Wie kann der wiederverwendbare Falcon 9 Erfolg haben, wenn das wiederverwendbare Space Shuttle versagt hat?

Es gibt viele Faktoren, die zu diesem Problem beitragen.

Das Shuttle wurde in den 1970er Jahren entworfen und die Technologie ist seitdem ausgereift. Darüber hinaus sind die Probleme, auf die das Shuttle gestoßen ist (obwohl es damals in Wahrheit vorhersehbar war), jetzt offensichtlicher und ein neues Design kann versuchen, sie zu vermeiden.

Betrachten Sie den einfachen Fall des Hitzeschilds am Shuttle. Es bestand aus Zehntausenden kleiner Kacheln. Es war nicht klar, dass sie große Fliesen in der richtigen Form herstellen konnten, die den Biegelasten und so weiter standhalten konnten. Aber das fügte ungeheure Personalkosten für die Renovierung des Orbiters nach jedem Start hinzu. Sie haben gesehen, dass die NASA später im Programm versucht hat, einige der Kacheln, wo sie konnten, durch größere Decken zu ersetzen.

SpaceX entschied sich für ein bekanntes funktionierendes System (PICA), das für das neue Jahrhundert aufgefrischt wurde, und verwendete ziemlich große Teile. (Außerdem ist eine Kapsel viel kleiner zu beschichten als etwas von der Größe des Orbiters)

Die Motoren des Shuttles waren Spitzenklasse, möglicherweise die leistungsstärksten Motoren, die jemals gebaut und in der Produktion eingesetzt wurden. Damit einher gehen jedoch Wartungskosten, die am Ende des Programms durch verschiedene Upgrades der SSMEs wieder etwas gemildert wurden.

SpaceX entschied sich für das zuverlässigste Design, das sie in der Merlin-Familie finden konnten, einen Zapfeninjektor, und investierte viel Zeit und Mühe, um den Motor erschwinglich und leistungsfähig zu machen. Sie iterierten auch schneller. Während es stimmt, dass Elemente des SSME während der Laufzeit des Programms aktualisiert wurden, entwickelte sich die Merlin-Familie in viel kürzerer Zeit von Merlin 1A, 1B, 1C und 1D, wobei eine weitere Verbesserung des 1D in Kürze ansteht.

Die SSME liegen im Schubbereich von 660 klb, während die Merlin-Familie im Bereich von 70 klb begann und auf 195 klb aufgerüstet wurde (und mit dem Block 5 Falcon 9 wieder höher), was ein viel einfacheres Problem und einfacher zu entwerfen ist , und theoretisch einfacher wiederzuverwenden.

Betrachten Sie die Größe. Das STS-System ist riesig, mit 7 Millionen Pfund Schub beim Start im Vergleich zu einer Falcon 9 mit nur 1,3 Millionen Pfund Schub. Offensichtlich ist die Masse des Systems vage ähnlich, da zum Abheben ein T / W von mehr als 1 erforderlich ist. (Andernfalls sitzen Sie auf dem Pad und verbrennen Treibmittel).

Das System von SpaceX ist viel kleiner und daher viel einfacher wiederherzustellen. Betrachten Sie das Problem der Bergung einer Kapsel (Dragon) im Vergleich zum Orbiter. Dann erwägen Sie die Wiederverwendung. (Um fair zu sein, SpaceX muss noch eine Dragon-Kapsel wiederverwenden, unabhängig von den Plänen, dies zu tun, Bearbeiten: 2 Jahre später sind 2 Dragons neu geflogen und die verbleibenden 10 CRS-Missionen werden voraussichtlich wiederverwendete Dragons verwenden).

Ausgehend von einer Designentscheidung ist die Wahl zwischen Flügeln und vertikaler Landung ein großes Unterscheidungsmerkmal. Nur die Zeit wird zeigen, ob SpaceX die richtige Wahl getroffen hat. Die NASA hat mit ihrem Gesamtansatz eindeutig nicht die richtige Wahl getroffen. (SNC würde argumentieren, dass Flügel richtig gemacht werden können, die Zeit würde es zeigen, aber nicht klar, dass sie jemals starten werden). (Bearbeiten: 2 Jahre später haben sie 23 erste Stufen ohne Flügel ziemlich fehlerfrei gelandet. Also wahrscheinlich eine gute Designwahl.)

Das Shuttle benötigte eine stehende Armee von ungefähr 24.000 Menschen, um das System zu warten. Die Gesamtbeschäftigung von SpaceX liegt immer noch unter 5000. Betrachten Sie die Gehaltskosten für 24.000 Mitarbeiter gegenüber 5.000 und teilen Sie diese durch die Anzahl der Starts pro Jahr. Dies ist ein großer Beitrag zu den Systemkosten.

Aus politischen Gründen wurde das Shuttle in vielen Staaten gebaut, ähnlich wie die europäische Ariane 5 gebaut wird. Auf diese Weise würden verschiedene Senatoren und Kongressmitglieder bereit sein, dafür zu stimmen, da es in ihren Distrikten reichlich Arbeitsplätze schaffte. Dies ist ein Rezept für Ineffizienz. Wie diese beiden Programme gezeigt haben.

SpaceX baut fast alles an einem Standort (Hawthorne, CA), testet an einem zweiten (McGregor, TX) und startet von einem dritten (LC-40). (Bald vierter (LC-39A) und fünfter (Brownsville, TX). Für polare Umlaufbahnen starten sie von der Vandenberg Air Force Base in Kalifornien (LC-4). Wenn sie über ihre Trägerrakete der nächsten Generation sprechen, schlagen sie vor, dass sie den Bau planen und teste es neben dem Startplatz, vor allem, weil es zu groß für den Transport sein wird.

Ich könnte wahrscheinlich noch länger weitermachen. Es genügt zu sagen, dass dies Erdnüsse mit Wassermelonen vergleicht.

Um die Gefahr zu vermeiden, vom Thema abzuschweifen, werde ich damit beginnen, die Frage in zwei verschiedene Teile umzugestalten. Dies geschieht, damit alle Beweise direkt zu einer Antwort auf die Frage führen. In diesem Fall lautet die Frage:

1. Warum scheiterten die Bemühungen des Shuttles um wirtschaftliche Wiederverwendbarkeit?
2. Warum glauben viele Experten, dass der aktuelle Versuch von SpaceX nicht so scheitern wird?

Zuerst müssen wir „Erfolg“ definieren. Für diese Definition werde ich die gleiche Referenz verwenden, die verwendet wird, um das Gesamtargument zu machen. Meine eigene Referenz verwendet auch eine Referenz, um ihr Argument zu machen, was viel esoterischer ist, also hier sind sie beide:

• Sekundärreferenz: The Space Shuttle Decision von TA Heppenheimer, Kap. 6
• Hauptreferenz: Budget Bureau, „NASA Issues Paper“, August 1969: Anhang, „Space Transportation System“, 22. August 1969.

Sie können in ihren Tabellen sehen, dass verschiedene Szenarien analysiert und mit der alternativen Option der Titan III verglichen wurden. Für unsere Zwecke ist Titan III das alternative verbrauchbare Startsystem. Daher kann ich vernünftigerweise behaupten, dass der Erfolg auf der Grundlage der Kosten des wiederverwendbaren Startsystems im Vergleich zum alternativen Einwegsystem bewertet wurde (und bewertet werden sollte) . Der Grad des Erfolgs wird als Rendite anhand einer Standardfinanzanalyse definiert. Eine Rendite von 0 % oder weniger ist ein „no go“, aber die konkurrenzfähige Rendite ist umstritten.

Ich möchte die Tatsache erwähnen, dass das Design des Space Shuttles in diesem Jahr sowieso noch nicht abgeschlossen war. Das gilt also nicht unbedingt für die finale Version. Die zugrunde liegende Behauptung ist jedoch so stark , dass ich denke, Sie werden akzeptieren, dass es wahrscheinlich keine Rolle spielt.

Etwas trivialerweise hängt die Wirtschaftlichkeit eines wiederverwendbaren Systems von der Anzahl der Starts ab. Erstens haben Sie eine Kapitalinvestition in F&E und Hardware, dann werden diese Kosten später durch den geringeren Fertigungsbedarf wieder hereingeholt. Die Studien, die uns vom Design des Space Shuttles vorliegen, spiegeln genau dies wider. Sie geben die Wettbewerbsfähigkeit des Startsystems als Funktion der Startrate an.

Die tatsächliche Startrate des Space Shuttles betrug 4,5 Starts pro Jahr, als historische Tatsache. Die obige Studie ergab, dass das System die Gewinnschwelle erreichen würde (definiert als 0 % Rendite, aber immer noch die Investition amortisiert), wenn es weniger als 28 Mal pro Jahr eingeführt würde. Es gab mehr Studien als nur diese, aber alle hatten die gleiche allgemeine Denkweise. Die untersuchten Flugraten begannen tendenziell bei etwa 40 pro Jahr.

Wir kommen zu einer einfachen Schlussfolgerung – jeder, der die damalige Literatur rational gelesen hätte, wäre zu dem Schluss gekommen, dass das Space Shuttle bei den Flugraten, für die es verwendet wurde, horrend unwirtschaftlich wäre. Die Tatsache, dass es noch entwickelt wurde, spiegelt wahrscheinlich 1) den zu großen Optimismus der Designer der Kongressforderung nach Raumfahrt und auch 2) den zu großen Optimismus der politischen Entscheidungsträger in Bezug auf die Leistung und Flexibilität der Technologie wider. Am Ende haben die USA eine Lösung verwendet, um ein Problem zu lösen, für das sie nicht genau ausgelegt waren. Das liegt vor allem daran, dass sich der Verwendungszweck im Laufe der Zeit weiterentwickelt hat und das Design zu unflexibel war, um es anzupassen (teilweise aufgrund enormer versunkener Kosten).

Warum ist die F9R anders?

Lassen Sie uns hier denselben logischen Ansatz anwenden. Was ist die Einweg-Alternative zum F9R (wiederverwendbarer Falcon 9)? Das ist einfach die F9. Ähnlich wie eine "kaputte" Rolltreppe zu einer Treppe wird, wird ein ausgefallenes wiederverwendbares Startsystem einfach zu einem entbehrlichen Startsystem. Dies geschah im Januar 2015, als die Wiederherstellungsbemühungen der ersten Phase nach einem erfolgreichen Start fehlschlugen. Das Shuttle-Programm hingegen war Welten von seinem alternativen Verbrauchssystem entfernt.

Tatsächlich gibt es viele Gründe zu der Annahme, dass die F9R viel besser abschneiden wird:

• es kann sich um einen inkrementellen Entwicklungsprozess handeln
• Ohne Menschen an Bord der geborgenen Bühne werden enorme Kosten eingespart
• neue Kunden können gewonnen werden, wenn die Kosten gesenkt werden

Die NASA war ein riesiges Raumfahrtprogramm, das ein wiederverwendbares Startsystem entwickelte und dann zu einem kleineren Raumfahrtprogramm zusammenschrumpfte. SpaceX ist ein kleines Startdienstunternehmen, das hofft, dass es durch die Wiederverwendbarkeit zu einem riesigen Raumfahrtunternehmen wachsen wird.

Die meisten dieser Argumente sind robust, aber die nachfrageseitigen Faktoren könnten SpaceX immer noch genauso plagen wie beim Shuttle. Die Break-Even-Startrate für die F9R gegenüber der F9 ist niedriger als beim Shuttle, könnte aber immer noch höher sein als ihre aktuelle Rate. In diesem Sinne ist ihr Erfolg nicht garantiert, aber jeder mit Optimismus auf der Nachfrageseite würde den Erfolg vernünftigerweise vorhersagen. Im schlimmsten Fall bedeutet dies, dass ihre Investition verschwendet wurde. Die Worst-Case-Szenarien für das Shuttle waren viel schlimmer.

Die Wiederverwendung der ersten Stufe oder der Booster allein ist viel einfacher als die Wiederverwendung eines Raumschiffs, das in den Orbit und zurück fährt. Die Anforderungen an den Hitzeschild einer wiederverwendeten ersten Stufe sind viel geringer als an einen Hitzeschild, der für die Rückkehr aus dem Orbit erforderlich ist.