2 августа 2020 г. завершил полёт первый частный космический корабль с экипажем - Dragon 2, созданный в компании SpaceX под руководством бизнесмена и визионера Илона Маска. Эта важная веха в освоении космоса готовилась десятилетие - начиная от первого полета частной ракеты Falcon 9 в июне 2010 года, многократных полетов частного грузового корабля Dragon к МКС, начиная с 2012 года и недавней экспериментальной отработки средств аварийного спасения. Вся космическая техника, начиная от ракетных двигателей и кончая скафандрами астронавтов, создана в одной частной фирме.
Экономическая модель SpaceX
Основное отличие частного космоса от национальных и международных космических программ заключается в переходе от широкой кооперации в вертикальной интеграции. Космические агентства организуют работу множества частных и государственных предприятий, которые вместе работают на одну поставленную агентством общую цель. Но при этом каждое предприятие имеет свой экономический интерес, который заключается в получении прибыли. Подобная модель позволяет решать масштабные задачи, но она не очень хорошо подходит для минимизации стоимости космических программ. Цель удешевления запусков, конечно, ставится на верхнем уровне - но саботируется на нижнем уровне. Именно поэтому нынешние космические агентства либо крупно потрошат бюджет на деньги, как, например, НАСА, либо срывают сроки выполнения проектов из за секвестра государственных расходов, как Роскосмос. В обоих случаях страдает эффективность работы. О былых временах прошлого века, когда шла напряженная и результативная работа над космическими проектами, остается только мечтать. В космических машинах что-то испортилась, и она перестали работать на конечный результат. Государства вкладывают в них большие средства, а на выходе получают - новые расходы. И новые проекты будущих великих свершений, ни один из которых не будет осуществлен.
По-другому организована работа в новых частных компаниях - наиболее ярким примером которых является обсуждаемая нами компания SpaceX. Она организована по принципу вертикального треста, который производит ракетные двигатели, космические ракеты и оказывается пусковые услуги. А также в этом же тресте производятся космические корабли Dragon и спутники связи Starlink. Т.е. одна и та же компания является производителем всей необходимой космической техники, оператором пусковых услуг, доставки грузов и космической связи. Естественно, что при такой организации работы фактор накручивания расходов отсутствует напрочь. Нет смысла говорить о дороговизне или дешевизне ракетного двигателя Merlin, поскольку Маск продает его сам себе по условной цене, перекидывая цифры из одной бухгалтерской ведомости в другую. И он на деле, а не не словах, пытается сделать свою ракету Falcon ("Сокол")самой дешевой в мире, поскольку продает не саму ракету, а услугу по запуску спутников с помощью этой ракеты. "Внутренний коммунизм", когда каждое подразделение компании работает на общую цель, а не на собственный интерес, творит чудеса эффективности и экономии.
Технические решения SpaceX
Отличаются и технические решения. Конструкторы SpaceX первыми среди американских разработчиков создали чисто керосиновую многоступенчатую ракету космического назначения. До этого американские ракеты (как и ракеты многих других стран) напоминали сборную солянку из керосиновых, водородных, гидразиновых, твердотопливных и прочих ракетных ступеней. В этом им помогал фактор широкой кооперации, когда на каждую ракетную технологию находился производитель, который был экспертом в данной области.
Однокамерный ракетный двигатель Merlin ("Кречет") применяется на нижней и верхней ступени ракеты Falcon 9. Теперь это классика частного ракетостроения - девять РД на первой ступени ракеты и один РД с вакуумным соплом - на второй ступени.
В отличие от США, в СССР изначально встали на путь создания чисто керосиновой многоступенчатой ракеты-носителя (РН). Но всемирно известная РН "Союз" намного сложнее "Фалкона", поскольку состоит не из двух, а из шести ракетных блоков. Еще более сложной оказалась советская тяжелая ракета "Протон", которая собирается из девяти блоков - с ней Falcon соперничал при выводе спутников на ГСО. В настоящее время производство "Протонов" уже прекращено. Упрощение конструкции ракеты позволило SpaceX превзойти по экономической эффективности советское ракетостроение, доселе находившееся вне конкуренции. А про американское ракетостроение и говорить нечего - оно всегда было намного более затратным.
