Космические деньги⁠⁠

Про финансы и экономику освоения космоса

Логистика освоения солнечной системы описана в посте
Колонизация солнечной системы

Уточнение
@sun.ami в прошлом посте нашёл ошибку: у меня при расчете купола взят полный объём сферы, должно быть 2100 вместо 4200 м3.


Внимание: расчёт сугубо оценочный с округлениями и допущениями, предназначен для только для понимания порядка затрат.


1. Стоимость запуска многоразового корабля Земля - НОО

Рассчитаем стоимость доставки 100 тонн на НОО для корабля типа «Starship» и первой ступени типа «Super Heavy» от «SpaceX». Данный аппарат наиболее близок к реальному производству и уже достаточно проработан, чтобы по нему можно было провести оценку.

Стоимость двигателя «Merlin 1D» при тяге 67 тс составляет около 1 млн $ (или 15000 $/тс). Пересчитав пропорционально мощности можно оценить стоимость двигателя «Raptor»: при тяге в 200 тс, получаем стоимость в 3 млн $.

На первой ступени планируется 37 двигателя «Raptor», стоимость их составит 111 млн $. Двигатели составляют примерно половину от стоимости всей ступени, таким образом, фюзеляж ступени с топливной системой и авионикой будут стоить также 111 млн $.

Стоимость «Starship» (периодически буду называть его 2-ой ступенью) - это 6 двигателей и 18 млн $.
Остальные элементы можно оценить пропорционально элементам 1 ступени:
- через отношения масс 180:120;
- через отношение длин 70:50.
Также можно выразить суммарную стоимость через двигатели, принимая, что они стоят 25% от всего корабля.
Получаем, соотвественно, 74, 79 и 54 млн $. Возьмём максимальные 79 млн $.

Вся ракета получается 319 млн$.

Расчёт коррелируется с другими данными, найдеными на просторах интернета.

Инфографику увидел в посте
Космическая экспансия человечества

Базовая цена запуска ракеты-носителя «Атлас-5» составляет 109 млн $. На первой ступени установлены двигатели «РД-180», стоимостью 25 млн $ (тягой 390 тс) и «RL-10A» тягой 10 тс (данных по стоимости не нашёл). Двигатели первой ступени составляют около четверти от цены запуска. Также примерно четверть составляет прибыль компании, стоимость пусковых услуг, страховка.

Ещё был найден такой расчёт:
https://astronews.space/spacecrafts-2/252-raschet-stoimosti-...

Далее идёт эффект многоразовости.
На текущий момент первая ступень «Falcon 9» при заявленном десятикратном использовании достигла 6 повторных пусков, используя керосиновые двигатели. Это позволяем предположить, что к 2035 году вполне реально достижение на более совершенном «Starship», проектируемые с учётом полученного опыта и более совершенных двигателях, следующих показателей:
- ресурс планёра и первой ступени - 50 циклов взлёта-посадок (шаттл «Discovery» остановился на 39);
- ресурс двигателя 25 циклов взлёта-посадок;
Следующее предположение - после каждой посадки требуется затратить 1 % от стоимости элемента на осмотр и, при необходимости, ремонт.

Таким образом каждый запуск будет стоить 5.16 млн $ по ресурсу двигателей, 3.8 млн $ по ресурсу планера и, соответсвенно, 1.29 и 1.9 млн $ на осмотр и ремонт.

При многоразовом использовании, когда стоимость 1 запуска сильно падает, вклад топлива начинает существенно расти. «Starship» использует метан-кислородную пару. Стоимость жидкого метана - 430 $ за тонну, жидкого кислорода - 200 $ за тонну (цена в России при текущем курсе). Оптимальное соотношение кислорода к метану 3.65 к 1. Соответсвенно средняя цена топлива - 250 $ за тонну.

Для запуска 100 тонн и возвращения ступеней используется 3400 на 1-ой и 1200 тонн на 2-ой. При цене по 250 $/т получаем 1.15 млн $.

