О стоимости запусков ракет. Почему X долларов за килограмм не имеет значения?⁠⁠

В обсуждениях, инфографике, даже в серьезных статьях регулярно попадается информация о том, сколько стоит запуск ракеты. Причём зачастую приводится не абсолютная цена, а цена в долларах (или рублях, но редко) за килограмм. Однако параметр этот, если немного подумать - значит не очень много. Вернее, не так. Он, безусловно, позволяет в первом приближении сравнить две ракеты примерно одного класса, но не более того.

В чём же дело? Для начала следует помнить, что одна и та же ракета может летать с разных космодромов и на разные орбиты. Вот, например, наш Союз:

Уже сложно получается. Вроде бы одна и та же ракета, а выводит то 8 с лишним тонн, то 1.2 тонны. Разница в шесть раз!

Осложняет это то, что ракета на самом деле не одна и та же. На высокие орбиты она летает с разгонным блоком "Фрегат", а на низкие справляется без него. Так уж устроена орбитальная механика, что добавление дополнительной ступени (чем разгонный блок по сути и является) увеличивает грузоподъемность на высокую орбиту. Причём цену разгонный блок меняет весьма существенно. Так, Союз без Фрегата наш Главкосмос предлагает за 35 миллионов долларов, а с Фрегатом - за 48.5 миллионов.

И получается, что 8,7 тонн на низкую орбиту с Восточного будут стоить 35/8=4,2 тысячи долларов за килограмм, а на 1.5 тонны на ГСО из Гвианы понадобится отдать уже 48,5/1,5=32,3 тысячи. И какую цифру брать для сравнения с другой ракетой?

Возьмем, например, Falcon 9 и его предстоящий запуск аппарата IXPE для NASA. Аппарат лёгкий, весит всего 325 кило, но платит за него NASA весьма приличные 50,3 миллионов долларов - получается бешеная цена в 154 тысячи долларов за килограмм. Но на какую орбиту этот килограмм? А он летит на экваториальную орбиту - наклонение всего 0,2 градуса с высотой 540 км. И тут опять нам нужна орбитальная механика - не вдаваясь в подробности, достаточно сказать, что изменение наклонения с 28,5 градусов мыса Канаверал до экватора снизит полезную нагрузку в варианте посадки обратно на Канаверал (который скорее всего и будет использован) с ~10 тонн до 750 кг. Если ступень будет садиться на баржу, то 15,6 тонны на низкую орбиту на широте Канаверал превратятся в 2,1 тонны над экватором.

Интересно, что Союз из Гвианы - несмотря на вдвое низкую, казалось бы, грузоподъёмность - вытянет на эту орбиту тонн пять против двух у Falcon. Но в абсолютных деньгах запуск будет стоить примерно столько же - плюс надо учесть дополнительные расходы на перевозку спутника.

Отдельно следует отметить, что себестоимость запуска практически не зависит от выводимой нагрузки - если мы говорим об одной и той же ракете. Полная заправка ракеты Falcon 9 стоит примерно 550 тысяч долларов - что существенно, конечно, но на фоне 50 миллионов составляет всего один процент. Остальные расходы также от пассы полезной нагрузки особо не зависят. Поэтому если ракета вытягивает на некоторую орбиту 2 тонны, то запуск спутника массой 300 килограммов не удешевит запуск в семь раз - если вы, конечно, не запускаете сразу семь спутников. Придётся заплатить за запуск примерно те же деньги, что и за полностью загруженную ракету, и расчёт цены за килограмм не имеет никакого смысла.

То же самое верно и для уникальных больших ракет: да, SLS стоит миллиард, а поднимает при этом всего вдвое больше Falcon Heavy ценой на порядок (90 млн) меньше. Но если вам нужно запустить ОЧЕНЬ большой спутник или что-нибудь тяжелое на Луну - придётся либо делить его на два (и стыковать на орбите), либо выбрать дорогое решение.

Аналогично и для малых ракет: Electron стоит 6 миллионов за 250 кг на НОО, что даёт 24 тысячи долларов против 4 тысяч у Союза или примерно 4 тысяч у Falcon (если брать цену с сайта, 62 миллиона). Но если у клиента есть спутник в 200 кг, то ему придётся в любом случае либо заплатить за полную ракету, либо ждать попутки (что может не совпадать с его планами по времени или орбите). Аналогия с автобусом и такси.

Так что - имеет смысл говорить только о том, что ракета ценой в X1 миллионов долларов позволяет вывести Y1 тонн на некую орбиту Z1, а ракета ценой в X2 миллионов - Y2 тонн на ту же орбиту Z1. Причём для орбиты Z2 у нас изменится грузоподъемность, а также может измениться цена.

Продолжая тему Falcon 9: недавно Маск заявил, что marginal cost (предельные издержки) запуска Falcon 9 составляют всего 15 миллионов долларов за запуск - 15 тонн на низкую орбиту. Речь, видимо, шла о запусках своих спутниках Starlink, которые они по определению делают по себестоимости. Получается 15 тонн на низкую орбиту за 15 миллионов - всего тысяча долларов за килограмм.

Ещё одним важным фактором может быть надёжность ракеты. Она напрямую не включена в цену запуска, но придётся заплатить за страховку (либо смириться с риском потерять спутник, что по сути одно и то же). Так, для Falcon 9 это порядка 4% от полной цены, т.е. запуск+спутник, а для Протона - около 12%. И когда у нас спутник стоит например 100 миллионов, плюс 60 за запуск, разница выходит уже 12 миллионов - 20% от цены запуска, и их тоже придётся учитывать при выборе ракеты.

И, наконец, очень важной является разница между ценой и себестоимостью, а также разной ценой для разных рынков. Если тот же Falcon имеет себестоимость запуска в 15 миллионов - это совершенно не значит, что клиент заплатит столько или немного больше. Нет, поскольку ближайший конкурент в два-три раза дороже, то нет никакого ставить цену сильно ниже, чем у него: может быть достаточно минимальной разницы, чтобы клиент выбрал дешевое решение. Причём эта цена может быть различна для разных рынков: так, если нужно запустить гражданский спутник в 3 тонны на низкую орбиту, то конкурентом для SpaceX будет Роскосмос (или Арианспейс) с Союзом за 30 миллионов, а если речь о секретном военном спутнике - то соревноваться нужно только с ULA и их Atlas за 150 миллионов: походи по рынку, найди дешевле. Отсюда и высокие цены для Пентагона относительно гражданских запусков: никуда они не денутся, у конкурентов цена ещё выше. При этом в России всё наоборот: существует обоснованная цена, за которой следит военная приёмка и ФАС, и запуска для государства в России дешевле, чем для зарубежных заказчиков.

Вот и получается, что посчитать цену за килограмм вроде бы можно, но без уточнения конкретной ракеты, конкретной массы спутника и конкретной орбиты она не имеет никакого смысла и может отличаться даже не в разы, а на порядок.

UPD. В комментариях вспомнили ещё про один интересный момент - запуски к МКС. Казалось бы, вот она цена Falcon 9 в 62 миллиона за запуск, почему же NASA платит 130? Почему грузоподъемность 15 тонн, а на МКС прилетает всего 3 тонны груза?

Аналогично и с Союзом: и запуск дороже, и груза всего 2,5 тонны.

Ответ на оба вопроса очень простой - корабль. Груз запускается в корабле - который обеспечивает атмосферу и ёмкости для воды, стыкуется к МКС, а потом либо возвращает необходимое (результаты экспериментов, скафандры на обслуживание и т.п.) на Землю, либо сгорает в атмосфере, утилизируя мусор. И корабль, с одной стороны, увеличивает цену запуска вдвое (его тоже нужно изготовить), а с другой - снижает доставляемую нагрузку (потому что сам является её частью). Вот и выходит, что из 4 тысяч долларов за килограмм у Falcon 9 на низкую орбиту получается 40 тысяч за килограмм на МКС.