Почему Space Shuttle не может быть доказательством несостоятельности "многоразового космоса"
На написание статьи меня сподвигло огромное количество комментариев под статьями о недавнем успехе SpaceX, в которых люди аргументировать несостоятельность концепции “многоразового космоса” на примере программы STS (Space Transportation System), а именно - самой стоимостью этой программы.
И если с самими ракетами Falcon все более-менее ясно, то с Space Shuttle дела обстоят несколько сложнее.
Enterprise. Прототип. Первый, так никуда и не полетевший.
Краткая история STS
Программа включала в себя 5 челноков (плюс прототип), основой для создания которых служили наработки по программах “Apollo” и так и не увидевшей свет “X-20 Dyna-Soar“, закрытой в 1963 году, согласно которой планировалось создать орбитальный бомбардировщик (многоразовый, выполненный по схеме орбитального самолета).
На рисунке - макет X-20 Dyna-Soar.
Начало проекту STS было положено еще до запуска пилотируемых полетов Apollo-нов, практически - как ответ на вопрос “а что делать дальше?”. Война во Вьетнаме заставила США экономить, потому про план "максимум" (создание базы на Марсе, создание сверхтяжелой орбитальной станцию на земной орбите и еще одной - на лунной) после Apollo пришлось забыть. Был так-же вариант “минимум” - создание только орбитальной станции и транспорта для регулярных к ней полетов, но даже этот вариант оказался слишком дорогим, потому - NASA оказалось перед выбором: либо полное прекращение полетов, либо - создание “хоть чего-то”. И, хотя в станции было отказано, NASA решило “продавливать” всеми правда и неправдами проект STS, в надежде, что он рано или поздно, но пригодится.
Одним из лучших (а, возможно, - единственным действительно весомым) аргументов, позволивших проекту получить “зеленый свет” стали расчеты окупаемости системы, по которым получалось, что при количестве запусков не меньше тридцати в год, высокой многоразовости и низких эксплуатационных затратах возможна окупаемость за счет доставки на орбиту коммерческих грузов. Подобная математика спасла проект от закрытия, позволив, таким образом, сохранить производственные мощности и персонал, но, с другой стороны - принцип разработки системы “стал с ног на голову” - вместо разработки под определенные цели велась разработка проекта, цели которого “подгонялись” под готовые наработки. Этот момент важен для понимания одного простого момента - окупаемость никогда не была для NASA основной целью при создании STS. Целью была САМА система.
Концепт станции Freedom, случись все иначе - и шаттлы летали бы именно сюда...
Реализация многоразовости STS
Система состояла из 3 основных частей:
Первое - бак, состоящий из трех секций, верхняя треть содержала жидкий кислород, нижние две трети - жидкий водород. Между ними - отсек, несущий оборудование для крепления боковых ускорителей. Топливо используется для работы 3 RS-25, установленных непосредственно на самом челноке. Бак был полностью одноразовым, сбрасывался на высоте около 45км, после чего частично сгорал в атмосфере.
Далее - боковые ускорители, SRB, 80% тяги и 70% массы всей системы. Отделялись вместе с баками, по инерции подымались до высоты около 67 км.
При помощи парашютов бустеры вертикально приводнялись со скоростью около 23м\с на расстоянии 230 км от восточного побережья Флориды. Всего для мягкой посадки каждого бустера использовалось четыре парашюта: первый раскрывался на высоте около 4,700 км и использовался для стабилизации бустера в вертикальном положении, вес - 540 килограмм. Три других, раскрывались на высоте 1,700 км, их раскрытию пришествовал отстрел первого - стабилизационного. Вес каждого из них - 990кг, и это самые большие из парашютов, которые на данный момент когда-либо использовались. После бустеры отлавливались и буксировались в Космический центр имени Кеннеди, где они полностью перебирались. После каждого полета в починке нуждались около 5000 деталей. Бустеры, которые использовались при последнем, 135 запуске, до этого “частями” принимали участие в 59 предыдущих миссиях.
Посадка бустера.
Орбитер - орбитальный самолет. Имел 3 ЖРД, которые выдавали около 20% тяги на начальном этапе полета. Садился при помощи шасси и 12-ти метрового тормозного парашюта. После каждой посадки требовались проверки - в первую очередь, теплоизоляционного покрытия.
После посадки. Бросается в глаза "слегка потрепанный" вид челнока.
Почему STS оказалась настолько дорогой?
Общая стоимость проекта на 2010 год оказалась в районе 209 миллиардов долларов, таким образов, включая разработку, полная стоимость каждого отдельного запуска - 1,5 миллиарда (стоимость одного запуска без учета разработки - 450 миллионов).
Причины столь высокой стоимости следующие:
Первое - это изначально неопределенная цель создания системы.
Второе - ее слишком высокие возможности. Задача запуска 27 тонн груза на ННО или возвращать оттуда 13 тонн в процессе эксплуатации не возникала, так как и необходимость совершать 30 полетов, при которых, теоретически, система могла бы быть окупаемой.
Третье - проблема с бустерами и орбитерами. После каждой посадки их приходилось пересобирать едва ли не по винтику, что очень влияло на конечную стоимость. Причина - взаимодействие океанической воды с горячими механизмами бустеров и повреждение теплоизоляционного покрытия орбитера при посадке (из-за самого принципа посадки).
Почему проблемы STS не характерны для Falcon 9
В отличии от STS ракеты Falcon изначально создавались с внятной целью - занять место на рынке в коротко-срочной перспективе и очень удешевить полеты - в долго-срочной (марсианские амбиции Маска на данный момент оставим в стороне).
Керосиновые двигатели Merlin - открытого типа, гораздо дешевле в в производстве, чем твердотопливные бустеры STS.
Merlin 1D.
Стоимость одного запуска - 61,2 миллиона долларов, при этом оценка экономии при возврате первой ступени - 20-30%. Стоит обратить внимание на то, что данных по этому, предоставленных Space X я не встречал, и эта оценка приблизительная.
Максимальная нагрузка, которую можно вывести на НОО при помощи Falcon 9 v1- 13 000 кг, при этом стоит учитывать, что при использовании первой ступени “с перспективой посадки” эта масса уменьшается на 15-30%. C другой стороны - на данный момент максимальный вес полезной нагрузки, выведенный Falcon-ами - в районе 5000 килограмм, таким образом, - посадка ступени является экономически выгодной как минимум потому, что практически не требует дополнительных затрат.
Готовый к старту Falcon 9.
При посадке ступени не используется система парашютов, что позволяет:
Первое: садить ее непосредственно в нужное место, в идеале - прямо на место следующего старта.
Второе: минимальные повреждения при посадке - посадка с практически нулевой скоростью очень отличается от удара об воду на скорости двух десятков метров в секунду, которая характерна для бустеров STS.
Третье: гораздо более простая конструкция, характерная для ЖРД открытого типа, что упрощает проверки отработавшей ступени перед повторным использованием.
Первая (и пока - единственная) успешная посадка ступени Falcon-9.
Таким образом, любые попытки сравнивать две этих системы - практически бессмысленные как минимум потому, что они обладают совершенно разными характеристиками и их создатели руководились совершенно разными принципами и ставили перед собой совершенно разные цели. STS не могла окупиться как минимум потому, что на момент ее создания не было целей, которые выполнение которых для нее не было-бы забиванием гвоздей при помощи микроскопа.
И если с самими ракетами Falcon все более-менее ясно, то с Space Shuttle дела обстоят несколько сложнее.
Enterprise. Прототип. Первый, так никуда и не полетевший.
Краткая история STS
Программа включала в себя 5 челноков (плюс прототип), основой для создания которых служили наработки по программах “Apollo” и так и не увидевшей свет “X-20 Dyna-Soar“, закрытой в 1963 году, согласно которой планировалось создать орбитальный бомбардировщик (многоразовый, выполненный по схеме орбитального самолета).
На рисунке - макет X-20 Dyna-Soar.
Начало проекту STS было положено еще до запуска пилотируемых полетов Apollo-нов, практически - как ответ на вопрос “а что делать дальше?”. Война во Вьетнаме заставила США экономить, потому про план "максимум" (создание базы на Марсе, создание сверхтяжелой орбитальной станцию на земной орбите и еще одной - на лунной) после Apollo пришлось забыть. Был так-же вариант “минимум” - создание только орбитальной станции и транспорта для регулярных к ней полетов, но даже этот вариант оказался слишком дорогим, потому - NASA оказалось перед выбором: либо полное прекращение полетов, либо - создание “хоть чего-то”. И, хотя в станции было отказано, NASA решило “продавливать” всеми правда и неправдами проект STS, в надежде, что он рано или поздно, но пригодится.
Одним из лучших (а, возможно, - единственным действительно весомым) аргументов, позволивших проекту получить “зеленый свет” стали расчеты окупаемости системы, по которым получалось, что при количестве запусков не меньше тридцати в год, высокой многоразовости и низких эксплуатационных затратах возможна окупаемость за счет доставки на орбиту коммерческих грузов. Подобная математика спасла проект от закрытия, позволив, таким образом, сохранить производственные мощности и персонал, но, с другой стороны - принцип разработки системы “стал с ног на голову” - вместо разработки под определенные цели велась разработка проекта, цели которого “подгонялись” под готовые наработки. Этот момент важен для понимания одного простого момента - окупаемость никогда не была для NASA основной целью при создании STS. Целью была САМА система.
Концепт станции Freedom, случись все иначе - и шаттлы летали бы именно сюда...
