Главная » Хабрахабр » Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Одним из докладчиков выступил Жан-Марк Асторг, глава CNES (Национальный Центр Космических исследований). Недавно в Париже прошла конференция организованная Французской Аэрокосмической Академией. Он раскрыл множество технических подробностей, поделился планами на будущее и рассказал о реакции Европы на американские многоразовые ракеты-носители. Он провёл всю свою карьеру в дирекции, работая над Vega, Ariane 5 ECA, «Союз» во Французской Гвиане, а в 2015 году был назначен директором по работе с ракетами-носителями. Эта статья — переведенное интервью, дополненное слайдами, которые он показывал во время своей презентации.

В основном из-за американского космического челнока, который полностью не смог достичь своих первоначальных целей. «Когда я начал работать в CNES в 1985 году, сразу после окончания инженерной школы многоразовое использование имело крайне негативный образ. Таким образом, мы, европейцы, построили ракету Ariane отталкиваясь от неудачного опыта Шаттла. Первоначально ожидаемая стоимость была 30 миллионов долларов за запуск и с частотой один пуск в неделю, в итоге это стоило около 1 миллиарда долларов за запуск при 6 пусках в год. Сегодня Ariane 6 является первым европейским ответом на возрожденные американские ракеты многоразового использования.

В период с 2017 по 2018 год бюджет НАСА увеличился, и это увеличение составило весь годовой бюджет CNES. Прежде чем мы углубимся в детали, быстро напомню об экономических реалиях. Большинство коммерческих запусков предназначены для геостационарных спутников связи, но мы не знаем, останется ли рынок таким же. Что касается глобального рынка пусков, то он представляет собой множество запусков спутников в год, но только около 25 открыты для глобальной коммерческой конкуренции.

Он был введен в строй точно в нужное время. Немного истории о европейских пусковых систем: Ariane 1 был неожиданным коммерческим успехом благодаря неудаче Шаттла. В течение 20 лет она была главенствующей коммерческой РН в ​​мире. Благодаря эволюции Ariane 4 мы достигли максимальной производительности для концепции Ariane 1, поэтому мы разработали Ariane 5. Одним из наших преимуществ было расположение нашей стартовой площадки, Куру, во Французской Гвиане.

В настоящее время в США присутствует политическая воля, чтобы вернуться на коммерческий рынок: они не согласились на то, чтобы быть выброшенными Арианом. Мы получили приличную долю рынка, учитывая относительно небольшое финансирование в Европе. Для РН важно быть как можно дешевле. Есть также развитие РН по всему миру, от государственных и коммерческих участников, из-за ожидаемого увеличения рынка. Обратите внимание, что большинство РН в разработке являются одноразовыми, поэтому Ariane 6 не является аномалией в этом отношении. В настоящее время цены составляют около 10 000 евро за килограмм на геостационарной орбите (GTO).

Они объявили, что также разрабатывают многоразовую РН: Великий Поход 8, чтобы запустить к 2028 году. Чтобы дать краткий обзор мировых усилий в области развития новых возможностей, достаточно вспомнить, что у китайцев есть космическая программа, на всех фронтах, пусковых установках и спутниках, которая заставляет нас желтеть зависти.

В США мы не должны выступать против общественных и частных космических усилий: SpaceX — это во многом творение НАСА, благодаря технической и финансовой помощи.

Мы поняли это в тот же день, когда хотели запустить наш первый спутник связи, Symphonie, на американской РН. В Европе основной причиной существования космической программы и возможности запусков является независимый доступ к космосу. Это показывает, что мы должны быть уверенными в себе и в своих возможностях. Они согласились запустить, но только при условии, что спутник не будет использоваться в коммерческих целях. Поэтому нам нужно получить долю на коммерческом рынке, чтобы сделать индустриальную экосистему жизнеспособной. Однако в Европе институциональный рынок мал: не более 4-5 запусков в год.

