У российской тяжелой ракеты есть потенциал для запуска после Starship, несмотря на то, что ее разработка началась на два десятилетия ранее, и по характеристикам она значительно проигрывает творению Илона Маска. Попытаемся понять, почему современные попытки создания классической ракеты – это неэффективное расходование времени и ресурсов. И заодно ответим на вопрос о том, какую космическую ракету России действительно стоит разрабатывать.
Запуск тяжелой ракеты «Ангара А5» с космодрома Плесецк был запланирован на 23 декабря, однако в последний момент его перенесли на следующий день, а затем еще раз – на 27-е число. Несмотря на то, что часто упоминается о предыдущих полетах «Ангары А5» в 2014 и 2020 годах, предстоящий запуск является принципиально новым. В ходе него впервые планируется использовать разгонный блок «Персей» с увеличенной емкостью баков. За счет этого ракета сможет выводить на геостационарную орбиту (высотой 36 тысяч километров) не 2,8 тонны, а 3,6 тонны. Из одной этой цифры кажется очевидным, что речь идет о большом шаге вперед.
Внешне может показаться иначе, однако реальное положение дел значительно более серьезное.
Причины запуска программы по разработке судна ледового класса «Ангара»
Официально начало работ над ракетой было положено распоряжением президента Российской Федерации от 6 января 1995 года, при этом первый полет был запланирован на 2005 год. Соблюдение этих сроков придало бы проекту значительную актуальность, поскольку унификация модулей позволяла бы снизить стоимость, даже по сравнению с ракетой «Протон», при условии массового производства».
«Ангара» разрабатывалась как конструктор из отдельных элементов, напоминающих карандаши: универсальные ракетные модули позволяли создавать ракеты различной грузоподъемности – от легких (с использованием одного модуля в первой ступени) до тяжелых (с семью модулями). Отдельные ракетные «модули-карандаши» могли транспортироваться по железной дороге, а затем собираться в единую конструкцию в месте назначения. Это было важно, поскольку длина каждого модуля составляла всего 25,1 метра, а диаметр – лишь 2,9 метра. В России, где ракеты традиционно доставляются по железной дороге, транспортировка слишком крупных конструкций затруднена.
К 1994-1995 годов все эксперты ракетно-космической отрасли осознавали, что разработка новых ракетных двигателей в рамках данного проекта нереальна. В то время отрасль не располагала необходимыми ресурсами для создания принципиально новых и сложных решений. В связи с этим, проект предполагал применение только проверенных кислород-керосиновых двигателей, с которых и стартовала отечественная космонавтика.
Действительно, ракетные двигатели на гептиле, такие как «Протон», прошли практическую проверку, и по расчетам их использование было бы более эффективным, чем кислород-керосиновых двигателей. Однако гептил является ядовитым веществом, и именно поэтому с момента Королева его не рассматривают для применения в пилотируемой космонавтике. Тем не менее, в 1990-х годах ракеты семейства Р-7 — разработанные еще Королёвым — признавались устаревшими, и считалось необходимым их замену. Разработка отдельной ракеты для пилотируемой космонавтики оказалась невозможной из-за отсутствия финансирования.
Кислородно-керосиновая ракета «Ангара» в будущем могла бы применяться для пилотируемых миссий — особенно после того, как полеты ее грузовых модификаций собрали бы достаточный объем данных, подтверждающих высокую надежность новой ракеты-носителя. Это был перспективный проект, который привел бы к значительным успехам, если бы он был реализован в установленные сроки.
Люди, хорошо помнящие девяностые годы в России, знают, что в те времена не могло существовать бумажной документации по проекту «Ангара», и такой документации, естественно, не было. Фактические работы начались лишь в конце 2000-х годов, что позволило совершить первый полет нового носителя в 2014 году. И, похоже, сейчас уже слишком поздно.
Слом эпох
В период между мировыми войнами многие государства оснащали свои линкоры мощными артиллерийскими орудиями, значительно превосходящими по своим характеристикам аналогичное вооружение, использовавшееся в Первую мировую войну. Однако в ходе новой войны выяснилось, что они не способны эффективно бороться с авианосцами, поскольку последние могли потопить линкоры, не допуская их сближения на дистанцию артиллерийского огня. Появление ударных авианосцев кардинально изменило характер морских сражений, сделав линкорные флоты нерешающими факторами исхода войны.
Все ракетные разработки, созданные до 2010 года, столкнулись с аналогичной ситуацией. Даже если они превосходили свои предшественники по мощности, качеству и эффективности, со временем их значение утрачивалось.
Все началось с того, что около 20 лет назад бизнесмен африканского происхождения задумал провести небольшую, но эффектную рекламную кампанию, направленную на популяризацию освоения космоса. Ввиду ограниченности финансовых ресурсов он обратился к российским компаниям с предложением приобрести бывшие баллистические ракеты для конверсии. Однако российские структуры запросили цену, превышающую ожидания африканского предпринимателя. Возвращаясь в США, его команда выразила свое разочарование, в то время как Маск работал на своем ноутбуке. Один из его спутников вспоминает: «Мы тогда так и рассуждали: «…й нерд. Что ему сейчас суетиться?» В этот момент нерд произнес:
«Привет всем. Полагаю, у нас есть возможность создать эту ракету своими силами».
Эти слова, произнесенные 30-летним человеком, стали поворотным моментом в истории мирового ракетостроения и, при благоприятном стечении обстоятельств, окажут значительное влияние на судьбу нашей планеты. Маск не просто создал ракету; именно он принимает и принимал важнейшие решения, определяющие технический облик систем SpaceX, часто вопреки мнению своих инженеров), но по пути внес в эту отрасль два очень крупных новшества. Он впервые для земных условий применил ракетодинамическую схему посадки первой ступени ракеты на хвост.
Для обеспечения посадки требовалось значительное количество топлива. Чтобы избежать уменьшения полезной нагрузки, он предложил инновационное решение: заправка ракетных баков керосином и жидким кислородом в переохлажденном состоянии (ниже температуры кипения кислорода, например). Это позволило увеличить плотность топлива по сравнению с ранее используемыми методами. В результате, несмотря на дополнительный расход топлива, необходимый для посадки первой ступени после старта, полезную нагрузку удалось сохранить на приемлемом уровне.
За время работы над этим проектом Маск не ограничивался изучением учебников по ракетостроению (включая советский) и разработкой описанных выше усовершенствований космических аппаратов. Его мысли были направлены на создание ракеты, предназначенной для колонизации Марса. Мы ранее освещали этот проект — вот ссылка, чтобы избежать повторений, сразу рассмотрим влияние Starship на космическую отрасль и российскую «Ангару».
Эффект масштаба
В космонавтике установлено, что доставка килограмма груза на орбиту с помощью легкой или сверхлегкой ракеты значительно дороже, чем с тяжелой, такой как «Протон» или Falcon 9 от SpaceX. Это обусловлено эффектом масштаба: при увеличении размеров ракеты (длины, ширины и высоты) вдвое, площадь ее поверхности возрастает примерно вчетверо, а объем – примерно в восемь раз. Масса пустой ракеты в основном определяется ее поверхностями, поэтому она увеличивается медленнее, чем внутренний объем. В то же время, полезная нагрузка растет пропорционально объему ракеты.
В эпоху развития космонавтики, связанную с домасковским периодом, ключевую роль выполняли тяжелые ракеты-носители «Протон», и именно поэтому ракета «Ангара» (состоящая из нескольких модулей, напоминающих «карандаши») по своим габаритам оказалась схожей с ними. Предполагалось создание еще более крупных ракет, однако рынок для них отсутствовал. Коммерческие клиенты не нуждались в выведении на орбиту спутников массой в десяток тонн и более, а государственные заказчики не планировали полеты к Луне и за ее пределы. В конце концов, лунная гонка давно завершилась, и политику, не ориентированному на престиж, трудно понять необходимость подобных миссий.