Реализация многоразовости STS
Система состояла из 3 основных частей:
Первое - бак, состоящий из трех секций, верхняя треть содержала жидкий кислород, нижние две трети - жидкий водород. Между ними - отсек, несущий оборудование для крепления боковых ускорителей. Топливо используется для работы 3 RS-25, установленных непосредственно на самом челноке. Бак был полностью одноразовым, сбрасывался на высоте около 45км, после чего частично сгорал в атмосфере.
Далее - боковые ускорители, SRB, 80% тяги и 70% массы всей системы. Отделялись вместе с баками, по инерции подымались до высоты около 67 км.
При помощи парашютов бустеры вертикально приводнялись со скоростью около 23м\с на расстоянии 230 км от восточного побережья Флориды. Всего для мягкой посадки каждого бустера использовалось четыре парашюта: первый раскрывался на высоте около 4,700 км и использовался для стабилизации бустера в вертикальном положении, вес - 540 килограмм. Три других, раскрывались на высоте 1,700 км, их раскрытию пришествовал отстрел первого - стабилизационного. Вес каждого из них - 990кг, и это самые большие из парашютов, которые на данный момент когда-либо использовались. После бустеры отлавливались и буксировались в Космический центр имени Кеннеди, где они полностью перебирались. После каждого полета в починке нуждались около 5000 деталей. Бустеры, которые использовались при последнем, 135 запуске, до этого “частями” принимали участие в 59 предыдущих миссиях.
Посадка бустера.
Орбитер - орбитальный самолет. Имел 3 ЖРД, которые выдавали около 20% тяги на начальном этапе полета. Садился при помощи шасси и 12-ти метрового тормозного парашюта. После каждой посадки требовались проверки - в первую очередь, теплоизоляционного покрытия.
После посадки. Бросается в глаза "слегка потрепанный" вид челнока.
Почему STS оказалась настолько дорогой?
Общая стоимость проекта на 2010 год оказалась в районе 209 миллиардов долларов, таким образов, включая разработку, полная стоимость каждого отдельного запуска - 1,5 миллиарда (стоимость одного запуска без учета разработки - 450 миллионов).
Причины столь высокой стоимости следующие:
Первое - это изначально неопределенная цель создания системы.
Второе - ее слишком высокие возможности. Задача запуска 27 тонн груза на ННО или возвращать оттуда 13 тонн в процессе эксплуатации не возникала, так как и необходимость совершать 30 полетов, при которых, теоретически, система могла бы быть окупаемой.
Третье - проблема с бустерами и орбитерами. После каждой посадки их приходилось пересобирать едва ли не по винтику, что очень влияло на конечную стоимость. Причина - взаимодействие океанической воды с горячими механизмами бустеров и повреждение теплоизоляционного покрытия орбитера при посадке (из-за самого принципа посадки).
Почему проблемы STS не характерны для Falcon 9
В отличии от STS ракеты Falcon изначально создавались с внятной целью - занять место на рынке в коротко-срочной перспективе и очень удешевить полеты - в долго-срочной (марсианские амбиции Маска на данный момент оставим в стороне).
Керосиновые двигатели Merlin - открытого типа, гораздо дешевле в в производстве, чем твердотопливные бустеры STS.
Merlin 1D.
Стоимость одного запуска - 61,2 миллиона долларов, при этом оценка экономии при возврате первой ступени - 20-30%. Стоит обратить внимание на то, что данных по этому, предоставленных Space X я не встречал, и эта оценка приблизительная.
Максимальная нагрузка, которую можно вывести на НОО при помощи Falcon 9 v1- 13 000 кг, при этом стоит учитывать, что при использовании первой ступени “с перспективой посадки” эта масса уменьшается на 15-30%. C другой стороны - на данный момент максимальный вес полезной нагрузки, выведенный Falcon-ами - в районе 5000 килограмм, таким образом, - посадка ступени является экономически выгодной как минимум потому, что практически не требует дополнительных затрат.
Готовый к старту Falcon 9.
При посадке ступени не используется система парашютов, что позволяет:
Первое: садить ее непосредственно в нужное место, в идеале - прямо на место следующего старта.
Второе: минимальные повреждения при посадке - посадка с практически нулевой скоростью очень отличается от удара об воду на скорости двух десятков метров в секунду, которая характерна для бустеров STS.
Третье: гораздо более простая конструкция, характерная для ЖРД открытого типа, что упрощает проверки отработавшей ступени перед повторным использованием.
Первая (и пока - единственная) успешная посадка ступени Falcon-9.
Таким образом, любые попытки сравнивать две этих системы - практически бессмысленные как минимум потому, что они обладают совершенно разными характеристиками и их создатели руководились совершенно разными принципами и ставили перед собой совершенно разные цели. STS не могла окупиться как минимум потому, что на момент ее создания не было целей, которые выполнение которых для нее не было-бы забиванием гвоздей при помощи микроскопа.