Первоначально Ariane 6 была предложена в 2009 году, когда мы поняли, что Falcon 9 SpaceX была хорошей РН с высокой производительностью при низких затратах. Мы ожидали возобновления конкуренции в США. Однако решение о финансировании программы было принято только в 2014 году, что очень поздно. Поэтому главной задачей Ariane 6 было снижение затрат. Низкая скорость принятия решений в Европе является серьезной проблемой.

Цель — это стоимость 10 000 евро за килограмм на ГТО в 2020 год. Ariane 6 — одноразовая ракета, которая очень похожа на Ariane 5, но мы уменьшаем ее стоимость на 50% благодаря трем вещам: увеличенной частоте пусков, так как она заменит «Союз», запускаемый из Французской Гвианы, инновации (например, вместо двух 3-х блочных металлических твердотопливных ускорителей мы будем использовать 4 моноблочных твердотопливных ускорителя) и усовершенствованный производственный процесс с внедрением бережливого управления (lean management), например. Здесь мало технологических вызовов, но много организационных.

Однако существуют различные способы реализации многоразового использования: Falcon 9 принципиально отличается от Space Shuttle в этом аспекте. Повторное использование — старая и очевидная идея: для изготовления РН требуется 3 года (из-за долгого изготовления двигателей), она стоит более 100 миллионов евро, мы запускаем ее, и меньше чем через 30 минут она уже тонет в море. Она отделяется на скорости всего на 2 километра в секунду, а её стоимость составляет 50% от стоимости всей ракеты. Только первая ступень, самый простая для повторного использования. Falcon 9 имеет разумные технические цели, которые он может достичь шаг за шагом. Это большая разница по сравнению с Shuttle. Шаттл имел слишком много амбиций в 1970 году.

Поскольку цель состоит в том, чтобы свести к минимуму воздействие на ступень, посадка на парашюте в океан не вариант: соленая вода делает усложняет ремонт. Существует несколько стратегий повторного использования. Мы работали над этим, с национальной аэрокосмической лабораторией Франции, и поняли, что это довольно сложно. Например, для Falcon 9 SpaceX используют возврат по петлевой траектории двигателем вперед с несколькими тормозными импульсами.

В решениях, которые используют крылатое возвращение, наоборот, не сбрасываемые крылья должны быть установлены на ступень во время всего полета первой ступени, что может помешать миссии. Ключевым аспектом является то, что такой подход позволяет экспериментировать с посадкой: после того, как вторая ступень отделилась, первая ступень может попытаться изменить траекторию и скорость движения без влияния на ход основной миссии и без больших изменений в дизайне первой ступени. Так что это менее дорогостоящий и самый интересный вариант. Таким образом, метод SpaceX работает, что позволяет экспериментировать с одноразовыми запусками, при добавлении минимума компонентов ракеты.

image

Недостатки — это уменьшение полезной нагрузки, до -50% при использовании части топлива для возвращения на стартовую площадку, повышенная опасность на возвращение ступени на стартовую площадку в Гвиане — которая находится недалеко от города Куру и проблема доступности посадочной площадки в океане. Многоразовое использование имеет плюсы и минусы. Чтобы приземлиться на баржу, погодные условия должны быть подходящими в радиусе 400 км и при плохой погоде запуск может не состояться.

Кроме того, повторное использование экономит деньги, если затраты на ремонт низки. Плюсы — это возможность иметь более высокую частоту пусков и иметь больше гибкости при планировании оплаченных пусков, так как нам не нужно ждать долго, чтобы произвести запуск. Например, в Falcon 9 Block V двигателе Merlin были случаи образования трещин в турбонасосе, что означает, что его нужно было заменить и ограничить запуск без существенного ремонта до двух использований. Это ключевой фактор для всей формулы многоразовости.

