Прошедший 2023 год стал успешным для компании SpaceX, которую более 20 лет назад основал Илон Маск. Под его руководством сотрудники фирмы смогли запустить на орбиту рекордное количество ракет с полезной нагрузкой. Но почему именно SpaceX смогли вырваться вперед и как обстоят дела у их конкурентов? Попробуем найти ответы на эти вопросы в статье.
Результаты за прошлый год
В 2023 году SpaceX доминировала по количеству космических запусков в мире. Она смогла запустить 96 ракет-носителей в течение года из 200 по всему миру, что составляет почти половину всех запусков. SpaceX доставила на орбиты Земли около 1200 тонн полезной нагрузки. NASA и Министерство обороны США — крупнейшие пользователи компании SpaceX, поэтому ее успех положительно сказывается на развитии правительственных организаций. А доходы от NASA, в свою очередь, стимулируют разработки SpaceX.
SpaceX предлагает доставлять большие объемы и разнообразные космические грузы по меньшей цене и с высокой скоростью. Правительство, вкладываясь финансово в нескольких крупных рыночных игроков, стимулирует развитие ими космических технологий. По мере роста этих компаний объем их услуг также возрастает, сроки выполнения заказов уменьшаются, а возможные риски минимизируются.
Илон Маск сознательно никогда не стремился подражать другим участникам «космической гонки». Особенно проявляется это в разработке, для которой специалисты из SpaceX применяют метод проб и ошибок в реальной среде. Также они используют экспериментальное обучение в лабораторных условиях с целью проверки гипотез и анализа полученных результатов. Эти подходы отличаются от традиционных для космической отрасли, которые включают теоретические исследования, компьютерное моделирование и тщательное планирование на основе установленных инженерных и научных принципов перед фактическим строительством и запуском.
Маск объясняет, что скорость работы важна для его предприятий, потому что превышение сроков обходится очень дорого в финансовом плане и компания упускает «выгоду более миллиарда долларов в месяц».
Пожалуй самая яркая иллюстрация такого подхода:
NASA еще в начале 2000-х годов разочаровалось в эффективности собственных проектов, что дало толчок к развитию новой стратегии — распределению экономического риска инвестиций между ним и подрядчиками.
А. Ансар и Б. Флайвбьерг в своей статье для журнала «Оксфордский обзор экономической политики» в 2022 году приводят сравнительный анализ производительности SpaceX и NASA.
Они выделяют четыре показателя производительности. Рассмотрим их подробнее.
Стоимость
В данном случае это абсолютные затраты. Например, стоимость полезной нагрузки или доставки одного килограмма груза на низкую околоземную орбиту. Цены SpaceX при доставке груза на Falcon Heavy дешевле, чем у конкурентов и ракет NASA. Но есть нюанс — компания превосходит конкурентов по стоимости разработки.
Перерасход средств
Отражает фактические затраты. Базовый уровень для NASA — доступная смета затрат, а для SpaceX — предполагаемая стоимость по контракту, сумма предложения по тендеру. Но частная компания SpaceX не публикует отчеты о движении денежных средств, поэтому мы не можем точно знать, как ежегодные траты распределены между миссиями. Не исключено, что компания занижает внутренние цены на заявки для получения контрактов, смета которых соответствует рыночным ожиданиям.
Абсолютные затраты SpaceX в 10 раз ниже, чем у NASA, а перерасход средств — меньше в 80 раз. Кроме того, исходя из общедоступных данных об источниках финансирования и доходах, мы можем сделать вывод, что SpaceX не может сильно занизить цену своих контрактов и остаться при этом платежеспособной. Это позволяет сравнить между собой финансовые показатели и сделать вывод, что у NASA перерасход средств во много раз выше и встречается в проектах чаще.
Скорость вывода продукта на рынок
Измеряется как фактическое время поставки от начала инвестирования до первого успешного запуска без этапа предварительного планирования. Для SpaceX она составляет в среднем около 4-х лет, и этот временной промежуток постоянно снижается, а для NASA — около 7-ми.
