El transbordador espacial fue diseñado para ser parcialmente reutilizable, pero luego se cerró porque resultó ser muy costoso de operar en comparación con las naves espaciales desechables.
Ahora Falcon 9 es repentinamente reutilizable en gran medida y presumiblemente no es tan caro.
¿Cómo lo hace Falcon 9 después de que el transbordador espacial no pudo hacer lo mismo?
Hay muchos factores que contribuyen a este problema.
El transbordador fue diseñado en la década de 1970 y la tecnología ha madurado desde entonces. Además, los problemas con los que se encontró el transbordador (aunque en realidad pueden haber sido predecibles en ese momento) ahora son más obvios y un nuevo diseño puede intentar evitarlos.
Considere el caso simple del escudo térmico en el transbordador. Estaba compuesto por decenas de miles de pequeños mosaicos. No estaba claro que pudieran hacer baldosas grandes, de la forma correcta, que pudieran soportar las cargas de flexión y demás. Pero eso agregó un monstruoso costo de mano de obra en la restauración del orbitador después de cada lanzamiento. Usted vio que la NASA intentó reemplazar algunos de los mosaicos donde pudo con mantas más grandes más adelante en el programa.
SpaceX optó por un sistema funcional conocido (PICA) actualizado para el nuevo siglo y usó piezas bastante grandes. (Además, una cápsula es mucho más pequeña para recubrir que algo del tamaño del Orbiter)
Los motores del transbordador eran de primera línea, posiblemente los motores de mayor rendimiento jamás construidos y utilizados en la producción. Pero junto con eso vienen los costos de mantenimiento que nuevamente se mitigaron un poco al final del programa con varias actualizaciones a las SSME.
SpaceX optó por el diseño más confiable que pudieron encontrar en la familia Merlin, un inyector de clavija, y dedicó mucho tiempo y esfuerzo a hacer que el motor fuera asequible y de alto rendimiento. También iteraron más rápido. Si bien es cierto que los elementos del SSME se actualizaron durante la vida del programa, la familia Merlin progresó en un tiempo mucho más corto desde Merlin 1A, 1B, 1C y 1D con una actualización adicional del 1D pendiente pronto.
Los SSME están en el rango de empuje de 660 Klb, mientras que la familia Merlin comenzó en el rango de 70 Klb y se ha actualizado a 195 Klb (y en camino más alto nuevamente con el Block 5 Falcon 9), que es un problema mucho más simple y más fácil de diseñar. , y más fácil de reutilizar en teoría.
Considere el tamaño. El sistema STS es enorme, con 7 millones de libras de empuje en el despegue frente a un Falcon 9 con solo 1,3 millones de libras de empuje. Obviamente, la masa del sistema es vagamente similar, ya que se necesita un T/W mayor que 1 para despegar. (De lo contrario, te sientas en la almohadilla quemando propulsor).
El sistema de SpaceX es mucho más pequeño y, por lo tanto, mucho más fácil de recuperar. Considere el problema de recuperar una cápsula (Dragón) contra el Orbitador. Entonces considere reutilizar. (Para ser justos, SpaceX aún tiene que reutilizar una cápsula Dragon, independientemente de los planes para hacerlo. Editar: 2 años después, 2 Dragons han vuelto a volar y se espera que las 10 misiones CRS restantes usen Dragons reutilizados).
Desde una decisión de diseño, la elección de las alas frente al aterrizaje vertical es un gran diferenciador. Solo el tiempo dirá si SpaceX tomó la decisión correcta. La NASA claramente no tomó la decisión correcta con su enfoque general. (SNC argumentaría que las alas se pueden hacer correctamente, el tiempo lo dirá, pero no está claro si alguna vez se lanzarán). (Editar: 2 años después, han aterrizado 23 primeras etapas sin alas prácticamente sin fallar. Así que probablemente sea una buena elección de diseño).
El transbordador necesitaba un ejército permanente de unas 24.000 personas para mantener el sistema. El empleo total de SpaceX todavía está por debajo de 5000. Considere el costo de los salarios de 24,000 personas frente a 5,000 y divídalo entre la cantidad de lanzamientos por año. Este es un gran contribuyente a los costos del sistema.
Por razones políticas, el transbordador se construyó en muchos estados, al igual que se construye el Ariane 5 europeo. De esta manera, diferentes senadores y congresistas estarían dispuestos a votar por él, ya que proporcionó una gran cantidad de puestos de trabajo en sus distritos. Esta es una receta para la ineficiencia. Como han demostrado esos dos programas.
SpaceX construye casi todo en un sitio (Hawthorne, CA), prueba en un segundo (McGregor, TX) y lanza desde un tercero (LC-40). (Pronto será el cuarto (LC-39A) y el quinto (Brownsville, TX). Para órbitas polares, lanzan desde la Base de la Fuerza Aérea Vandenberg en California (LC-4). Cuando hablan sobre su lanzador de próxima generación, sugieren que planean construir y probarlo junto al lugar de lanzamiento, principalmente porque será demasiado grande para transportarlo.
Probablemente podría continuar por más tiempo. Basta con decir que esto es comparar cacahuetes con sandías.
Para evitar el riesgo de desviarme del tema, comenzaré reformulando la pregunta en 2 partes diferentes. Esto se hace para que toda la evidencia construya directamente una respuesta a la pregunta. En este caso, la pregunta es:
En primer lugar, necesitamos definir "éxito". Para esta definición, usaré la misma referencia que se usa para hacer el argumento general. Mi propia referencia también usa una referencia para hacer su argumento, que es mucho más esotérico, así que aquí están los dos:
Puede ver en sus tablas que se analizaron diferentes escenarios y se compararon con la opción alternativa del Titan III. Para nuestros propósitos, Titan III es el sistema de lanzamiento prescindible alternativo. Por lo tanto, puedo afirmar razonablemente que el éxito se evaluó (y debería evaluarse) sobre la base del costo del sistema de lanzamiento reutilizable frente al sistema prescindible alternativo . El grado de éxito se define como la tasa de rendimiento utilizando el análisis financiero estándar. Una tasa de rendimiento del 0 % o menos es un "no ir", pero la tasa de rendimiento competitiva es un tema de debate.
Ofreceré el hecho de que, en ese año, el diseño del transbordador espacial no estaba finalizado de todos modos. Así que esto no se aplica necesariamente a la versión final. Sin embargo, la afirmación subyacente es tan fuerte que creo que aceptará que probablemente no importe.
De manera un tanto trivial, la economía de un sistema reutilizable depende del número de lanzamientos. En primer lugar, tiene una inversión de capital en I + D y hardware, luego ese costo se recupera más tarde a partir de la reducción de las necesidades de fabricación. Los estudios que tenemos del diseño del transbordador espacial reflejan exactamente esto. Dan la competitividad del sistema de lanzamiento en función de la tasa de lanzamiento.
La tasa de lanzamiento real del transbordador espacial fue de 4,5 lanzamientos por año, como hecho histórico. El estudio anterior encontró que el sistema alcanzaría el punto de equilibrio (definido como una tasa de retorno del 0 %, pero aún recuperando la inversión) si se lanzara unas pocas menos de 28 veces al año. Hubo más estudios además de este, pero todos tenían el mismo pensamiento general. Las tasas de vuelo estudiadas tendían a comenzar en 40 o más por año.
Llegamos a una conclusión simple: cualquiera que leyera racionalmente la literatura en ese momento habría concluido que el transbordador espacial sería terriblemente antieconómico a las velocidades de vuelo para las que se usó. El hecho de que aún se desarrollara probablemente refleje 1) un exceso de optimismo por parte de los diseñadores de la demanda de vuelos espaciales del Congreso y también 2) un exceso de optimismo por parte de los formuladores de políticas sobre el rendimiento y la flexibilidad de la tecnología. Al final, EE. UU. utilizó una solución para resolver un problema para el que no estaba diseñado exactamente. Esto se debe principalmente a que el uso previsto evolucionó con el tiempo y el diseño era demasiado inflexible para adaptarse (en parte debido a los enormes costos irrecuperables).
¿Por qué el F9R es diferente?
Apliquemos aquí el mismo enfoque lógico. ¿Cuál es la alternativa prescindible al F9R (Falcon 9 reutilizable)? Eso es simplemente el F9. Al igual que una escalera mecánica "rota" se convierte en escalera, un sistema de lanzamiento reutilizable fallido simplemente se convierte en un sistema de lanzamiento prescindible. Esto sucedió en enero de 2015 cuando el esfuerzo de recuperación de la primera etapa fracasó después de impulsar un lanzamiento exitoso. El programa de transbordadores, por otro lado, estaba a años luz de su sistema prescindible alternativo.
En realidad, hay muchas razones para pensar que al F9R le irá mucho mejor:
La NASA fue un programa espacial masivo que desarrolló un sistema de lanzamiento reutilizable y luego se redujo a un programa espacial más pequeño. SpaceX es una pequeña empresa de servicios de lanzamiento que espera que la reutilización la convierta en una empresa espacial gigante.
La mayoría de estos argumentos son sólidos, pero los factores del lado de la demanda aún pueden afectar a SpaceX de la misma manera que lo hicieron con el transbordador. La tasa de lanzamiento de equilibrio para el F9R sobre el F9 es más baja que la del Shuttle, pero aún podría ser mayor que su tasa actual. En ese sentido, su éxito no está garantizado, pero cualquier persona con optimismo del lado de la demanda predeciría razonablemente el éxito. En el peor de los casos, esto significa que su inversión se desperdició. Los peores escenarios para el transbordador eran mucho más graves.
Reutilizar la primera etapa o los propulsores solos es mucho más fácil que reutilizar una nave espacial que va a la órbita y regresa. Los requisitos del escudo térmico de una primera etapa reutilizada son mucho más bajos que los de un escudo térmico necesario para regresar de la órbita.
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