Космическая эра приближается с нарастающим числом запусков. Загруженность стартовых площадок становится ощутимой для амбициозных планов компаний, работающих в космической отрасли. Чтобы не столкнуться с препятствием на старте, необходимо увеличить возможности для выхода в космос – так, собственно, и переводится с греческого «космодром». Однако это предполагает кардинально иной подход. О том, как открыть путь к звездам, расскажем в нашем материале.
Восточный полигон и его имена
На атлантическом побережье Флориды, в центральной части полуострова, находится крупнейший в США космодром. Он размещён преимущественно на мысе Канаверал, однако это название довольно неточное. История космодрома началась в 1950 году с первых пусков, когда он функционировал как полигон для испытаний баллистических ракет, и с тех пор он неоднократно менял своё название и статус.
На его территории проводились испытания ракет различного назначения, запускаемых с полусотни стартовых площадок. Это были зенитные и метеорологические ракеты, крылатые и межконтинентальные, ракеты подводных лодок, баллистические ракеты различной дальности и базирования. Также из близлежащей акватории было осуществлено более тысячи пусков баллистических ракет с подводных лодок, а для запуска крылатых ракет-носителей использовали воздушное пространство. В связи с этим космодром и сегодня прежде всего функционирует как Восточный ракетный полигон (Eastern Range), самый крупный в Соединенных Штатах Америки.
По мере увеличения количества космических запусков мыс Канаверал стал восприниматься как космодром, включая проведение всех пилотируемых американских полетов. В начале 1960-х годов NASA приобрело земли на острове Меррит, расположенном через реку Банана от мыса Канаверал, и создало Космический центр имени Кеннеди для реализации программы высадки человека на Луну. Военные осуществляли управление стартовыми площадками мыса Канаверал с самого начала, поскольку они являлись частью базы ВВС Мыс Канаверал, которая недавно была переименована в Станцию космических сил Мыс Канаверал.
Космический центр имени Кеннеди остается гражданским объектом NASA, а оба стартовых комплекса по-прежнему интегрированы в Восточный полигон. Количество запусков с этого космодрома не всегда было самым значительным в Соединенных Штатах – были годы, когда лидировал Западный полигон, расположенный на базе ВВС Ванденберг в Калифорнии. В мировом масштабе флоридский космодром обычно занимал вторую или третью позицию по числу запусков в год после космодромов Плесецк и Байконур.
Эпоха меняется. За последние пять лет космодром лидирует в мире по количеству ежегодных пусков. Одновременно возникла важная задача – вывести космодром на более интенсивную работу, схожую с работой аэропорта. Для достижения этой цели необходимы новые методы регулирования и согласования полетов ракет, а также изменение формата работы космодрома.
В двадцати километрах к югу от стартовых площадок мыса Канаверал, на побережье океана, находится база Космических сил (ранее являвшаяся базой ВВС) имени генерала Патрика. Здесь не только размещена штаб-квартира базы Мыс Канаверал, но и 45-е космическое крыло, которое отвечает за все запуски с Восточного полигона. Частью этой структуры является 45-я погодная эскадрилья. Она выполняет значительный объем работы по мониторингу условий окружающей среды в районе полигона и предоставляет рекомендации относительно проведения запусков, в том числе может рекомендовать их отмену, тем самым играя важную роль в принятии решения о возможности пуска.
Сотрудники данного подразделения обеспечивают предоставление метеорологической информации для проведения запусков со всей территории Восточного космодрома. На основании собранных данных 45-я погодная эскадрилья составляет прогнозы погоды, предоставляет рекомендации относительно оптимальной даты старта и оценивает вероятность грозовой активности. Также эскадрилья выдает предупреждения, определяющие допустимые погодные условия для каждого типа ракеты, предназначенной для запуска. Эти ограничения основаны на так называемых погодных критерии запуска NASA проводит расчеты для каждого типа ракеты-носителя.
В течение года 45-я эскадрилья получила 297 запросов на запуск, 225 из них были одобрены, 55 дошли до этапа предстартового отсчета, и в итоге было проведено 32 запуска. Наиболее распространенной причиной отмены запуска стали неблагоприятные погодные условия.
Начало пути, скованное ограничениями: факторы, препятствующие взлету
Флорида расположена в субтропическом климате, благодаря чему влажный и теплый воздух постоянно создает неожиданные погодные явления. Ясные небеса могут за час покрыться отдельными кучевыми облаками, которые через час уже трансформируются в грозовые тучи, мгновенно вызывающие тропические ливни с резкими и мощными порывами ветра. Автору неоднократно приходилось наблюдать вблизи космодрома темные дождевые колонны, у земли расходящиеся раструбом из-за рассеивания мощного нисходящего потока воздуха. Эти дождевые колонны вместе с мощными кучевыми облаками, порождающими их, видны на значительном расстоянии. Они возникают внезапно внутри воздушной массы, перемещаются по территории и могут приближаться к местам запуска на опасное расстояние. Так проявляется флоридская субтропическая тропосфера, обильно снабжаемая энергией солнца, находящегося летом в полдень почти в зените.
Наибольшую угрозу для ракет представляют молнии, которые формируются в грозовых облаках. В районе космодрома на мысе Канаверал во Флориде эти явления происходят значительно чаще, чем на других космодромах в Соединенных Штатах.
Взлетающая ракета представляет собой высокий вертикальный проводник, стремительно поднимающийся в сторону электрического заряда облака. За ней следует столб выхлопа, который сохраняет частичную ионизацию и электрическую проводимость. Таким образом, в облака поднимается готовый молниеотвод, сопровождаемый выхлопным кабелем. Ракеты, обладающие проводящими поверхностями и ионизированными выхлопными газами, могут изменять электрические поля в облаках, что приводит к удару молнии, который в противном случае мог бы не возникнуть. Молнии поражали стартующие ракеты неоднократно, и последствия были разными.
14 ноября 1969 года при запуске «Аполлона-12» с экипажем (вторая высадка на Луну) над Космическим центром имени Кеннеди царила грозовая и неблагоприятная погода. Скорость ветра у поверхности достигала 26 метров в секунду, выпал проливной дождь. Уолт Каприян, впервые назначенный директором старта, принял решение о начале запуска за 13 минут до отметки времени.
Старт был выполнен точно по графику. В момент отрыва от стартовой площадки выпал более сильный дождь, который усиливался из-за акустического поля двигателей сверхтяжелой ракеты «Сатурн-5», достигавшего 220 децибел – это самый мощный постоянный звук, созданный человеком. Через 15 секунд ракета скрылась в облаках. На 37-й секунде полета ее поразила молния, прошедшая сквозь конструкцию, реактивную струю двигателей, выхлопной след и достигнувшая земли через стартовую башню.
Это привело к аварии в бортовой электросети, в результате которой отключились три топливных элемента служебного отсека «Аполлона-12». В командном отсеке «Аполлона» погас свет, большинство измерительных приборов вышли из строя, и активировались аварийные сигналы. Командир экипажа Чарльз Конрад перевел ракету на резервную систему управления.
На 53-й секунде полета во время прохождения носителя молния попала повторно. Гиростабилизированная платформа «Аполлона-12» вышла из строя, что повлекло за собой ожидание автоматического сброса отсека с экипажем. Однако, следуя инструкциям, полученным с Земли, пилот лунного модуля Алан Бин смог активировать топливные элементы. Ракета преодолела грозовые облака, и верхняя ступень с «Аполлоном-12» заняла опорную орбиту. Гироскопы корабля удалось восстановить, после чего полетный комплекс продолжил движение к Луне. Запуски в условиях подобных гроз впоследствии не осуществлялись, а требования к метеорологическим условиям для пуска были изменены.
В марте 1987 года ракета «Атлас-Центавр», с которой был запущен спутник связи ВМС США, подверглась удару молнии спустя 49 секунд после старта. Ракету AC-67 постигла менее благоприятная участь: попадание молнии спровоцировало сбой в работе системы управления и наведения. В результате, бортовой компьютер выдал ошибочную команду, что привело к резкому изменению направления полета и разрушению ракеты.
В мае 2019 года, 27-го числа, во время запуска навигационного спутника «Глонасс-M» с космодрома Плесецк, российскую ракету «Союз-2.1b» поразила молния. Несмотря на это, старт был завершен успешно, и никаких данных о каких-либо повреждениях не поступало.
Для понимания того, насколько строги погодные условия, влияющие на запуск ракеты Falcon 9, стоит обратить внимание на требования к метеорологическим условиям на стартовой площадке. Растущее число запусков все чаще сталкивается с необходимостью соблюдения этих жестких ограничений. Запуск отменяется, если:
- на высоте 49 метров над стартовой площадкой дует устойчивый ветер со скоростью более 56 километров в час;
- наблюдается сдвиг ветра в верхних слоях тропосферы (он может вызвать проблемы с управлением ракетой-носителем);
- при полете ракете предстоит пройти облачный слой толщиной более 1400 метров, который распространяется в зону отрицательных температур;
- менее чем в 19 километрах от площадки есть кучевые облака с вершинами, простирающимися до зоны отрицательных температур;
- менее чем в 19 километрах от площадки находится край грозы, в которой наблюдалась молния в течение 30 минут после предыдущей молнии;
- менее чем в 19 километрах от площадки есть грозовое облако-наковальня (мощное кучевое облако с вершиной, расплющившейся об тропопаузу, нижнюю границу стратосферы);
- менее чем в 9,3 километра от площадки есть облака плохой погоды, распространяющиеся до зоны отрицательных температур и содержащие умеренное или большее количество осадков;
- менее чем в 5,6 километра от площадки есть остатки распавшегося грозового облака;
- ракете предстоит пролет сквозь кучевые облака, образовавшиеся в результате или непосредственно связанные с дымовым шлейфом.
Также запуск должен быть
задержан:
- на 15 минут, если показания прибора измерения напряженности электрического поля в пределах 9,3 километра от стартовой площадки превышают +/- 1500 вольт на метр;
- на 30 минут, если в пределах 19 километров от стартовой площадки или траектории полета наблюдалась молния.
Помимо условий в месте старта, необходимые метеорологические условия должны быть обеспечены и в районе посадки первой ступени ракеты. Это дополнительно ограничивает периоды, подходящие для запуска. Для пилотируемых миссий предъявляются требования к погодным условиям и в нескольких потенциальных зонах аварийной посадки космического корабля в океане, расположенных от побережья Флориды до Гренландии.
На возможность запуска Falcon 9 влияют не только погодные условия. Использование компонентов топлива, прошедших специальную обработку для снижения температуры, предполагает начало заправки за 35 минут до запланированного времени, чтобы избежать их нагрева. В случае переноса старта на два часа, потребуется слить разогревшиеся компоненты и повторно заправить баки охлажденным топливом за 35 минут до нового времени запуска.
Потребность в дозаправке ракеты может свести к минимуму время, отведенное для старта, до одной секунды.
Если запуск не произойдет в эту единственную, строго ограниченную секунду, следующее стартовое окно может открыться спустя значительное время. Это определяется задачами полета и необходимой орбитальной траекторией. «Основная сложность заключается в том, что для многих запусков необходимо начинать именно в этот конкретный момент, – подчеркнул Ханс Кенигсманн, старший советник и бывший вице-президент SpaceX по вопросам надежности сборки и полетов. – Здесь нет большой возможности для маневра, и даже незначительная задержка может привести к неоптимальному времени старта. Через пять минут погода может быть благоприятной, но это не соответствует требованиям для достижения необходимой орбиты».
Большой курултай поднимает знамена
В сложившейся ситуации кратно увеличить частоту запусков становится невозможным. Напротив, увеличение количества пусков требует существенного расширения возможностей для их проведения. Для решения этой проблемы возникла острая потребность в серьезном и всестороннем пересмотре существующих ограничений, внедрении новых методов выдачи разрешений и организации запусков.
Потребность в этом была отражена в прошедшем в конце февраля 47-м саммите космодрома, который ранее назывался Космическим конгрессом. Мероприятие объединило ключевых руководителей и управленческие структуры Космической станции мыса Канаверал, Космического центра имени Кеннеди, 45-го космического крыла и космического подразделения Федерального управления гражданской авиации (FAA). На саммите были представлены обзоры и актуальные данные о состоянии космодрома во Флориде, а также о подготовке к более интенсивному графику запусков по сравнению с 2021 годом. Среди участников – специалисты с богатым опытом работы на Восточном полигоне, знакомые с его особенностями, принимавшие участие в многочисленных запусках и лично командовавшие им, или сами совершавшие космические полеты.
К работе присоединились Боб Кабан, директор Космического центра имени Кеннеди, ранее служивший астронавтом NASA и участник четырех космических миссий на шаттлах, бригадный генерал Стивен Дж. Парди-младший, директор Восточного полигона и командир 45-го космического крыла, и Уэйн Монтейт, заместитель администратора FAA, отвечающий за коммерческие космические перевозки. Уэйн Монтейт также является бригадным генералом в отставке и ранее занимал должности командира 45-го космического крыла и директора Восточного полигона).
В ходе беседы обсуждались текущие вопросы и перспективы развития космодрома во Флориде, после чего было принято решение, что Восточный космодром планирует достичь 60 запусков в год, хотя это значение и не превышает пикового показателя в 70 запусков, зафиксированного в Плесецке в 1977 году. Предполагается, что к 2030 году интенсивность запусков достигнет ста и более в год. В связи с этими прогнозами мистер Кабана, мистер Парди и мистер Монтейт рассмотрели возможность перехода к модели обслуживания запусков, напоминающей работу аэропорта, позволяющей осуществлять один-два старта ежедневно.
Это также соотносится с целью SpaceX по многократному запуску одного носителя в течение суток. По словам Кенигсманна, «для нас успех заключается в переходе от запуска каждые две недели к еженедельному, а затем к ежедневному, при условии безопасного повторного использования одних и тех же компонентов. Это непростая задача. Я полагаю, мы уже преодолели половину пути к ее решению».
Командующий 45-го Космического крыла Стивен Парди подтвердил стремление Космических сил к тому, чтобы иметь полномочия для утверждения всех заявок на запуск с Восточного полигона. Это позволит оказывать компаниям поддержку, аналогичную работе аэропорта, а не типичных государственных космодромов. Для реализации этой цели, по его мнению, необходимо изменение подхода и мировоззрения. Подчиненные Парди анализируют все составляющие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку запусков – от транспортной системы до электроснабжения, связи, безопасности, а также поставок топлива и газов под высоким давлением – «чтобы определить способы устранения любых ограничений, препятствующих осуществлению запусков по первому запросу». Аналогичная процедура применяется в аэропортах при выдаче разрешений на взлет самолетов.
Из чего будет складываться трансформация
Смягчение погодных ограничений. Погодные условия во Флориде остаются неизменными. Атлантический океан, теплый, как вода в ванне, неизменно обеспечивает высокую грозовую активность в этом регионе. Для достижения запланированного количества запусков необходимо смягчить погодные ограничения, особенно касающиеся молний. Однако реальный опыт работы в аварийных ситуациях не позволяет сделать это безвозмездно. Необходимо повысить устойчивость ракет к воздействию молний. Это, в свою очередь, потребует внесения изменений в конструкцию и оснащение ракет, что приведет к увеличению их массы как минимум на сотню килограммов. Но поиск решений в этом направлении, безусловно, необходим.
Динамическое планирование. 45-е Космическое крыло изучает перспективы внедрения автоматизированного планирования деятельности Восточного полигона с целью увеличения количества обрабатываемых запросов от компаний-операторов. В настоящее время каждый запрос на полигоне предполагает многочасовую координацию с подразделениями, отвечающими за безопасность, метеорологию и другими аспектами, включая Федеральное управление гражданской авиации, которое отвечает за обеспечение безопасности воздушного пространства над зоной старта.
Гибкое планирование, основанное на распределении запусков после этапа предварительной подготовки, позволит создать предварительную сетку нераспределенных запусков и заблаговременно выполнить все необходимые подготовительные работы и согласования. Это, в свою очередь, ускорит формирование детального расписания, когда операторы подадут запросы на проведение пусков. Кроме того, появится возможность оперативно корректировать и изменять график стартов конкретного оператора, используя доступные и пока нераспределенные «заготовки» пусков.
Автоматическое прекращение полета. По словам Парди, Восточный космодром сможет увеличить количество запусков благодаря внедрению автоматизированных систем безопасного завершения полета. Для этого требуется разработать ракетное оборудование, которое самостоятельно сможет выявлять отклонения от заданной траектории, превышающие допустимые границы.
При значительном отклонении от заданной траектории, автоматизированная система аварийного прекращения полета отдаст распоряжение о прекращении запуска. Для этого будет произведен подрыв нескольких взрывчатых устройств, расположенных в различных точках ракеты и оптимально подходящих для ее быстрого уничтожения.
SpaceX применяет автоматизированную систему безопасности при каждом запуске. Космические силы утверждают, что к 2025 году к этой новой технологии должны перейти и остальные пользователи космодрома. Прежние системы прерывания полета, в которых человек участвует в цикле управления, предполагают, что сотрудник службы безопасности должен контролировать траекторию ракеты с наземной станции и, при необходимости, вручную отдавать команду на ее уничтожение.
Двойное планирование пуска. Для предотвращения задержек, вызванных неблагоприятными погодными условиями, изучают возможность подготовки к двум альтернативным окнам запуска в течение одного дня, при условии, что баллистическая обстановка это позволяет. Например, SpaceX запускает по 60 спутников Starlink в рамках одной орбитальной плоскости. Вся группировка Starlink состоит из 72 таких орбитальных плоскостей, и все они нуждаются в пополнении новыми спутниками. У компании Илона Маска могут быть разработаны два различных плана полета для одного запуска, и специалисты, ответственные за пуски, имеют право выбирать вариант с наиболее благоприятной погодой. Пропустив запуск в одной орбитальной плоскости, необходимо просто дождаться, пока Земля не повернется, чтобы задержанный пуск был наведен на другую орбитальную плоскость. С учетом новой заправки переохлажденными компонентами топлива, разумеется.
Время не ждет — оно приходит
Упоминание SpaceX в приведенных примерах связано с тем, что на данный момент она является компанией с наибольшим количеством запусков на Восточном полигоне. Ее стратегия, направленная на создание регулярных потоков запусков, стимулирует изменения, затрагивающие космодром. SpaceX оказывает влияние на ключевые структуры, и это уже привело к первым разногласиям – например, недавние споры с Федеральным управлением гражданской авиации (FAA), касающиеся разрешений на проведение испытательных полетов прототипов Starship.
Несмотря на то, что это пока отдельный случай, не имеющий прямого отношения к космодрому на Флориде, он демонстрирует, как SpaceX столкнулась с существующими ограничениями, предполагающими редкие запуски и сложные процедуры лицензирования. В ближайшее время эти трудности значительно обострятся и затронут Восточный космодром – и этот факт очевиден всем.
Помимо SpaceX, модернизация космодрома обусловлена и другими факторами. Скотт Хендерсон, вице-президент Blue Origin, ответственный за пусковые операции во Флориде, также подчеркивает необходимость динамичного планирования и внедрения автоматизированной системы прерывания полета. Запуски ракеты New Glenn запланированы на стартовой площадке LC-36 на мысе Канаверал, и предполагается достаточно интенсивный график полетов.
Firefly Aerospace активно ведет разработку двух ракет – Firefly Alpha и Firefly Beta – и планирует осуществлять запуски с Восточного космодрома. Эти планы имеют под собой прочную основу, поскольку компания получила контракты от NASA, включая соглашения о доставке грузов на Луну.
Relativity Space, базирующаяся в Калифорнии, активно конкурирует с Blue Origin, а возможно, и опережает ее, разрабатывая одноразовую ракету Terran 1 и многоразовую Terran R. Компания не только подписала множество соглашений о запусках, но и в 2019 году выиграла конкурсный тендер ВВС США на модернизацию и эксплуатацию стартового комплекса LC16 на мысе Канаверал, ранее использовавшегося для запусков баллистических ракет «Титан» и «Першинг». Помимо этих компаний, на космической арене появляются все новые участники, некоторые из которых планируют осуществлять запуски с Восточного полигона.
Ошибочно считать, что достижение широкого доступа в космос сводится исключительно к разработке ракет. Такой подход слишком узкофокусированный и не отражает всей сложности задачи. Реальный выход в космос предполагает множество полетов, что требует организации системы разрешений на запуски, автоматизации различных процессов, гибкого планирования потока стартов, инновационного подхода к планированию каждого запуска и пересмотра существующих метеорологических ограничений. Прорыв в этой области невозможен, если сосредотачиваться на одном аспекте в ущерб другим.
Лишь всесторонний подход к решению ряда задач во всех важных областях позволит значительно расширить возможности освоения космоса и создать условия для его активного развития. Космодрому во Флориде предстоит адаптироваться к новым условиям – и, по имеющимся данным, процесс преобразований уже начался.