Однако, если в какой-то момент вам нужно построить ступень, вам нужно их снова открыть и наладить производство, что потребует огромной суммы денег. Проблема многоразового использования заключается в том, что если вам больше не нужно создавать первые ступени, то вы закрываете свои производственные линии. Поэтому важно использовать тот же двигатель для первой и второй ступеней, чтобы производство не останавливалось.

image

Во-первых, мы не будем делать только многоразовые запуски. Какова может быть стратегия Европы по многоразовому использованию? Для миссии на околоземной орбите мы будем использовать траекторию возврата к месту пуска. Миссии на геостационарные орбиты и миссии к другим космическим телам были бы одноразовые. Такое частичное, разумное повторное использование доступно. Это позволило бы нам сделать повторных пусков первых ступеней и сохранить объемы производства, снизив при этом затраты на 30%. Тем не менее это интересно, даже в сегодняшних реалиях. Однако для этого требуется много разработок, потому что нам нужно освоить множество сложных физических явлений. Если рынок расширится, это даже становится необходимым.

Это может вызвать проблемы с нестабильностью горения, и мы не изучали его подробно, потому что это не было необходимо. Среди событий, которые предстоит сделать, — модуляция тяги двигателя. В долгосрочной перспективе многоразовое использование и другие технологии, такие как 3D-печать, еще более уменьшат их. Поэтому в краткосрочной перспективе Ariane 6 является единственным решением для снижения затрат и стоимости пусков. 3D-печать может революционизировать производство камер сгорания, что в настоящее время занимает очень много времени.

Мы должны проверить как это работает. Мы нацелены на внедрение поэтапного экспериментального подхода. Мы разрабатываем метано-кислородный двигатель Prometheus, целью которого является сокращение затрат. Что касается двигателей, в настоящее время мы используем Vulcain, который является водородным двигателем на основе старого дизайна. Преимущество метана заключается в том, что он находится по середине между водородом и керосином. Это не значит, что мы откажемся от водородной промышленной базы, мы посмотрим. Он также плотнее, чем водород, что делает баки меньше и более дешевыми. С ним гораздо легче обращаться, чем с водородом, имея лучше удельный импульс, чем керосин, поэтому двигатель может быть дешевле. Мы строим два прототипа для огневых испытаний к 2021 году.

Он будет иметь 7 таких двигателей на первом ступени и 1 на втором ступени и может использоваться в
одноразовом или многоразовом варианте, что позволяет легко экспериментировать с многоразовостью. Прометей можно использовать в новой архитектуре, которую мы называем Ariane Next. Цель состоит в том, чтобы учиться на тестах, которые не являются сильной стороной европейской аэрокосмической отрасли.

Для этого демонстратора многоразового использования первой ступени у нас нет многоразового двигателя в Европе, поэтому мы сотрудничаем с японцами. Перед реализацией Ariane Next, у нас есть предшествующих этапов, сначала с Callisto. Концепция все еще находится в фазе определения. После, мы перейдем к более крупному демонстратору Themis с двигателями Prometheus.

В конечном счете, нам нужно будет сделать выбор между эволюцией Ariane 6 и новой ракетой-носителем, которая будет готова в 2028-2030 годах.

Вопросы и ответы

Вопрос : Где бы собираетесь ремонтировать первую ступень?

А ремонт должен быть минимальным, чтобы концепция работала. Ответ : В Куру, потому что в противном случае доставка в Европу делает всё предприятие слишком дорогим.

Вопрос : Callisto очень похож на Grasshopper, прототип повторного использования прототипа SpaceX Falcon 9.

Китайцы также строят аналогичный прототип, у нас нет никаких проблем, говоря, что мы ничего не изобретали. Ответ : Callisto — это такая же конструкция как Grasshopper от SpaceX.

Вопрос : Prometheus выглядит дешевым в производстве, почему бы не поставить больше двигателей на ракету-носитель для дальнейшего увеличения производительности?

Хотя я не могу предсказать, что будет на рынке в 2030 году, 7 двигателей Prometheus являются оптимальными для текущего рынка. Ответ : Мы начинаем наш дизайн с анализа рынка.

Вопрос : Вы планируете отправиться на Марс?

