 млн. долларов. Низкая себестоимость доставки груза на низкую орбиту, при сравнительно больших объемах (до 8-и тонн), позволила использовать устройства длительный период времени;
- «Антарес», «Falcon Heavy», «Атлас-5», «Ариан-5» и «Ангара-5» имели современное высокоточное оборудование, которое имело более высокую стоимость. Для сбора и запуска летательных аппаратов космическим компаниям потребовалось затратить 80-190 млн. долларов;
- «Дельта -4» -один из рекордсменов по затратной части. Летательный аппарат в максимальной модификации обошелся американской компании свыше 400 млн. у.е. Разработка носителя ведется с 1989 года. Устройство способно выводить на орбиту 28,8 тонн груза;
- легендарный «Спейс-Шатл». Многоразовая ракета обходится американцам в 0,5 млрд. долларов за 1 запуск. Разработка может поднимать в космос 29,5 тонн. После выполнения миссии корабль возвращается на Землю.
Использование крылатых ракет –дорогостоящее удовольствие для военных
«Кто же является лидером в мире по качеству производства сверхточного оружия?».
Недавно Илон Маск в Твиттере язъвительно заявил, что запуски SpaceX настолько дешевле, нежели услуги Boeing/Lockheed, что на разницу можно построить спутник.
$300M cost diff between SpaceX and Boeing/Lockheed exceeds avg value of satellite, so flying with SpaceX means satellite is basically free https://t.co/CaOulCf7ot
Elon Musk (@elonmusk) June 16, 2017
В 2014 году счетная палата выпустила отчет об оценке стоимости програм ВВС США по запуску секретных спутников, которые запускались исключительно компанией ULA. Из-за недостатка прозрачности в ценообразовании было трудно сопоставить ценники с предложением от SpaceX.
Правительство платит ULA фиксированную сумму, вне зависимости от того какая ракета была использована при запуске - будь то Atlas V, Delta IV, или Delta IV Heavy. Помимо этого существует контракт EELV Launch Capability (ELC), по которому ULA получает $860 миллионов долларов ежегодно, для обеспечения доступа к космосу, даже если не было запусков. Также суммарно ULA получили $5 миллиардов на другие расходы, связанные с оборудованием для производства ракет.
Монополия ULA закончилась, когда SpaceX начал бороться за запуски полезной нагрузки для национальной безопасности. Первый запуск был осуществлен в мае этого года, по заказу Национального Разведывательного Управления, в виде секретного спутника NROL-76. По оценке правительства, при непосредственном сравнении с ULA, стоимость запусков SpaceX значительно ниже.
Например, 14 месяцев назад ВВС США заключили контракт со SpaceX на сумму $83 миллиона для запуска спутника GPS 3, а в марте 2017 был выигран еще один контракт на запуск другого спутника GPS 3 стоимостью $96.5 миллионов. Это полная стоимость запуска, которую заплатит правительство и это не идет ни в какое сравнение с $422 миллионами за единичный пуск, которые заложены в бюджет ВВС на 2020 год.
Чем ответят конкуренты?
Blue Origin
РН New Glenn. Источник: Blue Origin
Цель основателя компании Джеффа Безоса отнюдь не прибыль от запусков коммерческих спутников, а предоставление возможности миллионам людей жить и работать в космосе, также он не имеет амбиций для запуска правительственных и военных спутников и планирует лишь поставлять свои двигатели BE-4 для новой ракеты-носителя (РН) ULA Vulcan. Ракетный двигатель BE-4, работающий на смеси жидкого кислорода и сжиженного природного газа, начал разрабатываться в 2011 и на разработку уже потрачено более $1 млрд. Тяга BE-4 по просьбе ULA была увеличена до 550тс.
Этот же двигатель планируется использовать на первой ступени новой ракеты Blue Origin New Glenn и первый пуск будет осуществлен не ранее 2020. Цена запуска New Glenn (NG) пока не известна, но можно ожидать, что стоимость будет сравнима с Falcon 9, а грузоподъемность составит 13 тонн на гео-переходную орбиту (ГПО).
