Чем живет космическая складская логистика?

18 апреля 2018

В прошедший намедни День Космонавтики самое время поговорить о Космической логистике, тем более, что поводов уже накопилось предостаточно. Ну а мы только рады рассказать вам о том, что же все-таки творится в такой, на первый взгляд, фантастической отрасли, как космическая складская логистика?

И да, она существует!

Потребность пополнять запасы действующих на околоземной орбите Международных космических станциях связана с разработкой космических перевозок.

Кто бы подумал, но сложные технические сооружения НЕ могут долгое время автономно работать на околоземной орбите без пополнения продовольствием для экипажей космонавтов и оборудования для научных экспериментов в условиях космоса. Кроме того, результаты научных экспериментов необходимо периодически отсылать на Землю для обработки и анализа.

Космические грузоперевозки имеют ряд серьезных проблем:

1) Высокая стоимость космических запусков и невозможность использования ракет носителей. На данный момент один запуск стоит 50-100 млн долларов и выше. Это связано с невозможностью (пока что) повторного использования ракет-носителей.

2) Первые ступени ракет неуправляемо падают на поверхность планеты и не всегда сгорают в атмосфере.

3) Чтобы доставить большое количество грузов, необходимы объемные ракеты с большой грузоподъемностью, а это, в свою очередь, так же увеличивает стоимость запуска и производства.

4) Не смотря на свою автономность, космические станции используют все же ограниченные запасы и большой объем грузов элементарно негде хранить, ибо рабочее пространство на станции, в буквальном смысле, на вес золота.

Все это говорит о том, что переход к многоразовым ракетам-носителям должен ощутимо снизить стоимость доставки грузов и сделает этот процесс более оперативным и более экологически безопасным.

Первые две ступени многоразовой ракеты-носителя после отработки своих участков полета производят посадку на площадку космодрома, а затем – после проверки систем, заправки и технической подготовки используются для следующих запусков. В перспективе многоразовые ракеты-носители смогут выводить на околоземную орбиту автоматические и пилотируемые аппараты массой 25-35 тонн.

Историческая справка

В истории космонавтики были две «ресурсосберегающие» системы:

Американская программа «Space Shuttle» (Спейс Шаттл).

Многоразовый транспортный космический корабль. Шаттл запускался на орбиту с помощью двух ракетных твердотопливных ускорителей и трёх собственных маршевых двигателей, которые получают топливо из огромного внешнего подвесного бака, на начальном участке траектории основную тягу создают отделяемые твердотопливные ускорители. На орбите Шаттл маневрировал за счёт системы орбитального маневрирования, возвращаясь на Землю как планер. Так же он мог приземляться на воду.

 

Программа «Space Shuttle» просуществовала 30 лет и завершилась в 2011 году. Все действующие шаттлы были списаны после их последнего полёта. В общей сложности все шаттлы совершили 21 152 витка вокруг Земли и пролетели 872,7 млн км (542 398 878 миль). За 30 лет эксплуатации пять шаттлов совершили 135 полётов. На шаттлах в космос было отправлено 1,6 тыс. тонн (3,5 млн фунтов) полезных грузов. Совершили полёты 355 астронавтов и космонавтов; в общем 852 членов экипажей шаттлов за все эксплуатации.

Советская система «Буран».

Орбитальный-ракетоплан советской многоразовой транспортной системы. Комплекс «Буран» состоял из первой ступени, представлявшей собой четыре боковых блока с кислород-керосиновыми двигателями, второй ступени с четырьмя кислород-водородными двигателями являющейся основой комплекса и пристыкованного к ней возвращаемого космического аппарата «Буран». При старте запускались обе ступени. После сброса первой ступени (4 боковых блока) вторая продолжала работать до достижения скорости чуть менее орбитальной. Вывод на орбиту осуществлялся двигателями самого «Бурана», этим исключалось загрязнение орбит обломками отработанных ступеней ракеты.

Корабль «Буран» мог садиться полностью в автоматическом режиме, с помощью бортового компьютера и наземного Комплекса радиотехнических систем навигации, контроля траектории и управления воздушным движением «Вымпел». В «Буране» была система экстренного спасения экипажа. На малых высотах работала катапульта для первых двух пилотов; на достаточной высоте, в случае нештатной ситуации, «Буран» мог отделяться от ракеты-носителя и совершать экстренную посадку.

Единственный космический полёт «Буран» совершил 15.11.1988 года в автоматическом режиме, без экипажа на борту.

 

Программа SpaceX

В 2015-м году был проведен эксперимент по посадке в заданную точку многоразовой ракеты-носителя. Полет ракеты-носителя Falcon 9, завершившийся успешной стыковкой космического грузовика Dragon к МКС. Компания Space X приняла попытку сохранить первую ступень ракеты для повторного использования и вернула ее на Землю, посадив на специально созданную платформу.

При возвращении аппарат совершил «жесткую» посадку, однако точность попадания дала руководству повод для оптимистических прогнозов.

 

 

В сентябре 2017 года основатель компании Space X представил миру новый тип транспортной ракеты, назвав ее BFR, Big Falcon Rocket. BFR стала третьей ракетой SpaceX — к новой Falcon Heavy, которая еще ни разу не летала в космос и уже успешно работающей Falcon 9 .

Кроме того, в Space X испытали новый топливный бак — легкую емкость из углеволокна, способную хранить 1200 тонн жидкого кислорода и выдерживать высокие нагрузки. Такой топливный бак позволит повысить ее эффективность и на порядок снизить вес ракеты. Также, компания провела десятки тестов новых двигателей Raptor, которые будут обеспечивать не только запуск ракеты, но и ее приземление.

BFR станет основой всех проектов SpaceX по освоению космоса, в том числе полетов к Марсу и на Луну. Предполагается, что она заменит все существующие ракеты и космические корабли Space X, то есть и Falcon 9, и грузовик Dragon, который сейчас доставляет грузы на МКС, и Falcon Heavy

Высота новой ракеты BFR — 106 метров, диаметр— девять метров. На старте BFR весит 4400 тонн, что в десять раз больше веса МКС. Ракета включает в себя разгонный модуль и основную часть, причем обе части, предполагается использовать многократно. У Falcon 9 на данный момент можно использовать вновь только первую из двух ступеней, а космический грузовик Dragon лишь раз запускался повторно.

 

Первая ступень BFR — это разгонный модуль, вторая представляет собой космический корабль с пространством для пассажиров и грузов. Туда можно будет поместить 40 кают, в которых может поместиться до 100 человек.

Успех программы SpaceX может значительно снизить стоимость последующих запусков.\

Один из главных конкурентов Falcon Heavy - сверхтяжелая ракета New Glenn, которую разрабатывает недавно созданная Blue Origin, компания основателя Amazon Джеффа Безоса. Накануне запуска Falcon Heavy Безос пожелал Маску удачи.

А что Роскосмос?

С 2011 по 2016 год включительно «Роскосмос» был неоспоримым мировым лидером по количеству гражданских пусков. Оно и понятно, программа SpaceX в это время еще только совершала пробные запуски.

Однако, за последние полтора года ситуация кардинально изменилась. В 2017 году у SpaceX уже было 16 гражданских пусков. У «Роскосмоса» (с учетом пояснения пресс-службы корпорации, что все указанные на ее сайте пуски — гражданские) было 15 пусков, один из которых оказался неудачным.

Немного иначе выглядит картина, если к гражданским добавить заказы военных, а также учесть поступившее заявление «Роскосмоса» о том, что госкорпорация считает совершенные в 2017 году пуски с Куру «своими» (Французская Гвиана), так как «оператор и ракета были российскими». Тогда, если сравнивать суммарное количество гражданских запусков и пусков в интересах военных, в 2017 году счет становится равным — 18:18.

Если же считать пуски «Союзов» с Куру роскосмосовскими, то госкорпорация выходит в лидеры — 18:20.

Вывести тонну груза на Falcon Heavy в два раза дешевле, чем на российском «Протоне» и почти в три раза дешевле, чем на «Ангаре-А5» — $1,4 млн против $2,8 млн и $3,9 млн соответственно.

Пока непонятно, чем SpaceX будет загружать свою сверхтяжелую ракету. По мнению создателя сообщества «Открытый космос» Виталия Егорова, Маск рассчитывает на планы Пентагона «запускать большие спутники». Гендиректор компании «КосмоКурс» Павел Пушкин предполагал, что Маск ориентируется на «орбитальные станции и производство в космосе, а также туристические орбитальные крупные станции».

Космические стартапы из России.

Есть ли у нас свои Илоны Маски?

По мнению Ивана Косенкова, аналитика кластера космических технологий и телекоммуникаций Фонда «Сколково»:

- Частная космонавтика в России абсолютно реальна. Спустя шесть лет с момента начала деятельности «Сколково», в рамках проекта сформирована живая, функционирующая система из компаний разрабатывающих как космические средства в виде ракет-носителей, космических аппаратов и их компонентов и систем, так и продукты и услуги на основе данных полученных из космоса – проекты в сфере навигации и космической съёмки.

Из 180 компаний, которые являются резидентами Фонда «Сколково», можно выделить ряд проектов по всем направлениям деятельности космического кластера.

В сфере создания космической техники – это, «Даурия Аэроспейс», создающая малые космические аппараты. Компания уже запустила 3 космических аппарата, два из которых – малые спутники Perseus проданы прямо на орбите компании AquilaSpace (цена сделки от 280 до 390 млн. рублей).

В планах компании запуск двух спутников дистанционного зондирования Земли, МКА-Н – по заказу Роскосмоса, своя спутниковая группировка Auriga, разработка которой финансируется частично из сколковского гранта, а также разработка спутников связи по заказу индийской Aniara Communications.

Другим примером компании, создающей космическое железо, является «Спутникс». Проект направлен на разработку и создание малых спутников и бортовых систем по принципу Plug-n-Play. Изначально у компании была другая идеология, нежели чем у «Даурии» - ориентация на разработку систем космического аппарата своими силами. В итоге, компания в 2014 году создала и запустила первый в России частный спутник. Компания смогла привлечь стратегического инвестора - МКК «Космотрас». «Спутникс» занимается сейчас созданием наземной инфраструктуры, а также образовательных продуктов. Вдобавок к этому, компания совместно с резидентом ядерного кластера «Анизопринт» работает над проектом по 3D-печати в космосе.

К сожалению, в настоящий момент, частных компаний, которые бы занимались проблемами запусков больших ракет, в России не наблюдается.

Минусы использования многоразовых систем

Создание многоразовой ракеты-носителя имеет свои минусы и в основном связаны с дополнительными расходами:

1) Стоимость изготовления ракеты будет делиться на количество возможных повторных запусков, что усложняет подсчет ее экономики.

2) Добавятся дополнительные затраты на экспедицию по возвращению ступеней к месту старта и на топливо.

3) Появится необходимость размещения на ракете дополнительных систем, обеспечивающих посадку первой ступени, включая дополнительные посадочные двигатели, топливо для них и т.д.

4) Ракета-носитель станет тяжелее, уменьшится масса полезного груза на борту на 10-30%.

5) Проверка возвращенной первой системы на надежность и отсутствие серьезных дефектов после ее посадки по стоимости затрат может быть сравнима с постройкой ее заново.

Стоимость перевозок

Станут ли космические перевозки более дешевыми с переходом на ракеты-носители частных компаний – большой вопрос.

В 2008 году НАСА подписала контракты со SpaceX и ее конкурентом, авиакосмической компанией Orbital Sciences, на 1,6 млрд за 12 запусков и 1,9 млрд долл. за 8 запусков ракет соответственно. Новые миссии на сотни миллионов долларов дешевле, нежели запуск космического шаттла, цена доставки в космос не стала меньше.

Космические шаттлы были более дорогими, примерно 500 млн долларов за один запуск, зато при каждом их запуске перевозилось примерно 22 600 кг груза и семь астронавтов. То есть транспортировка одного фунта груза (0,45 кг) стоила примерно 10 000 долларов.

Запуск ракеты наиболее дешевого перевозчика НАСА – компании SpaceX стоит 133 млн долларов, а вместимость последней миссии составляла 5 000 фунтов. Становится ясно, что каждый фунт оценивают примерно в 27 000 долларов.

В SpaceX утверждают, что космический аппарат Dragon, запущенный с ракетой-носителем Falcon 9, может перевозить более 3 000 кг груза – как на МКС, так и обратно на Землю. Если Dragon под завязку загрузить на запуск и возвращение, стоимость одного фунта составит 9 100 долларов.

Исходя из этих сведений, можно подсчитать стоимость затрат на доставку нескольких экспериментов, пакетов помощи, а также всех необходимых для жизни вещей на Международную космическую станцию.

Например, стоимость доставки одной мыши (для лабораторных экспериментов) на МКС составляет от 6 800 до 20 200 долларов.

Определенно, одной мыши для исследований недостаточно, поэтому для изучения биологического эффекта на организм в космосе, включая старение и атрофию мышц, платят от 470 000 долларов до 1,4млн. за 70 мышей.

Чтобы доставить бутылку воды на МКС придется раскошелиться на сумму от 9100 до 27 000 долларов. Бутылка воды объемом 0,5л. весит как раз примерно 0,45 кг, так что подходит под базовую стоимость отправки груза в космос.

Кофе. Когда-то космонавты употребляли только сублимированный кофе, который они должны были разводить водой, не достигавшей температуры кипения, в итоге кофе вызывал немало жалоб среди астронавтов.

В 2015 году на МКС доставили кофемашина ISSpresso, произведенная при участии Итальянского космического агентства. Машина весит всего 20 кг (в то время как ее земные представители весят почти в два раза тяжелее) и стоит от 400 000 долларов, а ее доставка на МКС обошлась в 1,2 млн. $!

Космический лифт

Модель космического лифта

Существует и совсем инновационная идея доставки грузов в космос. Крупная японская строительная компания Obayashi намерена реализовать научно-фантастическую концепцию космического лифта, впервые высказанную еще в конце 19 века К.Э. Циолковским. По задумке разработчиков, лифт сможет поднимать грузы и людей на высоту до 96 километров, где будет основана космическая станция. В связи с этим может отпасть необходимость в запуске кораблей с космодромов, что может перевернуть всю космическую отрасль. Однако существующие на 2018 год технологии не позволяют построить такой лифт.

Для создания тросов из сверхпрочного углеродистого волокна нужной длины не хватает производственных мощностей. Строительство космического лифта – задача не для одной компании, признают в Obayashi. "Необходима международная организация, чтобы осуществить такой большой проект" — признал разработчик Й. Ишикава.

Решить эту проблему японские ученые планируют к 2030-му году, а строительство лифта завершить к 2050 году.

В заключении

Обобщим все вышесказанное:

1) В космической логистике на данный момент преобладают одноразовые системы запуска. Они дороги и экологически не безопасны.

2) Существуют частные компании, проектирующие космические системы многоразового запуска. Они не идеальны, но прогресс не стоит на месте. Самая известная из них – компания Илона Маска SpaceX.

3) В России много конкурентоспособных компаний, в том числе и связанных с транспортной логистикой, запуском собственных спутников, разработкой программного обеспечения, но они крайне малы по размеру и требуют большого количества частных инвестиций.

4) Доставка грузов в космос сегодня весьма дорогая история, стоимость которой десятки, а то и сотни тысяч долларов.

5) Существует альтернативный проект доставки грузов в космос – космический лифт. Однако, строительство такого объекта займет не один десяток лет, и не факт, что технология окажется рабочей.

6) За космической логистикой, безусловно, будущее. Ограниченные запасы природных ресурсов неизбежно приведут к освоению других планет, как следствие космические грузоперевозки станут таким же обыденным делом, как сейчас полет на обычном самолете.

Ну а пока мы тщательно следим за развитием событий, и как знать, возможно, уже следующий распределительный центр ABL откроет на Луне, а может быть и Марсе, ведь по крайней мере с одноименной компанией на Земле мы уже дружим :)

 

Уникальные технологии региональной логистики