Ответ : Мы уже отправляемся на Марс — прибор, на борту NASA Insights Mars, является сейсмометром производства французского SEIS.

Вопрос : Кажется, мы отстаем от США на 5-8 лет, мы собираемся догнать?

Я ожидаю, что рынок запусков будет наполовину многоразовым и одноразовым в будущем. Ответ : Хотя Илон Маск написал нас в новую главу истории создания ракет-носителей, его модель полного многоразового использования не является единственной. Например, ВВС США в настоящее время финансируют разработку одноразовых ракет-носителей.

Вопрос : Как насчет 3D-печати?

Они хотят распечатать ракету целиком. Ответ : Я посетил Relativity Space в апреле, и благодаря 3D-печати они разработали метановый двигатель с тягой 10 тонн за 2 года и протестировали его в центре NASA Stennis. На Ariane 6, например, вспомогательная силовая установка второй ступени будет 3D-печататься, в противном случае она будет слишком сложной в создании. Хотя я не верю, что они достигнут этого, я думаю, что это может быть прорыв столь же большой, как многоразовое использование. Поэтому я ожидаю очень значительного снижения затрат благодаря 3D-печати

Вопрос : Каковы ограничения погодных условий для высадки барж?

Вот почему SpaceX разработал систему захвата ракеты Octograbber. Ответ : Высокие волны заставляют баржу сильно накреняться и могут перевернуть посаженную ступень. Blue Origin имеет другую концепцию, они будут использовать судно с гидродинамической системой стабилизации.

Вопрос : Как вы думаете, какое влияние на рынок окажет огромные группировки спутников такие как Oneweb?

Но я вижу, что, поскольку все спутниковые операторы приняли выжидающую позицию и наблюдают за внедрением этих группировок, они приостановили некоторые заказы на новые спутники, а коммерческий рынок уменьшился. Ответ : У меня нет хрустального шара. Им придется столкнуться с конкуренцией со стороны спутников геостационарной орбите и наземных сетей, поэтому возможно, что они потерпят неудачу, как в 1990-х годах. Сейчас это 17 спутников в год, в то время как раньше в среднем было 30. Тогда рынок, разумеется, не вырастет в 10 раз.

Вопрос : Что вы думаете о эластичности рыночного спроса?

Затраты на запуск GTO снизились с 20 000 € / кг до 10 000 € / кг, и это не оказало большого влияния на спрос. Ответ : До сих пор эластичность была низкой. Проблема даже в том, что стоимость доступа к космосу остается высокой. Если мы достигнем 5 000 € / кг, не уверен, что это окажет большое влияние. Поэтому мы не основываем наши модели на эластичности рынка.

Вопрос : Как вы гарантируете безопасное для населения возвращение первой ступени?

Мы будем использовать Callisto, чтобы показать, что мы можем обеспечить безопасные траектории. Ответ : Трудно сказать.

Вопрос : Как насчет повторного использования второй ступени?

Ответ : Мы считаем, что влияние на производительность является непомерно высоким, поэтому мы не очень много работаем над этим.

Оригинальная статья


Оставить комментарий

Ваш email нигде не будет показан
Обязательные для заполнения поля помечены *

*

x

Ещё Hi-Tech Интересное!

toString: Великий и Ужасный

Она — причина многочисленных шуток и мемов про многие подозрительные арифметические операции, преобразования, вводящие в ступор [object Object]'ы. Функция toString в языке JavaScript наверно самая "неявно" обсуждаемая как среди самих js-разработчиков, так и среди внешних наблюдателей. Уступает, возможно, лишь удивлениям ...

Ракета-носитель «Союз-5SL» будет работать с двигателями советского образца

Так выглядит Falcon Heavy, тяжелая ракета-носитель от SpaceX, с которой собирается конкурировать S7 Space Генеральный директор S7 Space Сергей Сопов на днях заявил о том, что эта частная аэрокосмическая компания (в некоторых СМИ ее называют “Российской SpaceX”) собирается возродить производство ...