Три тайны Илона Маска

Очередная посадка первой ступени ракеты-носителя Falcon 9 начинает казаться привычной и рутинной. Можно подумать, что у Маска дело в шляпе, и уже скоро SpaceX с флотом многоразовых ракет-носителей станет монополистом пусковых услуг, выкинув с рынка всех конкурентов. На самом деле, это иллюзия. Три вернувшиеся первые ступени — это только самое-самое начало долгого пути их эксплуатации. И где-то во внутренних документах SpaceX есть расчеты, в которых показана экономическая эффективность многоразовой ракеты-носителя. А в этих расчетах в каком-либо виде, наверняка, присутствуют три параметра. Эти параметры, в зависимости от их значения, могут сделать многоразовый Falcon 9 как эффективным, так и нет. В документах SpaceX должна быть какая-то предварительная оценка этих параметров. Но ирония заключается в том, что их настоящие величины не знаем не только мы, но и сам Илон Маск. Потому что они могут быть получены только по результатам многолетней эксплуатации. Что же это за параметры?

Стоимость межполетного обслуживания

Первая ступень успешно села, в социальных сетях схлынула волна лайков на красивые фоточки и видео, и начались суровые инженерные будни. Поставить ступень снова на старт, заправить и завтра запустить? Не-а, так не бывает. Даже в авиации, где самолет несколько раз в день поднимается в воздух, есть набор проверок, которые нужно выполнять с разной периодичностью. А космонавтика еще очень далека от ресурса компонентов в тысячах часов коммерческой авиации. SpaceX пока не рассказывает подробно про послеполетное обслуживание, поэтому придется воспользоваться единственным набором доступных материалов по многоразовым системам — истории корабля Space Shuttle. Итак, шаттл на посадочной полосе встречает целый караван специальных автомобилей.





В состав конвоя входили не только очевидные кран, тягач, подъемник, генератор и кондиционер. Поскольку шаттл использовал взрывоопасный водород и токсичный гидразин, в списке специальных машин был здоровенный вентилятор и отдельный автомобиль с персоналом в костюмах химзащиты. Шаттл цепляли тягачом, и, увешанный шлангами, буксировали в Orbiter Processing Facility — ангар технического обслуживания.



В этом ангаре выполнялись следующие работы:

• Продувка двигателей от накопившейся влаги.
• Очистка грузового отсека.
• Дренаж водорода и кислорода из топливных элементов и заполнение их инертными газами.
• Дренаж газов высокого давления из системы жизнеобеспечения.
• Очистка системы водоснабжения и туалета.
• Осмотр и обслуживание теплозащиты.
• Фиксация маршевых двигателей и установка защитных крышек.
• Установка лесов для доступа персонала.
• Снятие и транспортировка на техобслуживание маршевых двигателей.
• Снятие и транспортировка на техобслуживание маневровых двигателей (при необходимости).
• Проведение работ по апгрейду и модификации орбитера (при необходимости).

Я намеренно привел этот длинный список для того, чтобы было понятно, что за словами «техническое обслуживание» скрывается гораздо больше, чем может показаться на первый взгляд. Да, на первой ступени Falcon 9 не придется очищать туалеты, но какие-то операции по обслуживанию двигателей, гидравлики, электросистемы и посадочных ног надо будет делать. И в истории с шаттлом, как оказалось, была совершена вроде бы незаметная ошибка. Обслуживание шаттла виделось так:



А в реальности получилось вот так:



Вместо сравнительно простого обслуживания в стиле коммерческой авиации подготовка шаттла к новому полету занимала примерно 100 дней. Подобная ошибка была совершена и с финансовой оценкой затрат на содержание флота шаттлов и их обслуживание. В конце эры шаттлов по бюджету NASA они обходились дороже, чем МКС, расходы на шаттлы приближались к трем миллиардам долларов в финансовый год при 3-5 полетах, что повышало стоимость одного полета с официальных 450 миллионов долларов до почти миллиарда. Суммарная же стоимость проекта оказалась заниженной в три с половиной раза: вместо 54 млрд долларов шаттл обошелся в 209. А стоимость одного полета, посчитанная как частное от деления суммарной стоимости на количество полетов составила полтора миллиарда долларов в ценах 2011 года.

Оптимисты скажут, что уже названы цифры — один миллион долларов на заправку и три миллиона на межполетное обслуживание, что должно дать экономию в 30% Может быть, такие цифры написаны во внутренних документах SpaceX (не будем забывать, что сейчас они могут заниматься демпингом, чтобы занять большую долю рынка). Но только практика покажет, окажутся ли верными эти цифры.