Илон Маск и SpaceX предложили нестандартный подход к решению этой задачи. Основатель компании, имеющий африканские корни, пришел к выводу, что колонизация Марса с использованием ракет, сопоставимых по размеру с «Протоном» или Falcon 9, окажется слишком затратной (такие ракеты слишком малы для этой цели), но создание носителя без потенциального коммерческого применения он не сможет себе позволить с финансовой точки зрения. Поэтому было принято решение: если спрос на сверхтяжелый Starship отсутствует, то необходимо создать его самостоятельно.
Для реализации этой концепции он предложил создать сеть из множества тысяч спутников, расположенных на невысоких орбитах, для обеспечения доступа в интернет. Предыдущие проекты использовали спутники на высоте 36 тысяч километров (геостационарная орбита), что приводило к значительной задержке сигнала из-за ограничений скорости света и делало онлайн-игры невозможными. В этой области появилась свободная ниша: Starlink от SpaceX, работающий на низких орбитах, обеспечивал гораздо меньшую задержку. Кроме того, вывод спутников на орбиту осуществлялся значительно дешевле (благодаря запуску на ракете Falcon 9 стоят меньше, благодаря этим характеристикам, превосходящим показатели конкурентов, ракеты компании смогли обеспечить то, что не смогли предложить другие производители. Впервые в истории это сделало спутниковый интернет достаточно удобным для широкой аудитории.
С появлением рынка носителей сверхбольшого объема, носители меньшего размера столкнулись с серьезным кризисом, последствия которого будут необратимыми. Чтобы разобраться в причинах, рассмотрим соответствующие данные.
Масковский Starship достигает высоты около 120 метров, его диаметр составляет девять метров. Масса пустого корабля, объединенного с носителем, приблизительно равна 300 тонн, а масса топлива – 4800 тонн. Первый вариант предполагает полезную нагрузку не менее 100 тонн, в дальнейшем планируется ее увеличение до 150 тонн.
«Ракета «Ангара А5», собранная из секций («карандашей») длиной 25,1 метра и диаметром 2,9 метра, имеет вес 773 тонны и способна вывести на орбиту полезный груз в 24,5 тонны. При этом ни одна из ступеней ракеты не предназначена для возвращения на Землю.
Ракета №1 обладает массой в 5 тысяч тонн и способна вывести на орбиту 100 тонн полезной нагрузки, в то время как ракета №2 весит 773 тонны и выводит на орбиту в четыре раза меньше груза. На первый взгляд, может показаться, что вторая ракета более эффективна. Однако это впечатление обманчиво. Иллюзия эффективности возникает из-за того, что около 300 тонн сухой массы обеих ступеней Starship возвращаются на Землю при каждом полете, что приводит к расходу части топлива. По данным на 2018 год стоимость «Ангары А5» сегодня можно оценить в ~100 миллионов долларов. Значит, каждый килограмм выводимого ею на орбиту груза пока стоит четыре тысячи долларов. Если бы ее выпускали крупной серией, как все еще намеревается делать «Роскосмос», цена эта могла бы упасть в полтора раза. Килограмм груза все равно обходился бы в ~2,5 тысячи долларов.
А вот у Starship стоимость запуска, по самым пессимистичным оценкам, составит 10 миллионов долларов, что дает 100 долларов за килограмм. Сам Маск ожидает в будущем два миллиона долларов за рейс, или 20 долларов за килограмм. Потому что 4800 тонн жидкого кислорода и метана стоят очень и очень немного ( 900 тысяч долларов с услугами заправки), а очень недешевая первая и вторая ступени при пуске не расходуются. Ожидаемое число циклов их использования крайне велико: метан при горении не оставляет сажи, что отличает его от керосина. Поэтому метановые двигатели Starship без переборок можно будет использовать и для сотни полетов без замены. А вот керосиновые двигатели — как на том же Falcon 9 — позволяют использовать первую ступень без серьезного ремонта не больше десятка раз.
Ангара» не способна преодолеть существенную разницу в стоимости, составляющую 2,5 тысячи долларов за килограмм у нее и всего 100 долларов за килограмм у Starship. Для этого потребовалась бы полная многоразовость с сотней циклов использования, что на данный момент является технически нереализуемым. Это обусловлено не только использованием керосина в качестве топлива, который при сгорании оставляет на компонентах ракетного двигателя сажу, что усложняет повторные запуски начиная с десятого.
Ключевым фактором является то, что «Ангара», использующая схему «модуль-карандаш», оснащена лишь одним основным двигателем на ступени. Благодаря минимальному весу пустой ступени, для управляемого спуска к Земле на работающем двигателе (вместо повторного взлета) требуется крайне низкая тяга. Однако, современные ракетные двигатели не способны стабильно функционировать при минимальной мощности – обычно, снижение мощности ниже нескольких десятков процентов от номинала представляет для них серьезную проблему. Возможность посадки Falcon 9 и Starship обусловлена наличием множества двигателей на каждой ступени, что позволяет использовать лишь часть из них при посадке, и при этом не на максимальной мощности.
Ракетодинамическая посадка ступеней на хвост нереализуема для «Ангары»: для ее достижения потребовалась бы полная переработка конструкции, отказ от модульной компоновки в виде «карандашей» и использование принципиально иной двигательной схемы. Даже в случае кардинальной модернизации ракеты, сохранившей лишь название «Ангара», это не решило бы проблему. Преимущество масштаба играет на стороне Starship и против ракет с меньшими характеристиками.
SpaceX также отмечает, что с началом эксплуатации нового носителя ей придется отказаться от Falcon 9, так как эти ракеты утратят свою конкурентоспособность из-за появления более современной разработки. «Ангара», в отличие от Falcon 9, не имеет и, как было продемонстрировано ранее, не может иметь многоразовости даже для первой ступени. Это предопределяет, что ее запуски обойдутся в десятки раз дороже, чем у западного конкурента.
А может, космос просто не для России?
Однажды руководитель «Роскосмоса» произнес такие слова:
«То, что в США разрешили производство жевательной резинки на Луне, не означает необходимости воспринимать это всерьез и следовать их примеру. Нам следует делать собственный, прагматичный выбор, поскольку наши финансовые возможности и ресурсы ограничены, и их необходимо использовать максимально эффективно».
Эти слова, безусловно, касаются не жевательной резинки, а выбора стратегического направления развития космонавтики. SpaceX ориентирован на создание сверхтяжелых ракет, обеспечивающих минимальную стоимость доставки грузов в космос. «Роскосмос» пока не придерживается подобной стратегии, поскольку достижение столь низких цен на вывод грузов возможно лишь при наличии крупных космических аппаратов.
В настоящее время Россия не рассматривает возможность создания системы, аналогичной Starlink, поскольку это требует значительных финансовых вложений и предполагает вывод на орбиту тысячи спутников. Реализация подобного проекта с ограниченным количеством аппаратов экономически нецелесообразна: для обеспечения устойчивого покрытия даже относительно небольшой территории потребуется несколько сотен спутников, что затруднит привлечение достаточного числа пользователей.
Понятно, почему позиция «у нас нет денег на космос» кажется обоснованной. Однако стоит помнить, что эта страна в период пандемического кризиса 2020–2021 годов смогла увеличить свои валютные резервы на 80 миллиардов долларов. За почти два десятилетия существования SpaceX никогда не получала столь значительных финансовых вложений.
Вполне вероятно, что руководство «Роскосмоса» могло бы, пусть и в неофициальной обстановке, справедливо отметить, что государство выделяет на космическую отрасль значительно меньше, чем десяток миллиардов долларов в год. В связи с этим, не столь ли важно наличие значительных ежегодных излишков в государственном бюджете? И этот аргумент был бы вполне обоснованным.
Причина ограниченного финансирования космической программы в России заключается не в отсутствии средств, а в неспособности отрасли убедительно донести до руководства страны необходимость масштабных космических полетов, осуществляемых на профессиональном уровне.
И зачем нам сверхбольшая ракета?
Starship, подобно «Фау-2», является ракетой, которая кардинально меняет геополитическую ситуацию в мире. «Фау-2» послужила основой для создания межконтинентальных баллистических ракет, оснащенных ядерными боеголовками, что привело к существенному изменению военной доктрины того времени. Starship может предоставить космическую транспортную систему, позволяющую относительно дешево размещать в космосе лазерные комплексы мегаваттной мощности, не противоречащие действующим международным соглашениям.
Как мы уже писали, несмотря на то, что их официально называют противоастероидными, эти системы способны перехватывать межконтинентальные баллистические ракеты (МБР). Причем они эффективны против ракет любой степени современности, в отличие от существующей на данный момент американской системы противоракетной обороны. Ни одна ракета не сможет избежать воздействия лазерного луча в открытом космосе, а противоспутниковые ракеты не смогут уничтожить орбитальную лазерную платформу до того, как ее лучи сделают то же самое.
В конечном итоге Соединенные Штаты будут вынуждены воспользоваться этой возможностью. Альтернативы у них нет, поскольку их ракетный потенциал значительно уступает российскому. Российские крылатые ракеты «Калибр» превосходят американские «Томагавки», а полноценных аналогов уже серийно выпускаемым гиперзвуковым ракетам «Циркон» и «Кинжал» у США пока нет. Испытания американских прототипов также проходят неудачно. Разработка новых боевых частей для межконтинентальных баллистических ракет (например, аналогичных уже испытанной российской разработке «Авангард») американскими инженерами пока не начата, не говоря уже о строительстве. Это существенное отставание, которое потребует значительного времени для преодоления.
В сложившейся ситуации идея создания лазерных орбитальных платформ, использующих технологию фазированной антенной решетки, которая уже давно обсуждается в Соединенных Штатах, становится практически неминуемой. Остается лишь вопрос о сроках реализации этого проекта, зависящих от решения, которое будет принято в Пентагоне.
Конечно, к задачам, которые стоят перед российской сверхтяжелой ракетой, можно отнести и необходимость обеспечения возможности участия страны в освоении Марса, которое потенциально может стартовать в ближайшие десятилетия — тут). И что те, кто не примет в нем участие, окажутся в невыгодном положении. Однако это долгосрочная цель, которая пока не всем ясна.
Наиболее целесообразным путем для развития российской космонавтики представляется отказ от доработки ракетных систем, не имеющих достаточного опыта серийного производства. Одновременное создание устаревших ракетных комплексов и современных, эффективных носителей под силу лишь Соединенным Штатам, которые реализуют проекты SLS и Starship параллельно. Для России же было бы нецелесообразно тратить ресурсы на разработку как перспективной ракеты, аналогичной Starship, так и ракеты «Ангара». Более разумным представляется немедленная концентрация на более продуманном решении.
Использование существующих ракетных семейств позволит осуществлять полеты к МКС с Байконура и выводить военные спутники с Плесецка в течение следующих десяти лет, несмотря на то, что их разработка восходит к эпохе Королева. Однако в ближайшие десять лет России необходимо будет создать аналог Starship, и, что интересно, в этой сфере у нее есть определенные преимущества, которыми не обладает Илон Маск.
Поскольку его компания относительно невелика, она не располагает возможностью построить завод для производства ракет, где внутренние компоненты сваривались бы из титановых деталей. Для сварки крупных конструкций такого рода требуются обширные цеха с чистой аргоновой средой, где работают сварщики, облаченные в защитную одежду, напоминающую космические скафандры. Подобные цеха существовали в СССР (при изготовлении крупных подводных лодок), и Россия также способна их создать, но не SpaceX, действующая в стране, где ничего подобного ранее не реализовывалось. И для многоразовых и более космических платформ титан может быть экономически целесообразным решением для внутренней части конструкции. Это связано с тем, что он значительно легче равнопрочных стальных конструкций, что позволит увеличить полезную нагрузку при сохранении общей массы Starship.
У последователя, которому, несомненно, является Маск, часто появляется шанс сэкономить ресурсы, минуя ошибки, которые уже допустил первопроходец. Остается выяснить, когда российское руководство окончательно поймет, что этот путь все же предстоит пройти.