Примечание редактора: этот пост был написан Лукасом Давиа и Марин Ачтернаам.
Вводя «многоразовые ракеты» в поисковую систему, вы не можете не привлекать внимание к ссылкам, связанным с SpaceX, которые заполняют экран. Причина этого понятна: со смертью космического корабля «Шаттл» и отсутствием четкого планирования на будущее большинством старых игроков в области космического полета, простой, краткосрочный план SpaceX и предыдущие летные испытания делают их любимым для всех радикально сократить расходы на орбита с ракетами, которые возвращаются домой - готовы к повторному использованию.
А с предстоящим запуском 14 января ракеты SpaceX Falcon 9, доставляющей Dragon на МКС, впервые за почти 90 лет потенциал истинного многократного использования ракеты, безусловно, становится очевидным, так как Годдард запустил первую в мире ракету на жидком топливе из Массачусетс в 1926 году. Тем не менее, сейчас как никогда важное время, чтобы умерить наши дикие ожидания в отношении возможности ракет, которые летят обратно на стартовую площадку. Хотя революция в ракетостроении может быть среди нас, это итеративный, многоэтапный процесс, который выходит за рамки любой отдельной задачи - и мы не должны ожидать регулярного повторного использования, подобного авиалинии, и значительного снижения стоимости в ближайшее время.
Следует отметить, что Элон Маск, несмотря на все свои удивительные достижения, никогда не устанавливал жестких и быстрых сроков, когда будет доступна дешевая и доступная ракета, не говоря уже о солидной цене. Почему? Просто потому, что мы входим на территорию, которая остается неизведанной.
Единственная ракета-носитель в истории, которая когда-либо повторно запускалась после выхода на орбиту, была космическим кораблем. Несмотря на многократное использование самой дорогой части любой ракеты - двигателей и связанных с ними систем - стоимость запуска Шаттла, по данным НАСА, составляет не менее 450 миллионов долларов при относительно небольшой полезной нагрузке в 24 метрических тонны для низкой околоземной орбиты, или почти 19 000 долларов за килограмм. , С учетом затрат на разработку, суммированных и разделенных на рейс, цена запуска может составлять в среднем 1,5 миллиарда долларов или в три раза больше заявленной НАСА суммы. То, что должно было резко снизить стоимость поднятия груза на орбиту, оказалось одной из самых дорогих ракет-носителей в истории человечества. Почему это стало так дорого?
Концепция космического шаттла была результатом брака между НАСА, ВВС и другими партнерами. Каждый хотел иметь свои собственные конструктивные характеристики, которые в конечном итоге привели к созданию громоздкого транспортного средства без четко определенной цели, и он стал «ловить все» в космической отрасли. Главным образом, это было то, что количество обслуживания, необходимое после каждой миссии, было сильно недооценено НАСА. После каждого полета все транспортное средство должно было быть существенно перестроено: заменены плитки, проверены двигатели, восстановлены бустеры. В частности, трио главных двигателей RS-25 нужно было разобрать и проверить на наличие всех возможных дефектов, которые могут вызвать отказ, а когда что-то сломалось, не было здоровой линии питания, которая могла бы их легко заменить, вызывая стоимость запасных частей для стремительного роста, а также поддержание рабочей силы, готовой и способной отремонтировать челнок, быстро стали поглотителем денег, который НАСА так и не смогла восстановить.
SpaceX не НАСА, хотя. Они внедрили более гибкий и гибкий подход к разработке своих продуктов, который оказался чрезвычайно успешным. У них также есть годы предыдущих проектов (из нескольких источников), чтобы учиться у того, чего не было у НАСА. Тем не менее, это не проблемы, которые можно просто отмахнуться. Скорее, это фундаментальные проблемы, требующие решения: от физики не уйти.
Общей темой заявлений Маск является смелое стремление революционизировать модель «одно использование и выбрасывать», которая доминировала в ракетной промышленности с самого начала, превращая ее в нечто более тесно связанное с моделью авиакомпаний, основанной на обслуживании. Это большая задача, даже по меркам Железного Человека.
Многие поклонники недооценивают барьеры для входа. Фактически, в недавнем опросе, проведенном в сообществе фанатов SpaceX на Reddit.com, когда его попросили сделать обоснованное предположение о цене запуска ракеты Falcon 9 через 5 лет, значительная часть из почти 600 респондентов выбрала значение ниже 20 000 000 долларов. Некоторые даже выбрали цены ниже 10 000 000 долларов. Хотя главный операционный директор SpaceX, Гвинн Шотвелл попутно упомянул, что многоразовые запуски Falcon 9 могут в конечном итоге получить цену в 5-7 миллионов долларов, это, вероятно, далеко в будущем, далеко позади только зари многоразовых ракет. Для некоторой перспективы, пять лет назад в 2010 году, SpaceX запустил две ракеты Falcon 9. В прошлом году они запустили шесть, и вдруг, к 2020 году, стоимость стандартного запуска Falcon 9 будет в три раза дешевле? Откуда пришло это дополнительное ускорение в развитии? Возможно, это исходит от некоторых немного слишком оптимистичных фанатов.
На самом деле, что-то даже такое базовое, как длительное техническое обслуживание двигателя, все еще относительно неизвестно. Ранее SpaceX уточнил, что срок службы каждого двигателя составляет приблизительно 40 оборотов, и случайный наблюдатель предположил бы, что это приведет к созданию двигателя, который можно использовать в 40 миссиях. Тем не менее, с тремя испытаниями двигателя перед каждым запуском, самим запуском и тремя ожогами, необходимыми для завершения процесса повторного входа и повторной посадки, центральному двигателю фактически нужно выстрелить 7 раз для выполнения миссии, а с девятью двигатели на каждой нижней ступени - даже если большинство из них запускаются несколько раз, что приводит к появлению большого количества деталей, которые могут выходить из строя после каждого полета. Проверка на эти неисправности и их устранение могут стать намного более дорогостоящими и трудоемкими, чем можно было бы надеяться.
Например, с диаметром 3,66 м и высотой около 42 м, поверхность первой ступени имеет площадь около 500 кв. М, которая с одной стороны подвергается воздействию холодных температур жидкого кислорода и охлажденного керосина, а с другой , различные температуры от повторного входа в более низкую атмосферу. Фактически, даже накопление льда на внешней поверхности транспортного средства является достаточно значительным, чтобы существенно изменить массу транспортного средства! В пределах этой большой области возможно накопление растягивающей, термодинамической и связанной с давлением усталости. Полоски могут возникать и образовывать волосяные трещины. Это опасность, которая может привести к критическому отказу в оперативной миссии, и такое событие может навсегда вызвать связь между зарождающейся ракетой многоразового использования и нестабильностью в умах операторов спутников и страховой индустрии. И хотя Falcon 9 может считаться чрезмерно спроектированным, маловероятно, что SpaceX будет играть в ракетную рулетку.
Хотя главный инженер ракеты оценил вероятность успеха при подбрасывании монеты, после многообещающей приземляющейся посадки CRS-5 на недавно названном «автономном беспилотном десантном корабле», пустая первая ступень, скорее всего, будет отправлена обратно в штаб-квартиру SpaceX в Хоторне, штат Калифорния, и проверена с различными методами деструктивного и неразрушающего анализа, чтобы количественно определить, как суровость ускорения до скорости почти 2 километров в секунду менее чем за три минуты, а затем достаточно замедляется, возвращаясь через атмосферу, чтобы приземлиться в непосредственной близости от моря и соли , повлиять на транспортное средство.
Еще один пример потенциальной стоимости ремонта - это предпочтительное топливо SpaceX, керосин. Он горит относительно грязно, о чем свидетельствует полупрозрачная колонна из коричнево-черной сажи, на которую поднимается Falcon 9, возвращение ко времени ранних летательных аппаратов. Это приводит к эффекту, преимущественно связанному с двигателями Kerolox, известному как «коксование» - когда не полностью сгоревшая сажа прилипает к почти расплавленному двигателю и соплу, снижая его способность излучать тепло. Вычистите это, говорите? Поздравляем, вы только что внесли в уравнение обновление, которого SpaceX стремится избежать.
Даже игнорирование самого транспортного средства, запуски и необходимые химикаты дороги! Это непомерно дорогой гелий, необходимый для поддержания давления в резервуарах, и пирофорная жидкость для зажигания TEA-TEB, используемая для начала взрывного брака между RP-1 и LOX. Это не просто химические вещества. Существуют также затраты на наземный запуск, начиная от заработной платы сотрудников, до скучного процесса подачи заявок на разрешения, до немного более интересной абляционной краски, покрывающей конструкцию Transporter-Erector, которая удерживает Falcon 9 вертикально, до расходов на транспортировку и перемещение. По всей вероятности, текущие капитальные затраты на один запуск в одиночку, без учета очевидной стоимости самой ракеты, составляют в целом более 3 миллионов долларов.
По сути, мы должны отделить повторную посадку, восстановление, повторное использование, а также финансово жизнеспособное и быстрое повторное использование друг от друга. Может быть трудно понять, что все четыре элемента различны, и успех одного не означает, что следующий шаг гарантирован. Из-за этого все еще остаются вопросительные знаки, касающиеся стоимости, времени и сложности последних шагов, необходимых SpaceX для выполнения своего генерального плана ракеты многократного использования. Например: повторная посадка ракеты не обязательно делает восстановление несуществующим. Это история о космическом шаттле.
Одна только посадка не революционизирует ракетостроение; скорее, мы можем только понять, что революция усовершенствования ракетной техники в подобную авиалинии модель произошла хорошо только при взгляде назад в зеркало заднего вида.
Мы живем надеждой, что SpaceX добьется того, что первоначально намеревался сделать почти 13 лет назад. SpaceX продвинулась далеко, намного ближе, чем кто-либо другой, к этой цели, но, как сказал сам Маск, «ракеты трудны». Удачи команде SpaceX в предстоящей попытке запуска и посадки CRS-5, это начало чего-то гораздо большего.
Автор Лукас Давиа и Марин Ачтернаам
Биос: Когда не жонглируешь студентом-программистом и веб-разработчиком на полной ставке в Новой Зеландии, Лукас Давия является самообманом SpaceX-наркоманом, и его можно найти как вклад в сообщество Reddit / r / SpaceX, добавление к его сайту SpaceXStats.com и создание инфографики. Хотите верьте, хотите нет, он находит время выходить на улицу и ходить в свободное время тоже!
Марин Ачтернаам голландский студент, самопровозглашенный инженер-кресло и фанат космических полетов, которого часто можно найти в сообществах / r / space и / r / SpaceX Reddit.
