Одноразовые vs многоразовые

Любой анализ космического рынка показывает, что на сегодня такого спроса нет: Falcon 9, поднимающие до 20 тонн, справляются со всеми текущими заказами, оставляя российским ракетам только крошки с еще недавно принадлежавшего им рынка космических запусков. Нынешний рынок просто слишком мал для такого монстра, как Starship, и у SpaceX нет выхода, кроме как создать спрос на столь огромный корабль искусственно.

Система спутникового интернета Starlink, как ее называют в компании, из-за низкоорбитальности спутников требует большого их количества — иначе уход одного спутника за горизонт оставит клиента без связи. Спутники на 350 км через несколько лет службы за счет торможения о молекулы газов будут падать в атмосферу и там сгорать, обеспечивая тем самым отсутствие опасного космического мусора на орбите. И это значит, что поддержание группировки будет требовать запуска пары тысяч новых спутников каждый год. Falcon 9 может вывести по 60 таких спутников за раз, но Starship в несколько раз больше и мощнее — он сможет запускать сотни таких устройств за каждый пуск.

Фактически проект глобального спутникового интернета SpaceX — каша из топора, проект, в котором хитрый выходец из Африки хочет заставить остальное человечество заплатить за свои дорогостоящие марсианские проекты.

 

Однако если скорость нового низкоорбитального спутникового интернета окажется близкой к обещанной, а цена — умеренной, то вряд ли у нас будет повод жаловаться на хитрость Илона Маска. Ведь тогда проклятия медленному интернету на даче вполне могут уйти в прошлое: Россия — страна большая и просто в силу географии наверняка попадет в зону покрытия новой системы спутникового интернета.

Разумеется, реальный рынок отличается от свободного рынка из учебника тем, что он и близко не свободен. То есть наши госструктуры вполне могут просто не разрешить SpaceX продавать свои принимающие клиентские устройства в нашей стране и тем самым заблокировать усилия компании у нас. Тем не менее прогресс так не остановить: о намерении создать аналогичные Starlink системы уже заявили очень многие игроки, включая таких крупных, как Amazon.

Роскосмос, кстати, тоже заявил о намерении развернуть сходную по задачам спутниковую систему «Сфера» (спутников там, правда, будет раз в двадцать меньше). Хотя, учитывая технический уровень создаваемых этой компанией спутников, мы бы не стали возлагать на них слишком большие надежды. И тем не менее роскосмосовское «А мы тоже можем!» указывает на то, что рано или поздно, не мытьем так катаньем, низкоорбитальный спутниковый интернет придет и в нашу страну.

 

Stratolaunch R.I.P.

Теперь можно. Если что, во всем виноват ТАСС

МОСКВА, 3 июля. /ТАСС/. Новое экспериментальное Конструкторское бюро (КБ) им. Бартини будет создано в ЦНИИмаш (головной научно-исследовательский институт Роскосмоса), на первом этапе бюро займется созданием многоразовых ракет. Основу КБ составят молодые специалисты, и, в частности, ряд уволившихся инженеров "Ильюшина", сообщил в среду ТАСС источник в ракетно-космической отрасли.

"Распоряжением главы Роскосмоса в ЦНИИмаш создается экспериментальное КБ им. Бартини, первой темой которого станет разработка легких многоразовых ракет. Работать в нем будут молодые специалисты Роскосмоса, а также инженеры, уволившиеся из ПАО "Ильюшин", - сказал собеседник агентства.

Возвращаемая ступень будет разрабатываться на базе прошедшего одобрение аванпроекта "Крыло-СВ", подготовленного ранее Фондом перспективных исследований (ФПИ), уточнил источник.

Он добавил, что бюро создается в рамках политики Роскосмоса по формированию инженерно-конструкторской элиты, которая в перспективе обеспечит госкорпорации новые технологические возможности.

О "Крыле-СВ"

Аванпроект возвращаемой ступени "Крыло-СВ" был подготовлен и защищен в ФПИ 29 мая. Разработкой занималось КБ им. В.М. Мясищева. В журнале Объединенной авиастроительной корпорации "Горизонт" уточнялось, что после выхода ракеты на заданную высоту проект предполагает раскрытие крыла и включение реактивного двигателя. Это позволит вернуть первую ступень.

 

Из интервью Андрея Григорьева, гендиректора ФПИ:

— ФПИ также занимается космической тематикой. Готово ли уже техническое задание на возвращаемую ступень ракеты-носителя "Крыло-СВ"? Когда планируется построить первые демонстраторы?

— Работы по этому проекту ведутся давно. Техническое задание на возвращаемую ступень подготовлено. В его основу легли результаты реализованного в 2017–2018 годах аванпроекта фонда по определению облика изделия. В рамках аванпроекта проделана масштабная работа по математическому моделированию полета, предложены ключевые конструктивно-компоновочные решения, определены оптимальный тип и характеристики ракетного двигателя. В ходе реализации проекта планируется создать несколько демонстраторов возвращаемой ступени.

Уникальность изделия заключается в том, что во время полета по траектории ему предстоит в управляемом режиме сначала ускориться от нулевой до гиперзвуковой скорости, а потом произвести торможение в атмосфере и завершить полет посадкой на аэродром
На первом демонстраторе с массогабаритным макетом ракетного двигателя будет отрабатываться управляемый спуск ступени на дозвуковом режиме. Его полеты запланированы на 2021–2022 годы.

 

"Проект создания возвращаемой ступени ракеты-носителя "Крыло-СВ" запускается летом этого года. Техническое задание на возвращаемую ступень подготовлено. Начнем с создания нескольких демонстраторов возвращаемой ступени", - рассказали в фонде.

 

Проект «Крыло-СВ» является современным развитием «Байкала» и частично использует его разработки. Фонд перспективных исследований (ФПИ) ещё в 2018 году сообщил, что полнофункциональный дозвуковой демонстратор возвращаемой ступени ракеты-носителя «Крыло-СВ» будет создан в России в течение четырех лет. 29 мая 2019 года в ФПИ прошла защита проекта, который получил положительную оценку. «Крыло-СВ» создаётся рабочей группой, где головным предприятием выступает АО «ЭМЗ имени В.М. Мясищева».

Летные испытания «Крыла-СВ» могут начаться уже в следующем году и будут начаты с отработки горизонтального полёта – ракета будет стартовать не со стартового стола, а с самолёта-носителя. В таких запусках её полёт будет дозвуковым, однако в реальности ракета размером шесть метров в длину и 0,8 метра в диаметре будет перемещаться на обратном пути при гиперзвуковых скоростях – до 6 чисел Маха.

Такие размеры «Крыла-СВ» делают её ускорителем для ракеты сверхлёгкого класса

– для сравнения: универсальный «Байкал», который планировался в качестве замены УРМ ракеты «Ангара» имел гораздо более солидные размеры – длину 28,5 метра и диаметр 2,9 метра. Поэтому пока что «Крыло-СВ» может обеспечить многоразовое использование каких-то вариаций «Ангары-1.1», а вот для средней «Ангары-АЗ» и тяжёлой «Ангары-А5» потребуется создание своего крылатого возвращаемого блока, гораздо более серьёзного размера и веса.

 

Королёвские-2020

---

СОКРАЩЕНИЕ ЗАТРАТ НА ЗАПУСК ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ
МНОГОРАЗОВЫХ РАКЕТ-НОСИТЕЛЕЙ ТЯЖЕЛОГО
И СВЕРХТЯЖЕЛОГО КЛАССОВ

Г.А. Бадиков1
Э.Б. Мазурин1
К.Н. Гончаров2
1МГТУ им. Н.Э. Баумана
2АО «ВПК «НПО машиностроения»

На основе экономической модели затрат на запуск одноразовой ракеты-
носителя, разработана комплексная модель формирования затрат на
запуск многоразовой ракеты-носителя, позволяющая оценить эффек-
тивность инвестиционного проекта и срок окупаемости при условии,
если инвестициями считать затраты на разработку. Для создаваемых
тяжелых ракет-носителей Starship и New Glenn проанализировано сниже-
ние стоимости запуска при 5, 10 и 20 повторных запусках и определена
окупаемость проекта.
Для сохранения Российской Федерацией лидирующих позиций на рынке
ракет-носителей критически важным является контроль необходимых
затрат. Обычно моделирование затрат используется для проверки смет
подрядчиков, а также для получения независимой оценки стоимости
системы, необходимой заказчику или другой финансирующей органи-
зации [1, 2]. В условиях конкуренции при осуществлении коммерческих
запусков значение моделирования затрат возрастает. Оно должно охва-
тывать весь жизненный цикл космической системы, чтобы прекратить
проект, если заданные ограничения будут превышены. В то же время
уже на начальных стадиях проектирования можно определить эконо-
мически эффективные решения, которые отвечают техническим тре-
бованиям. Большую роль играют массовость производства элементов
системы, методы управления предприятием и использование средств
управления проектами [3].
Разработана комплексная модель формирования затрат на запуск
многоразовой ракеты-носителя [4], которая отличается от экономической
модели затрат на запуск одноразовой ракеты-носителя [2] двумя обсто-
ятельствами. Первое и самое важное: затраты на изготовление ракеты-
носителя, составляющие около 75 % всех затрат на запуск, заменяются
амортизацией этих затрат, равной частному от деления затрат на изго-
товление на число повторных запусков (принято равным 5, 10, 20). Второе
обстоятельство связано с затратами двух новых этапов: возвратом ра-
кеты-носителя на стартовый стол и ее ремонтом после полета. Эффек-
тивность инвестиционного проекта и срок окупаемости оцениваются
по чистому приведенному потоку платежей (NPV, Net Present Value).
Таким образом, сокращение затрат на запуск ракеты-носителя мо-
жет быть достигнуто использованием многоразовости, а также увели-
чением грузоподъемности. Интерполяция статистических данных по-
казывает снижение цены выведения 1 кг полезной нагрузки на низкую
околоземную орбиту до 1000 долл. для тяжелых и сверхтяжелых ракет-
носителей. В настоящее время в мире нет полностью многоразовых
ракет-носителей, но уже заявлено об их создании. Это Starship — Big
Falcon Rocket (BFR), проектируемая SpaceX, и New Glenn, проектируемая
Blue Origin.
Средние затраты на запуск ракеты-носителя BFR при 5 повторных
запусках в год изменяются от 257,1 млн долл. в первый год эксплуата-
ции до 109,3 млн долл. через 21 год инвестиционного проекта. Суще-
ственное сокращение — на 108,9 млн долл., или на 42,3 % — происходит
в первые 5 лет. Для 10 повторных запусков в год аналогичная кар-
тина: снижение затрат на запуск с 168,8 млн долл. до 76,2 млн долл.,
за первые 5 лет сокращение на 65,9 млн долл., или на 39 %. Для
20 повторных запусков в год картина также аналогична: снижение
затрат на запуск с 120,2 млн долл. до 58,7 млн долл., за первые 5 лет
сокращение на 41,5 млн долл., или на 34,5 %.
Если в расчетах эффективности инвестиционного проекта принять
заявленную компанией SpaceX цену запуска 150 млн долл. и стоимость
запусков 5, 10 и 20 на конец инвестиционного проекта длительно-
стью 21 год чистый приведенный поток платежей NPV21 равен соот-
ветственно –5,606, 4,741 и 10,285 млрд долл. При 10 и 20 повторных
запусках окупаемость достигается за 5 и 10 лет соответственно. При
5 повторных запусках окупаемость за время инвестиционного проекта
не достигается.
Средние затраты на запуск ракеты-носителя New Glenn при 5 по-
вторных запусках в год изменяются от 86,2 млн долл. в первый год экс-
плуатации до 36,8 млн долл. через 21 год инвестиционного проекта. Су-
щественное сокращение — на 36,4 млн долл., или на 42,3 %, происходит
в первые 5 лет. Для 10 повторных запусков в год видим аналогичную
картину: снижение затрат на запуск с 56,8 млн долл. до 25,7 млн долл.,
за первые 5 лет сокращение на 31 млн. долл., или на 54,8 %. Для
20 повторных запусков в год ситуация сходная: снижение затрат на
запуск с 40,6 млн долл. до 19,9 млн долл., за первые 5 лет сокращение
на 14 млн долл., или на 34,5 %.
В расчетах эффективности инвестиционного проекта примем
заявленную компанией Blue Origin цену запуска 45 млн долл. и сто-
имость разработки 1,2 млрд долл. При 20 запусках в год и числе по-
вторных запусков 5, 10 и 20 на конец инвестиционного проекта дли-
тельностью 21 год чистый приведенный поток платежей NPV21 равен
соответственно –2,566, 0,887 и 2,737 млрд долл. При 20 и 10 повторных
запусках окупаемость достигается за 5 и 12 лет соответственно. При
5 повторных запусках окупаемость за время инвестиционного проекта
не достигается.
Таким образом, использование многоразовых ракет-носителей по-
зволяет существенно снизить затраты на запуск. Ракеты-носители BFR и
New Glenn изначально имеют преимущество перед остальными ракета-
ми-носителями тяжелого класса («Ангара», Arian, SLS, Vulkan), поскольку
проектируются многоразовыми.
Как показывают результаты моделирования, при числе повторных
запусков более 20 и стоимости выведения 1 кг полезного груза на ор-
биту Земли порядка 1000 долл. окупаемость инвестиционных проектов
может составить 3–5 лет, что приемлемо для частного капитала.
Литература
[1] Wertz J.R. Economic model of reusable vs. expendable launch vehicles, IAF
Congress, Rio de Janeiro, Brazil, Oct. 2–6, 2000.
[2] Бадиков Г.А., Зуев А.Г., Левашов Р.Д. Экономическое моделирование затрат на
запуск ракеты-носителя // Тр. секции 22 имени академика В.Н. Челомея XLI Ака-
демических чтений по космонавтике «Ракетные комплексы и ракетно-косми-
ческие системы. Проектирование, экспериментальная отработка, летные ис-
пытания, эксплуатация». Реутов: Изд-во АО «ВПК «НПО машиностроения», 2017.
С. 129–139.
[3] Фалько С. Г. Концепция построения ситуационного центра в ракетно-кос-
мической отрасли // Инновации в менеджменте. 2018. № 4 (18). С. 2–3.
[4] Бадиков Г.А., Мазурин Э.Б., Гончаров К. Моделирование затрат на запуск
многоразовых ракет-носителей // Сб. науч. тр. VII Междунар. конф. по кон-
троллингу. М.: .НП «Объединение контроллеров», 2018. С. 20–28

---

Интересное замечание о влиянии - неожиданно сильном - конкретного типа применяемых алюминиевых сплавов на сухую массу и массовое совершенство.

Сухая масса первой ступени Falcon 9 - 22.3т(Стартовая масса 431т)

Сухая масса Союз 5 целых - 30.5т (При учете того, что двигатель РД171МВ массой - 10т) и стартовой массой в 428.5т


- Действительно, при схожей массе топлива, первая ступень Союз 5 получается тяжелее на целых 10т. В чем же дело? действительно российское машиностроение настолько деградировало, что не способно создать ступень с высоким массовым совершенством?

- Вовсе нет.

Дело в том, что российские ракетно космические изделия в большинстве своем используют дешевые Алюминий-магниевые(Al-Mg) сплавы а американская промышленность, в частности Falcon9 Целиком выполнен из Алюминий-литиевых(Al-Li) сплавов, в которых "Литий" как легирующий элемент, и позволяет снизить до 30-40% Массу.


Почему Российская космонавтика не использует Легкие Алюминий-Литиевые сплавы?


- Цена. Дело в том, что цена на подобные "крылатые" сплавы, выше в 20-50раз(в зависимости от полуфабриката) Цена за килограмм полезной нагрузки выводимой на орбиту при таком "Облегчение" вырастит на столько, что эффективность такого внедрения будет экономически убыточна.

Но все же в России достаточный опыт использования Al-Li-Sc Сплавов. Например, самолет амфибия Бе-200, чья основная задача тушение лесных пожаров, полностью выполнен из такого алюминиевого сплава.


Наблюдается в корне разная концепция при проектирование ракет-носителей. Компания Spacex не имеет достаточного опыта в создание эффективных ракетных двигателей. Их основной двигатель Merlin 1D+ имеет тягу в 86т и удельный импульс на уровне моря в 286с. Данный двигатель является типичным представителем открытого цикла. (Напомним, что открытый цикл, это схема работы двигателя - Когда рабочее тепло турбины - Генераторный газ, не дожигается в камере сгорания, что прибавляет эффективность двигателя и уменьшает расход топлива, а выбрасывается в атмосферу, не совершая ни какой работы.) по этому они просто вынуждены использовать дорогие и легкие AL-LI сплавы, что бы сохранять приемлемую грузоподъемность.

С Российской же стороны, совершенство ЖРД семейства РД171/180/191 c закрытой схемой, и с высокими показателями удельного импульса(Для Керосина) в 311сек, позволяет добиваться необходимой грузоподъемности, поставленной в техническом задание, используя более "Тяжелые" но в разы более "Дешевые" сплавы Al-Mg

 

Цифирь и вообще всё по-хорошему надо перепроверять, и сдаётся мне, что не только в сплаве дело (в конце концов наверняка и по удельной прочности отличается, и по каким-то еще важным для конструктива параметрам, определяющим применимые решения) - но идейно вполне правдоподобно. Отличная иллюстрация того, что для одноразовой и многоразовой ракет критерии технико-экономической оптимизации принципиально отличаются, и технические решения нужно применять разные.