Как многоразовый Falcon 9 может добиться успеха, когда многоразовый космический шаттл потерпел неудачу?

Есть много факторов, способствующих этой проблеме.

Shuttle был разработан в 1970-х годах, и с тех пор технологии совершенствовались. Кроме того, проблемы, с которыми столкнулся Shuttle (хотя, по правде говоря, в то время они могли быть предсказуемы), теперь более очевидны, и новый дизайн может попытаться их избежать.

Рассмотрим простой случай теплозащитного экрана на «Шаттле». Он состоял из десятков тысяч маленьких плиток. Было неясно, смогут ли они изготавливать большие плитки правильной формы, способные выдерживать нагрузки на изгиб и тому подобное. Но это добавляло чудовищные затраты рабочей силы на ремонт орбитального аппарата после каждого запуска. Вы видели, что позже в программе НАСА попыталось заменить некоторые плитки, где они могли, более крупными одеялами.

SpaceX использовала известную работоспособную систему (PICA), обновленную для нового века, и использовала довольно большие детали. (Кроме того, капсула намного меньше для покрытия, чем что-то размером с орбитальный аппарат)

Двигатели на Shuttle были лучшими в линейке, возможно, самыми мощными двигателями, когда-либо созданными и использовавшимися в производстве. Но наряду с этим возникают расходы на техническое обслуживание, которые снова несколько снизились в конце программы благодаря различным обновлениям SSME.

SpaceX выбрала самую надежную конструкцию, которую они могли найти в семействе Merlin, игольчатую форсунку, и потратила много времени и усилий на то, чтобы сделать двигатель доступным и эффективным. Они также итерации быстрее. Хотя это правда, что элементы SSME были обновлены в течение срока действия программы, семейство Merlin значительно улучшилось по сравнению с Merlin 1A, 1B, 1C и 1D, и вскоре ожидается дальнейшее повышение рейтинга 1D.

SSME находятся в диапазоне тяги 660 килофунтов, в то время как семейство Merlin начиналось с 70 килофунтов и было модернизировано до 195 килофунтов (и снова поднимается вверх с Block 5 Falcon 9), что является гораздо более простой задачей и проще в проектировании. , и его легче повторно использовать в теории.

Учитывайте размер. Система STS огромна, с тягой 7 миллионов фунтов на старте по сравнению с Falcon 9 с тягой всего 1,3 миллиона фунтов. Очевидно, что масса системы примерно одинакова, так как для старта вам нужно отношение T/W больше 1. (Иначе вы сидите на площадке, сжигая топливо).

Система SpaceX намного меньше, и поэтому ее гораздо легче восстановить. Рассмотрим проблему восстановления капсулы (Дракона) против Орбитера. Затем подумайте о повторном использовании. (Честно говоря, SpaceX еще не использовала капсулу Dragon повторно, независимо от планов сделать это. Редактировать: 2 года спустя 2 Dragon совершили повторный полет, и ожидается, что в оставшихся 10 миссиях CRS будут использоваться повторно используемые Dragons).

От конструктивного решения выбор крыльев по сравнению с вертикальной посадкой является огромным отличием. Только время покажет, правильный ли выбор сделала SpaceX. НАСА явно не сделало правильный выбор в своем общем подходе. (В SNC утверждают, что крылья можно сделать правильно, время покажет, но неясно, будут ли они когда-нибудь запущены). (Редактировать: 2 года спустя они почти безошибочно приземлились на 23 первых ступенях без крыльев. Так что, вероятно, это хороший выбор дизайна.)

Шаттлу требовалась постоянная армия численностью около 24 000 человек для обслуживания системы. Всего в SpaceX занято менее 5000 человек. Сравните затраты на заработную плату 24 000 человек против 5 000 и разделите это на количество запусков в год. Это большой вклад в системные затраты.

По политическим причинам Shuttle был построен во многих штатах, так же как и европейский Ariane 5. Таким образом, разные сенаторы и члены конгресса были бы готовы проголосовать за него, поскольку он обеспечивал большое количество рабочих мест в их округах. Это рецепт неэффективности. Как показали эти две программы.

SpaceX строит почти все на одном сайте (Хоторн, Калифорния), тестирует на втором (МакГрегор, Техас) и запускает на третьем (LC-40). (Скоро будет четвертый (LC-39A) и пятый (Браунсвилл, Техас). На полярные орбиты они запускаются с базы ВВС Ванденберг в Калифорнии (LC-4). Когда они обсуждают свою пусковую установку следующего поколения, они предполагают, что планируют построить и испытать его рядом со стартовой площадкой, в основном потому, что он будет слишком большим для транспортировки.

Наверное, я мог бы продолжать дольше. Достаточно сказать, что это сравнение арахиса с арбузом.

Чтобы избежать опасности уйти от темы, я начну с переформулирования вопроса в 2 разные части. Это сделано для того, чтобы все доказательства напрямую строились на ответе на вопрос. В данном случае вопрос:

1. Почему усилия Shuttle по экономичному повторному использованию потерпели неудачу?
2. Почему многие эксперты считают, что нынешняя попытка SpaceX не потерпит такого же провала?

Во-первых, нам нужно определить «успех». Для этого определения я буду использовать ту же ссылку, что и для общего аргумента. Моя собственная ссылка также использует ссылку для аргументации, которая гораздо более эзотерична, так что вот они оба:

• Вторичная ссылка: Решение о космическом челноке Т. А. Хеппенхаймера, глава 6.
• Основная ссылка: Бюджетное бюро, «Вопросы НАСА», август 1969 г .: приложение «Космическая транспортная система», 22 августа 1969 г.

Вы можете видеть в их таблицах, что были проанализированы различные сценарии и сопоставлены с альтернативным вариантом Titan III. Для наших целей Титан III — альтернативная одноразовая пусковая система. Таким образом, я могу обоснованно утверждать, что успех оценивался (и должен оцениваться) на основе стоимости многоразовой пусковой системы по сравнению с альтернативной одноразовой системой . Степень успеха определяется как норма прибыли с использованием стандартного финансового анализа. Норма прибыли 0% или меньше — это «не годится», но конкурентоспособная норма прибыли является предметом споров.

Я заявлю, что в том году проект космического челнока так и не был доработан. Так что это не обязательно относится к окончательной версии. Тем не менее, основное утверждение настолько сильное , что я думаю, вы согласитесь, что это, вероятно, не будет иметь значения.

Несколько тривиально, экономика многоразовой системы зависит от количества запусков. Во-первых, у вас есть капиталовложения в НИОКР и оборудование, а затем эти затраты окупаются за счет сокращения потребностей производства. Имеющиеся у нас исследования конструкции космического корабля "Шаттл" отражают именно это. Они дают конкурентоспособность системы запуска в зависимости от скорости запуска.

Фактическая скорость запуска шаттла составляла 4,5 запуска в год, что является историческим фактом. Вышеупомянутое исследование показало, что система будет безубыточной (определяемой как 0% доходности, но все еще окупающей инвестиции), если они будут запускаться менее 28 раз в год. Было больше исследований, чем только это, но все они имели одинаковое общее мышление. Изученные показатели полетов, как правило, начинаются с 40 или около того в год.

Мы приходим к простому выводу: любой, кто рационально читал литературу того времени, сделал бы вывод, что космический шаттл был бы ужасно нерентабельным при тех скоростях полета, для которых он использовался. Тот факт, что он все еще разрабатывался, вероятно, отражает 1) чрезмерный оптимизм разработчиков требований Конгресса к космическим полетам, а также 2) чрезмерный оптимизм политиков в отношении производительности и гибкости технологии. В конце концов, США использовали решение для решения проблемы, для которой оно не было предназначено. В основном это связано с тем, что предполагаемое использование со временем менялось, а дизайн был слишком негибким для адаптации (частично из-за огромных необратимых затрат).

Почему F9R отличается?

Применим здесь тот же логический подход. Какова одноразовая альтернатива F9R (многоразовый Falcon 9)? Это просто F9. Подобно тому, как «сломанный» эскалатор становится лестницей, неисправная многоразовая система запуска просто становится одноразовой системой запуска. Это произошло в январе 2015 года, когда попытка восстановления первой ступени потерпела неудачу после того, как она способствовала успешному запуску. С другой стороны, программа шаттлов была совершенно не похожа на альтернативную систему одноразового использования.

На самом деле, есть много причин думать, что F9R будет намного лучше:

• это может быть постепенный процесс разработки
• без людей на восстановленной ступени сокращаются огромные расходы
• можно привлечь новых клиентов, если затраты сократятся

НАСА было крупной космической программой, которая разработала многоразовую систему запуска, а затем сократилась до небольшой космической программы. SpaceX — это крошечная компания, занимающаяся запуском, которая надеется, что повторное использование превратит ее в гигантскую космическую компанию.

Большинство этих аргументов убедительны, но факторы со стороны спроса могут по-прежнему досаждать SpaceX так же, как и в случае с «Шаттлом». Безубыточная скорость запуска F9R по сравнению с F9 ниже, чем у Shuttle, но все же может быть выше, чем их текущая скорость. В этом смысле их успех не гарантирован, но любой человек с оптимизмом в отношении спроса может разумно предсказать успех. В худшем случае это означает, что их инвестиции были потрачены впустую. Наихудшие сценарии для «Шаттла» были гораздо более ужасными.

Повторно использовать только первую ступень или ускорители гораздо проще, чем повторно использовать космический корабль, выходящий на орбиту и обратно. Требования к тепловому экрану повторно используемой первой ступени значительно ниже, чем к тепловому экрану, необходимому для возврата с орбиты.