Следующее допущение: увеличение частоты пусков снизит стоимость пусковых услуг (пусковой стол, пункт управления, заправка, транспортировка, посадочные платформы и страховка) до 25 % от стоимости ракеты с топливом и подготовкой к повторному пуску. Прибыль компании примем тоже как 25 %.

Итого получаем: 13.3 млн $ - ракета и топливо, 20 млн $ - суммарная стоимость запуска 100 тонн на НОО.
При увеличении ресурса планёра и двигателей до 100 и 50 пусков соответсвенно, а также появления конкурентов для «SpaceX», что повлечёт снижение прибыли и стоимости организации пуска до 10%, получим стоимость вывода на НОО чуть выше 10 млн $ (уже 2035...2040 год).

Вполне реальная цифра к 2040 году:
100 тысяч $ за тонну на НОО

Для справки: самая низкая цена сегодня («Falcon 9») - 4 млн $ за тонну.


2. Стоимость рейса НОО - Луна

Для полетов между НОО Земли и НОО Луны используется отдельный корабль, который не совершает посадок на поверхность.

Такому кораблю не нужны мощные двигатели, вполне достаточно два (для безопасности) метановых аналога «Мерлина». Таким образом, стоимость двигателей будет около 2 млн $.

Отсек полезной нагрузки «Starship» при пересчёте пропорционально длине составит примерно 40 тонн массы и 28 млн $ в цене.

Удельная масса и стоимость бака составляет около 60 кг и 0.038 млн $ на тонну топлива.

Требуемый запас характеристической скорости для полёта между Землей и Луной около 4 км/с, что при удельном импульсе в 3800 м/с потребует топлива по массе почти в 2 раза больше массы корабля.

Чтобы вернуться после доставки 100 тонн, для корабля массой 120 тонн (40 отсек и двигатели + 80 баки), потребуется 240 тонн топлива. Для того, чтобы доставить от Земли корабль массой 460 тонн (корабль, топливо и целевая нагрузка) потребуется уже 920 тонн топлива. Фактически получаем тот же «Starship», но с намного большим ресурсом планёра (не надо выдерживать вход в атмосферу) и дешевыми двигателями.

Получаем стоимость 81 млн $ (79 ступень + 2 двигателя) с ресурсом (грубо) 500 полетов (до Луны и обратно) для планера, но 50 для двигателей.

Стоимость осмотра для планера приём также 1 % от стоимости (проводится реже, но в условиях космоса), а для двигателей - 4 % от стоимости (повышение из-за условий космоса).

Для такого корабля возникают дополнительные траты - доставка топлива, новых двигателей и запчастей на орбиту.
Масса 2 двигателей и некоторого количества ЗИП примем за 2 тонны.

Дополнительно к замене двигателей придётся добавить 0.2 млн $, что, относительно мало, а вот за подъем на орбиту 1200 тонн топлива придётся выложить дополнительно 120 млн $.

Стоимость работ по организации примем равной двойной стоимости наземного пуска - около 3.5 млн $.

Стоимость вывода корабля на орбиту - 12 млн $, с учётом ресурса в 500 полетов, это добавит только 0.024 млн $ за один полёт.

Итого стоимость отправки на Лунную орбиту 100 тонн груза составит почти 125 млн. (0.04 + 0.16 + 0.79 + 0.08 + 0.024+ 3.5 + 120.2) причём доля доставки топлива составит 96 %.

Для пилотируемых миссий такой вариант подходит, так как важно время.

Вполне реальная цифра к 2045 году:
1.25 млн $ за тонну между НОО Земли и Луны на химических двигателях.

Если ракета на химическом топливе оправдана для пассажирских перевозок, то перевозка грузов выйдет слишком дорого. Все грузовые рейсы выгодно осуществлять на ионных ядерных буксирах.

На ОКР по разработке такой техники выделили 4.2 млрд рублей. Из чего можно сделать вывод, что стоимость опытного образца мощностью 1 МВт и массой в 20 тонн выйдет в 2.1 млрд рублей. Буксир, массой в 200 тонн и выводимый в два этапа, может (далее экспертная оценка) иметь мощность 30 МВт и стоимость 21 млрд рублей или 300 млн $.

