Сорок лет назад, в апреле 1981 года, космические челноки «Шаттлы» впервые поднялись в космос, а десять лет назад их эксплуатация была завершена. Традиционно утверждается, что они выполнили свои задачи, но оказались слишком затратными. Мы представим иную точку зрения: изначально главной целью этих многоразовых аппаратов была экономичность, поэтому проект изначально оказался неудачным. Проблема заключается в том, что концепция, лежащая в основе «Шаттлов», перекликается с принципами, на которых основано принципиально новое средство космических полетов — Starship. Повторит ли разработка Илона Маска печальную участь космических челноков?
первый полет космического шаттла «Колумбия» состоялся 12 апреля 1981 года. Мы планировали опубликовать этот материал еще несколько дней назад, однако опасались, что он затеряется на фоне празднования 60-летия другого, более значимого события. В июле 2011 года шаттл «Атлантис» совершил посадку, положив конец существованию всей программы.
С тех пор не утихают дебаты вокруг нее. Что это было? Успех, как утверждают представители NASA? (По крайней мере, до тех пор, пока они не уйдут в отставку, после чего начнут активно критиковать). Или же, как считают противники программы, она обернулась катастрофой, которая на десятилетия сдерживала прогресс американской и мировой космонавтики? Попытаемся прояснить ситуацию.
На Марс, к Луне или еще ниже?
Прежде чем определиться с направлением, необходимо понять цель. Почему NASA решило разработать «Шаттл», предназначенный для полетов только на околоземной орбите, а не использовать проверенную комбинацию ракеты «Сатурн-5» и корабля «Аполлон», которая была способна достичь Луны?
В 1969 году стартовало событие, связанное с Ричардом Никсоном поручил вице-президенту выработать дальнейшую стратегию поведения США в космосе. Первая требовала 57-72 миллиардов долларов в год (здесь и далее — в долларах 2021 года) и позволяла Штатам готовить полет на Марс. Вторая предполагала дальше изучать Луну — и стоила не более 57 миллиардов. Третья ограничивалась станциями на низкой околоземной орбите и полетами к ней — с помощью космических челноков. Она стоила всего 36 миллиардов.
Эти цифры явно превышают ежегодные расходы NASA на космические исследования и сегодня. Неудивительно, что программа вызвала недовольство президента Никсона, который считал космические программы слишком затратными и стремился сократить их финансирование. В результате авторам программ предложили рассмотреть альтернативный, более экономичный вариант. В NASA полагали, что президенты сменяются, а космическая деятельность продолжается. Отказ от разработки «Шаттлов» в 1969 году, по мнению агентства, привел бы к сохранению высокой стоимости космических полетов. В этом случае новый президент, вероятно, не одобрит проект низкоорбитальной космической станции.
Использование многоразовых космических челноков позволит значительно уменьшить стоимость полетов и, соответственно, сделать создание космической станции более экономичным. В NASA полагали, что со временем, преемники Никсона примут решение о строительстве такой станции.
Всё это виделось весьма разумным. Однако реальность развеяла все планы.
Впрочем, мы ошибаемся. С самого начала программа «Шаттлов» не выглядела логичной. В 1970 году RAND Corporation получила заказ анализ всего этого проекта (ссылка ведет на американский военный сайт, то есть его держатели блокируют граждан России, но даже бесплатного VPN достаточно). Документ разбирал, целесообразно ли решение разрабатывать «Шаттлы» для удешевления создания орбитальной станции. Анализ показал, что никакого смысла нет.
Основная доля затрат на типичную космическую программу приходится не на серийное производство, а на этапы разработки необходимого оборудования. Например, рассмотрим проекты «Сатурн» и «Аполлон». Если оценивать лунную программу стоила 160 миллиардов долларов (в пересчете на современные деньги) – вот сколько было затрачено на исследования и разработки, связанные с ней 80% от этой суммы.
