Исторический момент для космонавтики. Как Илон Маск обманул формулу Циолковского

Фото Space X
Фото Space X
SpaceX смогла доказать, что научилась использовать в ракетах многоразовые первые ступени. Что это значит для космической отрасли?

31 марта произошло знаковое событие для частной космонавтики, а может быть, и для всей космической отрасли. Ракета Falcon 9 частной космической компании SpaceX смогла вывести на геопереходную орбиту телекоммуникационный спутник SES-10. Главной особенностью пуска стала первая ступень ракеты, которая однажды уже участвовала в космическом пуске и была безопасно возвращена на Землю.

С момента объявления Илоном Маском цели — достижение многоразовости первой ступени — многочисленные критики по обе стороны океана обращали внимание на очевидный факт: возвращаемая первая ступень снижает массу выводимой полезной нагрузки. С точки зрения логики критика верна: если «ноги на ракете» приводят к снижению массы полезной нагрузки на 30%, а многоразовая первая ступень приводит к
снижению стоимости
ноги не нужны

Действия SpaceX, продолжающей свои эксперименты с возвращаемой ступенью, рассматривались с разных точек зрения: от «вводит в заблуждение инвесторов» и «пиарится», до «готовит технологии посадки на Марс». При этом, кажется, никто не сомневается в прагматичности Маска, для которого главным приоритетом является финансовая прибыль. Отсутствие понимания мотивов Илона Маска приводят к пророчествам типа «скоро пузырь многоразовости лопнет», и известия о технических или финансовых проблемах SpaceX воспринимаются как близкие вестники краха.

Тем временем SpaceX занималась и занимается накоплением уникального опыта эксплуатации многоразовых систем, которые оказываются на порядки дешевле предыдущего многоразового опыта США — Space Shuttle. Пока одни пророчат, что «не взлетит», другой учится летать. Двигатели модернизируются, программное обеспечение и авионика развиваются, мощность ракеты растет, а цена — и так самая выгодная на рынке и без многоразовости.

Примеру SpaceX с развитием многоразовых систем последовали несколько крупнейших аэрокосмических производителей.

Главный конкурент SpaceX на американском рынке — ULA — вспомнил о своем проекте 2008 года по спасению ракетных двигателей первых ступеней и воплощает его в новой ракете Vulcan. Европейский производитель Airbus занялся разработкой системы Adeline, тоже с возвращением двигателей.

Новичок в космическом деле Blue Origin последовательно готовится к 2020-м годам вытеснять конкурентов на рынке космических запусков своей многоразовой ракетой New Glenn.

Такое поведение конкурентов SpaceX может показаться карго-культом: «Маск делает, и мы делать будем», но только на первый взгляд. Соображение «ноги ракеты требуют 30% массы, а значит, невыгодны» базируется на предположении, что в каждый пуск ракета летит всегда с максимальной нагрузкой. Однако практика далеко не всегда подтверждает, казалось бы, логичный вывод. К примеру, космические корабли Dragon, которые SpaceX запускает на низкую орбиту по контракту от NASA, нагружают ракету Falcon 9 FT примерно на 45%. Такие пуски вполне позволяют потратить 30% ресурса на возвращение первой ступени. Но госконтракты находятся вне мирового рынка запусков, поэтому целесообразно сравнивать только коммерческие пуски на геопереходную орбиту (
Forbes
). Данная орбита наиболее востребована на мировом рынке запусков коммерческих телекоммуникационных космических аппаратов. Именно пуски на геопереходные орбиты требуют от ракеты максимальной энергетики, и здесь наиболее закономерен вопрос экономической эффективности «ног у ракеты». И именно в этом сегменте российские ракеты занимали до недавнего времени существенную долю рынка.

Обратимся к практике. Ближайший аналог тяжелой версии Falcon 9 по цене и выводимой нагрузке — российский «Протон-М». Мы рассмотрим коммерческие пуски за 10 лет на геопереходную орбиту, куда предельная нагрузка «Протона-М» — 6,35-7,1 т. Для строгости подсчетов будем учитывать только верхний предел: 6,35 т.

Как видим, лишь раз удалось достичь 91% эффективности. То есть мощности ракеты практически никогда не задействуются полностью. При повышении энерговооруженности ракеты, например за счет использования переохлажденного кислорода, как на Falcon 9FT, получается выиграть еще несколько процентов. Что и позволяет если не каждой, то почти каждой ракете выполнять полноценный контракт и возвращать ступень, не теряя в прибыли. Если же спутник действительно окажется тяжелый или орбита сложнее, то с ракеты можно снять системы посадки, именно так и было сделано при предыдущем пуске Falcon 9 со спутником EchoStar 23 две недели назад.

Судя по всему, те же расчеты провели и в ГКНПЦ имени М. В. Хруничева, где производят ракету «Протон». Результатом стала не новая многоразовая ракета, а облегченные модификации «Протон Средний» и «Протон Легкий». Здесь снижение стоимости около 10-15% достигается за счет исключения третьей ступени и увеличения топливных баков первых двух. «Протон Средний» может обойти в цене одноразовый Falcon 9 FT, проигрывая в полтора раза по выводимой массе, но если технология частичной многоразовости будет освоена SpaceX в полной мере, то ценовое преимущество снова может быть утеряно.