Європа копіює підхід SpaceX щодо многоразовости

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Нещодавно у Парижі пройшла конференція організована Французької Аерокосмічної Академією. Одним з доповідачів виступив Жан-Марк Асторг, голова CNES (Національний Центр Космічних досліджень). Він провів всю свою кар’єру в дирекції, працюючи над Vega, Ariane 5 ECA, «Союз» у Французькій Гвіані, а в 2015 році був призначений директором по роботі з ракетами-носіями. Він розкрив безліч технічних подробиць, поділився планами на майбутнє та розповів про реакцію Європи на американські багаторазові ракети-носії. Ця стаття — перекладене інтерв’ю, доповнене слайдами, які він показував під час своєї презентації.

«Коли я почав працювати в CNES в 1985 році, відразу після закінчення інженерної школи багаторазове використання мало вкрай негативний образ. В основному з-за американського космічного човника, який повністю не зміг досягти своїх первинних цілей. Спочатку очікувана вартість була 30 мільйонів доларів за запуск і з частотою один пуск в тиждень, в підсумку це коштувало близько 1 мільярда доларів за запуск при 6 пусках на рік. Таким чином, ми, європейці, збудували ракету Ariane відштовхуючись від невдалого досвіду Шаттла. Сьогодні Ariane 6 є першим європейським відповіддю на відроджені американські ракети багаторазового використання.

Перш ніж ми заглибимося в деталі, швидко нагадаю про економічних реаліях. В період з 2017 по 2018 рік бюджет НАСА збільшився, і це збільшення склало весь річний бюджет CNES. Що стосується глобального ринку пусків, то він являє собою безліч запусків супутників в рік, але тільки близько 25 відкриті для глобальної комерційної конкуренції. Більшість комерційних запусків призначені для геостаціонарних супутників зв’язку, але ми не знаємо, чи залишиться ринок таким же.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Трохи історії про європейських пускових систем: Ariane 1 був несподіваним комерційним успіхом завдяки невдачі Шаттла. Він був введений в дію точно в потрібний час. Завдяки еволюції Ariane 4 ми досягли максимальної продуктивності для концепції Ariane 1, тому ми розробили Ariane 5. Протягом 20 років вона була чільною комерційної РН у світі. Одним з наших переваг було розташування нашої стартового майданчика, Куру, що у Французькій Гвіані.

Ми отримали пристойну частку ринку, враховуючи відносно невелику фінансування в Європі. В даний час в США присутня політична воля, щоб повернутися на комерційний ринок: вони не погодилися на те, щоб бути викинутими Аріаном. Є також розвиток РН по всьому світу, від державних і комерційних учасників, з-за очікуваного збільшення ринку. Для РН важливо бути як можна дешевше. В даний час ціни складають близько 10 000 євро за кілограм на геостаціонарній орбіті (GTO). Зверніть увагу, що більшість РН в розробці є одноразовими, тому Ariane 6 не є аномалією в цьому відношенні.

Читайте також:   Курс євро піднявся вище 65 рублів вперше з 1 лютого

Щоб дати короткий огляд світових зусиль в області розвитку нових можливостей, досить згадати, що у китайців є космічна програма, на всіх фронтах, пускових установках і супутниках, яка змушує нас жовтіти заздрості. Вони оголосили, що також розробляють багаторазову РН: Великий Похід 8, щоб запустити до 2028 року.

У США ми не повинні виступати проти громадських і приватних космічних зусиль: SpaceX — це багато в чому творіння НАСА, завдяки технічної і фінансової допомоги.