По данным NASA, каждый новый запуск шаттла стоил примерно 0,5 миллиарда, а с учетом НИОКР — полтора миллиарда. Легко видеть, что на разработку матчасти ушло две трети от каждой стоимости полета. В анализе RAND расходы на НИОКР «Шаттлов» оценивали по обещаниям его разработчиков, поэтому были вдвое ниже реальных. Всего на разработку шаттлов и связанного с ними оборудования ушло не менее 130 миллиардов долларов, а RAND ожидала лишь 57 миллиардов. Это столько же, сколько стоила вся лунная программа — и НИОКР, и сами полеты на Луну. Все равно разработчики RAND сделали верный вывод: существующие одноразовые носители («Сатурны») были дешевле.
Как изменить черный цвет на белый)
Похоже, после публикации отчета RAND, интерес к космическим путешествиям заметно снизился. Зачем разрабатывать «Шаттл», многоразовую ракету, предназначенную для удешевления строительства космических станций, если проще и выгоднее заменить ее существующими одноразовыми носителями, тем самым сократив расходы на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы? Особенно учитывая, что НИОКР являются наиболее затратной частью любого космического проекта.
Однако важен не сам факт мнения, а его источник и способ выражения. RAND провела оценку ситуации беспристрастно? Не имеет значения, новый глава NASA, Джеймс Флетчер, обладал большим опытом в продвижении определенных точек зрения в крупных компаниях. По его инициативе был заказан итоговый отчет о будущем шаттлов недавно созданной компанией Mathematica. Поскольку мы не были свидетелями его объяснений ей о том, как составлять доклад, мы воздержимся от каких-либо догадок.
Ограничимся фактами. Mathematica сделала доклад, в отчете была рассмотрена единственная потенциально экономически оправданная возможность реализации проекта «Шаттлов». Для этого авторы использовали данные о наиболее частых полетах – до десятка в год. Благодаря этому, как предполагалось, снижалась стоимость каждого полета, что позволяло компенсировать затраты на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Однако доклад Mathematica не содержал объяснений относительно источников задач для такого интенсивного использования «Шаттлов.
Политикам проект пришелся по вкусу, поскольку им обещали более низкую стоимость. К сожалению, именно этот фактор, а не более глубокие аспекты, и был главным для чиновников, ответственных за космическую программу в 1970-х годах. Как будет продемонстрировано далее, в конечном итоге расходы оказались выше.
Зарождение челнока: космические амбиции или финансовая выгода?
Первоначально NASA закладывало в проект создание полностью многоразового космического корабля, использующего жидкое топливо для работы всех двигателей. Это должно было облегчить повторное использование всех элементов системы.
Первоначально задуманный как средство сокращения расходов, челнок с самого начала избежал решения ключевых, сложных задач. Вместо ускорителей были применены твердотопливные плохо для безопасности экипажа). Внешний топливный бак с жидким топливом сперва хотели вылавливать из океана для многоразового использования, но потом просто забыли об этом. Ведь из-за этого поднялась бы цена НИОКР.
С самого начала специалисты NASA осознавали, что стандартная система катапультирования возможна только при наличии не более четырех катапультируемых кресел. Однако, создание корабля, рассчитанного на менее чем на семь человек, было признано нежелательным: это снизило бы его универсальность, которая была заложена в первоначальном видении. Установка катапультов на семерых было затруднительно — и их просто… не сделали.
Действительно, вопрос о разработке системы аварийного спасения экипажей на космических кораблях «Шаттл» поднимался. Однако решение оказалось однозначным: внедрение такой системы существенно увеличило бы вес конструкции и стоимость. Неудивительно, что NASA предпочло использовать существующую схему полётов, отказавшись от системы аварийного спасения.
