Сравнительный анализ экономической целесообразности применения ракет-носителей сверхлегкого класса

Полный текст

Введение Ракетно-космическая отрасль предопределяет инновационное развитие технологий в стране, позволяет решать научно-технологические задачи и успешно взаимодействовать с зарубежными странами. Сверхмалые и малые космические аппараты - одно из актуальных инновационных направлений в развитии ракетно-космической промышленности. К сверхмалым и малым спутникам можно отнести космические аппараты, вес которых колеблется в диапазоне от 10 г до 500 кг. Одним из важных вопросов при создании подобных космических аппаратов является выбор материалов и методов повышения весовой эффективности конструкций с учетом их назначения, силовой работы и условий эксплуатации. Авторами [1] даны рекомендации по выбору материалов комплектующих и технологии изготовления, приведены примеры создания сверхлегких конструкций и их свойств. В статье [2] рассматриваются вопросы совершенствования системы электропитания сверхмалых космических аппаратов. С развитием технологий функциональные возможности малых космических аппаратов увеличиваются, и они находят широкое применение в различных сферах: дистанционное зондирование Земли и исследование других планет [3; 4]; космические наблюдения [5]; экологический мониторинг [6]; образование, технологическое и программно-аппаратное развитие [7]; измерение плотности термосферы и скорости ветра [8]; исследование астероидов [9; 10] и т. д. Разработка технологий для создания стандартов сверхмалых космических аппаратов (СМКА) позволяет некоторым странам (США, Россия, Китай, Германия, Индия, Япония и др.) и частным компаниям (PlanetLabs, Hera Systems, Karten Space, Спутникс, Даурия и др.) выходить на серийное производство, открывая возможности в удовлетворении потребностей заказчиков не только в штучном варианте какого-либо аппарата, но и в обеспечении развертывания орбитальной группировки за небольшое время. По сравнению с крупногабаритными космическими аппаратами у малых космических аппаратов (МКА) и СМКА можно выделить как преимущества, так и недостатки [11; 12]. Среди недостатков можно отметить: - небольшой срок использования; - функциональные ограничения; - слабая защита от воздействия внешнего фактора. Отмеченные недостатки компенсируются преимуществами: - массовость; - возможность перераспределения ролей в миссиях [13]. С одной стороны, массовый запуск СМКА на низкую околоземную орбиту (НОО) обусловливает повышение уровня загрязнения космического пространства, что приводит к недовольству мировой общественности, которая разрабатывает различные рекомендационные меры для сохранения космического пространства будущим поколениям [3]. Проблемам космического мусора также посвящены многочисленные исследования, что указывает на важность данного вопроса [14; 15]. С другой стороны, для применения средств и отработки технологий по очистке орбиты необходима ракета-носитель (РН), которая будет осуществлять попутную доставку или с возможностью ее отдельного использования [12; 16; 17]. Для решения задач подобного рода целесообразнее будет разрабатывать СМКА с корректирующей двигательной установкой (КДУ), которая позволит не только выводить и поддерживать аппарат на целевой орбите, но и уводить его с орбиты в случае завершения эксплуатации [18]. Применение КДУ серьезным образом повлияет на стоимость аппаратов и их тактико-технические характеристики, однако позволит отработать технологии, которые в дальнейшем будут совершенствоваться и применяться не только для МКА, но и более крупных КА. Другой же вариант - это использование космического буксира для тех СМКА (МКА), которые не могут выйти на необходимую орбиту самостоятельно (примером может выступать космический тягач «Vigoride» от компании Momentus Space или «Strannik» от компании Success Rockets). Для определения рентабельности каждого варианта следует проводить отдельное сравнение, но однозначно можно сказать одно - каждому аппарату необходима такая РН, которая способна вывести на целевую орбиту с минимальным расходом и высоким коэффициентом надежности, показывающим отношение числа аварийных запусков к общему их числу, осуществленному РН определенного класса. 1. Цель В данной статье рассматривается целесообразность использования РН сверхлегкого класса (СЛК) на фоне других классов по оказанию услуг в выведении МКА на НОО с учетом тенденции использования СМКА, а также на основе анализа динамики выведения СМКА и информации по запускам РН СЛК, представленного на международной конференции «Инженерные системы - 2020» [19], делаются собственные прогнозы на будущий период (до 2023 г.). 