Но зачем сравнивать новейшую ракету с устаревшей техникой середины прошлого века? Ведь была еще ракета "Зенит", которая также состояла всего из двух ступеней и запускалась с "Морского старта"? И сам Маск называл "Зенит" лучшей ракетой в мире, кроме своей собственной. Правда, к тому времени, когда "Фалкон" вошел в свою полную силу, программа полетов "Зенита" уже сворачивалась. Попробуем разобраться, почему внешне похожие ракеты оказались противоположными по своим рыночным результатам.
Falcon vs "Зенит"
Основой любой ракеты являются ее ракетные двигатели (РД). Конструктивно РД Merlin относятся к простейшей, т.н. "открытой" схеме, в то время как ракетные двигатели "Зенита" используют технологию следующего поколения - замкнутую схему с дожиганием окислительного генераторного газа (ДОГГ). В этой продвинутой технологии все топливо используется для создания реактивной тяги, создаются наилучшие условия для сгорания горючего и достигается более высокое давление в камере сгорания (КС). Поэтому основная характеристика эффективности РД - отношение тяги с секундному расходу топлива оказывается выше. Эта важнейшая характеристика называется удельным импульсом (УИ).
Но за усложнение схемы и повышение давления в КС надо платить массой двигателя. Как мы видим из таблицы, РД "Зенита" оказываются более чем вдвое тяжелее по сравнению с РД "Фалкона". Т.е. с одной стороны, мы экономим за счет высокого УИ 5-8% топлива, а другой стороны, увеличиваем массу конструкции ракеты. И ее стоимость. Рыночная цена "Мерлинов" неизвестна, поскольку они не продаются, но РД-171 называют "бриллиантовыми". Это самый дорогой РД на рынке, который стоит около 15 млн. долларов.
Простота схемы "Мерлинов" позволила создать один из самых надежных РД на планете. Статистически ВБР данного РД составляет 0,9988. В сравнении с ВБР РД-171 0,978 он в 20 раз выше! А чтобы снять фактор отказа РД как возможную причину отказа первой ступени, создатели "Фалкона" обеспечили резервирование РД. Современная модификация Falcon 9 block 5 может выполнить свою задачу при отказе любых двух РД первой ступени из девяти, а предшествующие модификации могли парировать одиночный отказ. Поэтому расчетная надежность Falcon 9 оказывается не примерно в 2-3 раза выше, чем надежность Зенита, как можно было бы ожидать - она выше на порядок! Это качественно другой уровень ракетостроения, при котором цель заключается в достижении безотказной работы техники.
Для того, чтобы исключить влияние отказавшего РД на соседние, в конструкцию ДУ первой ступени "Фалкона" введен специальный защитный экран - Octaweb, который виден на фотографии в виде большой алюминиевой "шестеренки". Правда, эффективность Octaweb пока остается под вопросом, поскольку ни одного отказа РД со взрывом в истории полетов Falcon 9 пока не было.
Обеспечив малый вес и высокую надежность ДУ, разработчики Falcon 9 пошли по пути увеличения конструктивного совершенства ступени. В отличие от советских ракет-носителей, которые традиционно делаются из алюмо-магниевого сплава АМг6, в Falcon 9 применяются более легкие алюмолитиевые сплавы и современные композитные материалы.
Алюмолитиевые сплавы дороже АМг6, но у частной фирмы есть один резерв снижения стоимости, а также веса. Если создатели государственных ракет должны использовать дорогие материалы аэрокосмического класса и обеспечивать четырехкратный запас прочности, то частная фирма устанавливает требования сама для себя. Используется обычный прокат (т.н. Industrial Grage) и запас по прочности берется исходя из инженерного здравого смысла, а не обязательных нормативов. Это обстоятельство было обнаружено комиссией NASA, которая расследовала разрушение второй ступени Falcon 9 во время запуска космического корабля Dragon 28 июня 2015 года. Любого государственного подрядчика за такое жульничество отдали бы под суд, ну а частную фирму, которая строит космическую технику для себя - только пожурили.
И вот результат - как мы видим, конструктивное совершенство 1 и 2 ступеней Falcon 9 намного выше, чем у "Зенита". Особенно впечатляют характеристики второй ступени американской ракеты, экономия на весе которой приплюсовывается к массе полезной нагрузки. Falcon 9 все свои операции выполняет в двухступенчатом режиме, когда легкая вторая ступень доставляет полезную нагрузку (ПН) сразу на высокую геопереходную орбиту (ГПО). Поэтому в составе Falcon 9 нет разгонного блока (РБ).
