Попробуем разобраться в экономической выгоде от применения многоразовых ракет и систем вывода.
Все расчеты и параметры огрублены разумеется и на особую точность не претендуют.
Примеры многоразовых систем
Space Shuttle - система обладала почти полной многоразовостью. Спасались боковые ускорители и космический челнок с мощными двигателями.
Сгорал только топливный бак не имевший двигателей.
Falcon 9 - тяжелая ракета со спасаемой первой ступенью. Первая ступень садится вертикально, вторая ступень сгорает.
Если сравнивать экономику Шатла с одноразовыми ракетами аналогичной грузоподъемности, то достоверно можно сказать что одноразовые ракеты выгоднее. С этим никто не спорит.
А по Фалькону пока не понятно.
Себестоимость запуска
Затраты на пуск ракеты складываются из множества факторов.
Начиная с разработки системы, заканчивая пусковыми услугами.
Опустим затраты на разработку для упрощения. Да и в целом я стараюсь все представить в как можно более простом виде.
Себестоимость запуска одноразовой ракеты будет исходить из:
- Производства ракеты
- Пусковые услуги
Для многоразовых:
- Амортизация ракеты
- Межполетное обслуживание
- Пусковые услуги
Амортизация многоразовой ракеты это грубо говоря ее стоимость производства разделенная на кол-во произведенных пусков одного экземпляра.
К межполетному обслуживанию отнесем все затраты по посадке и ремонту.
Преимущества и недостатки
Многоразовые системы имеют меньшую грузоподъемность. Это значит что снижается общая полезная работа запуска ракеты. В случае спасения только первой ступени на Фальконе, потери в полезной нагрузке составляют 30%.
Формула сравнение эффективности
Предположим мы имеем одноразовую и полностью многоразовую ракету с одинаковой стартовой массой. И стоимость пуска одноразовой ракеты примем за 1
Переменные:
- ПРО - производство одноразовой ракеты
- АР - амортизация многоразовой ракеты
- ПУ - пусковые услуги (одинаково для обоих вариантов)
- МО - межполетное обслуживание многоразовой системы
- ПН - сколько выводит полезной нагрузки многоразовая ракета относительно многоразовой
Пуск одноразовой ракеты = ПРО + ПУ = 1
Пуск многоразовой ракеты = (АР + МО + ПУ) / ПН = ?
Если по второй формуле результат окажется меньше 1 значит многоразовая ракета эффективнее.
Пример расчета (параметры приближены к реальным)
Запуск современных гигантских ракет дорогое удовольствие. И значительную часть затрат несут пусковые услуги.
Производство многоразовой ракеты по типу Фалькона будет немного дороже, а ее ресурс в теории 10 пусков на практике пока меньше. Капитальный ремонт в расчет брать не будем. Потери в полезной нагрузке по схеме Фалькона составят 50% и это достаточно оптимистичная оценка (Фалькон Хеви теряет больше 50% например).
Короче возьмем такие параметры для примера:
- ПРО = 0,7
- АР = 0,14
- ПУ = 0,3
- МО = 0,1
- ПН = 0,5
Получаем:
Пуск одноразовой ракеты = 1
Пуск многоразовой ракеты = (АР + МО + ПУ) / ПН = 1,08
Получается одноразовая ракета эффективнее на 8%
Пример расчета (технологии будущего)
Предположим мы создали новый ракетный двигатель с удельным импульсом в 8 км/с (сегодня где-то 3.5). Это резко снизит потребность в топливе. При той же полезной нагрузке стартовая масса ракеты уменьшится раз в 5 и затраты на запуск соответственно тоже. Можно будет делать систему одноступенчатой и энергетики хватит, не надо ракету собирать. Из за повышенной эффективности снизятся потери в полезной нагрузке так как гораздо меньше топлива надо оставлять. При этом стоимость производства ракеты сильно возрастет наверняка, но предположим мы добились большого ресурса чтобы это было не существенно.
Итак фантазируем:
- ПРО = 0,9
- АР = 0,2
- ПУ = 0,1
- МО = 0,1
- ПН = 0,8
Пуск многоразовой ракеты = (АР + МО + ПУ) / ПН = 0,5
Получается что многоразовая ракета скорее всего будет в 2 раза эффективнее. Тут конечно не учтено что возможно одноразовый аналог будет сделан на более простых технологиях и будет сильно дешевле многоразового, но при этом сильно возрастут ПУ так как стартовая масса сильно возрастет и прочее описанное выше.
Удельный импульс в 8 км/с кстати говоря вполне достигался на экспериментальных ядерных ракетных двигателях. Но пока это все же больше фантастика
Вывод
На первый взгляд многоразовая система должна быть эффективнее, но потери в полезной нагрузке и дорогие услуги пуска все меняют.
Чтобы многоразовые системы были эффективнее одноразовых надо кардинально снизить затраты на пусковые услуги, например до 10% по предложной формуле. Либо кардинально снизить потери в полезной нагрузке. И то и то на текущих технологиях представить сложно.
Нужны новые технологии
Разбираем мифы
Ракеты не догружают поэтому многоразовость ничего не теряет. Опровержение.
