The future is here
Astronautics
Popular science
June 2018 13

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости



Недавно в Париже прошла конференция организованная Французской Аэрокосмической Академией. Одним из докладчиков выступил Жан-Марк Асторг, глава CNES (Национальный Центр Космических исследований). 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. Он раскрыл множество технических подробностей, поделился планами на будущее и рассказал о реакции Европы на американские многоразовые ракеты-носители. Эта статья — переведенное интервью, дополненное слайдами, которые он показывал во время своей презентации.

«Когда я начал работать в CNES в 1985 году, сразу после окончания инженерной школы многоразовое использование имело крайне негативный образ. В основном из-за американского космического челнока, который полностью не смог достичь своих первоначальных целей. 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. Таким образом, мы построили ракету Ariane отталкиваясь от неудачного опыта Шаттла. Сегодня Ariane 6 является первым европейским ответом на возрожденные американские ракеты многоразового использования.

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



Немного истории о развитии европейских ракет-носителей: Ariane 1 была неожиданным коммерческим успехом благодаря неудаче Шаттла. Она была введена в строй точно в нужное время. Благодаря эволюции Ariane 4 мы достигли потолка возможностей для концепции Ariane 1, поэтому мы разработали Ariane 5. В течение 20 лет она была лидирующей коммерческой ракетой-носителем (далее РН) в ​​мире. Одним из наших преимуществ было расположение нашей стартовой площадки Куру, во Французской Гвиане.

Мы получили приличную долю рынка, учитывая относительно небольшое финансирование в Европе. В настоящее время в США присутствует политическая воля, чтобы вернуться на коммерческий рынок и восстановить утраченные позиции. Наблюдается развитие РН по всему миру, от государственных и коммерческих участников, из-за ожидаемого увеличения рынка. Для РН важно быть как можно дешевле. В настоящее время цены составляют около 10 000 евро за килограмм при выводе на геостационарную орбиту (GTO). Обратите внимание, что большинство РН в разработке являются одноразовыми, поэтому Ariane 6 не является исключением в этом отношении.

Чтобы дать краткий обзор мировых усилий в области развития новых пусковых возможностей, достаточно вспомнить, что у китайцев есть космическая программа с невероятным прогрессом по всем фронтам — это и новые РН и космические аппараты. Это заставляет нас желтеть от зависти. Они объявили, что также разрабатывают многоразовую РН: Long March 8, чтобы запустить к 2028 году.

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

В Европе основной причиной существования космической программы и возможности запусков является независимый доступ к космосу. Мы поняли это в тот же день, когда хотели запустить наш первый спутник связи, Symphonie, на американской РН. Они согласились запустить, но только при условии, что спутник не будет использоваться в коммерческих целях. Это показывает, что мы должны быть уверенными в себе и в своих возможностях. Однако внутри Европы есть потребность не более, чем 4-5 запусков в год. Поэтому нам важно иметь долю на коммерческом рынке, чтобы поддерживать нашу аэрокосмическую отрасль жизнеспособной.



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

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). Цель — это стоимость 10 000 евро за килограмм на ГТО в 2020 год. Здесь мало технологических вызовов, но много организационных.

Повторное использование — довольно 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. Однако существуют различные способы реализации многоразового использования: Falcon 9 принципиально отличается от Space Shuttle в этом аспекте. Спасается только первая ступень, самый простая для повторного использования. Она отделяется на скорости всего 2 километра в секунду, а её стоимость составляет 50% от стоимости всей ракеты. Это большая разница по сравнению с Shuttle. Falcon 9 имеет разумные технические цели, которые он может достичь шаг за шагом. Шаттл имел слишком много амбиций в 1970 году.

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

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. 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. Таким образом, метод SpaceX работает, что позволяет экспериментировать с одноразовыми запусками, при добавлении минимума компонентов ракеты. Так что это менее дорогостоящий и самый интересный вариант.

image

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

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. Кроме того, повторное использование экономит деньги, если затраты на ремонт низки. Это ключевой фактор для всей формулы многоразовости. Например, до внедрения Falcon 9 Block V в двигателе Merlin были случаи образования трещин в турбонасосе, что означало, что его нужно было заменить и ограничить запуск без существенного ремонта до двух использований.

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

image

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

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



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



Prometheus можно использовать в новой архитектуре, которую мы называем Ariane Next. Эта ракета-носитель будет иметь 7 двигателей на первой ступени и 1 на второй ступени и может использоваться в
одноразовом или многоразовом варианте, что позволяет легко экспериментировать с многоразовостью. Цель состоит в том, чтобы учиться на тестах, которые не являются сильной стороной европейской аэрокосмической отрасли.



Перед реализацией Ariane Next, у нас есть предшествующих этапов, один из них Callisto. Для этого демонстратора многоразового использования первой ступени у нас нет многоразового двигателя в Европе, поэтому мы сотрудничаем с японцами. После, мы перейдем к более крупным масштабам — прототип первой ступени нового поколения Themis с двигателями Prometheus. Концепция все еще находится в фазе определения.



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?

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

Вопрос : Callisto очень похож на демонстратор вертикальной посадки Grasshopper, технология которой потом использовалась для посадки первой ступени Falcon 9.

Ответ : Callisto — имеет такую же конструкцию как и Grasshopper от SpaceX. Китайцы также строят аналогичный прототип, у нас нет никаких проблем, говоря, что мы не изобрели ничего нового.

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

Ответ : Наш дизайн опирается на анализ рынка. Хотя я не могу предсказать, какова будет ситуация в 2030 году, 7 двигателей Prometheus являются оптимальными для текущего 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?

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

Вопрос : Как насчет 3D-печати?

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. Они хотят распечатать ракету целиком. Хотя я не верю, что они достигнут этого, я думаю, что это может быть прорыв столь же значительный, как и многоразовые пуски. На Ariane 6, например, вспомогательная силовая установка второй ступени будет 3D-печататься, в противном случае она будет слишком сложной в создании. Поэтому я ожидаю очень значительного снижения затрат благодаря 3D-печати

Вопрос : Каковы ограничения погодных условий для высадки барж?

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

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

Ответ : У меня нет хрустального шара. 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. Сейчас это 17 спутников в год, в то время как раньше в среднем было около 30. Им придется столкнуться с конкуренцией со стороны спутников геостационарной орбите и наземных сетей, поэтому возможно, что они потерпят неудачу, как в 1990-х годах. Тогда рынок, разумеется, не вырастет в 10 раз.

Вопрос : Что вы думаете о эластичности рыночного спроса?

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

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

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

Вопрос : Как насчет повторного использования второй ступени?

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

Оригинальная статья
+29
11.9k 14
Comments 88