Масштабируемость
Выражается в количестве запусков в год. Это способность справляться с возросшим объемом нагрузок без сбоев или привлечения дополнительных ресурсов. Так SpaceX стремится разработать технологию повторного использования ракет и, в конечном итоге, снизить стоимость полетов и стимулировать развитие коммерческого сектора в отрасли.
Компания придерживается принципа адаптивности. В своих изобретениях к имеющимся возможностям более ранних версий она добавляет новые. Например, носитель Falcon Heavy — усовершенствованная модель Falcon 9 для перевозки тяжелых грузов.
Успехи Falcon 9 и Falcon Heavy
В марте 2006 года был проведен первый пуск Falcon 1, всего через 4 года с момента основания SpaceX. После пятого старта в июле 2009 года, когда ракета доставила только один небольшой спутник наблюдения Земли, ее пришлось списать.
Первый двигатель для ракеты Merlin компания построила за 3 года, ранее на это уходило не менее 7 лет. Далее SpaceX расширила свою линейку ракетных двигателей до трех — Merlin, Kestrel и Raptor. Каждый из них получил свои обновления. Например, семейство Merlin включает 1A, 1B, 1C, 1C Vacuum, 1D, 1D Vacuum.
Снижение затрат с Falcon 9
Уже к ноябрю 2008 ракета следующего поколения Falcon 9 прошла первые испытания. В 2013 году ее обновили до Falcon 9 v1.1, в 2015 — до Falcon 9 Full Thrust, а в 2018 — до Falcon 9 Block 5.
Надежность и стабильная повторяемость запусков ракеты Falcon 9 привели к сокращению затрат и снижению цены на предоставление услуг по доставке грузов. Вырос спрос со стороны владельцев небольших спутников.
Также SpaceX начала использовать концепцию «попутчиков» в своих миссиях. Она предполагает одновременную доставку на орбиту различных грузов, что позволяет максимально эффективно использовать грузоподъемность ракеты и сократить расходы на запуск. Всего грузоподъемность Falcon 9 составляет более 22,8 тонн к низкой околоземной орбите.
В январе 2024 года ракета Falcon 9 успешно осуществила запуск космического корабля Crew Dragon с коммерческим экипажем астронавтов на борту к МКС.
Прорыв Falcon Heavy
Другой носитель Falcon Heavy предназначен для перевозки тяжелых грузов в космос. Впервые его запустили в начале 2018 года. Во время испытательного полета Илон Маск отправил в космос один из электромобилей Tesla Roadster с манекеном космонавта внутри, чтобы показать, что ракета может доставить полезную нагрузку до Марса.
Falcon Heavy поднимает 64 тонны на околоземную орбиту. Ее предшественница Delta IV Heavy, производимая United Launch Alliance (ULA), могла доставить 28 тонн.
Тяжелая ракета Falcon Heavy пока превосходит своих конкурентов по стоимости разработки, которая составляет менее 1 миллиарда долларов, в то время как современная тяжелая ракета NASA, Space Launch System (SLS), обошлась правительству в сумму, превышающую эту более чем в 22 раза.
Стоимость Falcon Heavy — от 90 до 150 миллионов долларов. В SpaceX считают, что она может доставить любые спутники Министерства обороны в космическое пространство с наименьшими тратами. До этого такой возможностью обладала только Delta IV Heavy, но ее стоимость выше, чем у Falcon Heavy в несколько раз.
Провалы Starship
Разработка ракетной системы Starship началась в 2010 году. Ее миссия: помощь в освоении новых территорий Луны и Марса. Starship Super Heavy — самая большая и грузоподъемная система из всех, что когда-либо существовали. Она весит 5 000 тонн, в высоту составляет 120 метров.
Starship Super Heavy включает две ступени:
-
Ракета Super Heavy как первая ступень. Она может доставить груз до 150 тонн и возвратиться обратно на Землю, потому что рассчитана на 100 и более запусков. Взлететь помогают 33 двигателя Raptor, работающих на метане.
-
Космический корабль Starship как вторая ступень. Его можно дозаправить на орбите и далее управлять перелетом к Марсу и Луне. Он оборудован шестью двигателями Raptor.
Что же не так с системой?
Испытания Starship начались в конце 2018 года. Они включали создание прототипов для исключения возможных проблем и корректирования моделей. Весной 2021 года произошел первый успешный взлет с последующим приземлением.
Далее летом того же года SpaceX приступила к проверке гипотезы, что все 33 двигателя Super Heavy можно использовать одновременно. Тестирование было прервано в связи с отключением четырех моторов. Следующее испытание, проведенное в том же месяце, оказалось успешным. Оно показало, что система в состоянии оторваться от Земли и поднять корабль до точки отсоединения ступени.
Первый запуск системы провели весной 2023 года. Ракета поднялась, но успела преодолеть только 39 километров, после чего начала «кувыркаться». Сигнал для дистанционного подрыва прошел не сразу, а задержался на 90 секунд. Причина разрыва сигнала с компьютером на борту корабля — утечка метана из ракеты. После этого пуска модернизировали систему расстыковки и газоотведения.
Второй неудачный старт SpaceX произвела в ноябре 2023 года. Первая ступень отделилась от корабля, но вернуться на Землю у нее не получилось. Для возврата требовалось запустить двигатели, которые были отключены при разделении частей. Сброшенный из топливных баков оставшийся кислород вызвал возгорание в районе двигателей, что привело к запуску системы уничтожения. Космический корабль пролетел 148 километров за счет собственных двигателей, но его уничтожила система автопрерывания полета. Перед этим у него отказали двигатели, а специалисты SpaceX не могли с ним связаться.
При всех неудачах ракетная система на втором испытании прошла главные стадии: запуск и взлет, прохождение точки наибольшей нагрузки и разделение ступеней.
Илон Маск считает, что причиной взрыва стал сброс жидкого кислорода, который остался из-за отсутствия полезной нагрузки. То есть проблема не возникла бы во время выполнения реальной миссии по доставке груза, потому что в таком случае кислород был бы весь израсходован.
В феврале 2024 года SpaceX планирует провести третий запуск ракетной системы. Пока компания не подтвердила свои планы по ее модернизации, но специалисты в космической отрасли уже выдвигают свои догадки: усовершенствование двигателей и увеличение их количества, осуществление процесса перекачки топлива между носовой частью и основным топливным баком, увеличение объема этих баков, размещение полезной нагрузки.
Что там у конкурентов?
В США базируется больше всего космических организаций, но другие страны сокращают этот разрыв за счет иных показателей.
В текущем 2024 году можно предположить, что на передовую выйдут также Китай, Япония и Индия. Специалисты разных стран разрабатывают свои кислородно-метановые двигатели. Такое топливо обладает низкой токсичностью и доступно в финансовом плане, поэтому оно больше других подходит для многоразовых полетов.
LandSpace (Китай)
Фирма LandSpace планирует запускать многоразовые ракеты-носители к 2025 году. Для этого хотят использовать ракету «Чжуцюэ-2». Именно она первой достигла орбиты летом 2023 года на жидкостном метановом топливе, опередив SpaceX. Уже в декабре компания приступила к доставке спутников, выполнив несколько успешных запусков подряд.
Высота среднетяжелой ракеты — 49,5 метров, а диаметр — чуть больше 3-х метров. Она поднимает до 6 тонн полезной нагрузки. Фирма продолжает работать над повышением грузоподъемности. Первая ступень включает четыре двигателя открытого цикла TQ-12, на второй также установлен TQ-12 вместе с TQ-11, который необходим, чтобы задать направление и скорость полета.
JAXA (Япония)
Агентство JAXA также занимается разработкой ракеты на метане в качестве топлива. Ее запуск планируется провести не ранее, чем через 6 лет. Тяжелая ракета H3 на жидкостном топливе высотой 63 метра и диаметром 5,2 метра. Общая грузоподъемность — от 4 до 6,5 тонн.
В марте 2023 года она потерпела неудачу во время своего первого полета из-за наличия неисправности в двигателе второй ступени. Ракета была уничтожена системой прерывания полета. Повторный запуск был назначен на 17 февраля 2024 года с самого крупного космодрома Японии — Танэгасима и прошел успешно. Ракета доставила муляж полезной нагрузки и вторичную нагрузку в виде двух спутников на орбиту.
H3 позволит запустить автоматическую межпланетную станцию Martian Moons Exploration (MMX), после чего она произведет забор грунта с Фобоса, одного из спутников Марса, и направит возвращаемый модуль с образцом на Землю.
ISRO (Индия)
Индийское космическое агентство ISRO работает над разработкой ракеты нового поколения, Next Generation Launch Vehicle (NGLV), которая будет иметь три ступени. Первая ступень ракеты предусмотрена быть многоразовой. Проект NGLV направлен на увеличение грузоподъемности и эффективности запусков. Планируемая грузоподъемность составляет более 9 тонн для низкой околоземной орбиты и более 5 тонн для геостационарной переходной орбиты. Первый запуск ожидается не ранее 2030 года.
Роскосмос (Россия)
С 2018 года по настоящее время Роскосмос совершил 110 успешных ракетных стартов подряд. Сейчас компания разрабатывается свой многоразовый носитель «Союз-СПГ», проект которого должен быть закончен в 2024 году, а первый полет совершиться в 2025. Ракету запустят с космодрома «Восточный». Она будет работать на двигателе РД-0169А с использованием метана, а первая ступень — возвращаться для повторных полетов.
NASA (США)
С 2011 года NASA работает над строительством сверхтяжелой ракеты Space Launch System (SLS).
SLS предназначена для глубококосмических исследований, включая миссии на Луну и Марс. Первая версия ракеты, Block 1, способна отправить более 27 тонн за пределы низкой околоземной орбиты. В последующих версиях, таких как Block 1B и Block 2, ожидается увеличение грузоподъемности до 38 и 46 тонн соответственно для более дальних миссий.
В конце 2023 года были проведены огневые испытания двигателя RS-25, который использует жидкий кислород и водород в качестве топлива. Эти двигатели, четыре из которых устанавливаются на первую ступень ракеты SLS, являются модернизированной версией двигателей космических шаттлов и предназначены для использования в рамках программы Артемида для полетов на Луну.
Первый запуск SLS, Artemis I, состоялся в ноябре 2022 года, когда ракета отправила на орбиту необитаемый корабль Orion. Это был значительный шаг в программе NASA, направленной на возвращение человека на Луну и дальнейшее освоение космоса. Планируется, что в последующие годы SLS будет использоваться для экипажных и грузовых миссий в рамках программы Артемида.
United Launch Alliance (США)
Компания в 2023 году произвела всего три ракетных запуска, но к концу 2025 года ULA планирует проводить не менее 24 полетов в год.
В течение следующих нескольких лет фирме предстоит выполнить 11 запусков для обеспечения национальной безопасности США. Компании SpaceX поручили немного меньше — 10 стартов.
Свою двухступенчатую тяжелую ракету Vulcan Centaur специалисты спроектировали с использованием жидкостных двигателей BE-4 от компании Blue Origin. ULA отказалась от российских двигателей РД-180, которые устанавливали ранее в носителях Atlas 5.
Первая ступень Vulcan Centaur оснащена парой метановых силовых агрегатов BE-4, вторая пара — твердотопливные. Разгонные блоки Centaur работают на жидком кислороде и водороде. Высота ракеты достигает почти 62 метра.
Первый успешный запуск фирма произвела 8 января 2024 года сразу с полезной нагрузкой в виде лунного посадочного аппарата Peregrine компании Astrobotic, который должен был долететь до Луны к февралю. Ракета вышла на низкую околоземную орбиту, после чего лунный аппарат отделился от второй ступени и направился в сторону Луны. Через 7 часов полета у Peregrine возникли технические проблемы, в результате которых он сгорел в атмосфере Земли, не долетев до пункта назначения.
Blue Origin (США)
Фирма разрабатывает тяжелую многоразовую ракету New Glenn на кислородно-метанового двигателе BE-4. Первое испытание планируется провести в августе 2024 года.
На первую ступень установили семь двигателей BE-4, вторую оснастили двумя кислородно-водородными BE-3U. По габаритам и производительности New Glenn составит конкуренцию Falcon 9.
В декабре 2023 года фирма продолжила полеты корабля New Shepard после длительного перерыва. Последний запуск был произведен 15 месяцев назад.
Rocket Lab (США)
Компания произвела 10 запусков за предыдущий 2023 год. В новом 2024 году она планирует увеличить количество полетов до 22, при этом 9 из них будут с возвращением первой ступени.
Разработанная в Rocket Lab сверхлегкая ракета-носитель Electron возобновила полеты после перерыва в несколько месяцев, но уже без возврата первой ступени обратно на Землю. Ракета совершила 40 удачных запусков, пока в сентябре 2023 года во время выполнения миссии не вышел из строя двигатель второй ступени. Новейший спутник, который находился на корабле, был утерян. До этого в августе компания впервые использовала повторно один из двигателей ранее одноразовой ракеты. Тогда первая ступень на парашютах приземлилась в океан и была возвращена при помощи судна.
Высота ракеты — 17 метров, а диаметр — около 1 метра. Грузоподъемность — до 250 килограмм. В двигателе установлены электронасосы топлива и окислителя, то есть керосина и жидкого кислорода, соответственно.
Фирма проводит подготовку гиперзвуковой ракеты HASTE к 2025 году в интересах Министерства обороны. Ее грузоподъемность достигнет 700 килограмм.
Дальнейшие планы SpaceX
В 2024 году SpaceX планирует наладить выпуск усовершенствованных спутников Starlink v3 и v2 Mini. Они будут доставляться при помощи космических кораблей Starship, которые смогут долететь до орбиты. Спутники обеспечат лучшее покрытие Сетью нашей планеты и более быструю связь для населения.
Новые представители семейства Starship V2 и V3 немного «подрастут» и смогут выводить в космос до 200 тонн груза, что на 50 тонн больше, чем сможет поднять Starship.
Возвратные ступени Falcon 9 можно будет использовать повторно до 40 полетов, то есть показатель увеличится примерно вдвое. На данный момент рекордное количество — 19.
SpaceX планирует наладить скорость стартов с одной площадки до двух в течение суток, до сих пор рекорд между пусками составлял более трех дней.
Заключение
Сейчас SpaceX — лидер по космическим запускам, который сотрудничает с частными фирмами, NASA и другими ведомствами США. Конкурировать с ним сложно из-за крайне низкой стоимости на услуги и высокой производительности компании Илона.
В обществе есть мнение, что SpaceX была создана NASA для того, чтобы вывести свою программу из-под контроля Конгресса. Это частная компания, в которой меньше бюрократии и нет нужды долго согласовывать свою деятельность перед началом работы. Здесь можно быстрее прорабатывать новые идеи или даже заниматься разработкой чего-то секретного, ведь частная фирма не обязана отчитываться по каждому шагу.
Но это не совсем верно. Илону Маску действительно выгодно сотрудничать с госструктурами, ведь именно так он получает значительную часть финансирования своих разработок. Но перед этим ему пришлось доказывать в NASA, что его компания может работать быстро, эффективно и экономить их финансовые средства. Ранее большинство выгодных контрактов доставались ULA. Также SpaceX занимается коммерческой деятельностью там, где это не мешает и не противоречит контрактам с NASA и Министерством обороны США.
В целом можно сказать, что с приходом SpaceX на рынок, подход к космическим исследованиям и путешествиям значительно изменился. Благодаря снижению стоимости запуска и повторному использованию ракет космос стал более доступным. А вот для кого именно он будет более доступен — вопрос открытый.
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS.