В отличие от американской ракеты, "Зенит" стартует на высокую орбиту, имея под головным обтекателем (ГО) дополнительный 19-тонный разгонный блок ДМ-SL, т.е. работает по трехступенчатой схеме выведения. Характеристики именно этого варианта ракеты - Зенит-3SL, стартующего с экваториального "Морского старта", приведены в нашей таблице.
Стоит отметить, что американская РН Atlas-5, как и Falcon, работает по двухступенчатой схеме выведения. Но она достигает свой цели за счет применения водородной верхней ступени и стартовых "костылей" - до 5 твердотопливных ускорителей. Это конструктивно легкая, но дорогая ракета - типично американская "сборная солянка".
Выведение на ГПО в две ступени на керосине - это ноу-хау конструкторов SpaceX, которое никто не берется повторить. Несколько скромнее обстоят дела с полетами на низкие орбиты. Заявленная масса ПН в 22.8 тонны никогда не достигалась. При запусках спутников Starlink на орбиту выводится 13.62 тонны, а стандартный PAF (Payload Adapter Fitting) для коммерческих спутников ограничивает массу коммерческой ПН величиной в 24000 фунтов (10.9 тонн).
Есть суждение, что конструкция Falcon 9 вообще не рассчитана на вывод тяжелой нагрузки и сообщаемая компанией высокая цифра в 22.8 тонны носит формально расчетный характер. Отметим также, что фирма SpaceX не балует общественность точными числовыми характеристиками своей техники, поэтому указываемые в открытых источниках числовые сведения взяты фрагментарно их рекламных проспектов, твитов Маска или вовсе носят оценочный характер. Поэтому автор не ручается за достоверность приведенных по "Мерлину" и "Фалкону" цифр. Не исключено, что многие из них носят рекламный характер и специально преувеличены для того, чтобы деморализовать конкурентов.
В отличие от этого, российские ракеты-носители тягают заявленный груз честно, как битюги. Так, "Ангара" уже в первом своем испытательном полете доставила на орбиту КГЧ (космическую головную часть) весом более 20 тонн. Но, к сожалению, эта мощная ракета намного тяжелее и дороже легкокрылого "Фалкона".
Перечисленных технических решений вполне хватает для того, чтобы сделать Falcon 9 самой эффективной РН современности. Но Маск не остановился на достигнутом - и для дальнейшей экономии средств реализовал повторное использование первой ступени своей ракеты.
Многоразовость по Маску
Строго говоря, речь идет не о многоразовости, а о повторном использовании ракетной ступени. Многоразовым был Space Shuttle, орбитальные самолеты которого летали в космос до 25 раз и более. Но что толку от его многоразовости, если в экономическом итоге полеты шаттлов оказались намного дороже полетов одноразовых ракет-носителей? Про перипетии безуспешной борьбы НАСА за экономию бюджетных средств подробно рассказано в статье: Космические гонки XX и XXI века, часть 5: время крылатых гигантов
Потерпев неудачу с шаттлом, американское космическое агентство зареклось насчет многоразовости. Маск не стал повторять его опыт, а вместо это обеспечил реактивную посадку нижней ступени РН Falcon на тяге ее штатных РД. Идея состояла в том, что несколько раз (а не много раз) использовать ее повторно. В настоящее время в SpaceX сажают одномоментно два блока тяжелой ракеты Falcon Heavy, созданной на основе Falcon 9 (о ней ниже). Вдобавок к этом, в SpaceX реализовали спасение и повторное использование половинок композитного головного обтекателя. И только верхняя ступень ракет-носителей семейства Falcon остается одноразовой, поскольку ее слишком накладно возвращать c орбиты.
Заслуга SpaceX состоит в том, что там первыми показали миру возможность возвращение и повторного использования ступеней космических ракет - и не прогорели при этом финансово. Ну а насколько велика экономия - эта тайна останется в недрах внутренней бухгалтерии американской компании. Экологи в любом случае скажут "большое спасибо" хотя бы за избавление мирового океана от его замусоривания токсичными остатками ракетных ступеней.
Одно можно сказать точно - что этот фокус SpaceX с вертикальной посадкой никто, кроме частников, повторять не станет. Во-первых - это сложно. Маск иногда теряет свои ракетные ступени при попытке посадки на баржу из-за того, что их сдувает ветром. Во-вторых, логистика спасенной ступени, ее хранение и восстановление для повторного запуска стоит достаточно много. В-третьих, национальные космические агентства и их предприятия и так лишились из-за Маска выгодных заказов, чтобы еще сильнее подрывать себя переходом на повторное использование своей техники. Они будут всеми силами сохранять объемы производства своих одноразовых ракет-носителей - до тех пор, пока окончательно не сойдут со сцены, освободив место для конкурентного частного космоса.
Возрождение пилотируемой программы США
Венцом программы Falcon 9 стал полёт пилотируемого космического корабля Dragon 2 c двумя астронавтами на борту. Потребовалось 22 запуска беспилотного грузового корабля и 2 тестовых запуска пилотируемого корабля, прежде чем НАСА признало возможным первый полет частного космического корабля с астронавтами на борту. Это важная веха в истории космонавтики.
Отметим, что концепция корабля Dragon 2 во многом повторяет идеи незавершенного советского проекта "Заря". Для своего космического корабля в SpaceX создали первую в мире многоразовую систему аварийного спасения и новые модные скафандры от Хосе Фернандеса (которые критикуются специалистами за приоритет дизайна перед функциональностью). А доставка космонавтов на космодром выполняется, конечно же, на электромобиле Tesla, в роли которого выступает топовый кроссовер Tesla Model X. Он будет доставлять к кораблю Dragon 2 экипаж, в котором может быть до 4 астронавтов. Правда, пока одно место в кроссовере занимает водитель, но вероятно, что с какого-то времени вместо него будет работать автопилот и все будущие экипажи космического корабля смогут с комфортом разместиться на первом и втором ряде сидений современного электромобиля.
На сайте SpaceX написано, что новый КК семиместный. И действительно, там есть место даже для семи кресел - но полеты в таком многоместном режиме пока не разрешены НАСА, поскольку требуют длительной доводки и сертификации системы мягкой вертикальной посадки. В разрешенном к полетам варианте Dragon садится на воду и с экипажем не более, чем из четырех человек.
Нынешний 12-тонный Dragon 2 обеспечивает полеты на орбиту МКС, обладая при этом большей вместимостью, чем нынешние российские "Союзы" и будет использовать экономические преимущества своей ракеты с возвращаемой первой ступенью. Он станет альтернативой российским космическим кораблям, чтобы потеснить их на рынке пилотируемых запусков.
Конкуренция на рынке пилотируемых полетов
С полетами Dragon 2 начинается смена поколений пилотируемых космических аппаратов. Только что большой 20-тонный КК для полета на Луну испытали китайцы - около Земли в беспилотном режиме. Для запуска этого аппарата к Луне создается сверхтяжелая ракета CZ-9, испытания которой запланированы на 2030 год. Думается, что этого лунного КК есть перспективы, потому что китайцы так просто от Луны не отступятся. А вот американские КК Starliner и Orion вполне могут пойти под сокращение, поскольку они сильно отстают по графику создания. Особенно лишним представляется Starliner, который к тому же запускается на российском двигателе РД-180 и не может обеспечить пилотируемую независимость США. Но теперь американское космическое агентство сможет со спокойной душой прекратить свои затянувшиеся проекты и передать пилотируемую программу в частные руки.
Новый российский лунный ПТК НП "Федерация", она же "Орел" при схожей вместимости получается почти в два раза тяжелее 12-тонного "Дракона" и поначалу будет запускаться на очень дорогой и полностью одноразовой тяжелой ракете Ангара-А5. А потом - на еще более дорогом "Енисее". У этого затратного проекта явно отсутствуют перспективы - для полетов на околоземную орбиту "Орел" слишком тяжел, а освоение Луны с помощью одноразовой сверхтяжелой ракеты "Енисей" будет сопровождаться непомерными расходами. Но несмотря на это, Роскосмос продолжает работать над своим тупиковым проектом с методичностью заводного механизма. Возможно, что "Федерация" и в самом деле полетит в космос по программе испытаний "Ангары", но она не сможет конкурировать ни с частными космическими кораблями SpaceX, ни с традиционными российскими "Союзами".