Время набора 4 км/с для буксира массой 200, корабля 40 и с нагрузкой 100 тонн займёт 16 дней, таким образом, полёт в обе стороны займёт 36 дней (с учётом стыковки, разгрузки, выхода на орбиту разгона).

Срок службы ядерных буксиров составляет 10 лет, что эквивалентно 100 рейсам.

Для ионных двигателей с удельным импульсом 50 км/с потребуется 50 тонн ксенона на рейс.

Стоимость ксенона 250 тыс $ за тонну. Учитывая необходимость вывода на орбиту, стоимость на рейс составит 17.5 млн $.

Доставки 100 тонн при помощи ядерного буксира будет состоять из 4 млн $ - за ресурс корабля, 3 - за ресурс буксира, 0.24 - за доставку на орбиту корабля и буксира, 3.5 - организация запуска, 3 - осмотр и ремонт, 17.5 - рабочее тело для ионных двигателей. Всего 31.5 млн $. Даже в ядерном буксире стоимость топлива (ксенона) составит 55.6 %.

Вполне реальная цифра к 2045 году:
0.32 млн $ за тонну между НОО Земли и Луны при помощи ядерного буксира.


3. Стоимость доставки груза с НОО Луны на поверхность

Необходимый запас характеристической скорости для посадки/взлёта с Луны с запасом для коррекции орбиты и маневрировании на посадке составляет 1.9 км/с.

Для возврата корабля в 60 тонн (40 корабль и 20 двигатели и топливные баки) потребуется 40 тонн топлива. Соответсвенно, для посадки такого корабля с грузом 100 тонн необходимо 132 тонны топлива. Общая масса - 332 тонны. 3 двигателя «Merlin 1D» более чем достаточно для взлета или посадки с резервированием.

Стоимость лунного шаттла составит 40 млн $ (3 - двигатели, примерно 30 - корабль (36 % от «Starship»), 7 - баки). Ресурс принимается для планера в 200 посадок (нет входа в атмосферу), для двигателей - 50 циклов.

Доставка 1 тонны груза с поверхности Земли до НОО Луны обойдётся в 0.415 млн $. Доставка 2 тонн запчастей и двигателей - 0.83 млн $, корабля - 24.9 млн $, 172 тонн топлива для 1 посадки взлёта - 71.4 млн $. Итоговая стоимость составит 75.8 млн $ (0.08 - двигатели, 0.32 - корабль с доставкой, 3.5 организация рейса, 0.12 + 0.37 - осмотр двигателя и корабля, 71.4 - топливо) за 100 тонн. Доля топлива - 84 %.

Вполне вероятная цифра к 2045 году:
0.76 млн $ за тонну между НОО Луны и ее поверхностью.


4. Подведем итог

Стоимость доставки:
Земля - орбита Земли - 0.1 млн $ за тонну груза;
Земля - ортита Луны - 0.42 млн $ за тонну груза или 1.35 млн примерно за 4-х человек.
Земля - Луна - 1.18 млн $ за тонну груза или 2.11 млн $ примерно за 4-х человек.

Дорого ли это?

Сейчас самую низкую цену - 4 млн $ за тонну за вывод на НОО - предлагает «SpaceX» на «Falcon 9».

Постройка авианосца типа «Gerald R. Ford» стоит 14 млрд $, а его авиакрыло около 8 млрд $. Это соответственно отправка 11800 тонн и примерно 15000 человек.

Бюджет NASA - 25 млрд $ в год, сопоставимо с авианосцем. Это позволит США без особых экономических усилий держать постоянную базу в несколько сотен астронавтов на Луне.

Бюджет Роскосмоса намного скромнее - около 2.5 млрд $. Всю инфраструктуру не построить, но в кооперации с Китаем, можем себе позволить пару десятков человек на Луне.