Recientemente, se celebró en París una conferencia organizada por la Academia aeroespacial francesa. Uno de los oradores fue Jean-Marc Astorg, jefe del CNES (Centro Nacional de Investigación Espacial). Pasó toda su carrera en dirección, trabajando en Vega, Ariane 5 ECA, Soyuz en la Guayana Francesa, y en 2015 fue nombrado Director de Trabajo con Boosters. Reveló muchos detalles técnicos, compartió planes para el futuro y habló sobre la reacción de Europa a los vehículos de lanzamiento reutilizables estadounidenses. Este artículo es una entrevista traducida, complementada con diapositivas que mostró durante su presentación.
“Cuando comencé a trabajar en CNES en 1985, inmediatamente después de graduarme de una escuela de ingeniería, la reutilización tenía una imagen extremadamente negativa. Principalmente debido al transbordador espacial estadounidense, que fue completamente incapaz de lograr sus objetivos originales. Inicialmente, el costo esperado era de $ 30 millones por lanzamiento y con una frecuencia de un lanzamiento por semana, al final costó alrededor de $ 1 mil millones por lanzamiento con 6 inicios por año. De esta manera
, construimos un cohete Ariane basado en la mala experiencia del transbordador. Hoy, Ariane 6 es la primera respuesta europea a los misiles reutilizables estadounidenses resucitados.
Antes de profundizar en los detalles, les recordaré rápidamente las realidades económicas. Entre 2017 y 2018, el presupuesto de la NASA aumentó, y este aumento ascendió a todo el presupuesto anual del CNES. En cuanto al mercado de lanzamiento global, representa muchos lanzamientos de satélites por año, pero solo unos 25 de ellos están abiertos a la competencia comercial global. La mayoría de los lanzamientos comerciales son para satélites de comunicaciones geoestacionarios, pero no sabemos si el mercado seguirá siendo el mismo.
Un poco de historia sobre el desarrollo de los vehículos de lanzamiento europeos: Ariane 1 fue un éxito comercial inesperado gracias al fracaso del Shuttle. Se puso en funcionamiento exactamente en el momento adecuado. Gracias a la evolución de Ariane 4, hemos alcanzado el límite de posibilidades para el concepto Ariane 1, por lo que desarrollamos el Ariane 5. Durante 20 años, ha sido el vehículo de lanzamiento comercial líder en el mundo. Una de nuestras ventajas fue la ubicación de nuestra plataforma de lanzamiento Kourou, en la Guayana Francesa.
Obtuvimos una cuota de mercado decente, dada la financiación relativamente pequeña en Europa. Actualmente, existe voluntad política en los Estados Unidos para regresar al mercado comercial y restaurar el terreno perdido. Existe un desarrollo del pH en todo el mundo, por parte de participantes estatales y comerciales, debido al aumento esperado en el mercado. Para el pH es importante ser lo más barato posible. Actualmente, los precios rondan los 10.000 euros por kilogramo cuando se lanza a la órbita geoestacionaria (GTO). Tenga en cuenta que la mayoría de los pH en desarrollo son desechables, por lo tanto, Ariane 6 no es una excepción a este respecto.
Para dar una breve descripción de los esfuerzos mundiales en el desarrollo de nuevas capacidades de lanzamiento, es suficiente recordar que los chinos tienen un programa espacial con un progreso increíble en todos los frentes: estos son nuevos vehículos de lanzamiento y naves espaciales. Nos hace amarillear de envidia. Anunciaron que también estaban desarrollando un vehículo de lanzamiento reutilizable: Long 8 de marzo, que se lanzará en 2028.
En los Estados Unidos, no debemos oponernos a los esfuerzos espaciales públicos y privados: SpaceX es en gran parte una creación de la NASA, gracias a la asistencia técnica y financiera.
En Europa, la razón principal de la existencia del programa espacial y la posibilidad de lanzamientos es el acceso independiente al espacio. Nos dimos cuenta de esto el mismo día cuando queríamos lanzar nuestro primer satélite de comunicaciones, Symphonie, en un vehículo de lanzamiento estadounidense. Acordaron lanzarlo, pero solo con la condición de que el satélite no se utilice con fines comerciales. Esto demuestra que debemos confiar en nosotros mismos y en nuestras habilidades. Sin embargo, dentro de Europa no se necesitan más de 4-5 lanzamientos por año. Por lo tanto, es importante para nosotros tener una participación en el mercado comercial para mantener viable nuestra industria aeroespacial.
Esperábamos la reanudación de la competencia en los Estados Unidos. El Ariane 6 se propuso originalmente en 2009 cuando nos dimos cuenta de que el Falcon 9 SpaceX demostró ser un buen pH con un alto rendimiento a bajo costo. Por lo tanto, el objetivo principal de Ariane 6 era reducir los costos. Sin embargo, la decisión de financiar el programa se tomó solo en 2014, lo cual es muy tarde. La lenta toma de decisiones en Europa es un problema grave.
Ariane 6 es un cohete de una sola vez que es muy similar al Ariane 5, pero reducimos su costo en un 50% gracias a tres cosas: una mayor frecuencia de lanzamiento, ya que reemplazará a la "Unión" lanzada desde la Guayana Francesa, innovación (por ejemplo, en lugar de dos 3- x aceleradores de combustible sólido de metal en bloque, utilizaremos 4 aceleradores de combustible sólido monobloque) y un proceso de producción mejorado con la introducción de la gestión eficiente (gestión eficiente). El objetivo es el costo de 10.000 euros por kilogramo en el PRT en 2020. Hay pocos desafíos tecnológicos, pero muchos de organización.
La reutilización es una idea bastante antigua y obvia: lleva 3 años fabricar un vehículo de lanzamiento (debido a la larga producción de motores), cuesta más de 100 millones de euros, lo lanzamos, y en menos de 30 minutos ya se hunde en el mar. Sin embargo, hay varias formas de implementar el uso reutilizable: Falcon 9 es fundamentalmente diferente del transbordador espacial en este aspecto. Solo se guarda el primer paso, el más fácil de reutilizar. Está separado a una velocidad de solo 2 kilómetros por segundo, y su costo es del 50% del costo de todo el cohete. Esta es una gran diferencia en comparación con Shuttle. El Falcon 9 tiene objetivos técnicos razonables que puede lograr paso a paso. El transbordador tenía demasiadas ambiciones en la década de 1970.
Hay varias estrategias de reutilización. Dado que el objetivo es minimizar el impacto negativo en el escalón, el paracaidismo en el océano no es una opción: el agua salada dificulta la reparación. Por ejemplo, para el Falcon 9 SpaceX usan un motor para regresar a lo largo de una ruta de bucle con varios pulsos de frenado. Trabajamos en esto con el laboratorio aeroespacial nacional en Francia, y nos dimos cuenta de que era bastante complicado.
El aspecto clave es que este enfoque le permite experimentar con el aterrizaje: después de separar la segunda etapa, la primera etapa puede intentar cambiar la trayectoria y la velocidad del movimiento sin afectar el curso de la misión principal y sin grandes cambios en el diseño de la primera etapa. En las soluciones que usan retorno alado, por el contrario, las alas no reiniciables deben colocarse en el escenario durante todo el vuelo de la primera etapa, lo que puede interferir con la misión. Por lo tanto, el método SpaceX funciona, lo que le permite experimentar con lanzamientos únicos, mientras agrega un mínimo de componentes de cohetes. Entonces esta es la opción menos costosa y más interesante.
Reutilizable tiene pros y contras. Las desventajas son una disminución en la carga útil, hasta -50% cuando se usa parte del combustible para regresar a la plataforma de lanzamiento, un mayor peligro cuando el escalón vuelve a la plataforma de lanzamiento en Guayana, que se encuentra cerca de la ciudad de Kourou y el problema de accesibilidad de la plataforma de aterrizaje en el océano. Para aterrizar en una barcaza, las condiciones climáticas deben ser adecuadas dentro de un radio de 400 km y en condiciones climáticas adversas, el lanzamiento puede no tener lugar.
Las ventajas son la capacidad de tener una mayor frecuencia de lanzamientos y tener más flexibilidad al planificar lanzamientos pagos, ya que no necesitamos esperar mucho para lanzar. Además, la reutilización ahorra dinero si los costos de reparación son bajos. Este es un factor clave para toda la fórmula de reutilización. Por ejemplo, antes de la introducción del Falcon 9 Block V en el motor Merlin, hubo casos de grietas en la turbobomba, lo que significaba que tenía que ser reemplazado y el lanzamiento debería limitarse sin reparaciones importantes para dos usos.
El problema del uso reutilizable es que si ya no necesita crear los primeros pasos, cierra sus líneas de producción. Sin embargo, si en algún momento necesita construir una etapa, debe abrirlos nuevamente y configurar la producción, lo que requerirá una gran cantidad de dinero. Por lo tanto, es importante usar el mismo motor para la primera y segunda etapa para que la producción no se detenga.
¿Cuál podría ser la estrategia reutilizable de Europa? En primer lugar, no solo haremos lanzamientos reutilizables. Las misiones a las órbitas geoestacionarias y las misiones a otros cuerpos espaciales serían desechables. Para una misión en la órbita terrestre, utilizaremos la ruta de regreso al sitio de lanzamiento. Esto nos permitiría reiniciar las primeras etapas y mantener los volúmenes de producción, mientras reducimos los costos en un 30%. Tal reutilización parcial y razonable es factible. Sin embargo, esto requiere mucho desarrollo, porque necesitamos dominar muchos fenómenos físicos complejos. Sin embargo, es interesante, incluso en las realidades de hoy. Si el mercado se expande, incluso se hace necesario.
Una de las tecnologías a desarrollar es la modulación de tracción del motor. Esto puede causar problemas con la inestabilidad de la combustión, y no lo estudiamos en detalle, porque no era necesario. Por lo tanto, a corto plazo, Ariane 6 es la única solución para reducir los costos y los costos de inicio. A la larga, la reutilización y otras tecnologías, como la impresión 3D, las reducirán aún más. La impresión 3D puede revolucionar la producción de cámaras de combustión, que actualmente lleva mucho tiempo.
Nuestro objetivo es introducir un enfoque experimental por fases. Necesitamos verificar cómo funciona. En cuanto a los motores, actualmente estamos utilizando Vulcain, que es un motor de hidrógeno basado en un diseño antiguo. Estamos desarrollando el motor de metano y oxígeno Prometheus, cuyo objetivo es reducir los costos. Esto no significa que abandonaremos la base industrial de hidrógeno, ya veremos. La ventaja del metano es que se encuentra en el medio entre hidrógeno y queroseno. Es mucho más fácil de manejar que el hidrógeno, ya que tiene un impulso específico mejor que el queroseno, por lo que el motor puede ser más barato, un orden de magnitud más barato. El metano también es más denso que el hidrógeno, lo que hace que los tanques sean más pequeños y más baratos. Estamos construyendo dos prototipos Prometheus para pruebas de fuego para 2021.
Prometeo se puede usar en la nueva arquitectura, que llamamos Ariane Next. Este amplificador tendrá 7 motores en la primera etapa y 1 en la segunda etapa y puede usarse en
Opción desechable o reutilizable, lo que facilita experimentar con la reutilización. El objetivo es aprender de las pruebas que no son un punto fuerte de la industria aeroespacial europea.
Antes de implementar Ariane Next, tenemos pasos anteriores, uno de ellos es Callisto. Para este demostrador reutilizable de la primera etapa, no tenemos un motor reutilizable en Europa, por lo que trabajamos con los japoneses. Después, pasaremos a una escala mayor: el prototipo de la primera etapa de la nueva generación de Themis con motores Prometheus. El concepto todavía está en la fase de definición.
En última instancia, tendremos que elegir entre la evolución del Ariane 6 y el nuevo vehículo de lanzamiento, que estará listo en 2028-2030.
Preguntas y respuestas
Pregunta : ¿Dónde le gustaría reparar la primera etapa?
Respuesta : Para Kourou, porque de lo contrario la entrega a Europa hace que toda la empresa sea demasiado cara. Y la reparación debe ser mínima para que el concepto funcione.
Pregunta : Callisto es muy similar al demostrador de aterrizaje vertical Grasshopper, cuya tecnología se utilizó para aterrizar la primera etapa del Falcon 9.
Respuesta : Callisto: tiene el mismo diseño que el Grasshopper de SpaceX. Los chinos también están construyendo un prototipo similar, no tenemos problema en decir que no hemos inventado nada nuevo.
Pregunta : Prometheus parece barato en producción, ¿por qué no poner más motores en el vehículo de lanzamiento para aumentar aún más la relación empuje / peso?
Respuesta : Nuestro diseño se basa en análisis de mercado. Aunque no puedo predecir cuál será la situación en 2030, 7 motores Prometheus son óptimos para el mercado actual.
Pregunta : ¿Estás planeando ir a Marte?
Respuesta : Ya nos vamos a Marte: el instrumento a bordo de la NASA Insights Mars es un sismómetro producido por el SEIS francés.
Pregunta : Parece que estamos 5-8 años detrás de los EE. UU. ¿Nos vamos a poner al día?
Respuesta : Aunque Elon Musk escribió un nuevo capítulo en la historia de la creación de vehículos de lanzamiento, su modelo de uso totalmente reutilizable no es el único. Espero que el mercado de lanzamiento sea mitad reutilizable y mitad desechable en el futuro. Por ejemplo, la Fuerza Aérea de los Estados Unidos está financiando actualmente el desarrollo de vehículos de lanzamiento desechables.
Pregunta : ¿Qué pasa con la impresión 3D?
Respuesta : Visité
Relativity Space en abril y, gracias a la impresión 3D, desarrollaron un motor de metano de 10 toneladas en 2 años y lo probaron en la NASA Stennis. Quieren imprimir todo el cohete. Aunque no creo que lo logren, creo que puede ser un avance tan significativo como los lanzamientos múltiples. En Ariane 6, por ejemplo, la unidad de potencia auxiliar de la segunda etapa se imprimirá en 3D, de lo contrario será demasiado difícil de crear. Por lo tanto, espero una reducción muy significativa en los costos debido a la impresión 3D.
Pregunta : ¿Cuáles son las restricciones climáticas para las barcazas de aterrizaje?
Respuesta : Las olas altas hacen que la barcaza se incline fuertemente y puede voltear el paso establecido. Es por eso que SpaceX ha desarrollado el sistema de captura de cohetes Octograbber. Blue Origin tiene un concepto diferente, utilizarán un recipiente con un sistema de estabilización hidrodinámica.
Pregunta : ¿Cuál cree que será el impacto en el mercado de las constelaciones de mega satélites como Oneweb?
Respuesta : no tengo una bola de cristal. Pero veo que, dado que todos los operadores de satélites han tomado una posición de espera y están observando la presentación de estos grupos, suspendieron algunos pedidos de nuevos satélites y el mercado comercial disminuyó. Ahora son 17 satélites por año, mientras que anteriormente era en promedio alrededor de 30. Tendrán que competir con los satélites de la órbita geoestacionaria y las redes terrestres, por lo que es posible que fallen, como en la década de 1990. Entonces el mercado, por supuesto, no crecerá 10 veces.
Pregunta : ¿Qué opina de la elasticidad de la demanda del mercado?
Respuesta : Hasta ahora, la elasticidad ha sido baja. El costo de lanzar un GTO cayó de 20,000 € / kg a 10,000 € / kg, y esto no tuvo un gran impacto en la demanda. Si alcanzamos los 5.000 € / kg, no estoy seguro de que esto tenga un gran impacto. El problema es que el costo de acceso al espacio sigue siendo alto. Por lo tanto, no basamos nuestros modelos en la elasticidad del mercado.
Pregunta : ¿Cómo se garantiza el retorno de la primera etapa segura para la población?
Respuesta : es difícil de decir. Usaremos Callisto para demostrar que podemos proporcionar trayectorias seguras.
Pregunta : ¿Qué tal si reutilizamos la segunda etapa?
Respuesta : Creemos que el efecto sobre la masa de la carga de salida es prohibitivo, por lo que no estamos trabajando muy duro en esto.
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