Конечно, гениальные космические корабли Королева еще долго будут совершать свои полеты на созданной им ракете "Союз" - тем более что они первоначально проектировались именно для лунных экспедиций, т.е. нераскрытый потенциал развития у них имеется. Ни один другой космический корабль не обеспечивает полет по окололунной орбите с возвращением на Землю, укладываясь при этом в весовой бюджет в 10 тонн, как Союз-7К ЛОК.
Но полеты к Луне, даже на легком Союзе 7К-ЛОК требуют создания как минимум вдвое более мощных ракет, чем нынешние. Об этом можно прочитать в статье: Космические гонки XX и XXI века, часть 6: сверхтяжелые ракеты России.
В России поставлена цель - обеспечить независимость космической программы от соседей по ближнему зарубежью, которые слишком легко попадают под деструктивное американское влияние. Для этого проводится импортозамещение космической техники, строится новый космодром "Восточный" и создается новая тяжелая ракета-носитель "Ангара" - которая повторяет характеристики советского "Протона", но в отличие от него запускается с территории России. Все это исключительно важные первоочередные задачи, которые отвлекают силы от перспективных космических проектов.
У России есть все технологии для лидирования в космосе - но, к сожалению, утрачено умение на общенациональном уровне ставить цели на опережение соперников. Нельзя сказать, что работа не ведется - в российский выдвигается и обсуждается большое число различных проектов, многие из которых являются прорывными. Но не хватает главного - сильного лидера масштаба Королева, который оценит идеи современников и преодолеет сопротивление консерваторов.
Пока в Роскосмосе определяются с направлением дальнейшего развития и просят открыть расширенное бюджетное финансирование непонятно на что, Маск уходит все дальше вперед. Его преимущество состоит в наличии готовых стартовых площадок, четкого плана действий, верящих в него инвесторов и отсутствия необходимости согласовывать с кем-либо свои траты. И если российское космическое агентство намеревается составить конкуренцию американской SpaceX - то ему придется кардинально поменять методику своей работы.
Сверхтяжелые ракеты для межпланетных перелетов
Частный космос придал космонавтике новое дыхание - снова и все чаще звучат слова "впервые". В активе Маска - новая трехступенчатая ракета Falcon Heavу, построенная по схеме традиционного американского триблока. При первых ее полетах была выполнена эффектная синхронная посадка блоковых блоков ракеты и - впервые в истории ракетостроения - посадка центрального блока (2 ступени). Состоялся первый после полетов советских АМС с "Луноходами" запуск электромобиля в космос - им стал кабриолет Tesla Roadster. Правда, никакого исследовательского значения этот полет не имел, поскольку доставка данного электромобиля на Марс в его программу не входила. Но потом все стало серьезнее. Falcon Heavy уже используется в интересах министерства обороны США и определенно станет первой сверхтяжелой ракетой, технологии которой не будут утеряны за ненадобностью.
Falcon Heavy может отправить 16.8 тонн на отлетную траекторию к Марсу, т.е., к примеру, запустить туда космический корабль Dragon с облетной миссией или для посадки капсулы на поверхность - конечно, в беспилотном режиме, поскольку для 500-суточного полета с экипажем требуется корабль куда больших размеров. Но Маск одно время обещал использовать ракету Falcon Heavy в программе 10-суточного туристического облета Луны, а директор НАСА Джим Брайденстайн рассчитывает на ее применение в лунной программе "Артемида", вместо набившей оскомину SLS.
Еще одно интересное достижение SpaceX - это то, что впервые космическая ракета стартовала на 27 реактивных двигателях - под 9 РД Merlin в каждом из трех нижних блоков! Конструкторам Маска удалось обеспечить их надежную работу - что не удалось совершить в СССР по программе H-1. Об этой первой неудачной попытке создать керосиновую суперракету написано в статье: Космические гонки XX и XXI века, часть 2: несбывшаяся мечта Королева.
Чтобы не останавливаться на достигнутом, в SpaceX готовится еще более грандиозная многоразовая ракета Super Heavy c 31 метановыми РД Raptor на первой ступени и многоразовой второй ступенью Starship. Мечта Королева о марсианской суперракете снова начала осуществляться - в похожих технических решениях и на новой, более совершенной технологической базе. А также при многократно сокращенной затратной части. Но это уже другая история нашего общепланетного будущего. А следующая статья цикла будет о возвращение на Луну.
Предыдущая статья - Сверхтяжелые ракеты России
Оценили 7 человек
18 кармы