Почему SpaceX не работает над уменьшенной версией Starship?

Есть несколько веских инженерных и дизайнерских причин, по которым большой космический корабль имеет смысл, и несколько причин, по которым создание мини-звездолета не имеет смысла конкретно для SpaceX (и их видения).

Прежде всего, Илон Маск ясно дал понять, что его цель для компании и будущего состоит не в том, чтобы обеспечить дешевые возможности для запуска спутников, а в том, чтобы отправить людей на Марс. Создание устаревшей версии звездолета не находится на «критическом пути» к отправке людей на Марс для Илона. SpaceX во многом является компанией Илона Маска и следует его видению.

Тем не менее, вот еще пара причин, по которым SpaceX может не захотеть делать Mini-Starship (хотя для некоторых производителей Mini-Starship может иметь смысл):

• Ракеты большего размера могут быть более эффективными с точки зрения расхода топлива, поскольку сухая масса может составлять меньшую часть общей массы ракеты. Например, если ваш бортовой компьютер и система авионики весят 100 кг, это сильно повлияет на ракету, которая может поднять на НОО только 1000 кг. Если ваша ракета способна поднять 100 000 кг за раз, 100-килограммовый бортовой компьютер внезапно станет намного меньше общей сухой массы, и, таким образом, ваша ракета станет более эффективной.

• Строительство большого против строительства малого. Одна из вещей, которая является «революционной» в нынешнем прогрессе проектирования / строительства Starship, заключается в том, что он сваривается в поле, на открытом воздухе. SpaceX считает, что когда ваша ракета большая, вы можете обойтись меньшими допусками, что, в свою очередь, означает экономию денег. Например, предложение Sea Dragon было разработано для сборки на верфи и имело огромную грузоподъемность по очень низкой цене. Звездолет похож. Если бы мини-звездолет был построен, он, вероятно, потребовал бы более жестких допусков и меньших, более точных деталей. На самом деле, это снова сводится к моему первому пункту. Если вы строите небольшую ракету, каждый сварной шов, болт и проволока оказывают более значительное влияние на эффективность более легкой ракеты меньшего размера.

• SpaceX считает, что конструкция, аналогичная двум прототипам Starship, будет работать. Если бы вместо этого они отказались от того, что они разработали до сих пор, и построили мини-звездолет, им, по сути, пришлось бы начинать с нуля. Дизайн ракеты настолько сложен, что вы не можете просто изменить его размер и потом получить функциональный дизайн. SpaceX усвоила этот урок на горьком опыте при разработке Falcon Heavy. Первоначально Илон думал, что это будет просто «связывание трех ускорителей вместе», но в конце концов SpaceX пришлось разрабатывать центральное ядро ​​почти полностью с нуля.

• SpaceX имеет ограниченное количество сотрудников и денег. Если они решат работать над Starship и Mini-Starship одновременно, темпы обоих проектов сократятся вдвое, если не больше. Илон заявил, что скорость разработки имеет для него решающее значение, и разбавление его инженеров дополнительными проектами означает, что строительство Starship займет больше времени.

• Рынок запуска малых спутников накаляется. Несколько компаний, в частности Rocket Labs, сосредоточены на выводе на орбиту небольших спутников. SpaceX делает ставку на то, что не будет недостатка в массе, отправленной в космос, и тогда не будет иметь значения, насколько велика ракета, которая будет запущена, поскольку они смогут заполнить каждую ракету полезной нагрузкой. Даже тогда стоимость запуска в 2 миллиона долларов настолько низка, что даже если Starship будет летать в основном пустым, он все равно будет приносить прибыль.

Приложение: В комментариях было высказано несколько опасений:

• Построить мини-звездолет будет дешевле, чем полноразмерный звездолет.

  • В этом я не согласен. Если бы вы начинали с нуля, построить звездолет в масштабе 1/8, вероятно, было бы дешевле, чем полноразмерный.
  • SpaceX уже вложила много денег и времени в разработку ITS/BFR/Starship за эти годы. Простое откладывание этих усилий по работе над некачественной ракетой было бы расценено как пустая трата денег.
  • Хотя это будет дешевле, я не думаю, что это будет значительно дешевле. Большие затраты связаны с двигателями Raptor, поскольку они очень сложны и имеют революционную конструкцию. Тем не менее, все прототипы Starship, которые мы видели до сих пор (Starhopper и поздний MK1), не были оснащены полным набором двигателей. У Starhopper был только один, а MK1 только на короткое время прошел испытания с тремя двигателями.
  • Звездолет и ракета-носитель Superheavy — это два разных корабля. Starship спроектирован так, чтобы быть оснащенным тремя двигателями Raptor уровня моря и тремя двигателями с оптимизированным вакуумом для резервирования. На Mini-Starship поместился бы только один двигатель Raptor, что было бы неэффективно и не обеспечивало бы избыточности, которую допускают несколько двигателей. Необходимо будет разработать совершенно новый двигатель Metalox размером с Merlin, чего просто не произойдет, когда у SpaceX будет работающий Raptor в производстве.

• Mini-Starship может быть повторен быстрее

  • Возможно, но ни Mini-Starship, ни Starship не являются небольшими настольными или гаражными строительными проектами. Хотя работать с более мелкими компонентами было бы проще, для обоих по-прежнему потребуются краны и тяжелое оборудование.
  • Работа, связанная с фактическим размером ракеты, не занимает много времени на сборку. Да, сварка большой ракеты занимает больше времени, чем маленькой, но установка авионики, датчиков, двигателей, проводов и написание программного обеспечения не стала бы внезапно быстрее, если бы ракета была физически меньше.
• Mini-Starship может обеспечить дешевые запуски, пока разрабатывается Starship
  • Starship (или Mini-Starship) не являются транспортными средствами SSTO. Оба они требуют доработки сверхтяжелого ускорителя. Кроме того, нет причин, по которым SpaceX должна прекратить эксплуатацию серии Falcon 9. У них есть много ракет с большим количеством циклов повторного использования, и, несмотря на одноразовую вторую ступень, Falcon 9 может легко снизить цену любого другого поставщика услуг запуска. Пока ракеты Vulcan или Ariane 6 не будут введены в эксплуатацию, SpaceX даже не придется снижать свои цены (и размер прибыли), чтобы Falcon 9 оставался самым дешевым поставщиком.
• Вера в то, что масштабирование Mini-Starship до полноразмерного корабля будет простым или во время разработки можно будет поделиться многими
  • Я не совсем уверен, откуда взялось это убеждение. В инженерном мире вы не можете просто масштабировать что-то и ожидать, что это сработает. Возьмем, к примеру, Cessna 172, самый популярный самолет всех времен. Почему большие самолеты не похожи на Cessna, но больше? Потому что просто масштабирование дизайна, каким бы фантастическим оно ни было, не всегда имеет смысл.
  • Части разработки, которыми можно было бы поделиться, не оправдывают создание совершенно новой ракеты. Двигатели уже построены, топливные баки строятся, и фактическая конструкция сама по себе непроста , но она довольно проста по сравнению с разработкой двигателя FFSC. Аэродинамика и управление в полете также будут исследоваться в мини-звездолете и, возможно, в технологии теплозащитного экрана, и их можно будет передавать, но опять же, SpaceX явно не верит, что это будет рентабельно.
• SpaceX может получить прибыль на рынке малых спутников с Mini-Starship
  • Тот факт, что рынок малых спутников набирает обороты, не означает, что большие спутники никуда не денутся. Особенно со Starlink SpaceX не страдает из-за денег или контрактов на запуск. Запуск малых спутников, когда за каждый спутник платят всего около 50 тысяч, SpaceX не получает прибыли.

В ноябре 2018 года ходили разговоры о модификации второй ступени Falcon 9, чтобы сделать ее полностью пригодной для повторного использования. Идея заключалась в том, что многоразовая вторая ступень будет использоваться для тестирования технологий Starship. Эта попытка была отменена через 10 дней в пользу ускорения разработки нынешней конструкции звездолета из нержавеющей стали.

Архитектура сверхтяжелого/космического корабля предназначена для облегчения исследования и освоения космоса за пределами простой низкой околоземной орбиты, что требует более крупной ракеты-носителя и космического корабля. Поскольку затраты на разработку, как правило, превышают затраты на материалы, производство и топливо; имеет больше смысла построить одну большую машину, которая может выполнять много задач, чем две машины для разных миссий.

Подобно тому, как маленький самолет не может перевозить людей по всему миру, а большой самолет может, оказывается, есть проблемы с созданием действительно маленьких ракет. Они увеличиваются, когда вы принимаете во внимание полное повторное использование. Оказывается, Starship — это самый маленький космический корабль, который имеет смысл для полностью многоразового космического корабля. Несколько вещей, чтобы рассмотреть.

Давление в баках должно оставаться примерно одинаковым. Прочность бака в значительной степени зависит от толщины бака, поэтому вы получаете гораздо больше топлива с большей ракетой для веса.

Ракетные двигатели имеют максимальное отношение тяги к весу, когда они больше. Starship предназначен для поддержки миссий на орбиту, даже если некоторые ракеты выходят из строя. Размер в значительной степени снова приближается к размеру Starship.

С теплозащитой немного сложнее, но я считаю, что существует такая же минимальная масса, которая требуется, чтобы действительно быть эффективной. По сути, он должен поглощать энергию космического корабля и рассеивать ее. У более крупного космического корабля отношение плотности к площади ниже, что позволяет более эффективно замедляться, а также требуется меньшая тепловая защита.

Наконец, был аналогичный мыслительный процесс с Falcon 1 и Falcon 9. Оказывается, многие затраты на запуск фиксированы, анализ полета, анализ сопряженных нагрузок и т. Д. Все должны быть выполнены независимо от того, есть ли у вас один небольшой спутник или огромный. Концентрация на большей нагрузке позволяет минимизировать эти затраты.

Суть в том, что для космического корабля целей Starship гораздо эффективнее сосредоточиться исключительно на космическом корабле размером примерно со Starship. Роберт Зубрин даже упомянул об этом на недавнем собрании Марсианского общества.

Простой ответ, как уже говорили другие, состоит в том, что небольшие ракеты не соответствуют целям Маска по отправке людей на Марс.

Кроме того, у Spacex уже есть небольшая (хорошо, среднего размера) пусковая установка в виде Falcon 9. Они утверждают, что Starship + Falcon Superheavy сможет подорвать ее.

Одна возможность, которую я бы не упустил из виду (если Spacex решит пойти по этому пути в будущем), заключается в использовании верхней ступени Starship без ракеты-носителя для запуска полезной нагрузки на суборбитальные скорости. Затем полезной нагрузке потребуется собственная ступень кикера, чтобы выйти на орбиту. Spacex уже изменила свою пассажирскую схему «Земля-Земля» на схему без ускорителя, поэтому использование верхней ступени Starship без ускорителя не является совершенно новой идеей.

Ступенью-кикером может быть простая твердотопливная ракета или многоразовая ступень — в зависимости от того, что будет решено в будущем. Я хотел бы отметить, что когда Falcon 9 будет выведен из эксплуатации, у Spacex будет несколько сотен избыточных двигателей Merlin, которые можно было бы использовать в последний раз в одноразовой кикерной ступени.

Spacex выбрал верхний сегмент рынка, с очень небольшим количеством конкурентов, все они расходные материалы: SLS (ожидается, что он будет готов в ближайшее время), Long March 9 и Енисей (по прогнозам, он будет готов в конце 2020-х годов).

