Сколько стоят орбитальные полеты Falcon Heavy, Falcon 9 и других ракет?

Состоявшийся на днях тестовый полет Falcon Heavy в очередной раз привлек всеобщее внимание к космическим полетам. Напомню, что испытательный запуск этой ракеты был произведен 6 февраля. FH потерял один из трех (центральный) ускорителей первой ступени, который должен был сесть на морскую платформу — два его двигателя не включились из-за нехватки жидкости для зажигания топлива. Вначале сообщалось, что FH промахнулся мимо намеченной траектории (которая летом этого года пересекает орбиту Марса) и отправилась к поясу астероидов, но впоследствии эта информация была опровергнута кем-то из астрономов.

Если принимать во внимание, что при взлете работали 27 двигателей, то первый полет FH прошел более чем успешно. Для сравнения советская сверх-тяжелая ракета Н-1, чья первая ступень была оснащена 30 двигателями, падала на всех четырех испытаниях через несколько минут полета — отказывали двигатели. Причем имеется любопытное свидетельство Григория Сониса, начальника филиала «ЦСКБ-Прогресс». По его словам, заместитель министра общего машиностроения СССР, отвечавший за выпуск ракетной техники, В.Я. Литвинов, после первой неудачи обнимал конструкторов и говорил «Всё очень хорошо, она не взорвалась на старте!» (см. д/ф «Царь-ракета. Прерванный полет»).

Едва ли можно упрекнуть Илона Маска в том, что вместо многотонной научно-исследовательской станции он отправил к Марсу свой старенький родстер весом чуть больше тонны. Во-первых, шансы на удачный взлет ракеты были невелики. Если гиганты вроде американского Сатурна-5 или советской Энергии стоили намного дороже своих грузов, то цена FH относительно невелика. Во-вторых, прежде всего надо было убедиться в синхронной работе 27 двигателей первой ступени — большая нагрузка могла стать причиной отдельной проблемы, и в случае аварии определить её причину было бы сложнее. Наконец в-третьих, первый электромобиль «родственной» SpaceX компании, Tesla, стал запоминающимся зрелищем и сильным рекламным ходом.

Но чтобы по достоинству оценить достижения SpaceX, прежде всего следует выяснить — в какую цену обходятся её запуски? В конце концов, смысл многоразовых ракет заключается именно в их низкой стоимости относительно одноразовых, в самой отправке в космос больших грузов нет ничего нового. Более того, в этом отношении Saturn V, на котором американцы летали на Луну (как бы лунные конспирологи не утверждали обратное), намного превосходит FH.

Gadgets News попробует разобраться в этом вопросе и выяснить стоимость космических полетов молодого американского стартапа, дерзнувшего бросить вызов ULA (альянсу Lockheed Martin и Boeing, двух гигантов американской ракетной индустрии), и его конкурентов. В широком смысле вопрос о стоимости ракетных запусков является историческим. Вопреки доводам вышеупомянутых лунных конспирологов и заявлениям о деградации ракетной отрасли, пилотируемые полеты американской Saturn V на Луну прекратились по причине их огромной стоимости, оправданной лишь в годы космической гонки между СССР и США. По той же причине была свернута лунная программа СССР, хотя от пилотируемых полетов на Луну с высадкой человека нашу страну возможно отделяли один-два дополнительных испытания H-1. По экономическим же причинам были прекращены и полеты многоразовых гигантов, американской Space Shuttle и советской Энергия — Буран.

В этом смысле 76-летняя (если считать от первого запуска немецкой Фау-2) история ракетостроения напоминает тысячелетнюю историю строительства египетских пирамид. Самая известная и крупная среди них, пирамида Хеопса, датируется 26 веком до н.э., изначально имела высоту 147 метров и была сложена из 1.65 млн каменных блоков средним весом 2.5 тонны каждый — и при этом является одной из самых древних в истории человечества. А одна из самых поздних египетских пирамид была сооружена в 19 веке до н.э. из необожжённого кирпича, а её высота всего 20 метров. Причины всё те же — нехватка средств и, возможно, перемены в идеологии. Высоту пирамиды Хеопса человеческие сооружения достигли и превзошли лишь в позднее средневековье, спустя четыре тысячи лет, причем это тоже были религиозные сооружения, соборы. Это наглядная демонстрация того как технологии и ресурсы по идеологическим соображениям (будь то вера в загробную жизнь или государственный престиж) направляются на проекты, к которым прагматично настроенные потомки утрачивают интерес (о трудностях выбора см. материал Gadgets News На публикацию «Технологии зашли в тупик в 1970-х»).

Прежде чем рассчитать стоимость орбитальных полетов Falcon Heavy и других современных ракет, нужно сперва разобраться с максимальной массой полезной нагрузки, т.е. груза (например, спутника), который доставляется на орбиту Земли.

В сообщениях СМИ часто подчеркивалась возможности доставки ракетой FH на низкую околоземную орбиту (НОО) 63.8 тонн груза, что позволяет включить её в класс тяжелых ракет, которые не запускались последние три десятка лет. Однако следует иметь в виду, что в своих рекламных проспектах SpaceX приводит те значения максимальной полезной нагрузки, при которых первая ступень заправляется «в один конец». За счет снижения веса топлива можно увеличить массу полезного груза — но и лишиться первой ступени, что никак не вписывается в концепцию многоразовых ракет, продвигаемую SpaceX. Как в свое время написал в Твиттере Илон Маск, многоразовый запуск снижает массу полезной нагрузки [Falcon 9] на 30-40%. Цифры, приведенные на презентации Big Falcon Rocket, этой оценке более-менее соответствуют: максимальная масса полезной нагрузки для НОО при многоразовом использовании составляет около 15 т для Falcon 9 (при одноразовом — 22.8 т) и 30 т для FH (при одноразовом — 63.8 т).

Вопрос о стоимости запусков куда сложнее. Согласно докладу, составленному Счетной палатой США для Конгресса (август 2017), расценки запусков современных ракет на НОО выглядят так:

Согласно этой таблице, стоимость доставки груза на НОО ракетой Falcon 9 почти сравнялась с российским Протоном-М и составляет $2,864 за килограмм, что в несколько раз дешевле всех прочих вариантов. Но лично мне информация этого источника, при всей его авторитетности, внушает большие сомнения. Дело в том, что стоимость запусков ($62 млн для Falcon 9 и $90 млн для FH) на сайте SpaceX приводится для многоразовой опции (и соответственно меньшей массы полезного груза). В пользу этого говорят два аргумента:

1. На сайте SpaceX под ценами указана масса груза, которая меньше максимально возможного значения. Это значит, что она приведена для многоразового запуска, при котором сохраняется первая ступень;

2. Как на днях написал в Твиттере Илон Маск, стоимость одноразового полета FH составляет $150 млн. Соответственно $90 млн. — это цена за полет (на НОО) в многоразовой опции, с возвратом первой ступени. А масса полезной нагрузки для неё, как мы знаем из пресс-конференции (см. иллюстрацию сверху), составляет 30 тонн. Если пренебречь стоимостью топлива, то стоимость первой ступени FH (включающей в себя три ускорителя) составляет таким образом $60 млн — по $20 млн на ускоритель.

Соответственно из расчета $62 млн и 15 т (в многоразовой опции), стоимость запуска Falcon 9 обойдется заказчику не в $2,864, а $4,133 — на 44% дороже (и на 46% дороже Протона-М).

[добавлено 19.02.2017]

Через неделю после запуска Falcon Heavy Илон Маск написал в Твиттере, что с потерей центрального ускорителя первой ступени (но приземлением двух боковых) масса полезной нагрузки по сравнению с максимальной (когда теряются все три ускорителя) снижается на 10%, а цена такого запуска «слегка превышает цену одноразового запуска Falcon 9 и составляет около $95 млн». Таким образом, для ГПО (геопереходной орбиты) получается следующий расклад:

Ракета	Falcon Heavy	Falcon 9
Цена запуска с потерей центрального и боковых ускорителей	$150 млн	—
Масса полезного груза	26.7 т	—
Цена запуска на кг	$5,618	—
Цена запуска с потерей только центрального ускорителя	$95 млн	$95 млн
Масса полезного груза	24.03 т	8.3 т
Цена запуска на кг	$3,953	$11,446
Цена запуска с сохранением всех ускорителей	$90 млн	$62 млн
Масса полезного груза	8 т	5.5 т
Цена запуска на кг	$11,250	$11,273

Исходя из этих данных сохранение центрального ускорителя становится  мало эффективным — если им пожертвовать, то стоимость отправки груза на ГПО снижается до $3,953 за килограмм. На втором месте по эффективности — потеря всех трех ускорителей ($5,618), и лишь на третьем, с большим отрывом — полностью многоразовая концепция ($11,250). При условии, конечно, что названные Маском цены касаются именно ГПО, для которой приводятся данные на сайте SpaceX. Вполне возможно что нет, поскольку эти цифры выглядят довольно сомнительно. Получается, что центральный ускоритель первой ступени FH оценивается Маском в $5 млн, а боковые — по $27.5 млн каждый. При этом ускоритель первой ступени Falcon 9, который ничем принципиально не отличается от центрального ускорителя  FH ($5 млн), стоит уже $33 млн.

В таблице ниже я привожу свою версию стоимости запуска Falcon 9, FH и других известных ракет, на геопереходную орбиту (ГПО):

Ракета	Falcon Heavy	Falcon 9		Atlas V	Delta IV Heavy		Протон-М
Двигатели первой ступени	3 × 9 × Merlin 1D	9 × Merlin 1D		1 × РД-180	3 × 1 × RS-68		6 × РД-275
Масса полезного груза (одноразовый запуск)	26.7 т	8.3 т		6.7 т	14.2 т		6.6 т
Масса полезного груза (многоразовый запуск)	8 т	5.5 т		—	—		—
Общая цена запуска	$90 млн	$62 млн		$173 млн 1	$350 млн 2		$65 млн
Цена запуска на кг	$11,250	$11,273		$25,821	$24,648		$9,848

¹ Согласно «конструктору» ULA, с помощью которого можно рассчитать стоимость запуска. Максимальное значение полезной нагрузки составляет 6,695 кг (при вводе более высокого значения оно автоматически корректируется).

² Согласно президенту ULA Тори Бруно, который поправил Илона Маска. Тот заявил, что запуски Delta IV Heavy стоят $400 млн. Впрочем Маск возможно всего лишь воспользовался данными из упомянутого выше доклада Счетной палаты США.

Любопытно, что в случае отправки груза на ГПО разрыв между Falcon 9 с FH и российским Протоном-М уже не такой значительный — 14%.

Разумеется цифры в таблице носят приблизительный и достаточно условный характер, поскольку цена запуска зависит от множества параметров. В их числе некоторые из Кеплеровых элементов (шести элементов орбиты, определяющих положение спутника в космическом пространстве), удаленность от экватора (благодаря более высокой окружной скорости космодрома, с экватора можно запустить на орбиту на 25-30% больше полезной нагрузки, чем с Байконура), всевозможные страховые опции (зависящие в частности от числа успешных запусков данной ракеты) и т.д.

И конечно же цена, по которой заказчику предлагается отправка груза на орбиту, необязательно превышает себестоимость этой отправки. Впрочем, рассчитать эту себестоимость тоже можно по-разному. На конференции, посвященной первому запуску Falcon Heavy, Илон Маск заявил, что затраты на ракету вероятно превысили полмиллиарда долларов. Очевидно, что эти расходы будут по частям окупаться прибылью от запусков. Если предположить, что с каждого запуска по цене в $90 млн. прибыль SpaceX составит, например, $20 млн, то чтобы окупить $600 млн. расходов на разработку, компании нужно получить заказы на меньшей мере 30 орбитальных полетов. Из расчета пяти запусков в год срок окупаемости FH составит шесть лет.