Como a SpaceX reduziu os preços de lançamento de foguetes

Recentemente, Elon Musk twittou sem rodeios que os lançamentos da SpaceX são muito mais baratos que os serviços da Boeing / Lockheed que você pode construir um satélite para a diferença.

Em 2014, o Escritório de Auditoria publicou um relatório sobre a avaliação do custo dos programas da Força Aérea dos EUA para o lançamento de satélites secretos, lançados exclusivamente pela ULA. Devido à falta de transparência nos preços, era difícil combinar os preços com a oferta da SpaceX.

O governo paga uma quantia fixa ao ULA, independentemente de qual foguete foi usado no lançamento - seja Atlas V, Delta IV ou Delta IV Heavy. Além disso, existe um contrato EELV Launch Capability (ELC), sob o qual o ULA recebe US $ 860 milhões anualmente para fornecer acesso ao espaço, mesmo se não houver lançamentos. O ULA também recebeu um total de US $ 5 bilhões em outras despesas relacionadas a equipamentos para a produção de mísseis.

O monopólio da ULA terminou quando a SpaceX começou a lutar por lançamentos de carga útil para segurança nacional. O primeiro lançamento foi realizado em maio deste ano, por ordem da Agência Nacional de Inteligência, na forma de um satélite secreto NROL-76. Segundo o governo, em comparação direta com o ULA, o custo do lançamento do SpaceX é significativamente menor.

Por exemplo, há 14 meses, a Força Aérea dos EUA assinou um contrato com a SpaceX no valor de US $ 83 milhões para lançar o satélite GPS 3 e, em março de 2017, outro contrato foi ganho para lançar outro satélite GPS 3 no valor de US $ 96,5 milhões. Esse é o custo total do lançamento que o governo pagará e não pode ser comparado com os US $ 422 milhões de um único lançamento, que estão previstos no orçamento da Força Aérea para 2020.

O que os concorrentes responderão?

A seguir, veremos como o custo dos lançamentos mudou e mudará entre os concorrentes do Falcon 9, que medidas os participantes do mercado de serviços de lançamento tomarão para não perder seu lugar ao sol.

Origem azul

PH New Glenn. Fonte: Origem Azul

O objetivo do fundador da empresa, Jeff Bezos, não é de modo algum lucrar com o lançamento de satélites comerciais, mas para proporcionar uma oportunidade para milhões de pessoas viverem e trabalharem no espaço, ele também não tem ambições de lançar satélites governamentais e militares e só planeja fornecer seus motores BE-4 para um novo veículo de lançamento ( PH) ULA Vulcan. Um motor de foguete BE-4 alimentado por uma mistura de oxigênio líquido e gás natural liquefeito começou a ser desenvolvido em 2011 e mais de US $ 1 bilhão já foram gastos no desenvolvimento.O impulso do BE-4, a pedido do ULA, foi aumentado para 550 tf.

O mesmo mecanismo está planejado para ser usado no primeiro estágio do novo foguete Blue Origin New Glenn e o primeiro lançamento será realizado antes de 2020. O preço de lançamento do New Glenn (NG) ainda não é conhecido, mas pode-se esperar que o custo seja comparável ao Falcon 9 e a capacidade de carga seja de 13 toneladas em órbita geo-transitória (GPO).

Considerando a experiência de lançamentos suborbitais do sistema de decolagem e aterrissagem vertical New Shepard, quando o mesmo estágio foi lançado 5 vezes sem modificações significativas, essa experiência permitirá realizar o desembarque dos primeiros estágios alguns anos após o primeiro lançamento do GN.

ULA

Reforço vulcano. Fonte: ULA

O preço de lançamento para cargas governamentais e comerciais é muito diferente. A pressão de Mask na audiência, com uma proposta de proibição de voar no RD-180 russo para o Atlas 5 LV e deixar o Delta IV completamente inútil, valeu a pena. Eles decidiram abandonar o mecanismo e alocaram fundos significativos para criar uma substituição. O ULA, ao escolher um mecanismo para seu novo Vulcan LV, entre AR1 e BE-4, se inclinou a favor do segundo. O AR1 está atrasado há vários anos no desenvolvimento, não implica uso reutilizável, e a empresa de desenvolvimento depende principalmente de fundos públicos, diferentemente do BE-4 privado.

