Трудности Роскосмоса: почему SpaceX опережает других игроков

Александр ЛосевВ последние несколько лет рост глобального космического рынка почти в два раза опережает темпы роста мирового ВВП, а самое заметное увеличение объемов наблюдается в сегменте коммерческих спутниковых услуг. Возрастающее количество спутников на орбитах требует все большего числа ракет-носителей, но не так много стран в мире способны обеспечить "доступ в космос" всем желающим. Конкуренция на рынке коммерческих запусков растет, при этом главные игроки – наш Роскосмос и американский United Launch Alliance (ULA) — совместное предприятие корпораций Lockheed Martin и Boeing, работающее на правительство США и NASA, постепенно снижают свои доли в соперничестве с операторами пусковых услуг из Китая, Индии, а также частной корпорации SpaceX.

Космическая гонка сверхдержав завершилась еще в конце 80-х годов, затем большинство государственных космических программ оказалось свернуто, финансирование перспективных разработок ракетной техники постоянно сокращалось. А сейчас вдруг оказалось, что страны-лидеры не вполне готовы к новому буму в сфере космических услуг. США заметно отстали в двигателестроении, а Россия затянула сроки разработки перспективных ракет-носителей. Летавший с 1973 Союз-У в последний раз 22 февраля 2017 года вывел на орбиту грузовой корабль "Прогресс МС-05", а пришедшие ему на смену носители среднего класса Союз-2, являются, по сути, частью все того же семейства ракет Р-7, разработанных под руководством С.П. Королева еще 60 лет назад. В тяжелом классе дела обстоят хуже, запуски ракет-носителей "Протон-М" (летают в космос с 1965 года) приостановлены из-за того, что все двигатели второй и третьей ступеней отозваны на проверку и устранение дефектов. И получается, что до ввода в эксплуатацию новых ракет семейства "Ангара" Россия не сможет гарантированно осуществлять запуски космических аппаратов всех возможных классов на требуемые орбиты.

У американского United Launch Alliance те же проблемы, что и Роскосмоса. Носители винтажные: ракеты семейства Atlas, так же как и королёвские Р-7, летают с конца 50-х годов, семейство Delta c 1960 года, при этом запуски остающихся в эксплуатации ракет Атлас-5 и Дельта-4 обходятся почти в два раза дороже их российских аналогов. Более того, США для своих носителей Atlas уже 20 лет закупает у России двигатели РД-180, разработанные в 90-х годах в НПО "Энергомаш".

Важно понимать, что все государственные космические программы крупных держав являются продолжением их военных проектов, где главной целью была необходимость обеспечить обороноспособность и стратегический паритет с вероятным противником, а стоимость создания ракет и затраты на эксплуатацию тогда не имели принципиального значения.

На этом фоне появление более эффективного конкурента из бизнес-среды оказалось столь же закономерным, сколь и неожиданным. Теперь его знает весь мир. Это предприниматель Илон Маск, и основанная им в 2002 году компания по производству космической техники – SpaceX.

Жидкостный ракетный двигатель Merlin, разработанный инженерами SpaceX, оказался достаточно удачным, что обеспечило успех носителям семейства Falcon 9 — одноразовых и многоразовых ракет. Этот двигатель почти в 10 раз меньше нашего РД-180, и цифра "9" в названии носителя Falcon означает, что первая ступень использует сразу девять двигателей Merlin, в то время как на первой ступени ракеты Atlas-5 установлен всего один РД-180, но это отнюдь не мешает SpaceX конкурировать c консорциумом Boeing и Lockheed Martin, поскольку у Илона Маска получается делать ракеты быстрее и дешевле, и продвигаться по пути многоразового использования двигателей и ступеней носителей, разрушая монополию ULA в США. И эта конкуренция инновационной компании SpaceX с мировыми корпорациями и госкомпаниями дает старт новой ракетно-космической гонке, в которой частным компаниям отводится заметная роль. Причем как показал недавний запуск Falcon 9, доставивший корабль Dragon на МКС, SpaceX становится не просто создателем ракет, но и оператором запусков.

В коммерческом космосе главный критерий выбора носителя – это конечная стоимость доставки полезной нагрузки на заданную орбиту. SpaceX оценивает стоимость запуска Falcon 9 в $62 млн. (что сравнимо с $64 млн запуска нашего "Союза"), в то время как работающий на правительство США United Launch Alliance не опускает цену для Atlas-5 ниже $110 млн, а запуск носителя Delta IV стоит $350 – $400 млн. И если Конгресс США введет запрет на покупку наших двигателей РД-180 в рамках антироссийских санкций, то SpaceX на несколько лет может оказаться в Штатах вне конкуренции.

Втягиваясь в новую ракетную гонку United Launch Alliance придется снижать издержки и торопиться с разработкой нового тяжелого носителя Vulcan, а Роскосмосу и ГКНПЦ им. Хруничева срочно вводить в эксплуатацию  ракеты семейства "Ангара", ведь конкурировать придется не только с Илоном Маском. Индийская ракета PSLV-XL в 15 февраля 2017 поставила новый мировой рекорд, выведя одновременно 104 спутника на орбиту высотой 500 км. И по некоторым данным 70% узлов и агрегатов этой ракеты имеют советские и российские "корни", как впрочем, и китайский носитель Чанчжэн, созданный на базе баллистических ракет Дунфэн, в основе которых также находится советская документация.

SpaceХ на этом фоне является самой инновационной компанией, а идеи Маска и его способность привлекать инженеров в свои проекты могут стать драйверами нового технологического прорыва в США. Правда, связанные с государством корпорации не пойдут по пути SpaceX при создании конструкций ракет, а скорее обратят внимание на бизнес-процессы и эффективность производства узлов и агрегатов.

Илон Маск радует экономистов стоимостью запусков, а простых обывателей и СМИ восхищает своими "шоу" с посадкой первой ступени Falcon 9 на платформу, но именно это вызывает недоумение и искреннее изумление у конструкторов и инженеров. А все дело в том, что SpaceX пытается игнорировать фундаментальную для разработчиков ракет формулу Циолковского, которая определяет зависимость скорости ракеты от удельного импульса ее двигателя и натурального логарифма отношения начальной и конечной массы летательного аппарата. Чтобы улучшить соотношение масс и не нести лишний вес в космос всей конструкции целиком ракеты делают многоступенчатыми, что позволяет достигать первой и второй космических скоростей при меньшей начальной массе, или выводить большую полезную нагрузку на опорные орбиты.

Илон Маск не сделал революции в двигателестроении. Его ракетный двигатель Merlin создан по  технологиям и принципам полувековой давности с обычными компонентами топлива: кислород-керосин, и поэтому удельный импульс двигателей Falcon составляет всего 2800-3200 м/с, что в 1.5 раза хуже, чем у пары кислород-водород, и уступает даже старым советским аналогам. С такими двигателями добиться эффективности вывода кораблей и большей массы полезной нагрузки на низкую опорную орбиту или большого количества спутников на геопереходные орбиты можно лишь при трехступенчатой компоновке или даже четырехступенчатой (как у индийской ракеты PSLV-XL), но ракета Falcon 9 – двухступенчатая, а значит, расходует очень много горючего и окислителя.

Более того, идея возвращать первую ступень ракеты Falcon c помощью ее же ракетных двигателей требует несколько тонн дополнительного топлива, которые вместе со стойками опор, весящих 2.1 тонны, на этапе выведения корабля в космос являются, по сути, лишним балластом, заметно ухудшающим начальное соотношение масс и уменьшающим тем самым массу выводимой в космос полезной нагрузки на 40% даже для низких опорных орбит. А вернувшиеся двигатели первой ступени еще предстоит заново продиагностировать для повторного использования, провести испытательные прожиги, проверить прочность конструкции,  а это дополнительные затраты.

Законы физики можно игнорировать лишь в ограниченных случаях, так же как и законы экономики. Но если оставить в стороне подобные парадоксы SpaceX, то главное значение деятельности Илона Маска для глобальной космической отрасли состоит в том, что его компания сейчас выполняет ту же роль, что и появление в космосе в 1957 году первого советского спутника, давшее мощнейший стимул для развития науки и технологий, прежде всего в США и в СССР.

Илон Маск меняет философию создания космической техники, делая ее самостоятельным направлением бизнеса, а не побочным продуктом стратегических военных программ сверхдержав, и заставляет конструкторов, работающих по заказам правительств, вновь задуматься об эффективности технологических процессов и многоразовом использовании, как отдельных элементов ракет, так и целых кораблей. Маск возвращает инженеров и специалистов NASA, ушедших в другие сферы деятельности из-за сокращений программ, обратно в космическую отрасль, и тем самым поспособствует процессу передачи опыта и знаний молодым конструкторам, то есть преемственности  поколений, столь важной в инженерии и технике. А еще это пример успешного государственно-частного партнерства.

Россия, как ни парадоксально, тоже может выиграть от успехов SpaceX. Необходимость конкурировать и повышенное внимание общества к космической тематике могут помочь возродить перспективные проекты 80-х годов, например сверхтяжелый носитель "Энергия", двигатели РД-170 которого являются многоразовыми и возвращаемыми на Землю с помощью парашютных систем. Может ускориться создание российского пилотируемого транспортного корабля многоразового использования с блоком твердотопливных двигателей плавного приземления, или получат новую жизнь проекты орбитальных космопланов и аэрокосмических технологий воздушного старта. А вместе с этим в России могут появиться новые высокие технологии, снижающие зависимость экономики от нефти. И мы тогда вспомним добрым словом гениального предпринимателя и инженера Илона Маска. "В жизни нет готовых решений. В жизни есть силы, которые движутся. Нужно их создавать. Тогда придут и решения" — писал Антуан де Сент-Экзюпери в романе "Ночной полет".