Изначально, на космическом корабле «Восток-1», положившем начало пилотируемой космонавтике, предусматривалась система катапультирования, тогда как на космических челноках, стартовавших спустя десятилетия, ее не было. Возникает вопрос: что произойдет в случае аварии? Очевидно, это приведет к гибели экипажа. Тем не менее, не стоит говорить об авариях, ведь наша техника отличается высокой надежностью!
В 1980-х годах, в ходе расследования первой аварии космического челнока «Шаттл», физик Ричард Фейнман писал:
«В чем кроется необычайная уверенность руководства в безотказной работе «Шаттлов»? Первопричиной является стремление убедить правительство в безупречности NASA для обеспечения финансирования. Второй причиной является подлинная вера в достоверность [прогнозов низкой вероятности аварий], что свидетельствует о почти невероятном дефиците взаимодействия между управленческим персоналом и инженерами [NASA]».
На практике у космических кораблей «Шаттл» было немало уязвимостей. Их алюминиевый корпус состоял из 24 000 керамических плиток, установка которых была сложной, а отрыв плиток — распространенным явлением. Также некоторые поверхности были спроектированы с учетом только аэродинамических нагрузок, что привело к недостаточной прочности.
Учитывая вышеизложенное, становится очевидным, почему Фейнман отмечал: инженеры оценивали вероятность катастрофы «Шаттлов» в 1% (в то время как реальная вероятность составляла около 1,5%). По мнению инженеров, каждый сотый полет был запрограммировано катастрофическим. Учитывая, что ресурс каждого челнока планировался как раз в 100 полетов, по мнению его инженеров, каждый из них имел более чем приличную вероятность погибнуть.
Для системы, рассчитанной на десятки полетов в год, вероятность крушения в 1% представляет собой уровень безопасности, который, скорее, следует охарактеризовать как «гарантированную опасность».
По мнению администраторов проекта, как отмечал Фейнман, вероятность возникновения катастрофы составляла всего 0,001%.
Невозможно понять, как они могли не учитывать мнение инженеров. Подобные схемы неоднократно обсуждались в различных областях. Разделение сфер жизни на узкоспециализированные сектора изначально создало ситуацию, когда никто не осведомлен о том, что происходит по соседству.
Специалист настолько глубоко разбирается в своей области, что не может доступно изложить свои знания для человека, не являющегося экспертом. Администратор стремится понять точку зрения специалиста, однако его собственные знания в области инженерии недостаточны для ясного восприятия мыслей инженера-проектировщика.
Несмотря на это, доклад Фейнмана после первой катастрофы не дошел до руководства NASA. Администраторы по-прежнему не понимали, насколько велика опасность, присущая системе, разработанной в рамках их ведомства.
«Крыло прочно и «Шаттлы» стремительны»: как игнорирование проблем в конструкции «Шаттлов» стало причиной их второй катастрофы
Весьма вероятно, что именно это стало причиной гибели экипажа шаттла «Колумбия» в феврале 2003 года. Во время старта кусок пенополиуретановой изоляции, оторвавшийся от внешнего бака под воздействием воздушного потока, повредил углепластиковую кромку крыла «Колумбии». Повреждение привело к образованию отверстия в тонкой кромке. После завершения работы на орбите шаттл вернулся на Землю, однако при входе в атмосферу раскаленные газы проникли внутрь крыла, разрушив его. Шаттл потерял устойчивость и начал падение. Поскольку системы спасения не было, все астронавты погибли.
Это не являлось предопределенным исходом. На 1 марта того же года планировался запуск космического челнока «Атлантис». В принципе, уменьшив численность экипажа, он мог забрать с «Колумбии» ее семь астронавтов.
Проблема заключалась в том, что для этого администрация NASA должна была проявить такую волю. Шаттл «Колумбия» был выведен на орбиту в середине января 2003 года, и запасы на его борту позволяли находиться в космосе в течение месяца-полтора, однако при условии строгой экономии ресурсов с начала выполнения миссии.
С первого взгляда, ничто не указывало на проблему. Информация о повреждении крыла теплоизоляционной пеной была известна с самого начала – оставалось не определено лишь ее местоположение. Некоторые инженеры NASA даже обращались к Министерству обороны США с просьбой использовать спутник-шпион для получения снимков, чтобы оценить масштаб повреждений. Другие предлагали отправить одного из членов экипажа «Шаттла» в открытый космос для визуального осмотра. Однако, этот вариант был маловероятен, поскольку на борту «Шаттла» не было скафандров для проведения работ за пределами корабля. После проведения подобного мероприятия стало бы ясно, где именно в крыле находится дефект. Это, в свою очередь, создавало необходимость в спасательной операции.
Комиссия по расследованию катастрофы «Колумбии» заключила:
«Проведение этой спасательной операции стало серьезным испытанием, однако оно было успешно завершено».
Ничего из этого не было реализовано. Объяснение таково: перед полетом, даже после доклада Фейнмана, последовавшего за первой катастрофой «Шаттлов», не было должного внимания уделено вероятности повторения трагедии. В результате, никаких сценариев спасательных операций не разрабатывалось. Заявки инженеров в Минобороны были отклонены администрацией NASA.
Когда компьютерное моделирование, выполненное с использованием программы «Кратер», выявило наличие пробоины в крыле, специалисты, проводившие моделирование, просто сказали, они считали, что оценка угрозы была завышена. Они были убеждены: кусок пенополиуретана не способен уничтожить «Шаттл», вероятно, произошел сбой в программе.
Мы, вероятно, не знаем, размышляли ли так все в NASA. К примеру, сотрудник, курировавший управление полетами в то время, утверждал, что объяснил подчиненному свой подход к повреждению «Колумбии»:
«Даже если бы они были в курсе ситуации, возможно, было бы лучше, если бы они об этом не узнали. Не лучше ли для экипажа был бы счастливый полет, завершившийся неожиданной гибелью, чем осознание того, что спасти их невозможно, находясь на орбите?»
Комиссия пришла к выводу, что предотвратить трагедию было возможно. Однако это потребовало бы активных действий: разработки планов и работы над ними. Никто из сотрудников NASA не предпринял необходимых шагов заранее – в частности, в январе 2003 года не удалось своевременно отреагировать и использовать «Атлантис» для спасения людей.
Финансовые ресурсы для покрытия расходов так и не поступили
Несмотря на первоначальные оценки, затраты времени и средств, необходимые для подготовки «Шаттлов» к повторному полету, значительно превысили запланированные. Сложности возникали повсеместно: отваливание плиток происходило чаще, чем ожидалось, а их проверка и замена требовали значительных трудозатрат.
Ожидаемое количество полетов, превышающее десять в год, не было реализовано. В связи с этим, в соответствии с первоначальными планами, космические корабли типа «Шаттл» должны были использоваться для доставки грузов в космос на регулярной основе 560 долларов за килограмм, а в жизни возили за 18 тысяч (стоимость разработки без учета НИОКР могла составлять около 60 тысяч, а с учетом НИОКР – значительно выше. Оценка этого важного показателя оказалась неточной, и погрешность составила от 30 до 100 раз.
За три десятилетия эксплуатации космические корабли «Шаттл» совершили 135 полетов, в среднем 4,75 раза в год. Стоимость одного запуска, включая расходы на исследования и разработки, составляла полтора миллиарда долларов, без учета этих затрат – 0,5 миллиарда. Ежегодный бюджет программы в пересчете на современные деньги превысил семь миллиардов. Общая стоимость составила более 210 миллиардов долларов, что сопоставимо с полутора лунными программами.
В XXI веке бывший глава NASA Майкл Гриффин задался вопросом: как изменилась бы ситуация, если бы вместо разработки шаттлов был выбран сценарий, предложенный RAND Corporation, с использованием ракет «Сатурн» и «Аполлон»?
По его мнению, поскольку НИОКР по ракете и кораблю были полностью завершены, NASA пришлось бы нести лишь операционные издержки. Стоимость одного полета к Луне без учета уже выполненных НИОКР, которые не требуют дополнительных затрат, составляла приблизительно два миллиарда долларов. Полеты на ракетах «Сатурн» к более близким орбитам, например, к орбитальным станциям типа «Скайлэб», значительно дешевле. Типичный бюджет пилотируемой программы NASA составляет не менее десяти миллиардов современных долларов в год. Это эквивалентно стоимости двух полетов на Луну и четырех полетов к околоземной орбитальной станции. Таким образом, 30 лет эксплуатации «Шаттлов» обошлись Соединенным Штатам как минимум в 60 полетов на Луну.
Ракета «Сатурн» была более подходящим вариантом для полетов к орбитальным станциям, чем «Шаттл». Существовала её модификация без первой ступени, «Сатурн-IB». Он мог вывести на низкую околоземную орбиту до 21 тонны, что сопоставимо с возможностями «Шаттла», однако стоимость одного запуска была значительно ниже 0,35 миллиарда долларов, заметно дешевле 0,5 миллиарда для «Шаттлов» (в обоих случаях цены даны без учета НИОКР).
Использование ракеты «Сатурн-5» вместо нее позволило бы при каждом запуске доставлять на орбиту не только полезный груз, но и одну отработанную ступень – именно так в 1970-х годах NASA создала станцию «Скайлэб».
Ступень оказалась настолько огромной, что превышала по размерам станцию «Мир» и составляла половину МКС. Очевидно, пустые ступени можно было бы соединять между собой. В результате, NASA имела потенциальную возможность ежегодно создавать орбитальные станции, сопоставимые по масштабу с современной МКС.
Подводя итоги, «шаттлы» были разработаны с единственной целью – обеспечить более дешевые космические полеты благодаря многоразовому использованию. Попытки обосновать их создание ссылками на возможность извлечения спутников с орбиты и другими функциями не имеют подтверждения в достоверных источниках того времени. Ни в отчете RAND, ни в отчете Mathematica, ни в документах NASA, относящихся к разработке «шаттлов», не упоминается их способность снимать спутники с орбиты в качестве одной из основных задач. Это вполне логично, поскольку на момент создания не существовало значительного рынка по ремонту спутников, и поэтому никто бы не стал основывать крупный проект на чисто теоретических предположениях о таком рынке.
Повествования, подобные «а вот зато «Шаттлы» могли вывести спутник с орбиты», возникают в хронологическом порядке относительно не рано (преимущественно в XXI веке) и почти всегда связаны с попытками оправдать многочисленные трудности, возникшие в рамках программы. Когда выбирали «Шаттлы» в качестве перспективной космической системы, акцент делался не на этом, а исключительно на ожидаемо низкой стоимости космических полетов.
На практике оказалось, что конструкция «Шаттлов» имела недостатки: многоразовым не оказался внешний топливный бак, а содержание в рабочем состоянии керамической плитки и сложных двигателей обходилось в значительные затраты времени и ресурсов.
Безопасности системы уделялось крайне мало внимания. Даже не проводился анализ вероятности событий, аналогичных гибели экипажа «Колумбии». Инженеры предполагали, что каждый сотый полет «Шаттла» может привести к катастрофе (в действительности происшествия случались один на 68), однако администраторы и астронавты не были в курсе этой информации.
Ограничившись использованием кораблей типа «Сатурн» вместо «Шаттлов», Соединенные Штаты смогли бы полностью исследовать поверхность Луны, включая приполярные области, богатые водяным льдом, и при необходимости создать на ней постоянную базу. Кроме того, при наличии желания, американцы могли бы ежегодно возводить по одному комплексу, сопоставимому с МКС.
Нам ничего не остается, как согласиться с выводами Майкл Гриффин, занимавший пост главы NASA в период с 2005 по 2009 год, считает, что вместо разработки космических кораблей «Шаттл» следовало бы поэтапно совершенствовать ракеты и космические корабли «Сатурн» и «Аполлон»».
Предупреждение для Starship?
Одноразовые космические системы испытывают одинаковые ощущения, в то время как многоразовые космические системы испытывают разные. Несмотря на это универсальное правило, у космических кораблей типа «Шаттл» и Starship можно выделить некоторые общие черты.
Во-первых, ни один из них не был оснащен системой аварийного спасения. В случае «Шаттлов» это объяснялось тем, что наличие системы аварийного спасения, аналогичной используемой в «Аполлонах» или «Союзах», привело бы к значительному снижению полезной нагрузки. Альтернативой было бы создание системы большего размера и, соответственно, более высокой стоимости.
Starship оказался в непростой ситуации. Благодаря внутреннему гермообъему, превышающему 800 кубометров, он способен вместить сотни людей. В отличие от экипажа «Шаттла», для которого система аварийного спасения была бы относительно простой, Starship потребует решения циклопических масштабов. Разработка подобной системы сделает корабль неэффективным и непригодным для полетов к Марсу. Изначально Маск проектировал Starship для достижения именно этой цели: полет к Марсу, поскольку Луна не представляет интереса, так как ее невозможно терраформировать с использованием существующих технологий.
Starship и космический шаттл имеют второе сходство — использование теплоизолирующих плиток. Однако, потребность Starship в них значительно ниже, чем у «Шаттла». Корабль SpaceX использует более жаростойкие материалы, в которых отсутствует углепластик и подобные компоненты. Важно отметить, что нержавеющая сталь, из которой изготовлен новый корабль, сохраняет свои прочностные характеристики как минимум до 800 оС, а углепластик начинает делать это уже при 150 оС. Но все же на небольшой части поверхности корабля присутствуют плитки. Хотя они изготовлены из материала, похожего на стекло, а не из керамики, Илону Маску необходимо продемонстрировать, сможет ли он решить проблему их отрыва во время полета. Если отрыв плиток станет систематическим, это существенно затруднит регулярные космические перелеты на Starship.
Конечно, это не обязательно предвещает новой американской многоразовой космической системе такой же печальной участи, как и ее предшественнице. Маск справедливо отмечает, что на пассажирских самолетах отсутствуют системы аварийного спасения, однако они значительно безопаснее автомобилей. Его цель – обеспечить безопасность Starship на уровне авиалайнеров, и в случае достижения этой цели, система спасения станет ненужной.
Условия эксплуатации плитки и проблема перегрева при входе в атмосферу также должны быть упрощены: нержавеющая сталь обладает более высокой устойчивостью к тепловым нагрузкам по сравнению с материалами «Шаттла». Это, безусловно, значительное преимущество концепции Starship, и стоит отметить, что Маск настоял на ее использовании, несмотря на возражения инженеров.
Основной повод для оптимизма в отношении Starship заключается не в технических аспектах, а в организационных вопросах. Администраторы NASA, курировавшие разработку «Шаттлов», сами не занимались проектированием ракет. Их роль заключалась в управлении разработчиками. Инженеры предлагали различные решения, которые администраторы выбирали и вносили в них изменения. Именно таким образом исходные «Шаттлы» были преобразованы в «полумногоразовые», что привело к созданию «дешевого многоразового корабля» с эксплуатационными расходами, превышающими стоимость «дорогих одноразовых ракет».
В отличие от них, Маск за последние 18 лет прошел путь от специалиста до опытного разработчика космической техники. Именно ему принадлежит авторство внедрения переохлажденного топлива в ракеты, выбор посадки на хвост для Falcon и основополагающие концепции Starship. Таким образом, основные решения для новой многоразовой космической системы принимает руководитель, который также является инженером (несмотря на отсутствие профильного образования). Надеемся, ему удастся добиться большего, чем его предшественникам из NASA.