O esquema de salvação de motores da primeira etapa SMART. Fonte: ULA

O ULA introduziu o conceito de economia de motores de primeiro estágio e aviônicos SMART (tecnologia de retorno sensível, modular e autônomo). Os motores são separados do acelerador após a separação do primeiro e do segundo estágio. Uma proteção inflável é revelada, o que ajuda a desacelerar a queda do bloco do motor abaixo da velocidade supersônica e, em seguida, o bloco sendo colocado de para-quedas é salvo por helicóptero no ar.

Sem um aumento na frequência de lançamentos, a empresa não vê conveniência em reutilização. A economia total será de até 30%, mas serão necessários fundos significativos para o desenvolvimento da tecnologia. O ULA se moverá nessa direção, mas o primeiro voo de teste ocorrerá antes de 2024.

Devido à divulgação dos preços de lançamento, a ULA criou o site de designers de foguetes Atlas 5, rocketbuilder.com . Afirma-se que um foguete leve custa US $ 109 milhões e o mais pesado, com cinco aceleradores, capaz de levar 8856 kg, US $ 157 milhões para o GPO. Indiretamente, desde 2010, dos 52 lançamentos, apenas 4 foram comerciais em 2010. O CEO da ULA Tori Bruno enfatizou que em apenas alguns anos, o preço mínimo foi reduzido de US $ 191 milhões para US $ 109 milhões.

Agência Espacial Europeia (ESA)

Veículo de lançamento Ariane 6. Fonte: Airbus Safran Launchers (ASL)

Atualmente, a Agência Espacial Européia está lançando veículos lançadores Vega e Ariane 5, cujos componentes são produzidos em toda a lista de países da UE e são generosamente subsidiados. Ao mesmo tempo, o lançamento comercial do Ariane 5 custa entre US $ 180-240 milhões, mas lança 2 satélites pesados ​​por vez (10 toneladas no total), devido aos quais há grande demanda no mercado.

O design do Ariane 6, que é o sucessor do Ariane 5 existente, foi apresentado em 2012 com o primeiro lançamento planejado em 2020. Inicialmente, o design consistia em 3 boosters de combustível sólido na primeira etapa e um na segunda para a produção de 6.500 kg para GPO. O desenvolvimento foi patrocinado pela ESA (o projeto foi avaliado em 4 bilhões de euros - agora reduzido para 2,4 bilhões de euros), e o Airbas Safran Launchers (ASL) foi escolhido como o contratante principal. Posteriormente, o design foi revisado em favor de maior custo-benefício, devido à expansão do SpaceX, que concorre diretamente com lançamentos comerciais. O projeto final envolve 2 versões: Ariane A62 e Ariane A64 c com dois e quatro reforços de combustível sólido. O preço e a carga útil do GPO são, respectivamente, 5.000 kg por 75 milhões de euros e 10.500 kg por 90 milhões de euros. Os custos iniciais devem ser reduzidos graças à reorganização da produção, uma redução no número de pessoas em 30%, de 8.000 pessoas, o uso da impressão 3D e o abandono da montagem vertical. O foguete será montado horizontalmente em Le Mirabeau e depois transportado para a Guiana Francesa para a integração de aceleradores e carga útil. Está previsto entrar no cronograma de 11 a 12 lançamentos por ano até 2023.

A ESA alocou a primeira parcela de € 80 milhões para criar o novo motor de foguete reutilizável Prometeus alimentado por um par de metano + oxigênio líquido combustível. O custo de um motor será de 1 milhão de euros - apenas um décimo do custo do atual motor a hidrogênio do primeiro estágio Vulain 2 para o Ariane 5. Os testes de incêndio começarão em 2020 com o primeiro voo em 2030.

Roskosmos

O preço do "Proton" mudou de acordo com as condições do mercado, a fim de permanecer uma operadora competitiva. Então, em 2014, o custo foi de US $ 115 milhões, agora é reduzido para US $ 70 milhões, como a oposição ao Falcon 9 com um preço fixo de US $ 62,5 milhões.

Apesar do fato de o Proton voar até 2025, foi decidido criar versões mais baratas do Proton Medium e Proton Light até 2020. Foi decidido estender os tanques do primeiro e terceiro estágios e se livrar completamente do segundo. Como resultado, a carga útil no GPO será comparável ao Falcon 9. A liderança do Centro. Khrunicheva acredita que o custo do foguete pode ser reduzido em 25% em comparação com o Proton-M LV, que aproximará o custo de lançamento de US $ 50 a 55 milhões.

Comparação de modificações "Proton". Fonte: ILS

Após o colapso nas relações com a YuzhMash, o veículo de lançamento médio Zenit está sendo desenvolvido como parte do projeto de desenvolvimento Phoenix, que teve o menor preço de lançamento em sua categoria de peso e que, talvez, tenha sido inspirado por Ilon Mask. O novo veículo de lançamento Soyuz-5, também conhecido como Sunkar, usará as mesas de lançamento do Zenit em Baikonur e na plataforma flutuante Sea Launch. Os testes de vôo do Sunkar devem começar em 2024, de acordo com os documentos da Roscosmos. E já em 2025 está planejado começar a operação comercial do Sunkara. Em uma entrevista, Elon Musk disse que seu foguete favorito após o Falcon 9 (traduzido como "falcão") é "Zenith". Sunkar é traduzido do cazaque como "falcão". Coincidência?

E os sistemas reutilizáveis? O LV "Rossiyanka" foi introduzido em 2007. Uma característica do projeto é o retorno e o desembarque da primeira etapa com a inclusão repetida de motores padrão. GRC eles. A Makeeva, como artista principal, fabricaria um demonstrador de um veículo de lançamento ultraleve com um primeiro estágio reutilizável. O trabalho foi planejado para ser realizado de acordo com os termos de referência da TsNIIMASH em 2016.

12 de dezembro de 2011 GRTS-los. A Makeeva apresentou o veículo de lançamento Rossiyanka no concurso Roscosmos para o desenvolvimento do Sistema de Foguetes e Espaço Reutilizáveis ​​(MRKS) da primeira etapa. No entanto, de acordo com os resultados da competição, uma ordem para o desenvolvimento de MRSKs foi recebida pelo GKNPC Khrunicheva com o projeto "Baikal-Angara".
O demonstrador não foi fabricado. Está planejado realizar projeto e pesquisa exploratória no veículo de lançamento com os primeiros passos reutilizáveis. O resultado será o desenvolvimento de propostas técnicas e um esboço de conceito para o desenvolvimento do sistema russo de instalações de retirada até 2035.

Motor de oxigênio e hidrogênio RD0162D2A. Fonte: Roskosmos

Como parte do mesmo programa MRKS, o motor de oxigênio-hidrogênio RD0162D2A, com um impulso de 85 toneladas, está sendo desenvolvido pelo Voronezh Chemical Engineering Design Bureau. Em 2016, foram anunciados 800 milhões de rublos. O contrato é projetado por 3 anos com continuação. No futuro, a criação de motores no meio do voo com um empuxo de até 200 toneladas para o MRKS. Em dezembro do mesmo ano, um demonstrador de mecanismo de teste bem-sucedido. Foram realizadas 10 partidas do motor.

Jaxa

Geração atual e futura de veículos japoneses de lançamento. Fonte: JAXA

Em 2014, a Agência Espacial do Japão (JAXA) assinou um contrato com a Mitsubishi Heavy Industries (MHI) para a criação de uma nova geração de veículos de lançamento H-3 com seu primeiro lançamento em 2020, que consiste em 2 estágios oxigênio-hidrogênio e até quatro propulsores sólidos de propulsão. Na primeira etapa, serão instalados 2 ou 3 motores LE-9, dependendo da configuração, com um empuxo de 1470 kN cada e um impulso específico de 426 segundos. A carga útil máxima no GPO será de 6,5 toneladas e a configuração mais leve foi projetada para entregar 4 toneladas a uma órbita síncrona ao sol, com um custo estimado de 5 bilhões de ienes (US $ 44 milhões) em 2015.

Além disso, nos últimos três anos, foram realizados trabalhos para reduzir pela metade o custo dos lançamentos, em comparação com o atual veículo de lançamento H-2A, e ao mesmo tempo dobrar o número de lançamentos para 8 por ano. Os novos slots de lançamento se concentrarão no uso de lançamentos de satélites comerciais. O primeiro lançamento comercial foi realizado em novembro de 2015, quando o H2-A lançou o satélite de telecomunicações canadense Telstar 12 Vantage em órbita. Estão previstos outros 2 lançamentos para 2018 e 2020.

RVT em voo. Fonte: ISAS

Vale ressaltar que, de 1998 a 2003, a JAXA realizou pesquisas sobre sistemas de decolagem e aterrissagem vertical reutilizáveis ​​como parte do projeto de Teste de Veículos Reutilizáveis ​​(RVT) do Instituto de Ciências Espaciais e Astronáuticas (ISAS) do Centro de Testes de Foguetes Noshiro, no norte do Japão. Foram construídas 4 amostras para testes de solo e voo. As amostras receberam muitas melhorias: carcaça aerodinâmica, sistema de monitoramento de posição usando nitrogênio, tanques compostos para armazenamento de hidrogênio e oxigênio, sistema de navegação GPS e a capacidade de reiniciar o motor em voo. Em vôo, alcançou-se uma altura de 42 metros e precisão de aterrissagem de 5 cm. Foi proposto aplicar todos os desenvolvimentos para a próxima geração, o que poderia levar uma carga útil de 100 kg a uma altura de 100 km. Apesar da promessa de tecnologia, o projeto foi encerrado. Não há informações sobre se o JAXA copiará a abordagem SpaceX ou aumentará suas antigas realizações, embora agora esteja se tornando mais relevante do que nunca.

Sumário

A reação dos oponentes da SpaceX é um pouco tardia, o que pode ser explicado pelo conservadorismo da indústria espacial. Até 2020-2021, muitas decisões serão adotadas: aqui estão Proton Light, Vulcan (ULA), New Glenn (Blue Origin) e Ariane 6 (Arianespace). Será uma mídia mais econômica, mas o SpaceX não está ocioso. A empresa fez 10 lançamentos este ano e pretende realizar mais 12, e em 2019 planeja 52 lançamentos, um número impensável. A diretriz é definida pela liderança e muitas vezes não é alcançada, mas sua confiança pode ser explicada: no final do ano, o Falcon 9 Block 5 voará, projetado para que o primeiro estágio possa ser iniciado 10 vezes com manutenção mínima e sem substituir componentes essenciais. Também em 2018, eles prometem salvar a carenagem principal, cujo custo é estimado em US $ 5 a 6 milhões.O primeiro reinício do primeiro estágio usado já custou metade do custo de construção de um novo, embora não exponha o custo do veículo de lançamento, mas sua disponibilidade para iniciar o carregamento. Mesmo com um único reinício da primeira etapa, a frota de transportadoras disponíveis aumenta 2 vezes. Agora, a SpaceX tem mais de 50 pedidos no manifesto de lançamento, os concorrentes têm tudo planejado para os próximos 2-3 anos - o que está acontecendo agora terá consequências somente após alguns anos. Mas agora podemos dizer que, na ausência de acidentes do Falcon 9, a SpaceX capturará a maior parte do mercado para lançamentos comerciais.

UPD: Adicionadas tabelas de resumo sobre a massa e o preço exibidos para vários veículos de lançamento.
Obrigado pelas tabelas @ voyager-1 .

Foguetes existentes:

Planejado: