Российская космическая корпорация выделила три аспекта, вызывающие вопросы в отношении корабля Crew Dragon компании SpaceX. Однако более детальный анализ этих моментов демонстрирует неожиданный вывод: на самом деле, это не является критичными проблемами. Что побуждает российскую космическую корпорацию приписывать недостатки своему главному конкуренту? Парадоксально, но причина не связана с тем, что он сократил долю России на рынке космических запусков. Истинное объяснение кроется в более глубоких факторах. Попытаемся проанализировать ситуацию подробнее.
Июньский выпуск журнала «Русский космос», являющегося ведомственным изданием «Роскосмоса», не мог игнорировать значительное событие: первый запуск космического корабля частной компании с экипажем на борту. Однако освещение этого события было весьма необычным.
Во-первых, попытался найти у Crew Dragon недостатки – что само по себе было бы неплохо. Ведь как только мы находим у чего-то недостатки, сразу появляется возможность их устранить. Если, конечно, речь идет о реальных недостатках. Во-вторых, журнал выпустил колонку, посвященную тому же кораблю Илона Маска, в которой руководитель «Роскосмоса» сделал ряд высказываний.
По этим событиям можно сделать вывод, что реакция руководства «Роскосмоса» на пилотируемый запуск «Дракона» была достаточно эмоциональной. Сразу это может показаться странным: как мы уже писали, новый корабль не представляет опасности для конкретных интересов России в космосе (в отличие от Starship компании SpaceX). Попробуем разобраться в причинах.
Как получилось, что двигатели системы аварийного спасения в Crew Dragon расположены настолько близко к астронавтам
По информации, опубликованной ведомственным журналом, двигатели системы аварийного спасения у корабля SpaceX расположены непосредственно за стенкой пилотируемой секции. Это, как отмечается, вызывает обеспокоенность».
«По мнению ряда экспертов, о чем сообщает «Русский космос», вызывает опасения близость экипажа и значительного объема токсичного горючего (монометилгидразина) и окислителя (четырехокиси азота). Возникает вопрос о потенциальной угрозе безопасности американских астронавтов?
Системы аварийного спасения (САС) применяются в космических кораблях начиная с 60-х годов. Они активируются в случае возникновения нештатных ситуаций с ракетой – как на старте, так и во время полета. Двигатели САС поднимают капсулу с экипажем на большую высоту (если авария произошла на стартовой площадке), после чего на капсуле раскрываются парашюты, и она совершает посадку. Если САС была запущена уже в полете, она отделяет капсулу от ракеты, уводит ее на безопасное расстояние и затем активирует парашюты.
Похоже, наиболее безопасной конструкцией системы аварийного спасения является схема, аналогичная использованной на космических кораблях «Союз» и «Аполлон»: отделяемый модуль, расположенный в передней части космического корабля, чтобы отделить топливо системы аварийного спасения от экипажа. Кроме того, использование двигателей, работающих на компонентах, которые нетоксичны в случае аварии, также является важным фактором. Следует отметить, что системы аварийного спасения кораблей «Союз» и «Аполлон» используют твердое ракетное топливо, а не монометилгидразин, который достаточно токсичен и применяется в Crew Dragon от SpaceX.
Иногда, замечая кажущуюся ошибку, стоит задуматься: правильно ли вы интерпретируете увиденное? SpaceX, безусловно, обладает опытом проектирования космических аппаратов, что подтверждается большим количеством коммерческих запусков, превышающих показатели «Роскосмоса». Что побудило Маска расположить двигатели САС не в отделяемой носовой части, а по бокам от капсулы с астронавтами? И почему на двигателях с токсичным топливом?
Гарретт Райзман, один из консультантов SpaceX и бывший астронавт NASA, объясняет это просто: «толкающее» (двигатели по бокам самой капсулы) решение системы аварийного спасения Crew Dragon безопаснее, чем «тянущее» решение (двигатели в отделяемой башенке сверху капсулы с людьми).
Существует две причины для этого. Прежде всего, отделяемая башенка с двигателями САС, даже при оттяжке капсулы в сторону, может не отделиться в случае аварии ракеты. Действительно, в космической отрасли случаются сбои. Даже российские ракеты-носители «Союз», считающиеся наиболее безопасным и проверенным способом доставки людей в космос, иногда демонстрируют некорректное отделение ступеней, и подобная ситуация может однажды произойти и с неотделением башенки САС.
В данной ситуации спасение астронавтов на борту корабля будет невозможно: парашюты начнут подниматься вверх и, из-за неотделенной башенки, имеют значительный риск не раскрыться должным образом. В результате капсула рухнет на поверхность планеты, что приведет к гибели экипажа.
Существует и еще одна причина: гибкость системы аварийного спасения без башни существенно увеличивается. Традиционный космический корабль, такой как «Союз», при подъеме вынужден отстреливать башню, которая является для него избыточным весом и создает дополнительное сопротивление. В результате, на определенной высоте у корабля отсутствует двигательная тяга САС. В случае возникновения нештатной ситуации, ему придется спускаться на парашютах, что ограничивает выбор места приземления.
В российской космонавтике не всегда посадка космических кораблей проходила в запланированных районах. Такие инциденты крайне опасны и нежелательны. Так, при запуске корабля «Союз-18-1» в 1975 году, из-за неисправности некоторых замков отделения ступеней ракеты-носителя, произошло нештатное разделение ступеней. В результате ступень не вышла на орбиту, а приземлилась на парашютах в неположенном месте.
Речь идет о заснеженном склоне горы Теремок-3, расположенной в Восточном Казахстане. Корабль начал движение вниз по склону, что могло привести к гибели обоих космонавтов. Однако, благодаря счастливой случайности – парашюты зацепились за растительность – «Союз» остановился в 150 метрах от края обрыва. Возникает вопрос: что произошло бы, если бы корабль упал выше, где отсутствует густая растительность?
В 1976 году произошел еще один случай аварийной посадки в неожиданном месте. Космический корабль «Союз-23» потерпел крушение в озере Тенгиз, упав в нескольких километрах от берега. Сначала под воду погрузился выходной люк, что привело к запертости космонавтов внутри. После этого вода спровоцировала выпуск аварийных парашютов, в результате чего корабль перевернулся, а вентиляционные отверстия оказались заблокированы водой. На борту не было достаточного запаса кислорода для выжидания – и один из двух космонавтов потерял сознание из-за недостатка кислорода.
Предпринимались попытки транспортировать или отбуксировать космонавтов к берегу на корабле. Однако из-за бурана и температуры минус 20°C это оказалось сложной задачей. К счастью, буран прекратился, и людей удалось спасти (хотя один из спасателей получил обморожение и потерял два пальца). Каковы были бы последствия, если бы погодные условия не улучшились?
Становится ясно, что интегрированная в конструкцию корабля система аварийного спасения представляется более эффективной по сравнению с отделяемой. Американские космические корабли совершают посадку в океане, что требует выбора района с минимальной волнением (в противном случае возможны ситуации, аналогичные инциденту с «Союзом-23»). Однако периодов, когда Атлантический океан свободен от штормов на протяжении всей потенциальной траектории посадки американских кораблей, наблюдается крайне мало.
В отличие от других систем, САС Crew Dragon может функционировать на любом этапе полета, включая те участки траектории, где башенная система аварийного спасения, подобная той, что применялась на «Союзе-18-1», уже была бы отсоединена.
За счет встроенной САС корабль SpaceX может скорректировать свою траекторию на расстояние до 370 километров – точно туда, куда указывает компьютер Crew Dragon. То есть в нужную зону с минимальной силой волн и/или минимальным удалением от берега. После вышеприведенных примеров с «Союзами» очевидно: это важная черта, действительно повышающая безопасность.
Почему SpaceX остановилась на токсичном топливе
Понятно, почему двигатели системы аварийного спасения интегрированы в корпус Crew Dragon. Однако, остается вопрос: почему для этой системы были выбраны жидкостные, а не твердотопливные двигатели, учитывая использование опасного монометилгидразина?
Двигатели САС ракет «Союз» или устаревшей программы «Аполлон» работают на твердом топливе, которое, в целом, не представляет большой токсикологической опасности. Однако, использование твердотопливных двигателей имеет свои недостатки: они, по своей сути, представляют собой сложные пороховые заряды. Регулировать интенсивность их горения практически невозможно, что приводит к снижению точности приземления космического корабля.
Система аварийного спасения Crew Dragon включает в себя четыре пары двигателей Super Draco. Тяга каждого из них может регулироваться в диапазоне от 20% до 100% от максимального значения. Изменяя тягу отдельных пар двигателей, увеличивая ее для одних и уменьшая для других, можно значительно отклонять траекторию полета аппарата в верхних слоях атмосферы и приземлиться точно туда, куда нужно.
С твердотопливными двигателями САС это практически невозможно реализовать. Поэтому «Союз-18-1» совершил полет, напоминавший спуск на бобслее по крутому склону, а «Союз-23» – послужил прототипом подводной лодки, оказавшейся в казахстанских степях.
Существуют и другие факторы, обусловившие выбор SpaceX в пользу жидкостных ракетных двигателей для системы аварийного спасения. В традиционном космическом корабле, например, «Союзе», САС отстыковывается в атмосфере и не достигает космоса. В Crew Dragon она постоянно находится на борту. Таким образом, во время пребывания на орбите и стыковки с МКС, система аварийного спасения ежедневно подвергается 32 разам интенсивного нагрева и охлаждения на протяжении длительного периода.
Твердое ракетное топливо не подходит для условий, возникающих при орбитальной эксплуатации. Возгорание такого топлива на орбите может привести к непредсказуемым последствиям. В то же время, монометилгидразин и его окислитель, помещенные в герметичные контейнеры, не подвержены влиянию подобных температурных колебаний.
Кстати, это одна из причин, по которой российские космические корабли «Союз» используют специальные двигатели для изменения своей позиции на орбите используют токсичное топливо (тетраоксид диазота и несимметричный диметилгидразин), хотя их количество и составило меньший объем по сравнению с Crew Dragon.
Даже если твердое топливо САС не воспламенится на орбите, его все равно потребуется заменить после возвращения на Землю. Концепция SpaceX основана на многоразовом использовании корабля и максимальном числе его компонентов.
Как насчет аварии Crew Dragon в апреле 2019 года, когда возгорание и взрыв были вызваны утечкой топлива системы аварийного спасения из-за дефекта клапана? Следует учитывать, что создание новых космических систем без инцидентов – явление нечастое. Однако, такие происшествия предоставляют важный опыт, который используется при внесении изменений в конструкцию кораблей и ракет.
SpaceX оперативно внесла коррективы после инцидента прошлого года. Теперь утечка топлива из системы аварийного спасения через клапаны исключена, так как в Crew Dragon оно контактирует только с мембранными предохранительными устройствами.
Упоминание в статье «Русский космос» о том, что прошлогодний инцидент с [Crew Dragon] на наземном стенде подтверждает опасения относительно опасности топлива САС нового корабля, кажется неожиданным. Ведь система была доработана с учетом предыдущих ошибок, поэтому обоснованными сомнения могли быть только в отношении испытательных прототипов Crew Dragon, а не действующего пилотируемого корабля
Определение новой системы аварийного спасения как «революционной» вполне заслужено. Она позволит осуществлять посадку кораблей в случае возникновения проблем с большей точностью, чем предшествующие системы, что значительно повысит безопасность экипажа. Критика этой САС часто связана с недостаточным пониманием причин, по которым SpaceX остановила свой выбор на ней.
В статье, опубликованной в «Русском космосе», среди прочих недостатков Crew Dragon отмечается его чрезмерные размеры: разработчик изначально проектировал корабль для семи человек, однако NASA, из-за ограниченности финансирования для больших экипажей МКС, настояло на уменьшении количества мест до четырех.
Является ли это проблемой для корабля? Мы даже не рассматриваем тот факт, что SpaceX может начать осуществлять полеты не только в интересах NASA (особенно в тех случаях, когда Агентство само прекратит регулярные полеты к станции). В таком случае, ничто не помешает Маску добавить туда еще кресла.
Почему Crew Dragon по праву считается первым частным космическим кораблем
После обсуждения технических, и, как нам удалось доказать, не вполне обоснованных, претензий к Crew Dragon, тот же ведомственный журнал опубликовал колонку «Развенчивая мифы».
Несмотря на распространенное убеждение, глава SpaceX финансировал постройку кораблей не из личных средств, а за счет денег, выплачиваемых американскими налогоплательщиками».
Существует одна сложность: нам не удалось найти ни одного СМИ, которое когда-либо сообщало бы о том, что глава SpaceX финансировал постройку кораблей из личных средств. Все издания, касавшиеся этой темы, указывали, что SpaceX начала создавать, например, гигантский корабль Starship, используя собственные средства, однако в отношении Crew Dragon все источники утверждают, что это проект, профинансированный NASA, и не приводят альтернативных данных.
Впрочем, давайте отложим это обсуждение и перейдем к тезису, который можно легко подтвердить:
«Космодром Восточный, расположенный в амурской тайге, находится в восьми часах полета от Москвы, в регионе, где отсутствовали необходимые рабочие ресурсы, строительная техника и логистические центры (все эти компоненты потребовалось импортировать и создавать на Дальнем Востоке), обошелся в 2,5 раза дешевле американского космического корабля, позиционируемого как частный».
По имеющимся оценкам, затраты на космодром Восточный составляют не менее двух миллиардов долларов. Следовательно, либо на проект Crew Dragon было выделено пять миллиардов долларов, либо приведенное утверждение требует уточнения.
Все расходы на Crew Dragon на 2019 год согласно аудиту NASA – общая сумма инвестиций составила 1,2 миллиарда долларов. Еще 1,3 миллиарда долларов было обещано для будущих полетов к МКС, однако эти средства нельзя учитывать в стоимости разработки самого «частного» космического корабля, поскольку в расходы на полеты к МКС включена, в частности, стоимость ракет Falcon 9, обеспечивающих доставку. Планируемая итоговая стоимость программы НИОКР, непосредственно связанной с созданием Crew Dragon, составляет 1,7 миллиарда долларов.
Это значительно экономичнее, чем космодром Восточный. И не только он. Starliner, космический корабль, разработанный компанией Boeing, стоил Бюджет NASA составляет 2,8 миллиарда долларов, причем космический корабль Orion еще не совершил ни одного полета – 23,7 миллиарда долларов. SpaceX дала США самый дешевый космический корабль в их истории.
В этой колонке можно найти и другие вызывающие вопросы тезисы. В частности, там утверждается: «Не менее удивительным представляется заявление о том, что «впервые частная компания разработала пилотируемый космический корабль». Но разве Boeing и Lockheed Martin перестали быть частными и перешли в собственность государства?»
Напомним: и Boeing, и Lockheed Martin – публичные компании, это организации, акции которых широко распространены и активно продаются на бирже. В связи с тем, что ими не управляют их владельцы, они не являются частными предприятиями.
Различие между частной и публичной компаниями заключается в том, что руководитель частной компании, не ограниченный акционерами, обладает большей свободой действий и может требовать от инженеров реализации своих идей. Так, Илон Маск настоял на посадке первой ступени ракеты на хвост, использовании переохлаждения компонентов топлива и применении нержавеющей стали вместо алюминия. В публичных компаниях, таких как Boeing и Lockheed Martin, подобное невозможно, поскольку владелец не имеет права отдавать распоряжения работникам, игнорируя решения совета директоров. Именно это объясняет, почему их космические корабли и ракеты значительно более консервативны, чем у частной компании SpaceX.
Американский экономист Дж. Гэлбрэйт еще полвека назад отмечал, что акционерные общества, открытые для публичной торговли, по своей сути мало отличаются от государственных предприятий: они, как и последние, управляются не владельцами, а наемными менеджерами. В связи с этим они демонстрируют такую же неспособность быстро адаптироваться к изменениям на динамично развивающихся рынках.
Суть не ограничивается лишь формой собственности и различиями, которые она создает между частными и публичными компаниями. Не менее значима и техническая сторона вопроса: ни Boeing, ни Lockheed Martin не разрабатывали и не эксплуатировали собственные пилотируемые корабли. SpaceX первой реализовала это направление – до этого Boeing и Lockheed Martin лишь выполняли заказы NASA, создавая корабли по их требованиям и спецификациям, которые, в свою очередь, принадлежали NASA.
SpaceX, а не NASA, разработала Crew Dragon, что объясняет, например, то, что система аварийного спасения встроена непосредственно в корабль, в отличие от Orion, где она находится в отделяемой конструкции. Orion создается американскими компаниями аэрокосмической отрасли, но уже не по государственному, а по частному заказу.
Бесполезно искать недостатки там, где их попросту нет
Мы пришли к выводу, что положения «Русского космоса» касательно Crew Dragon от SpaceX содержат определенные упущения и неверные сведения. Более того, авторы этих положений, вероятно, были осведомлены об этих недостатках. Однако, зачем заявлять о чем-то, что противоречит их собственным предыдущим заявлениям?
Вероятно, стремление выявить уязвимости, которых на самом деле может не существовать, объясняется довольно простыми причинами. На протяжении многих лет Роскосмос сообщал нам, что многоразовые решения SpaceX не имеют очевидного экономического смысла, многоразовые ступени не дают удешевления, посадка на хвост бессмысленна и так далее.
Недавно, как мы уже писали, Роскосмос сам утвердил техническое задание на ракету, садящуюся на хвост. Снова начали вести проработки по метановым двигателям – что явно отражает успех метанового Raptor от SpaceX на испытаниях.
В российском космическом ведомстве, наконец, признали важность SpaceX и приняли вызов, брошенный этой компанией. Сейчас мы находимся лишь в начале этого пути, однако в ближайшие годы Роскосмосу потребуется более активно перенимать решения, применяемые SpaceX. И это, несомненно, позитивное развитие.
У этого подхода есть и обратная сторона. Если бы мы были на месте российской космической корпорации, то годами, отвечая на запросы руководства о причинах успеха SpaceX и вытеснении нас с рынка, мы бы убеждали их в неэффективности многоразовой первой ступени. Нам казалось, что решения Маска вызывают сомнения и не соответствуют требованиям безопасности.
Стала настолько заметной, что мы сами перенимаем эти «сомнительные идеи». Не сегодня, так завтра руководство спросит: «А почему мы восемь лет высмеивали это и не предприняли никаких действий в ответ на конкурента?» Что же нам остается, кроме как искать изъяны в SpaceX, надеясь, что руководство не знает, что интегрированная система управления рисками на самом деле повышает безопасность, а не уменьшает ее?