2. Методы В рамках работы над настоящей статьей была собрана и проанализирована информация из открытых баз данных по выведенным наноспутникам, а также отчеты о космических запусках. На основе ретроспективного анализа сопоставляются данные по динамике выведенных КА и запусков РН за период 2017-2020 гг., что позволило оценить заинтересованность мирового космического сообщества в видах КА для решения определенного круга задач (дистанционное зондирование Земли, навигация, связь и др.) и РН, осуществляющих их выведение. Для отображения результатов проведенного сравнительного анализа используются графические методы с комментариями. На основе проведенного исследования выполнены собственные прогнозы дальнейшего использования мировым сообществом СМКА, а также сделаны выводы о возможных перспективных тенденциях использования РН СЛК и динамике космических запусков для трех ведущих держав (РФ, США и КНР). 3. Результаты Исходя из существующих прогнозов интерес в использовании СМКА (с размерностью нано 10-1 кг и менее) будет увеличиваться. На рис. 1 представлены фактические показатели успешно выведенных КА, отдельно выделено количество запущенных СМКА за период с 2017 по 2020 г. и прогнозы SpaceWorks до 2023 г. Как видно из графиков рис. 1 с 2017 г. происходит увеличение общего числа запущенных наноспутников (в данной статистике приведены как удачные запуски, так и аварийные), однако их запуски с РН стали сокращаться - это связано с тем, что часть подобных аппаратов выводится на орбиту с борта международной космической станции (МКС), следовательно, их доставка осуществляется на борту космических кораблей (КК) [7; 16; 17; 20]. В целом наблюдается мировой рост запусков аппаратов различного типа за исключением кризисного периода в 2020 г., когда из-за эпидемиологической обстановки произошел заметный спад. Общее количество запущенных объектов с РН за 2020 г. (по состоянию на октябрь) составляет 1037 аппаратов, 780 из которых являются аппаратами Starlink (массой равной 227- 260 кг) компании SpaceX (США), предназначенными для формирования глобальной спутниковой системы, для обеспечения высокоскоростным интернетом на большей части земной поверхности. По некоторым оценкам, за 2019 г. выведение КА в 2020 г. мировым сообществом (без учета США) сократилось на 22 %. Рис. 1. Запуски КА и СМКА за период 2017-2020 гг. с прогнозами до 2023 г. Figure 1. Launches of spacecrafts and ultra-small spacecrafts for the period from 2017-2020 with forecasts up to 2023 [4] Основная доля СМКА, запущенных с поверхности Земли, осуществлялась в виде попутного запуска с более крупными аппаратами на РН средних или тяжелых классов (СК и ТК). Лишь малая часть была доставлена НОО на РН СЛК кластерным видом, вывод которых можно выделить в основном как успешные. Практически 85 % выведенных СМКА научно-технологические и исследовательско-образовательные, разработанные и созданные в основном компаниями (50 %) и университетами (35 %). Данные цифры показывают, что в мире активно привлекаются учебные заведения для реализации программ, позволяющих решать вопросы по разработке, созданию и запуску КА различного типа. Так, например, российские университеты (МГУ им. М.В. Ломоносова, МАИ и др.) принимают участие в программах бесплатного запуска собственных аппаратов на отечественных РН. Рассматривая прогнозы, составленные SpaceWorks и представленные Nanosats Database (рис. 1), можно заметить корректировку статистики общего количества запусков СМКА, что повлияло на актуализацию прогноза в 2020 г. по сравнению с прогнозом 2017 г. Учитывая чувствительность рынка и экономик мира к кризисным потрясениям, мы сделали предположение с собственным прогнозом на три года. По причине серьезных ограничений, связанных с эпидемиологической обстановкой 2020 г., будет происходить спад запусков СМКА. Восстановление показателей запусков на уровне 2019 г. можно ожидать через 2-3 года при условии улучшения эпидемиологической обстановки и спада ограничительных мер. Это связано с откликом проблем, которые отразятся в будущем на финансовом состоянии многих коммерческих и учебных заведений, заставляя их сокращать свой бюджет и избегать излишних затрат. За период с 2017 по 2020 г. мировым сообществом было осуществлено 392 запуска, из которых доля аварийных составляет 5,8 %. Лидерами по запускам являются три государства: КНР, США и РФ, на которые приходится 76 % всех осуществленных запусков (рис. 2). Основным средством выведения полезной нагрузки (ПН) на орбиту является СК (рис. 2). В зависимости от поставленных задач, целью которых является выведение груза на определенные орбиты, приоритеты в основном ставятся на дорогостоящие аппараты, масса которых превышает 500 кг. Кроме того, это основной класс, который осуществляет вывод КК как для РФ, так и КНР. Для РН ТК основной задачей является выведение полезной нагрузки на высокую орбиту или кластерный запуск массивных аппаратов, а также данный класс будет использоваться при выведении перспективных частично многоразовых КК, которые находятся на проектной стадии разработки у некоторых стран. С недавнего времени можно наблюдать тенденцию использования РН СЛК (рис. 3), однако в основном это исходит со стороны американской частной компании, которая имеет свое дочернее подразделение и реализует пуски в Новой Зеландии. Некоторые страны, например такие, как КНР и Япония, также используют РН данного класса, но на текущий момент без коммерческой составляющей. Для РН легкого класса (ЛК) забронирована своя ниша по выведению аппаратов массой 500-1500 кг на НОО или солнечно-синхронную орбиту (ССО). Рис. 2. Доля космических запусков мировым сообществом и средств выведения за период 2017-2020 гг. [19] Figure 2. Share of space launches by the world community and launch vehicles for the period 2017-2020 [19] Исходя из условий, сложившихся в 2020 г., прогно- мализации состояния мировой экономики и выведения зируем увеличение кластерных запусков на фоне общего КА экономически целесообразными способами. снижения количества запусков, что связано со стремле- Рассматривая динамику запусков за 10 лет, можно нием заказчика сохранить финансовые ресурсы до нор- отметить сохранение позиции РФ в тройке лидеров космических держав (рис. 4). Рис. 3. Тенденция использования РН СЛК в 2018-2023 гг. Figure 3. Trend in the use of ultralight launch vehicles, 2018-2023 Рис. 4. Динамика космических запусков за 10 лет с прогнозом на период до 2023 г. Figure 4. Dynamics of space launches over 10 years with a forecast for the period up to 2023 Также наблюдается чувствительность мирового космического рынка к карантинным и ограничительным мерам перед угрозой COVID-19. На графике (см. рис. 4) с 2016 г. видно появление нового игрока - компания SpaceX (США), которая активно конкурирует с существующими компаниями, что отразилось в том числе на коммерческих запусках в РФ. По нашим предположениям, динамика запусков снизится в 2021 г., с последующим медленным ростом, однако стоит обратить внимание на два факта: 1. На данный момент у компании SpaceX действует программа по выведению группировки Starlink, находящейся на первой фазе, из этого следует, что динамика запусков может сохраниться в целях выполнения программы. 2. КНР имеет большую экономическую силу, с помощью которой способна держать количество запусков на уровне 2019 г., но, учитывая мировое состояние из-за ограничительных мер и в связи с этим их влияние на мировую торговлю, будут проявляться действия с целью экономии бюджета. Отдельно следует проанализировать долю запусков стран-лидеров, проведенных за счет зарубежных заказчиков или совместно с ними. Так, за период 20172020 гг. доля запусков за счет зарубежных заказчиков составляет: в РФ - 31 %, США - 36 %, КНР - 11 %. Если разобрать отдельно общее число запусков РФ, то только 33 % были осуществлены с целью доставки космонавтов и грузов на МКС, государственные и коммерческие заказы - 20 % и заказы министерства обороны РФ - 16 %. Помимо конкурентов в лице США существуют и другие: Европейское космическое агентство (ЕКА) с их РН ТК «Ариан-5» и ЛК «Вега», Индия с РН «PSLV» (класс в зависимости от модификации) и Япония с РН СК «H-11» и ЛК «Epsilon». Свою нишу стала занимать компания Rocket Lab, используя РН СЛК «Electron», которая с 2017 года не имеет конкуренции в доставке ПН сверхлегким классом. Со стороны РФ открывается возможность в обновлении существующих КК «Союз» и «Прогресс» новым перспективным транспортным кораблем «Орел» с возможностью в дальнейшем использовать его к полетам на Луну, а для его выведения будет использоваться РН «Ангара» версии «А5П» [21]. Однако для оценки серьезности представленной конкуренции для отечественной космической деятельности, а именно Госкорпорации Роскосмос, проведен сравнительный анализ рентабельности различных классов РН, которые используются мировым сообществом. Выборка осуществлялась на основе частоты применения РН страной, с приоритетом выделения РН СЛК для выявления их рентабельности [22]. На рис. 5 представлен график, на котором оценивается четыре класса по минимальным затратам на стоимость запуска и выведения 1 кг ПН на НОО. Следует учитывать, что в данный анализ не входят РН СЛК, запуск которых не выполняется с поверхности Земли (морские, авиационные и аэростатные запуски). Рис. 5. Показатель минимальной стоимости для четырех классов РН Figure 5. Minimum cost indicator for four classes of launch vehicles Для РН «Шавит-2» и «SS-520-4» стоимость выведения 1 кг ПН на НОО составляет 57 142 долл. США и 875 000 долл. соответственно. Основная проблема в нерентабельности РН СЛК заключается в высокой цене выведения 1 кг ПН на НОО, однако показатель стоимости запуска выглядит достаточно привлекательным. Для данного класса нет повышенных требований в организации запуска в сравнении с более тяжелыми классами, благодаря габаритам и относительной простоте в производстве. Выделяются основные преимущественные показатели в оперативности и мобильности запусков. Так например, для РН СЛК можно создать передвижной мобильный стартовый комплекс, в расчет которого будет входить вся обслуживающая и управляющая техника [23]. Формирование подобных комплексов применяется в ракетных вооруженных силах некоторых стран. Появление новых игроков со своими предложениями по современным видам РН заставляет РФ принимать форсированную политику по удержанию лидирующих позиций на космической арене. Конечно, опираясь на колоссальный научно-технический опыт РФ, можно с уверенностью говорить о больших возможностях, которые ограничены только недостатком инвестиций. Однако механизмы привлечения сторонних инвестиций в ракетно-космическую промышленность существуют и вполне возможны для реализации [24; 25]. Это приведет к появлению эффектов значимых для отрасли: - приток новых кадров (технических, научных, управленческих); - оптимизация производственных процессов в отрасли; - повышение производительности труда; - реализация инновационно-инвестиционных проектов коммерческой направленности; - привлечение внешнего финансирования, позволяющего снизить бюджетную нагрузку; - расширение сфер деятельности корпорации; - распределение рисков и угроз при разработке и выводе на рынок новых продуктов и услуг. В настоящее время в России существует три частные компании, которые занимаются разработкой и созданием РН СЛК. Организации в основном используют частные инвестиции и на данный момент находятся на проектном этапе разработок. Компания ООО «Лин Индастриал» совместно с «КБ ЛАРОС» ведут работы по созданию орбитальной ракеты «Таймыр». Предполагаемая удельная стоимость доставки 1 кг ПН - 25 000 долл. США. Другая российская частная компания ООО «НСТР Ракетные Технологии» провела успешные испытания жидкостного реактивного двигателя (ЖРД) малой тяги на закиси азота и керосине. Компания Success Rockets предлагает проект трехступенчатой твердотопливной РН «Stalker», которая способна вывести на ССО до 150 кг ПН с предполагаемой стоимостью в 18 000 долл. США за 1 кг ПН. 4. Обсуждение Для расширения понимания перспективности разработки и эксплуатации РН СЛК необходимо углубленное изучение потребностей международного космического рынка и прогноз относительно динамики выведения СМКА. При получении дополнительной информации, позволяющей оценить в полной мере востребованность данного класса, следует акцентировать внимание на изучении международного опыта, анализе существующей научной литературы и на основе имеющихся данных сделать прогноз по рентабельности РН СЛК. Подробного изучения требуют и другие темы, затронутые в настоящей статье. Например, проблема финансирования проектов в РКК и вопросы повышения конкурентоспособности России на мировом космическом рынке. Заключение Увеличение заинтересованности в использовании мировым сообществом СМКА говорит об их доступности и простоте в разработке, позволяющих компаниям и учебным заведениям выполнять локально-демонстративные работы, с целью отработки технологий использования данных аппаратов или выполнения краткосрочных целевых задач на НОО. Ограничительные технические и функциональные возможности СМКА не позволяют в полной мере удовлетворить потребности заказчика в сравнении с более крупными КА, однако их ценовая категория открывает возможность выполнения НИОКР для привлечения инвесторов на более важные проекты. Для заказчиков, которые уже имеют в своем распоряжении орбитальную группировку, открывается возможность бюджетного варианта экстренного решения проблемы аварийности одного или нескольких спутников с использованием СМКА, которые хотя и будут функционировать с ограничительными возможностями, но позволят сохранить связь группировки. Оперативность запуска таких аппаратов способен обеспечить РН СЛК. Экономическую эффективность использования РН СЛК для выведения МКА и СМКА можно считать сомнительной по сравнению с более тяжелыми классами, так как доставка 1 кг ПН на НОО будет варьироваться в пределах 15 000-35 000 долл. США, а у некоторых зарубежных представителей она достигает 875 000 долл. Конечно, следует принимать во внимание период экспериментальной отработки для РН с подобной стоимостью, которые позиционируют себя как демонстрант новых технологий. Следует также отметить, что средняя стоимость запуска РН СЛК на порядок ниже, чем у ЛК, СК и ТК (15 000-110 000 долл. США, 25 000-90 000 долл., 50 000-150 000 долл. соответственно, в зависимости от модификации и поставленных задач), и составляет примерно 6 млн долл. Благодаря низким требованиям к наземной инфраструктуре, которая позволит обеспечить малое время подготовки к пуску, данный класс может осуществлять оперативное выведение КА, что для некоторых заказчиков может быть важным в случае необходимости. Ко всему прочему данный класс идеально подходит в роли демонстранта новых технологий, которые в дальнейшем могут использоваться в разработках и созданиях более крупных и дорогих РН.

Об авторах

Юлия Александровна Назарова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: nazarova-yua@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-5017-0281

доцент департамента инновационного менеджмента в отраслях промышленности инженерной академии РУДН, кандидат экономических наук

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Владимир Андреевич Тихонов

Российский университет дружбы народов

Email: tihon_94@mail.ru

магистрант департамента инновационного менеджмента в отраслях промышленности инженерной академии РУДН

Российская Федерация, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6

Список литературы