В Європі основною причиною існування космічної програми та можливості запусків є незалежний доступ до космосу. Ми зрозуміли це в той же день, коли хотіли запустити наш перший супутник зв’язку, Symphonie, на американській РН. Вони погодилися запустити, але тільки за умови, що супутник не буде використовуватися в комерційних цілях. Це показує, що ми повинні бути впевненими в собі і в своїх можливостях. Проте в Європі інституціональний ринок малий: не більше 4-5 запусків на рік. Тому нам потрібно отримати частку на комерційному ринку, щоб зробити індустріальну екосистему життєздатною.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Ми чекали відновлення конкуренції в США. Спочатку Ariane 6 була запропонована в 2009 році, коли ми зрозуміли, що Falcon 9 SpaceX була хорошою РН з високою продуктивністю при низьких витратах. Тому головним завданням Ariane 6 було зниження витрат. Однак рішення про фінансування програми було прийнято тільки в 2014 році, що дуже пізно. Низька швидкість прийняття рішень в Європі є серйозною проблемою.

Ariane 6 — одноразова ракета, яка дуже схожа на Ariane 5, але ми зменшуємо її вартість на 50% завдяки трьом речам: збільшеній частоті пусків, так як вона замінить «Союз», що запускається з Французької Гвіани, інновації (наприклад, замість двох 3-х блочних металевих твердопаливних прискорювачів ми будемо використовувати 4 моноблочних твердопаливних прискорювача) і вдосконалений виробничий процес з впровадженням бережливого управління (lean management), наприклад. Мета — це вартість 10 000 євро за кілограм на ГТО в 2020 рік. Тут мало технологічних викликів, але багато організаційних.

Повторне використання — стара і очевидна ідея: для виготовлення РН потрібно 3 роки (з-за довгого виготовлення двигунів), вона коштує понад 100 мільйонів євро, ми запускаємо її, і менше ніж через 30 хвилин вона вже тоне в морі. Проте існують різні способи реалізації багаторазового використання: Falcon 9 принципово відрізняється від Space Shuttle у цьому аспекті. Тільки перша сходинка, найбільш проста для повторного використання. Вона відокремлюється на швидкості всього на 2 кілометри в секунду, а її вартість становить 50% від вартості всієї ракети. Це велика різниця порівняно з Shuttle. Falcon 9 має розумні технічні цілі, які він може досягти крок за кроком. Шаттл мав занадто багато амбіцій в 1970 році.

Читайте також:   Рогозін запропонував Індії авіаційні технології для генерації енергії

Існує декілька стратегій повторного використання. Оскільки мета полягає в тому, щоб звести до мінімуму вплив на щабель, посадка на парашуті в океан не варіант: солона вода робить ускладнює ремонт. Наприклад, для Falcon 9 SpaceX використовують повернення з петлевою траєкторії двигуном вперед з кількома гальмівними імпульсами. Ми працювали над цим, з національної аерокосмічної лабораторією Франції, і зрозуміли, що це досить складно.

Ключовим аспектом є те, що такий підхід дозволяє експериментувати з посадкою: після того, як друга ступінь відокремилася, перша сходинка може спробувати змінити траєкторію і швидкість руху без впливу на перебіг основної місії і без великих змін в дизайні першого ступеня. У рішеннях, які використовують крилатий повернення, навпаки, не скидаються крила повинні бути встановлені на щабель під час всього польоту першого ступеня, що може перешкодити місії. Таким чином, метод SpaceX працює, що дозволяє експериментувати з одноразовими запусками, при додаванні мінімуму компонентів ракети. Так що це менш дорогий і найцікавіший варіант.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Багаторазове використання має плюси і мінуси. Недоліки — це зменшення корисного навантаження, до -50% при використанні частини палива для повернення на стартову площадку, підвищена небезпека на повернення ступені на стартовий майданчик у Гвіані — яке знаходиться недалеко від міста Куру і проблема доступності посадкової площадки в океані. Щоб приземлитися на баржу, погодні умови повинні бути придатними в радіусі 400 км і при поганій погоді запуск може не відбутися.

Плюси — це можливість мати більш високу частоту пусків і мати більше гнучкості при плануванні сплачених пусків, так як нам не потрібно чекати довго, щоб провести запуск. Крім того, повторне використання економить гроші, якщо витрати на ремонт низькі. Це ключовий чинник для всієї формули многоразовости. Наприклад, в Falcon 9 Block V двигуні Merlin були випадки утворення тріщин в турбонасосе, що означає, що його потрібно було замінити і обмежити запуск без суттєвого ремонту до двох додатків.

Проблема багаторазового використання полягає в тому, що якщо вам більше не потрібно створювати перші щаблі, то ви закриваєте свої виробничі лінії. Однак, якщо в якийсь момент вам потрібно побудувати щабель, вам потрібно їх знову відкрити і налагодити виробництво, що вимагає величезної суми грошей. Тому важливо використовувати той же двигун для першого і другого ступенів, щоб виробництво не зупинялося.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Яка може бути стратегія Європи з багаторазового використання? По-перше, ми не будемо робити тільки багаторазові запуски. Місії на геостаціонарні орбіти і місії до інших космічних тіл були б одноразові. Для місії на навколоземній орбіті ми будемо використовувати траєкторію повернення до місця пуску. Це дозволило б нам зробити повторних пусків перших ступенів і зберегти обсяги виробництва, знизивши при цьому витрати на 30%. Таке часткове, розумне повторне використання доступно. Однак для цього потрібно багато розробок, тому що нам потрібно освоїти безліч складних фізичних явищ. Тим не менш, це цікаво, навіть в сьогоднішніх реаліях. Якщо ринок розшириться, це навіть стає необхідним.

Читайте також:   Хабаровський край представить на ВЕФ сім інвестпроектів на 60 млрд рублів

Серед подій, які належить зробити, — модуляція тяги двигуна. Це може викликати проблеми з нестабільністю горіння, і ми не вивчали його докладно, тому що це не було потрібно. Тому в короткостроковій перспективі Ariane 6 є єдиним рішенням для зниження витрат і вартості пусків. У довгостроковій перспективі багаторазове використання та інші технології, такі як 3D-друк, ще більше зменшать їх. 3D-друк може революціонізувати виробництво камер згоряння, що в даний час займає дуже багато часу.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Ми націлені на впровадження поетапного експериментального підходу. Ми повинні перевірити як це працює. Що стосується двигунів, в даний час ми використовуємо Vulcain, який є водневим двигуном на основі старого дизайну. Ми розробляємо метано-кисневий двигун Prometheus, метою якого є скорочення витрат. Це не означає, що ми відмовимося від водневої промислової бази, ми подивимося. Перевага метану полягає в тому, що він знаходиться по середині між воднем і гасом. З ним набагато легше звертатися, ніж з воднем, маючи краще питома імпульс, ніж гас, тому двигун може бути дешевше. Він також щільніше, ніж водень, що робить баки менше і більш дешевими. Ми будуємо два прототипу для вогневих випробувань до 2021 року.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Прометей можна використовувати в новій архітектурі, яку ми називаємо Ariane Next. Він буде мати 7 таких двигунів на першому ступені і 1 на другому ступені і може використовуватися в
одноразовому або багаторазовому варіанті, що дозволяє легко експериментувати з многоразовостью. Мета полягає в тому, щоб вчитися на тестах, які не є сильною стороною європейської аерокосмічної галузі.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Перед реалізацією Ariane Next, у нас є попередніх етапів, спочатку з Callisto. Для цього демонстратора багаторазового використання першого ступеня у нас немає багаторазового двигуна в Європі, тому ми співпрацюємо з японцями. Після, ми перейдемо до більш великому демонстратору Themis з двигунами Prometheus. Концепція все ще перебуває у фазі визначення.

Европа копирует подход SpaceX относительно многоразовости

Зрештою, нам потрібно буде зробити вибір між еволюцією Ariane 6 і новою ракетою-носієм, яка буде готова в 2028-2030 роках.

 

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *