Cómo SpaceX bajó los precios de lanzamiento de cohetes

Recientemente, Elon Musk tuiteó sin rodeos que los lanzamientos de SpaceX son mucho más baratos que los servicios de Boeing / Lockheed que puede construir un satélite para la diferencia.

En 2014, la Oficina de Auditoría emitió un informe sobre la evaluación del costo de los programas de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Para lanzar satélites secretos, que fueron lanzados exclusivamente por ULA. Debido a la falta de transparencia en los precios, fue difícil hacer coincidir los precios con la oferta de SpaceX.

El gobierno paga una cantidad fija a la ULA, independientemente de qué cohete se utilizó en el lanzamiento, ya sea Atlas V, Delta IV o Delta IV Heavy. Además, existe un contrato de EELV Launch Capability (ELC), en virtud del cual la ULA recibe $ 860 millones anuales para proporcionar acceso al espacio, incluso si no hubo lanzamientos. Además, ULA recibió un total de $ 5 mil millones en otros gastos relacionados con equipos para la producción de cohetes.

El monopolio de ULA terminó cuando SpaceX comenzó a luchar por los lanzamientos de carga útil para la seguridad nacional. El primer lanzamiento se llevó a cabo en mayo de este año, por orden de la Agencia Nacional de Inteligencia, en forma de satélite secreto NROL-76. Según el gobierno, en comparación directa con ULA, el costo de lanzar SpaceX es significativamente menor.

Por ejemplo, hace 14 meses, la Fuerza Aérea de los EE. UU. Firmó un contrato con SpaceX por un monto de $ 83 millones para lanzar el satélite GPS 3, y en marzo de 2017 se ganó otro contrato para lanzar otro satélite GPS 3 por valor de $ 96.5 millones. Este es el costo total del lanzamiento que pagará el gobierno, y no se puede comparar con los $ 422 millones para un solo lanzamiento, que se establece en el presupuesto de la Fuerza Aérea para 2020.

¿Qué responderán los competidores?

A continuación, veremos cómo ha cambiado y cambiará el costo de los lanzamientos entre los competidores de Falcon 9, qué pasos van a tomar los participantes del mercado de servicios de lanzamiento para no perder su lugar en el sol.

Origen azul

PH New Glenn. Fuente: Origen Azul

El objetivo del fundador de la compañía, Jeff Bezos, no es obtener ganancias de los lanzamientos de satélites comerciales, sino proporcionar una oportunidad para que millones de personas vivan y trabajen en el espacio, tampoco tiene ambiciones de lanzar satélites gubernamentales y militares y solo planea suministrar sus motores BE-4 para un nuevo vehículo de lanzamiento ( PH) ULA Vulcan. El motor de cohete BE-4, impulsado por una mezcla de oxígeno líquido y gas natural licuado, comenzó a desarrollarse en 2011 y ya se han gastado más de $ 1 mil millones en desarrollo. El empuje BE-4 a pedido de ULA se ha incrementado a 550tf.

Se planea utilizar el mismo motor en la primera etapa del nuevo cohete Blue Origin New Glenn y el primer lanzamiento se llevará a cabo no antes de 2020. El precio de lanzamiento de New Glenn (NG) aún no se conoce, pero se puede esperar que el costo sea comparable al Falcon 9, y la capacidad de carga será de 13 toneladas en órbita geo-transicional (GPO).

Teniendo en cuenta la experiencia de los lanzamientos suborbitales del sistema de despegue y aterrizaje vertical New Shepard, cuando se lanzó la misma etapa 5 veces sin modificaciones significativas, esta experiencia permitirá resolver el aterrizaje de las primeras etapas dentro de varios años después del primer lanzamiento de NG.

ULA

Refuerzo Vulcano. Fuente: ULA

El precio de lanzamiento para cargas gubernamentales y comerciales es muy diferente. La presión de Mask en la audiencia, con una propuesta para prohibir volar en el RD-180 ruso para el Atlas 5 LV y dejar el Delta IV completamente no rentable, valió la pena. Decidieron abandonar el motor y asignaron fondos significativos para crear un reemplazo. ULA, al elegir un motor para su nuevo Vulcan LV, entre AR1 y BE-4, se inclinó a favor del segundo. AR1 tiene varios años de retraso en el desarrollo, no implica un uso reutilizable, y la empresa de desarrollo depende principalmente de fondos públicos, a diferencia del BE-4 privado.

El esquema de salvación de motores de la primera etapa SMART. Fuente: ULA

ULA introdujo el concepto de guardar motores de primera etapa y aviónica SMART (tecnología de retorno sensible, modular y autónoma). Los motores se separan del acelerador después de la separación de la primera y segunda etapa. Se revela una protección inflable, que ayuda a ralentizar la caída del bloque del motor por debajo de la velocidad supersónica y luego, el helicóptero salva el bloque que se está lanzando en paracaídas.

Sin un aumento en la frecuencia de los lanzamientos, la compañía no ve la conveniencia de la reutilización. El ahorro total será de hasta el 30 por ciento, pero se necesitarán fondos importantes para el desarrollo de la tecnología. ULA se moverá en esta dirección, pero el primer vuelo de prueba tendrá lugar no antes de 2024.

Debido a la exageración en torno a los precios de lanzamiento, ULA ha creado el sitio de diseño de cohetes Atlas 5, rocketbuilder.com . Se dice que un cohete ligero cuesta $ 109 millones, y el más pesado con cinco aceleradores, capaz de llevar 8856 kg, $ 157 millones al GPO. Indirectamente, desde 2010, de 52 lanzamientos, solo 4 fueron comerciales desde 2010. El CEO de ULA, Tori Bruno, enfatizó que en solo unos años, el precio mínimo se ha reducido de $ 191 millones a $ 109 millones.

Agencia Espacial Europea (ESA)

Vehículo de lanzamiento Ariane 6. Fuente: Airbus Safran Launchers (ASL)

La Agencia Espacial Europea está lanzando actualmente vehículos de lanzamiento Vega y Ariane 5, cuyos componentes se producen en toda la lista de países de la UE y están generosamente subsidiados. Al mismo tiempo, el lanzamiento comercial de Ariane 5 cuesta $ 180-240 millones, pero lanza 2 satélites pesados ​​a la vez (10 toneladas en total), por lo que existe una gran demanda en el mercado.

El diseño del Ariane 6, que es el sucesor del Ariane 5 existente, se presentó en 2012 con el primer lanzamiento previsto en 2020. Inicialmente, el diseño consistía en 3 propulsores de combustible sólido en la primera etapa y uno en la segunda etapa para la producción de 6.500 kg para el GPO. El desarrollo fue patrocinado por la ESA (el proyecto fue valorado en 4 mil millones de euros, ahora reducido a 2,4 mil millones de euros), y Airbas Safran Launchers (ASL) fue elegido como el principal contratista. Posteriormente, el diseño fue revisado a favor de una mayor rentabilidad, debido a la expansión de SpaceX, que compite directamente por los lanzamientos comerciales. El diseño final incluye 2 versiones: Ariane A62 y Ariane A64 c con dos y cuatro propulsores de combustible sólido. El precio y la carga útil para GPO son, respectivamente, 5.000 kg por 75 millones de euros y 10.500 kg por 90 millones de euros. Los costos iniciales deben reducirse gracias a la reorganización de la producción, una reducción en la cantidad de personal en un 30% de 8,000 personas, el uso de la impresión 3D y el abandono del ensamblaje vertical. El cohete se ensamblará horizontalmente en Le Mirabeau y luego se transportará a la Guayana Francesa para la integración de aceleradores y carga útil. Está previsto ingresar al calendario de 11-12 lanzamientos por año hasta 2023.

La ESA ha asignado el primer tramo de 80 millones de euros para crear el nuevo motor de cohete reutilizable Prometeus impulsado por un par de combustible de metano + oxígeno líquido. El costo de un motor será de 1 millón de euros, solo una décima parte del costo del motor de hidrógeno actual de la primera etapa Vulcain 2 para el Ariane 5. Las pruebas de fuego comenzarán en 2020 con el primer vuelo en 2030.

Roskosmos

El precio de "Proton" ha cambiado dependiendo de las condiciones del mercado para seguir siendo un operador competitivo. Entonces, en 2014, el costo fue de $ 115 millones, ahora se reduce a $ 70 millones, ya que la oposición al Falcon 9 con un precio fijo de $ 62.5 millones.

A pesar de que el Proton volará hasta 2025, se decidió crear versiones más baratas de Proton Medium y Proton Light para 2020. Se decidió extender los tanques de la primera y tercera etapa y deshacerse por completo de la segunda. Como resultado, la carga útil en el GPO será comparable al Falcon 9. El liderazgo del Centro. Khrunicheva cree que el costo del cohete se puede reducir en un 25% en comparación con el Proton-M LV, lo que acercará el costo de lanzamiento a $ 50-55 millones.

Comparación de modificaciones "Protón". Fuente: ILS

Después del colapso en las relaciones con YuzhMash, el vehículo de lanzamiento medio Zenit se está desarrollando como parte del proyecto de desarrollo Phoenix, que tuvo el precio de lanzamiento más bajo en su categoría de peso y que, tal vez, se inspiró en Ilon Mask. El nuevo vehículo de lanzamiento Soyuz-5, también conocido como Sunkar, utilizará las mesas de lanzamiento Zenit tanto en Baikonur como en la plataforma flotante Sea Launch. Las pruebas de vuelo del Sunkar deberían comenzar en 2024, según los documentos de Roscosmos. Y ya en 2025 está previsto comenzar la operación comercial de Sunkara. En una entrevista, Elon Musk dijo que su cohete favorito después de Falcon 9 (traducido como "halcón") es "Zenith". Sunkar se traduce del kazajo como "halcón". ¿Coincidencia?

¿Qué pasa con los sistemas reutilizables? LV "Rossiyanka" se introdujo en 2007. Una característica del proyecto es el regreso y el aterrizaje de la primera etapa con la inclusión repetida de motores estándar. GRC ellos. Makeeva, como actor principal, debía fabricar un demostrador de un vehículo de lanzamiento ultraligero con una primera etapa reutilizable. El trabajo fue planeado para llevarse a cabo de acuerdo con los términos de referencia de TsNIIMASH en 2016.

12 de diciembre de 2011 GRTS ellos. Makeeva presentó el vehículo de lanzamiento Rossiyanka en la competencia de Roscosmos para el desarrollo de la primera etapa del cohete reutilizable y el sistema espacial (MRKS). Sin embargo, según los resultados de la competencia, el GKNPC recibió una orden para el desarrollo de MRSK Khrunicheva con el proyecto "Baikal-Angara".
El demostrador no fue fabricado. Está previsto llevar a cabo el diseño y la investigación exploratoria del vehículo de lanzamiento con los primeros pasos reutilizables. El resultado será el desarrollo de propuestas técnicas y un proyecto de concepto para el desarrollo del sistema ruso de facilidades de retiro hasta 2035.

Motor de oxígeno-hidrógeno RD0162D2A. Fuente: Roskosmos

Como parte del mismo programa MRKS, la Oficina de Diseño de Ingeniería Química de Voronezh está desarrollando el motor de oxígeno-hidrógeno RD0162D2A con un empuje de 85 toneladas. En 2016, se anunciaron 800 millones de rublos. El contrato está diseñado por 3 años con continuación. En el futuro, la creación de motores en pleno vuelo con un empuje de hasta 200 toneladas para MRKS. En diciembre del mismo año, un exitoso demostrador de motores de prueba. Se realizaron 10 arranques del motor.

Jaxa

Generación actual y futura de vehículos de lanzamiento japoneses. Fuente: JAXA

En 2014, la Agencia Espacial de Japón (JAXA) firmó un contrato con Mitsubishi Heavy Industries (MHI) para la creación de una nueva generación de vehículos de lanzamiento H-3 con su primer lanzamiento en 2020, que consta de 2 etapas de oxígeno-hidrógeno y hasta cuatro propulsores de propulsores sólidos. En la primera etapa, se instalarán 2 o 3 motores LE-9, dependiendo de la configuración, con un empuje de 1470 kN cada uno y un impulso específico de 426 segundos. La carga útil máxima en el GPO será de 6.5 toneladas, y la configuración más ligera está diseñada para entregar 4 toneladas a una órbita sincrónica al sol con un costo estimado de 5 mil millones de yenes ($ 44 millones) en 2015.

Además, se ha trabajado durante tres años para reducir a la mitad el costo de los lanzamientos, en comparación con el vehículo de lanzamiento H-2A actual, y al mismo tiempo duplicar el número de lanzamientos a 8 por año. Los nuevos espacios de lanzamiento se centrarán en el uso de lanzamientos de satélites comerciales. El primer lanzamiento comercial se realizó en noviembre de 2015, cuando el H2-A puso en órbita el satélite canadiense de telecomunicaciones Telstar 12 Vantage. Otros 2 lanzamientos están programados para 2018 y 2020.

RVT en vuelo. Fuente: ISAS

Cabe destacar que, de 1998 a 2003, JAXA realizó una investigación sobre sistemas reutilizables de despegue y aterrizaje vertical como parte del proyecto de Pruebas de Vehículos Reutilizables (RVT) del Instituto de Ciencias Espaciales y Astronáuticas (ISAS) en el Centro de Pruebas de Cohetes Noshiro en el norte de Japón. Se construyeron 4 muestras de prueba para pruebas de tierra y vuelo. Las muestras recibieron muchas mejoras: carcasa aerodinámica, sistema de monitoreo de posición con nitrógeno, tanques compuestos para almacenar hidrógeno y oxígeno, sistema de navegación GPS y la capacidad de reiniciar el motor en vuelo. En vuelo, se alcanzó una altura de 42 metros y la precisión de aterrizaje fue de 5 cm. Se propuso aplicar todos los desarrollos para la próxima generación, lo que podría llevar una carga útil de 100 kg a una altura de 100 km. A pesar de la promesa de la tecnología, el proyecto fue cerrado. No hay información sobre si JAXA copiará el enfoque SpaceX o aumentará sus antiguos logros, aunque ahora se está volviendo más relevante que nunca.

Resumen

La reacción de los oponentes de SpaceX es algo tardía, lo que puede explicarse por el conservadurismo de la industria espacial. Para 2020-2021, muchas decisiones volarán: aquí están Proton Light, Vulcan (ULA), New Glenn (Blue Origin) y Ariane 6 (Arianespace). Será un medio más rentable, pero SpaceX no está inactivo. La compañía realizó 10 lanzamientos este año y tiene la intención de llevar a cabo 12 más, y en 2019 planea 52 lanzamientos, una cifra impensable. La guía es establecida por los líderes y a menudo no se logra, pero su confianza puede explicarse: al final del año, el Falcon 9 Block 5 volará, que está diseñado para que la primera etapa se pueda lanzar 10 veces con un mantenimiento mínimo y sin reemplazar componentes esenciales. También en 2018, prometen salvar el carenado de la cabeza, cuyo costo se estima en $ 5-6 millones. El primer reinicio de la primera etapa usada ya ha costado la mitad del costo de construir uno nuevo, aunque no se destaca el costo del vehículo de lanzamiento, sino su disponibilidad para comenzar la carga. Incluso con un solo reinicio de la primera etapa, la flota de transportistas disponibles aumenta en 2 veces. Ahora SpaceX tiene más de 50 pedidos en el manifiesto de lanzamiento, los competidores tienen todo planeado para los próximos 2-3 años; lo que está sucediendo ahora tendrá consecuencias solo después de unos años. Pero ahora podemos decir que en ausencia de accidentes Falcon 9, SpaceX capturará la mayor parte del mercado para lanzamientos comerciales.

UPD: se agregaron tablas de resumen sobre la masa y el precio mostrados para varios vehículos de lanzamiento.
Gracias por las tablas @ voyager-1 .

Cohetes existentes:

Planeado: