Сорок лет назад, в апреле 1981 года, «Шаттлы» начали летать в космос, а десять лет назад — прекратили полеты. Обычно пишут, что выполнили задачи, но оказались слишком дорогими. Мы покажем обратное: с самого начала задачей этих многоразовых кораблей была дешевизна, поэтому проект был катастрофой. Беда в следующем: общая идея «Шаттлов» похожа на ту, что стоит за принципиально новым средством полетов в космос — Starship. Повторит ли детище Илона Маска судьбу космических челноков?
12 апреля 1981 года шаттл «Колумбия» совершил первый полет. Текст могли бы опубликовать вчера, если не опасения, что он уйдет на фоне юбилея другого события большего масштаба. В июле 2011-го шаттл «Атлантис» приземлился, завершив программу.
С тех пор о ней продолжают вести непрекращаемые споры. Что это было: успех, как заявляют официальные руководители NASA, или же катастрофа, на десятилетия отставшая программу развития американской и мировой космонавтики, как утверждают критики?
На Марс, к Луне или еще ниже?
Для определения направления движения сначала нужно выяснить цель. Что побудило NASA создать «Шаттл», способный летать только на околоземную орбиту, вместо проверенной связки из ракеты «Сатурн-5» и корабля «Аполлон»? Ведь последняя могла долететь до Луны?
Начало было положено в 1969 году с Ричардом Никсоном. поручилВице-президенту предстоит разработать стратегию действий США в космосе. Одна из них оценивалась в 57-72 млрд долларов в год и предусматривала полет на Марс. Вторая — 57 млрд долларов — предполагала дальнейшее изучение Луны. Третья, стоившая всего 36 млрд долларов, ограничивалась станциями на низкой околоземной орбите и полетами к ним с помощью космических челноков.
Кто угодно заметит, что эти суммы существенно превышают годовые расходы NASA на космос сегодня. Такая программа президенту Никсону не понравилась. Он считал, что космос слишком дорог и желал на нём сэкономить. Авторам программ предложили выбрать третий вариант и его значительно сократить. В NASA полагали, что президенты приходят и уходят, а космос остаётся. Если в 1969 году отказаться от «Шаттлов», то полёты в космос так и останутся сравнительно дорогими. Новое руководство страны не одобрит проект низкоорбитальной космической станции, думали в агентстве.
Многоразовые челноки значительно уменьшат затраты на космические полеты, сделав строительство подобной станции более доступным. В НАСА полагают, что преемники Никсона рано или поздно примут решение о ее постройке.
Всё выглядело очевидным. Жизнь разрушила мечты.
Мы ошибаемся, программа «Шаттлов» с первых дней выглядела сомнительной. В 1970 году RAND Corporation получила заказ анализЭтот проект (ссылка ведет на американский военный сайт, то есть его держатели блокируют граждан России, но даже бесплатный VPN достаточно) разбирал целесообразность решения разрабатывать «Шаттлы» для удешевления создания орбитальной станции. Анализ показал, что никакого смысла нет.
Ключевую роль в формировании расходов типичной космической программы играют затраты на проектирование необходимого оборудования, а не серийное производство. Достаточно взглянуть на проекты «Сатурнов» и «Аполлонов». стоила160 миллиардов долларов, опять же в современных расчётах, инвестиции в НИОКР составили… 80% от этой суммы.
Возвращаясь к «Шаттлам», по данным NASA, каждый корабль должен был совершить новые запуски. стоилПримерно полмиллиарда долларов, а с учетом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ — полтора миллиарда. Легко видеть, что на разработку технического оснащения ушло две трети от каждой стоимости полета. В анализе RAND расходы на НИОКР «Шаттлов» оценивали по обещаниям разработчиков, поэтому были вдвое ниже реальных. Всего на разработку шаттлов и связанного с ними оборудования ушло не менее 130 миллиардов долларов, а RAND… ожидалаТолько 57 миллиардов. Столько же обошлась полная лунная программа — как исследования и разработки, так и собственные полеты на Луну. Разработчики RAND всё равно сделали правильный вывод: существующие одноразовые ракеты («Сатурны») оказались дешевле.