Ресурс

Следующий вопрос — а сколько пусков может выдержать первая ступень? Современные ракеты работают на грани возможностей материаловедения, когда в баках избыточное давление от системы наддува (нужно, чтобы топливо подавалось в двигатели без перебоев), в двигателях — огромные температуры и давления, а вся ракета вибрирует от работы двигателей, турбонасосов и движения топлива по трубопроводам. И было бы неверно думать, что для ракеты это проходит бесследно.
Усталость металла — процесс накопления деформации под воздействием переменных нагрузок. Несмотря на то, что срок работы ракетной ступени обычно находится в пределах от 50 до 500 секунд, двигатели успевают испытать усталостные повреждения. Этому способствует высокая температура в двигателе и вибрации.
Ползучесть металла — медленная деформация под воздействием постоянной нагрузки. А здесь главными факторами будут высокая температура (снижающая прочность) и давление в работающем двигателе.
Износ. Некоторые элементы двигателя, например подшипники турбонасосов, банально изнашиваются от работы под нагрузкой.



Пример повреждения двигателя

А вот диаграмма, показывающая распределение повреждений по элементам двигателя Спейс Шаттла SSME



За 135 полетов шаттлов было использовано 46 двигателей (+1 нелетавший). Если пересчитать 135 миссий, каждая из которых требовала 3 двигателя, на 46 использованных в сумме двигателей, получается, что в среднем один двигатель использовался 8,8 раз. Очень интересно распределение двигателей по миссиям:



Полная версия, крупнее. Номера миссий, потерпевших катастрофу — 33 и 107.

Абсолютный рекорд по количеству полетов — всего 19. И это двигатель, который специально разрабатывался как многоразовый и тестировался на 50 миссий. При этом, не забывайте, что двигатель ни в коем случае не отлетал 19 миссий без переборки. Наоборот, рекордсмен с 19 миссиями относится к первой версии двигателя, а там нужно было разбирать двигатель после каждого полета из-за проблем с разрушением лопаток турбины.

Также очень интересно, как авторы документа 1996 года, анализирующего опыт по использованию двигателей SSME и методики повышения сроков их эксплуатации, говорят о связи мощности двигателя и срока его службы:



Один из вариантов продления срока жизни двигателя — снижение тяги. В принципе, это интуитивно понятно — меньше нагрузки, меньше износ.

А теперь посмотрим на ситуацию с двигателями Merlin. Уже примерно год оптимисты ссылаются на слова Маска, в которых анонсируются 40 или 50 циклов использования двигателя. Ракетные двигатели — не компьютеры, прогресс в них был гораздо меньше, и можно совершенно точно сказать, что 50 циклов без переборки двигателя — это просто невозможно. Я подозреваю, что переборка потребуется после каждой миссии, и, как минимум, в части случаев потребуется ремонт и замена вышедших из строя узлов. А это дополнительные время и деньги на каждый из 9 двигателей на первой ступени. Также нельзя забывать, что кислородно-керосиновые двигатели физически менее приспособлены к повторному использованию, потому что в отличие от кислородно-водородных (как двигатель шаттла SSME), у них после турбонасоса и камеры сгорания образуется сажа, которая будет создавать дополнительные проблемы. И, наконец, вишенка на торте — параметры двигателей Merlin повышают со временем, их начинают эксплуатировать со все большей тягой. А это должно серьезно уменьшить ресурс двигателя. И, несмотря на возможность ракеты-носителя компенсировать отказ одного из двигателей, я очень сомневаюсь, что, если начнутся частые аварии с отказом двигателя, даже при условии успешного вывода полезной нагрузки, у SpaceX найдутся заказчики, готовые рисковать.

Процент потерь

Тот факт, что ракета-носитель Falcon 9 беспилотная, добавляет еще один параметр, которого не было у шаттла. Должен быть заложен какой-то процент потерь первых ступеней, которые не смогут вернуться, например, из-за плохой погоды в месте посадки. Ситуацию осложняет тот факт, что у SpaceX в ближайшие годы не получится отказаться от посадки на баржу. На мысе Канаверал и базе Ванденберг, где уже есть стартовые комплексы SpaceX, можно запускать ракеты только в сторону моря. А новый космодром в Техасе строится также на берегу моря и, теоретически, посадка на сушу возможна только в случае запуска на полярную орбиту (направлением на север), и то, если по пути не будет населенных пунктов.



Космодромы SpaceX показаны красным

Я специально не привожу статистику по успешности посадок на баржу на сегодняшний день — она очень плохая просто потому, что технология отрабатывалась. Но вот начиная с этого года уже стоит смотреть, сколько посадок будут успешны, и какими будут причины неудач.

Заключение

Еще раз подчеркиваю, что точное значение параметров, которые упомянуты выше, можно будет получить только после опыта эксплуатации многоразовой первой ступени, которая пока что еще ни разу не летала у SpaceX повторно. Также, все сказанное выше относится и к Безосу с New Shepard. Только там решается более легкая задача, двигатель всего один, топливо (водород) лучше подходит к многоразовому использованию. Неудивительно, что Безос обогнал Маска — у него одна и та же ракета уже летала три раза.

По тегу «облегчение доступа в космос» — многоразовость, воздушный старт, «большой глупый носитель», частники и другие попытки сделать космос ближе

Источник: geektimes.ru/post/276172/