December 21st, 2019

ДР Цертуса 2011

Diminishing Returns

Использование многоразовых первых ступеней ракет позволяет снизить цену запуска полезной нагрузки на орбиту (низкую околоземную) в десять раз, до менее чем тысячи долларов за кг. Если сделать многоразовыми обе ступени (в смысле full and rapid reusability, а не как это было у шаттла), как SpaceX планирует это сделать в рамках Starship, позволит снизить цену ещё в три с полтиной раза — до менее чем 300 долларов за кг.

Как вы думаете, какую долю составляет цены топлива и окислителя?

В ноябре Илон Маск рисовал вот такую радужную картину: “we consider our operational costs would probably be around $2 million per flight. That includes a cost of fuel and oxygen at around $900,000”. При этом планируется, что выводится не меньше 100 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту в варианте, что ракета возвращаемая, т.е. цена топлива составляет всего $9 за килограмм. При максимально оптимистичном сценарии доводки тяговооруженности (thrust-to-weight ratio) ожидается 150 тонн полезной нагрузки, т.е. 6 долларов на килограмм за топливо, это настолько мало, что дальнейшая оптимизация КПД двигателей вряд ли имеет хоть какой-то смысл по части снижения конечной цены запуска.

Теоретический потенциал снижения удельной цены топлива всего максимум двукратный (пока двигатели остаются химическими):
– переход на непрерывное детонационное сгорание сулит улучшение удельного импульса на 10%-20%, и в предположении что тяговооруженность от такого перехода не пострадает заметно, это даёт возмоность выводить на орбиту примерно в полтора раза больше, чем без оного;
– аналогично, если удалось бы внедрить клиновоздушные сопла, удалось бы выводить на орбиту процентов на 40 больше, в предположении, что проблему с охлаждением можно как-то решить, не калеча тяговооруженность и многоразовость изделия.

Реализация обоих пунктов программы как раз даёт чуть более чем двукратное увеличение выводимой полезной нагрузке при том же количестве затраченного топлива. Если умудриться реализовать такую жемчужину инженерной мысли, будут затраты на топливо и окислитель порядка 3 долларов за кг.

Вообще же цена вывода полезного груза складывается из следующих факторов:
1) отбивание вложений в R&D.
2) затраты на наземные facilities;
3) операционные издержки (кроме топлива);
4) амортизация ракеты;
5) цена топлива.

Пункт 1 сейчас в цену не входит вообще, эти затраты переложены на инвесторов и NASA. Пункты (2) и (3) это про обеспечение массовости, оптимизацию процессов и бизнес, и только чуть-чуть про инженерные вопросы. Вот (4) это во многом реально про инженерные вопросы: про то, как выжать из железяк максимально возможное количество повторных запусков, и при этом держать цены межпусковой подотовки низкими.
ДР Цертуса 2011

Другой подход

Кроме SpaceX есть ещё один ну очень интересный игрок на том же рынке — Rocket Lab. Они делают малюсенькую ракету Electron, которая выводит на орбиту всего 150кг. Ракета диаметром 120 сантиметров, высота первой ступени (которую, весьма вероятно, вот вот научатся делать многоразовой) всего 12 метров, сухая масса — 950кг, меньше чем у автомобиля, даже если это Mini Cooper. Летит эта первая ступень на 9 двигателях Rutherford по 35 кг штука. Вторая ступень 240см в высоту, 250кг сухого веса (1 двигатель Rutherford). Полностью загруженная топливом и полезным грузом ракета весит 12.7 тонн.

У них две стартовых площадки (и они строят третью), у них роботизированная фабрика, которая делает готовую ракету менее чем за неделю от начала и до конца, расчётная мощность фабрики 50 ракет в год. Им удаётся поддерживать очень-очень низкие затраты на всё вокруг ракеты, прямо сейчас, когда они ещё не добились многоразового использования первой ступени, они берут по 6 миллионов долларов за старт, и это им окупается. Обеспечив многоразовость и отбив начальные инвестиции, они наверняка смогут опустить цены до менее чем миллиона (для конечного покупателя). Кстати, затраты на топливо тут тоже практически нулевые — Для вывода тех 150кг на орбиту потребляется чуть больше 11 тонн топлива с окислителем (керосин с жидким кислородом), это около $3500. Это меньше 1% цены старта при вообще любом раскладе.

* * *

Теоретически ракету с такими параметрами можно запускать не с земли, а с самолётика вроде B-70 Valkyrie (так сказать, нулевой многоразовой ступени). Сейчас при старте с земли Electron достигает скорости 3000 км/ч на высоте 27 километров. Я неспроста сказал B-70 Valkyrie, потому что это в точности та штука, которая может тащить 15 тонн груза и лететь со скоростью 3200 км/ч на высоте 25000 км, причём ненадолго она может задрать нос и обеспечить скорость под 3000 под углом около 45° вверх и забрамшись почти до 30км высоты. Ежели делать это ещё и над экватором, то таким образом за счёт старта экономится вроде как до половины Delta-v бюджета полёта до LEO, плюс сопло, оптимизированное под ту стартовую высоту даёт более приличный удельный импульс, то есть можно будет брать не 150кг полезного груза, а скажем 300кг. Или я обсчитался?