Как превратить чёрное в белое.
Кажется, после отчета RAND никуда не едут. Зачем создавать «Шаттл», многоразовый корабль, снижающий стоимость строительства космических станций, если его проще заменить имеющимися одноразовыми носителями и сэкономить на исследованиях? Особенно учитывая, что исследования — самая дорогая часть любой космической программы.
Важно не мнение, а то, кто его формирует и как. RAND дала объективную оценку? Ничего, новый глава NASA Джеймс Флетчер был мастером в продвижении своей точки зрения в крупных корпорациях. Он заказал обобщающий доклад о перспективах «Шаттлов» у недавно образованной компании. MathematicaНе находясь за кулисами во время объяснения ею написания доклада, предположений мы не будем делать.
Ограничимся фактами. Mathematica сделала докладВ отчёте проанализирована единственная экономически обоснованная возможность реализации проекта «Шаттлы». Авторы использовали данные о максимально возможных полётах — более десяти в год. Такой показатель позволял, в теории, снизить стоимость каждого полёта и компенсировать затраты на научно-исследовательские работы.
Однако доклад Mathematica не раскрывает, откуда у «Шаттлов» появятся цели для столь частых полётов.
Однако, политическим деятелям проект приглянулся: ему обещали более низкую стоимость, и это, увы, было всё, что всерьез интересовало чиновников 70-х годов в космической программе. В дальнейшем выяснится, что сумма расходов оказалась большей.
Возникновение транспортного средства для межпланетных полетов: цель – покорение звезд или получение прибыли?
NASA изначально разрабатывала полномасштабный многоразовый космический челнок с жидкостными ракетными двигателями, что позволяло использовать все компоненты системы повторно.
Но появившись при девизе «снижения расходов», челнок с самого начала выбрал путь ухода от решения всех трудных задач. Вместо ускорителей установили твердотопливные (что… ) плохоДля сохранности экипажа сначала рассматривался вариант забрать внешние баки с горючим из океана и использовать их повторно, но от этого отказались, так как это повысило бы стоимость исследований и разработок.
Разработчики NASA с самого начала понимали, что нормальное катапультирование возможно только при количестве катапультируемых кресел не более четырех. Однако создание корабля для менее чем семи человек сочли неприемлемым: это сделало бы его недостаточно многоцелевым по сравнению с исходным замыслом. Создание катапульт на семерых оказалось сложной задачей, и… не сделали.
Вопрос о создании системы аварийного спасения экипажей на «Шаттлах» поднимался, но итог был прост: это значительно увеличило бы массу и стоимость космического корабля. NASA выбрало летать без такой системы.
С «Востока-1», откуда начиналась пилотируемая космонавтика, катапультирование было возможно, а на челноках, летавших спустя десятилетия, его уже не предусмотрено. Что делать в случае аварии? Все погибнут — ничто не скажешь. Не нагнетайте тревогу, с авариями все в порядке, ведь у нас надежно всё!
В 1980-х годы, изучая причину первой аварии шаттла, физик Ричард Фейнман… писал:
Почему руководство так сильно верит в надежность «Шаттлов»? Прежде всего, это попытка убедить правительство в безграничном совершенстве NASA для получения государственных средств. Во-вторых, настоящая вера в заявления о низкой аварийности свидетельствует о поразительном отсутствии связи между менеджментом и инженерами NASA.
В процессе эксплуатации «Шаттлов» выявились существенные недостатки. Алюминиевый корпус с 24 тысячами керамических плиток был сложным в установке и часто отходил. Некоторые поверхности проектировались только под аэродинамические нагрузки, что привело к недостаточной прочности конструкции.
В связи с этим понятно, почему Фейнман заявляет: инженеры оценивали вероятность катастрофы «Шаттлов» в 1% (фактическая составила около 1,5%). Каждый сотый полет с точки зрения инженеров представлялся… запрограммированоПоскольку у каждого шаттла было запланировано не более 100 полетов, инженеры считали, что у каждого из экипажей была большая вероятность погибнуть.
Система, задуманная для десятков рейсов ежегодно, не может считаться безопасной при вероятности катастрофы в 1%.
По мнению Фейнмана, администраторы проекта полагали, что вероятность катастрофы составляла всего 0,001%.
Как могли настолько не знать, что считают инженеры? Мы уже неоднократно упоминали подобную схему в различных областях человеческой деятельности. Разделение жизни на узкоспециализированные секторы сразу же заложило возможность типичного сценария: никто не знает, что делается рядом.
Специалист настолько погружен в свою область знаний, что объяснить их простому человеку уже не может. Администратор пытается понять специалиста, но сам плохо разбирается в технических деталях и не способен точно уяснить мнение инженера-проектировщика по рассматриваемому вопросу.
Доклад Фейнмана после первой катастрофы так и не достиг администраторов НАСА, которые до сих пор не осознавали всю опасность системы, созданной в их организации.
«Крыло крепко, а «Шаттлы» наши быстры»: неумение признать недостатки конструкции «Шаттлов» стало причиной второй катастрофы.
Вероятнее всего, именно по этой причине экипаж шаттла «Колумбия» погиб в феврале 2003 года. При пуске кусок пенополиуретановой изоляции с внешнего бака «Шаттла» отделился под воздействием воздуха и ударил в углепластиковую кромку крыла «Колумбии». Кромка была очень тонкой, в ней образовалось отверстие. Через пару недель на орбите «Шаттл» вернулся на Землю, но при входе в атмосферу раскаленные газы проникли в крыло и уничтожили его изнутри. «Шаттл» потерял стабильность, начал падать. В связи с отсутствием систем спасения все астронавты погибли.
Это не единственный возможный сценарий развития событий. Планировался запуск следующего шаттла «Атлантис» 1 марта того же года. Теоретически, уменьшив состав экипажа, . мог забрать с «Колумбии» ее семь астронавтов.
Проблема заключалась в том, что для этого администрация NASA должна была желать этого. Космический корабль «Колумбия» находился в космосе в середине января 2003 года, запасы на борту позволяли ему просуществовать около месяца-полутора, но при условии строгой экономии с самого начала миссии.
Сначала казалось, что препятствий нет. О повреждении крыла куском теплоизоляции было известно с запуска — оставалось неизвестным лишь место его нахождения. Некоторые инженеры NASA просили Минобороны США сделать снимок спутником-шпионом для оценки масштабов повреждения. Другие предлагали члену экипажа «Шаттла» выйти в открытый космос и осмотреть крыло. Возможности были малы, ведь на тот момент скафандров для внекорабельной активности на «Шаттле» не было. После любой из этих операций можно было бы определить местоположение дыры в крыле. Из этого следовала необходимость спасательной миссии.
Комиссия по расследованию катастрофы «Колумбии» заключила:
Спасательная операция представляла собой вызов, но решаемый.
Ничего этого не сделали из-за отсутствия серьезного осознания возможности повторения катастрофы, несмотря на доклад Фейнмана после первой аварии «Шаттла». В связи с этим не планировали отработанных операций спасения и отклоняли запросы инженеров в Минобороны.
Во-вторых, компьютерное моделирование (программой «Кратер») выявило возможность пробития в крыле. Люди, проводившие моделирование, просто сказалиМнение о том, что угроза преувеличена, было распространено среди них. Было твердо убеждение, что кусок пенополиуретана не способен уничтожить «Шаттл», и в сбой программе они видели виновника ситуации.
Неизвестно, разделяли ли такое мнение все сотрудники НАСА. Человек, ответственный за управление полётами в агентстве в то время… объяснилРаботник применяет собственный метод по уничтожению «Колумбии».
Знаешь ли ты, даже если об этом узнали бы, лучше было бы этого не знать. Разве не лучше экипажу совершить счастливый полет и умереть в его неожиданном конце, чем оставаться на орбите, зная, что ничего нельзя сделать?
Комиссия обнаружила возможность предотвратить трагедию. Для этого требовалось желание: продумывать планы, работать. Никто заранее этим не занимался — в январе 2003 года администраторы NASA не смогли вовремя отреагировать и понять, что можно спасти людей с помощью «Атлантиса».
Эксплуатация обходится дорого, даже денег заработать удаётся с трудом.
Подготовка «Шаттлов» к следующим полётам стала гораздо сложнее и дороже ожидаемого.
Идея о десяти и более рейсах в год не сбылась. В связи с этим «Шаттлы» по плану перевозили бы грузы в космос. 560 долларов за килограмм, а в жизни возили за 18 тысячСтоимость составляла до 60 тысяч рублей без учёта НИОКР, а с учётом — и более. Погрешность в этом главном показателе достигала от 30 до 100 раз.
За тридцать лет эксплуатации «Шаттлы» совершили 135 полетов, по 4,75 в год. Стоимость каждого запуска с учетом научно-исследовательских работ составила полтора миллиарда долларов, без них — 0,5 миллиарда. Ежегодный оборот программы превышал семь миллиардов долларов в современных деньгах. В итоге общая сумма затрат составила более 210 миллиардов, что равно стоимости полутора лунных программ.
В двадцать первом веке экс-руководитель NASA Майкл Гриффин задался вопросом: как бы развивались дела, если бы сценарий RAND реализовался – без космических шаттлов, а только с ракетами «Сатурн» и «Аполлон»?
Его выводы таковы: полное завершение НИОКР по ракете и кораблю освободило бы NASA от затрат на их разработку. Стоимость одного полета к Луне без учета уже выполненных НИОКР составляла около пары миллиардов долларов. Полеты «Сатурнов» на более низкую орбиту, к типам станций «Скайлэб», обходились дешевле. Типичный бюджет пилотируемой программы NASA — не ниже десяти миллиардов современных долларов в год. Это стоимость двух полетов на Луну и четырех полетов к околоземной орбитальной станции. Следовательно, 30 лет полетов «Шаттлами» обходились Соединенным Штатам как минимум 60 полетами на Луну.
Ракета «Сатурн» больше подходила для полетов к орбитальным станциям, чем «Шаттлы». У неё была версия без первой ступени, «Сатурн-IB», которая выводила на низкую околоземную орбиту 21 тонну, почти как «Шаттлы», но стоил всего один её пуск… 0,35 миллиардаВ долларах стоимость значительно ниже 0,5 миллиарда для «Шаттлов» (цена в обоих случаях указана без учёта НИОКР).
Запуская вместо неё в космос «Сатурн-5», каждый полёт позволял вывести на орбиту не только полезную нагрузку, но и пустую ступень; из таких NASA в 1970-х сделала станцию «Скайлэб».
Ступень была настолько массивной, что станция, изготовленная из неё, превосходила «Мир» и составляла половину размеров МКС. Пустые ступени можно было стыковать друг с другом. Следовательно, при желании NASA могло ежегодно создавать орбитальные станции, не уступающие по размерам современному МКС.
Подведём итоги. «Шаттлы» создавались с одной главной целью: осуществлять полёты в космос дешевле, чем прежде, за счёт многоразовости. Многочисленные попытки обосновать их существование возможностью забора спутников с орбиты и прочими функциями не находят подтверждения в реальных источниках времен разработки «Шаттлов». В докладе RAND, в докладе Mathematica и в документах NASA эпохи создания «Шаттлов» способность снимать спутники с орбиты не выступает в качестве одной из главных функций. Это понятно: в момент создания никакого заметного рынка ремонта спутников не существовало, так что базировать развитие огромного проекта на чисто гипотетических идеях о таком рынке никто бы не стал.
Рассказы о возможности Шаттла снимать спутники с орбиты появляются поздно, преимущественно в XXI веке, и часто используются для оправдания проблем программы. В период принятия решения о выборе Шаттлов как будущей космической системы не говорилось об этом, а лишь акцентировалось внимание на их низкой стоимости полетов.
В действительности «Шаттлы» имели конструктивные недостатки: внешние топливные баки не были многоразовыми, а содержание керамических покрытий и сложной системы двигателей занимало много ресурсов и времени.
Безопасности системы уделили слишком мало внимания. Никто не оценил вероятность событий, подобных гибели экипажа «Колумбии». Инженеры предполагали, что каждый сотый полет «Шаттла» обернется катастрофой (на практике один из 68), но администраторы и астронавты об этом не подозревали.
Отказавшись от «Шаттлов» и используя «Сатурны», американцы успели бы изучить всю поверхность Луны, включая приполярные регионы с их водным льдом, и построить на Селене постоянную базу, если бы захотели. Также Штаты могли бы строить по мега-МКС раз в год.
Нам ничего не остается, как согласиться с выводамиМайкл Гриффин, руководивший NASA с 2005 по 2009 год, высказывал мнение о том, что вместо запуска «Шаттлов» следовало постепенно модернизировать «Сатурны» и «Аполлоны».
Предупреждение для Starship?
Все одноразовые космические системы испытывают счастье одинаково, в то время как все многоразовые – по-разному. Несмотря на это общую тенденцию, у «Шаттлов» и Starship есть несколько схожих черт.
Первый и второй тип космических аппаратов не имеют системы экстренного спасения. Пояснение для «Шаттлов» состояло в том, что с такой системой, как у «Аполлонов» или «Союзов», полезная нагрузка уменьшилась бы слишком сильно.
Starship находится в более сложной ситуации. С вместимостью в сотни человек при внутреннем гермообъёме более 800 кубометров система аварийного спасения будет гигантской. Ее создание сделает корабль непрактичным для полета к Марсу, ведь Илон Маск разрабатывал Starship именно для этой цели: Луна его не интересует из-за невозможности терраформирования с помощью имеющихся технологий.
Второе сходство Starship и «Шаттлов» — теплоизолирующие плитки. Ноутбуку стального гиганта в них намного меньше, чем у «Шаттла». Материалы корабля SpaceX более жаростойкие (нет углепластика и прочего). Это важно: нержавеющая сталь нового корабля не теряет прочности как минимум до 800 градусов. оС, а углепластик начинает делать это уже при 150 оНесмотря на то, что большая часть поверхности корабля покрыта не плиткой, а стеклянным материалом, на небольшой её части всё же присутствуют плитки. Илону Маску предстоит доказать, что проблема отрыва этих плиток при полете будет решена. Регулярное выпадение плиток затруднит полёты в космос с необходимой частотой Starship.
Новый американский многоразовый космический комплекс не обязан повторить судьбу предыдущей системы. Маск справедливо указывает, что в самолетах нет систем аварийного спасения, но все же они безопаснее автомобиля. Он намерен повысить безопасность Starship до уровня авиалайнеров, и при успехе этой задачи ему система спасения не потребуется.
Валится меньше плитки и перегревов при входе в атмосферу: нержавеющая сталь лучше противостоит тепловым нагрузкам по сравнению с материалами «Шаттла». Это большой плюс концепции Starship, и радует, что Маск настоял на этом, несмотря на возражения инженеров.
Главная причина оптимизма по теме Starship – организационная. Администраторы NASA, руководившие программой «Шаттл», сами не занимались проектированием ракет. Будучи «специалистами по управлению специалистами», они выбирали и корректировали варианты, предлагаемые подчиненными инженерами. В итоге докорректированный «Шаттл» стал «полумногоразовым», превратившись в «дешевый многоразовый корабль» с эксплуатационной стоимостью выше «дорогих одноразовых ракет».
В отличие от других, Маск за последние 18 лет вырос в хорошего конструктора космической техники. Именно ему принадлежит заслуга внедрения переохлажденного топлива на носителях, выбор посадки на хвост для Falcon и основные идеи для Starship. Значит, ключевые решения для новой космической многоразовой системы принимает руководитель, который также является инженером (хотя и без соответствующего диплома). Будем надеяться, у него получится лучше, чем у его предшественников из NASA.