Они избегали переполненного нижнего сегмента рынка. Если один из нынешних игроков на этом рынке станет достаточно крупным, чтобы конкурировать со Spacex, они могут пожалеть об этом через 20 лет. Но пока нет никаких признаков того, что это происходит. Я бы не стал сбрасывать со счетов разработку Spacex меньшей системы запуска позже, но это будет сделано оппортунистическим способом в рамках программы Starship.

У Spacex есть один дополнительный проект, не связанный напрямую с целью добраться до Марса, и в типичном для Маска стиле он уникален: проект спутниковой группировки Starlink. Подобные спин-оффы, очевидно, являются необходимым способом сбора средств.

Прямо сейчас Starship и его сверхтяжелый ускоритель имеют открытый дизайн. Текущий план - 35 двигателей на 1-й ступени, 6 на 2-й ступени, полезная нагрузка 150 тонн для подъема на НОО, сухая масса 85 тонн, полезная нагрузка для возвращения на Землю 50 тонн.

Все это может измениться во время разработки ракеты из-за технологических проблем, а также из-за денег, которые будут доступны SpaceX в процессе разработки.

Они уже много раз меняли дизайн Starship (количество плавников, типы TPS, дизайн ног) и могли бы постоянно менять его после первых тестовых полетов. В конце концов они могут закончить с гораздо меньшей, средней версией Starship с меньшим количеством двигателей, меньшей полезной нагрузкой на НОО, меньшей полной массой. Например, 20,30 т на LEO Starship/Superheavy всего с 15 Raptor, но, может быть, 20,30 т на LEO с полезной нагрузкой, но все же с 30-40 Raptors в целом. Это зависит от того, что будет оптимальным для наименьшей возможной стоимости килограмма на LEO, GTO, что будет основной целью.

Цифра 2 миллиона за рейс — это всего лишь <стремящаяся цель>, и ее не следует воспринимать как факт.

Например, ESA Arianespace хочет с расходуемым Ariane 6 (полезная нагрузка 20 т на НОО, 10 т на GTO) достичь той же стоимости за килограмм, что и у F9R, что составляет около 5000 долларов за килограмм на LEO (более чем в два раза на GTO) и со следующей программой Ariane, которая может использовать потенциально многоразовый двигатель LOX / метан Prometheus, что еще больше улучшит стоимость Ariane 6 за килограмм в два раза. Но это, конечно, еще не дано.

Так же, как не указано, что стоимость килограмма Starship/Superheavy на LEO или GTO будет лучше, чем F9R, поскольку повторное использование второй ступени намного сложнее, чем 1-й (как технически, так и экономически), и нет ракеты Starship/Superheavy большого размера ( у него будет уровень доверия в 3-5 раз больше, чем у Сатурна 5), который когда-либо был построен, не говоря уже о попытках повторного использования.

Ракет Falcon Heavy и Falcon 9 будет достаточно. Falcon Heavy по-прежнему будет второй самой мощной и мощной ракетой-носителем на Земле после Starship, даже с учетом всех других ракет, находящихся в разработке. Вот насколько далеко впереди SpaceX.

Я действительно думаю, что есть безопасная ставка, что НАСА стремится продолжать использовать ракеты Falcon после заявленной отставки Маска. Они будут испытаны, проверены и еще более эффективны, чем Vulcan ULA или ракета New Glenn Blue Origin. НАСА закрепилось в Космическом центре Кеннеди, а у SpaceX есть объекты поблизости. Две организации тесно сотрудничали во время разработки Falcon. Я не думаю, что Falcon исчезнет, ​​если НАСА этого не захочет. Starship может быть дешевле, но в настоящее время его запуск планируется только из Бока-Чика. Важно отметить, что Falcon 9 по-прежнему будет дешевле, чем любая другая ракета-носитель, и на самом деле для НАСА может иметь смысл использовать более «сбалансированный» (не разоряющий конкуренцию) подход к сохранению актуальности своего традиционного подхода к ULA.