Учитывая опыт суборбитальных запусков системы вертикального взлета и посадки New Shepard, когда одна и та же ступень была запущена 5 раз без существенных модификаций, этот опыт позволит в течение нескольких лет после первого запуска NG отработать посадку первых ступеней.
ULA
Ракета-носитель Vulcan. Источник: ULA
Цена запуска для правительственных и коммерческих нагрузок сильно отличается. Давление Маска на слушаниях, с предложением запретить летать на российских РД-180 для РН Atlas 5 и оставить совсем невыгодную Delta IV, дали свои плоды. От двигателя решили отказаться и выделили значительные средства на создание замены. ULA при выборе двигателя для своего нового РН Vulcan, между AR1 и BE-4, склонились в пользу второго. AR1 отстает в разработке на несколько лет, не подразумевает многоразового использования, а также компания-разработчик рассчитывает в основном на государственные средства, в отличии частного BE-4.
Cхема спасения двигателей первой ступени SMART. Источник: ULA
Компанией ULA была представлена концепция спасения двигателей первой ступени и авионики SMART (Sensible, Modular, Autonomous Return Technology). Двигатели отделяются от ускорителя, после разделения первой и второй ступени. Раскрывается надувная защита, которая способствует замедлению падения блока двигателей ниже сверхзвуковой скорости и далее, спускаемый на парашютах блок, спасают вертолетом в воздухе.
Без увеличения частоты пусков, компания не видит целесообразности в многоразовости. Общая экономия составит до 30 процентов, но потребуются значительные средства на разработку технологии. ULA будет двигаться в этом направлении, однако первый тестовый полет состоится не ранее 2024 года.
В связи с шумихой вокруг цен на запуски, ULA создала сайт-конструктор ракеты Atlas 5 - rocketbuilder.com . Заявлено, что легкая ракета стоит $109 млн, а самая тяжелая с пятью ускорителями, способная вывести на ГПО 8856 кг, $157 млн. Косвенно о высокой цене запусков может говорить то, что с 2010 года из 52 пусков, только 4 были коммерческими. CEO ULA Тори Бруно подчеркнул, что всего за несколько лет удалось снизить минимальный ценник со $191 млн до $109 млн.
European Space Agency (ESA)
РН Ariane 6. Источник: Airbus Safran Launchers (ASL)
Европейское космическое агенство сейчас использует для пусков ракеты-носители Vega и Ariane 5, компоненты которых производятся в целом списке стран ЕС и довольно щедро субсидируются. При этом коммерческий пуск Ariane 5 стоит $180-240 млн, но запускает 2 тяжелых спутника за раз (суммарно 10 тонн), за счет чего имеет большой спрос на рынке.
Дизайн Ariane 6, которая является наследницей действующей Ariane 5, был представлен в 2012 с запланированым первым пуском в 2020. Первоначально дизайн представлял 3 твердотопливных ускорителя на первой ступени и один на второй ступени для вывода 6500 кг на ГПО. Разработку спонсировало ESA (проект был оценен в 4 млрд евро - теперь снижен до 2.4 млрд евро), а главным подрядчиком выбран Airbas Safran Launchers (ASL). В последствии дизайн был пересмотрен в пользу большей ценовой эффективности, ввиду экспансии SpaceX, которая непосредственно конкурирует за коммерческие запуски. Финальный дизайн предполагает 2 версии: Ariane A62 и Ariane A64 c двумя и четырьмя твердотопливными ускорителями. Цена и полезная нагрузка на ГПО соответственно 5000 кг за 75 млн евро и 10500кг за 90 млн евро. Снижение стоимости пуска должно произойти благодаря и реорганизации производств, сокращении кол-ва персонала на 30% с 8000 человек, использовании 3D-печати и отказа от вертикальной сборки. Ракета будет собираться горизонтально в Ле Мирабо, после чего транспортироваться во Французскую Гвиану для интеграции ускорителей и полезной нагрузки. Планируется выйти на график 11-12 пусков в год до 2023.
ESA выделила первый транш в 80 млн евро на создание нового ракетного двигателя многократного использования Prometeus, работающего на топливной паре метан + жидкий кислород. Стоимость одного двигателя составит 1 млн евро - лишь десятая часть стоимости нынешнего водородного двигателя первой ступени Vulсain 2 для РН Ariane 5. Огневые испытания начнутся в 2020 с первым полетом в 2030.
Роскосмос
Цена "Протона" менялась в зависимости от конъюктуры рынка, чтобы оставаться конкурентным носителем. Так в 2014 году стоимость составляла $115 миллионов, сейчас же снижена до $70 млн, как оппозиция РН Falcon 9 с фиксированной ценой $62.5 млн.
Несмотря на то, что "Протон" будет летать до 2025 года, было решено создать к 2020 более дешевые модификации Proton Medium и Proton Light. Принято решение удлинить баки первой и третей ступеней и полностью избавиться от второй. В результате полезная нагрузка на ГПО будет сопоставима с Falcon 9. Руководство Центра им. Хруничева считает, что себестоимость ракеты удастся снизить на 25% по сравнению с РН "Протон-М", что приблизит стоимость запуска к $50-55 млн.
Сравнение модификаций "Протон". Источник: ILS
После разрыва отношений с ЮжМаш разрабатывается в рамках ОКР "Феникс" замена средней РН "Зенит", которая имела самую низкую цену запуска в своей весовой категории и которой, возможно, вдохновлялся Илон Маск. Новый РН Союз-5, он же "Сункар" будет использовать стартовые столы Зенита, как на Байконуре, так и на плавучей платформе Sea Launch. Летные испытания "Сункара" должны начаться в 2024 году, говорится в документах "Роскосмоса". А уже в 2025 году планируется начать коммерческую эксплуатацию "Сункара". В одном из интервью Илон Маск рассказал, что его любимая ракета после Falcon 9 (в переводе "сокол") это "Зенит". Сункар переводится с казахского как "сокол". Совпадение?
Что насчет многоразовых систем? РН "Россиянка" был представлен в 2007 году.Особеностью проекта является возвращение и приземление первой ступени с многократным включением штатных двигателей. ГРЦ им. Макеева, как основной исполнитель, должен был изготовить демонстратор сверхлегкой ракеты-носителя с многоразовой первой ступенью. Работы планировали выполнить по техническому заданию ЦНИИМАШ в 2016 году.
12 декабря 2011 года ГРЦ им. Макеева представил РН "Россиянка" на конкурсе Роскосмоса по разработке Многоразовой ракетно-космической системы (МРКС) первого этапа. Однако по итогам конкурса заказ на разработку МРКС получил ГКНПЦ им. Хруничева с проектом "Байкал-Ангара".
Демонстратор не был изготовлен. Планируется провести проектно-поисковые исследования по РН с многоразовыми первыми ступенями. Результатом будет разработка технических предложений и проект концепции развития российской системы средств выведения до 2035 года.
Кислородно-водородный двигатель РД0162Д2А. Источник: Роскосмос
В рамках той же программы МРКС разрабатывается Кислородно-водородный двигатель РД0162Д2А тягой 85 тонн Воронежским Конструкторским бюро химавтоматики. В 2016 году было объявлено о выделении 800 миллионов рублей. Контракт расчитан на 3 года с продолжением. В перспективе создание маршевых двигателей тягой до 200 тонн для МРКС. В декабре того же года состоялись успешные испытания двигателя-демонстратора. Было проведено 10 включений двигателя.
JAXA
Текущее и будущее поколения японских ракет-носителей. Источник: JAXA
Японское космическое агенство (JAXA) в 2014 году заключило контракт с Mitsubishi Heavy Industries (MHI) на создание ракет-носителей нового поколения H-3 c первым запуском в 2020 году, которая представляет собой 2 кислородно-водородные ступени и до четырех твертотопливных ускорителей. На первую ступень установят 2 или 3 двигателя LE-9, в зависимости от конфигурации, с тягой 1470 кН каждый и удельным импульсом 426 секунд. Максимальная полезная нагрузка на ГПО составит 6.5 тонн, а самая легкая конфигурация рассчитана на доставку 4х тонн на солнечно-синхронную орбиту с ориентировочной стоимостью 5 млрд йен ($44 млн) в 2015 году.
Также, уже в течение трех лет ведется работа для того, чтобы снизить в 2 раза стоимось пусков, по сравнению с текущей РН H-2A и вместе с тем увеличить число пусков в два раза до 8 в год. Новые слоты пусков будут направлены на использование запусков коммерческих спутников. Первый коммерческий запуск был совершен в ноябре 2015, когда РН H2-A вывел на орбиту Канадский телекоммуникацонный спутник Telstar 12 Vantage. Еще 2 запуска запланированы на 2018 и 2020.
RVT в полете. Источник: ISAS
Примечательно, что с 1998 до 2003 JAXA проводила исследования многоразовых систем вертикального взлета и посадки в рамках проекта Reusable Vehicle Testing (RVT) силами Institute of Space and Astronautical Science (ISAS) в Noshiro Rocket Testing Center на севере Японии. Было построено 4 тестовых образца для наземных и летных испытаний. Образцы получили множество улучшений: аэродинамическую оболочку, система контроля положения с применением азота, композитные баки для хранения водорода и кислорода, систему навигации GPS и возможность повторного запуска двигателя в полете. В полете достигнута высота 42 метра и точность посадки составила 5 см. Все наработки предлагалось применить для следующего поколения, способного вывести полезную нагрузку 100кг на высоту 100км. Несмотря на перспективность технологий, проект закрыли. Информация о том будет ли JAXA копировать подход SpaceX или поднимать свои старые наработки отсутствует, хотя сейчас это становится актуально как никогда.
Итоги
Реакция оппонентов SpaceX несколько запоздалая, что можно объяснить консервативностью космической отрасли. К 2020-2021 много решений отправится в полет: здесь Протон Лайт, Vulcan (ULA), New Glenn (Blue Origin) и Ariane 6 (Arianespace). Это будут более экономически эффективные носители, но SpaceX не сидит сложа руки. Компания совершила 10 пусков в этом году и собирается осуществить еще 12, а в 2019 в планах 52 пуска, немыслимая цифра. Планка руководством устанавливается высоко и часто не достигается, но их увереность можно объяснить: в конце года в полет отправится Falcon 9 Block 5, который спроектирован так, что первую ступень можно будет запускать 10 раз с минимальным обслуживанием и без замены существенных узлов. Также в 2018 году обещают добиться спасения головного обтекателя, стоимость которого оценивается в $5-6 млн. Первый повторный запуск использованой первой ступени уже обошелся в половину стоимости постройки новой, хотя для покорения рынка на первый план выходит не стоимость ракеты-носителя, а её доступность для пуска нагрузки. Даже при однократном повторном запуске первой ступени парк доступных носителей увеличивается в 2 раза. Сейчас у SpaceX более 50 заказов в манифесте запусков, у конкурентов ближайшие 2-3 года все расписано - то что происходит сейчас, будет иметь последствия лишь через несколько лет. Но уже сейчас можно сказать, что при отсутствии аварий Falcon 9, SpaceX захватит большую часть рынка коммерческих пусков.
UPD: Добавлены сводные таблицы по выводимой массе и цене для различных ракет-носителей.
За таблицы спасибо @voyager-1 .
Существующие ракеты:
| Название | Груз на НОО, кг | Груз на ГПО, кг | Цена, млн $ | Цена за кг на НОО, $ | Страна |
|---|---|---|---|---|---|
| Falcon 9 | 22800 | 8300 | 62 | 2700 | США |
| Протон-М | 23000 | 7100 | 65 | 2900 | Россия |
| Ангара | 3800-25800 | 3600-12500 | 100 | 3900 | Россия |
| PSLV | 3800 | 1300 | 15 | 4000 | Индия |
| Союз | 9000 | 3250 | 48 | 5300 | Россия |
| GSLV Mark III | 8000 | 4000 | 46 | 5800 | Индия |
| GSLV | 5000 | 2500 | 36 | 7200 | Индия |
| Atlas V | 9800-18810 | 4750-8900 | 109-153 | 8100 | США |
| Arian 5 | 16000-20000 | 6100-10865 | 165-220 | 10300 | Европа |
| Vega | 2000 | 25 | 12500 | Европа | |
| Delta IV | 9420-28790 | 4440-14220 | 375 | 13000 | США |
| Epsilon | 1200 | 38 | 31700 | Япония | |
| Minotaur IV и V | 1735 | 342 | 50 | 34700 | США |
| Pegasus | 450 | 56,3 | 140800 | США | |
| Antares | 6120 | США | |||
| Long March 5 | 25000 | 14000 | Китай | ||
| Long March 6 | 1500 | Китай | |||
| Long March 7 | 13500 | 7000 | Китай |
Если удастся после запуска вернуть на Землю первую ступень без повреждений, то ее повторное использование позволит сделать следующий запуск дешевле, признает пресс-служба Объединенной ракетно-космической корпорации России. В России есть наработки по подобным ракетам, добавляет сотрудник компании.
Реальная экономия
Российские эксперты считают, что глава компании, возможно, преувеличивает размер экономии, но признают, что многократное использование ускорителей даст большой экономический эффект. Стоимость первой ступени составляет 60-70% от цены ракеты, отметил редактор журнала «Новости космонавтики» Игорь Афанасьев, но у Falcon 9 она тонкостенная, толщиной в несколько миллиметров. Из-за этого доля стоимости первой ступени в общих затратах на запуск может быть ниже.
Стоимость изготовления ракеты нужно будет делить на количество возможных повторных пусков, к ним добавятся затраты на топливо, на экспедицию по возвращению ступеней к месту старта. «Кроме этого будут затраты на восстановление ступеней, сертификацию, оценку работоспособности, заправку топливом и повторный запуск. И как быть с прибылью? Без нее Маск работать не будет», - уверен Афанасьев.
Ранее разработчики, стремясь добиться многократного использования ракет-носителей, шли другим путем, применяя планирование на крыльях и посадку по «самолетному типу».
Член-корреспондент Российской академии космонавтики им. К.Э. Циолковского Андрей Ионин считает, что схеме работы Falcon 9 присущи свои плюсы и минусы. Из плюсов: сохраняется сама ступень и, главное, двигатель. К минусам эксперт относит необходимость размещения на ракете дополнительных систем, обеспечивающих посадку первой ступени, включая дополнительные посадочные двигатели, горючее для них и так далее. Все это утяжеляет ракету-носитель, уменьшая массу выводимой на орбиту полезной нагрузки на 10-30%. Кроме того, проверка возвращенной первой ступени на надежность и отсутствие серьезных дефектов после ее посадки по стоимости может быть сравнима с постройкой ее заново.
Спасая первую ступень, можно сэкономить деньги на ее создании заново для следующих запусков. С другой стороны - теряя массу полезной нагрузки, компания теряет деньги за ее вывод на орбиту. «Успешными схемы с возвращаемой первой ступенью могут быть только при достижении баланса между ценой спасенной ступени, и ценой выведенного на орбиту груза, и стоимостью подготовки ступени к повторным запускам», - рассказывает Ионин РБК.
По его словам, сейчас цена двигателей ракеты составляет до 40% стоимости всего запуска, которая, в свою очередь, колеблется в пределах $60-100 млн. То есть проект можно будет считать успешным, если затраты на технические решения по возврату ступени, ее повторную подготовку и потери доходов от уменьшения массы выводимого груза не превысят $25-40 млн.
Ракета-носитель Falcon 9 и грузовой корабль Dragon в цифрах
505,8 т масса ракеты-носителя
3,7 м диаметр Falcon 9 и Dragon
68,4 м высота ракеты-носителя
5,88 МН стартовая тяга ракеты-носителя на уровне моря
180 с время работы первой ступени
5,2 м длина грузового корабля
6 т масса грузового корабля
Источник: SpaceX
Битва за килограммы
Россия пока сохраняет лидирующие позиции на коммерческом рынке доставки грузов в космос. Основным преимуществом отечественной космонавтики является более низкая, чем у конкурентов, стоимость вывода на орбиту полезной нагрузки. По данным , средневзвешенная по количеству запусков последних пяти лет рыночная стоимость доставки максимальной полезной нагрузки на низкую опорную орбиту (НОО) с помощью российских ракет составила $6,3-8,9 тыс./кг. У США этот показатель - $12,5-18,8 тыс./кг, у Европы - $11,0-13,6 тыс./кг. У Китая стоимость доставки грузов на НОО приближается к российскому уровню и составляет $8,1-10,8 тыс./кг. Рыночная стоимость доставки грузов на геопереходную орбиту (ГПО) уже меньше различается по странам и составляет примерно $21-27 тыс./кг у России и $21-32 тыс./кг у США.
Минимальная стоимость доставки 1 кг груза на низкую опорную орбиту для ракет Falcon 9 сейчас составляет около $4,3 тыс. При снижении этого показателя использовать американские носители станет выгоднее, чем российские: сейчас стоимость запуска «Протона» составляет $80-100 млн, ракета может вывести на низкую опорную орбиту 23 т груза ($3,4-4,4 тыс. за 1 кг)
Еще ракеты Маска проигрывают в грузоподъемности - «Фальконы» способны доставлять на орбиту спутники примерно в полтора раза легче, чем могут наши «Протоны». Возможно, что цена Маска демпинговая и, получив часть рынка, он будет поднимать цены, говорит Игорь Афанасьев. Но если ему удастся добиться многоразовости использования носителей, может получиться наоборот - он их еще опустит, продолжает он.
В планах компании Маска освоить также пилотируемые полеты, а не только доставку грузов. Доходы России от доставки американских астронавтов на МКС в 2013 году составили $335 млн. NASA заключило с Роскосмосом контракт на эти услуги на период с 2014 по 2016 год на сумму $753 млн. С 2017 года американское космическое агентство планирует отправлять людей на МКС на кораблях собственного производства. Соответствующие проекты разрабатывают компании SpaceX, Boeing и Sierra Nevada. Если «Фальконы» станут многоразовыми, отечественная космонавтика проиграет в этом компоненте, говорит Игорь Афанасьев.
О возможности экономии при запуске задумываются и в России. «Возвращаемая первая ступень - один из вариантов, которые сегодня рассматриваются для удешевления стоимости вывода полезной нагрузки в космос», утверждают в пресс-службе Объединенной ракетно-космической корпорации. Специалисты ОРКК считают, что экономически эта идея обоснованна: самый дорогостоящий элемент первой ступени, двигатель, разрабатывается с существенным запасом прочности, позволяющим осуществлять несколько запусков. Разработка ракеты с многоразовой первой ступенью предусмотрена проектом федеральной космической программы до 2025 года.
Рынок доставки грузов и космонавтов далеко не самый большой в космическом бизнесе. По данным отчета Space Report 2014, подготовленного организацией Space Foundation, размеры мировой экономики космоса в 2013 году выросли на 4% - до $314,2 млрд. Из них коммерческая составляющая достигла $240,1 млрд, а государственный сегмент - $74,1 млрд. Две крупнейших отрасли коммерческого космоса - спутниковое ТВ и рынок глобальных навигационных услуг. На две эти отрасли приходится около 60% от общего объема выручки.
Из находящихся на орбите действующих космических аппаратов лишь около 10% принадлежат России. В основном это спутники ГЛОНАСС, а также военные спутники навигации и связи. По количеству спутников мы в четыре раза уступаем США, где большая часть аппаратов отвечает за коммерческую связь. Причина отставания - слабое развитие отечественной радиоэлектронной промышленности, считает Игорь Афанасьев.
Компания SpaceX была основана летом 2002 года предпринимателем Илоном Маском, сооснователем платежной системы PayPal. Первые несколько лет работы фирма занималась разработкой технологий и поиском правительственных контрактов. Свою ракету Falcon 1 компания Маска впервые запустила в марте 2006 года, но тогда течь в топливной системе вызвала пожар, ракета потеряла управление и упала в море недалеко от места старта. Успешным стал лишь четвертый запуск Falcon 1 в сентябре 2008 года (незадолго до подписания контракта с NASA).
Falcon 9, по размерам в три раза превосходящий прошлый тип ракеты, начал разрабатываться как перспективный носитель еще до первых неудач Falcon 1. Договоренности по программе CRS (программа коммерческой доставки грузов NASA) лишь подстегнули эти исследования. На 2015 год намечен запуск новой линейки ракет - Falcon Heavy.
Илона Маска журнал Forbes назвал «революционером сразу в двух отраслях». Бизнесмен даже стал прототипом главного героя фильма «Железный человек» (герой оригинальной серии комиксов был «срисован» с образа Говарда Хьюза). На конец 2014 года Маск с состоянием $8,2 млрд занимает 158-е место среди богатейших людей мира по версии Forbes.
Компания SpaceX
Основана летом 2002 года предпринимателем Илоном Маском, сооснователем платежной системы PayPal. Первые несколько лет работы фирма занималась разработкой технологий и поиском правительственных контрактов. Ракету Falcon 1 компания Маска впервые запустила в марте 2006 года, но тогда течь в топливной системе вызвала пожар, ракета потеряла управление и упала в море недалеко от места старта. Успешным стал лишь четвертый запуск Falcon 1 в сентябре 2008 года (незадолго до подписания контракта с NASA).
Falcon 9, по размерам в три раза превосходящая прошлый тип ракеты, начала разрабатываться как перспективный носитель еще до первых неудач Falcon 1. Договоренности по программе CRS (программа коммерческой доставки грузов NASA) подстегнули эти исследования. На 2015 год намечен запуск новой линейки ракет - Falcon Heavy.
Как возвращали Falcon
Для приземления отработавшей ступени ракеты компания SpaceX построила специальную морскую платформу-космодром. Она располагалась в Атлантическом океане и удерживалась на месте с помощью водометных двигателей - подобная система используется на нефтяных платформах глубоководного бурения. Довольно внушительные, по человеческим меркам, размеры посадочной площадки (100 м в длину и 60 м в ширину), тем не менее, очень малы для посадки объекта с большой высоты: например, максимальная длина авианосца «Адмирал Кузнецов» составляет 306 м.
В самой компании вероятность точного приземления оценивали не более чем в 50%. Сложность в необходимости снижения скорости падения с 1300 м/c до 250 м/c и торможении перед самой посадкой, когда скорость падения не должна превышать 2 м/c. Ракета высотой с 14-этажный дом должна была приземлиться вертикально и встать на платформе при помощи специальных опор, размах которых составляет около 20 м. Для более точной посадки конструкторы использовали решетчатые стабилизаторы, которые ранее применялись только на баллистических ракетах класса «воздух - воздух» и в системе аварийного спасения советских кораблей «Союз».
В результате первая ступень Falcon 9 попала на посадочную площадку. Но приземление, как сообщил в своем