12 апреля 1981 года шаттл «Колумбия» совершил первый полет — и мы бы опубликовали этот текст еще позавчера, если бы не опасения, что он потеряется на фоне 60-летия другого, более крупного события. В июле 2011-го шаттл «Атлантис» приземлился, завершив историю всей программы.
С тех пор о ней идут непрерывные споры. Что это было? Успех, как заявляют официальные руководители NASA? (До тех пор, пока не уйдут в отставку, конечно, после чего начинают бурно критиковать). Или же, как утверждают критики программы, она стала катастрофой, на десятки лет задержавшей развитие американской и мировой космонавтики? Попробуем разобраться.
На Марс, к Луне или еще ниже?
Чтобы понять, куда идти, сперва надо понять, зачем. Отчего NASA захотело создать «Шаттл», способный летать только на околоземную орбиту, вместо уже испытанной на тот момент связки из ракеты «Сатурн-5» и корабля «Аполлон»? Тем более что она могла долететь до Луны?
Все началось в 1969 году, когда Ричард Никсон 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.
Астронавты Джон Янг и Роберт Криппен, первый экипаж «Шаттлов», отправившийся в полет 12 апреля 1981 года / ©NASA
Любой может заметить, что эти суммы намного больше, чем NASA тратит на космос в год и сегодня. Естественно, такая программа не понравилась президенту Никсону. Он считал, что космос обходится слишком дорого — и хотел на нем сэкономить. Поэтому авторам программ предложили выбрать третий вариант и сильно урезать его. В NASA посчитали, что президенты приходят и уходят, а космос остается. Если в 1969 году отказаться от «Шаттлов», то полеты в космос так и останутся сравнительно дорогими. И тогда новый президент не одобрит проект низкоорбитальной космической станции, думали в агентстве.
Но вот если сделать многоразовые челноки, то это резко снизит стоимость полетов в космос, то есть создание такой станции станет дешевле. Рано или поздно, рассуждали в NASA, преемники Никсона решат построить и станцию.
Все это казалось таким логичным. Реальная жизнь превратила планы в труху.
Впрочем, мы не правы. Программа «Шаттлов» не казалась логичной с самого начала. В 1970 году RAND Corporation заказали 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.
Все дело в том, что основную часть стоимости типичной космической программы поглощает не серийное производство, а расходы на разработку нужных изделий. Возьмем «Сатурны» и «Аполлоны». Если вся лунная программа стоила 160 миллиардов долларов (опять же, в современных долларах), то НИОКР по ней обошлись в 80% от этой суммы.
Вернемся к «Шаттлам». Согласно NASA, один новый пуск каждого челнока 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 сделать черное белым (бывшим госслужащим этот кусок можно пропустить)
Казалось бы, после отчета RAND «уже никто никуда не едет». Какой смысл создавать «Шаттл», многоразовый носитель, снижающий стоимость строительства космических станций, если его дешевле заменить имеющимися одноразовыми носителями, сэкономив этим на НИОКР? Тем более что НИОКР — самая дорогая часть любой космической программы.
Однако важно не то, что считают, а кто и как. RAND оценила ситуацию объективно? Ничего, новый глава NASA Джеймс Флетчер был матерым знатоком того, как надо продвигать свою точку зрения в крупных корпорациях. Он заказал обобщающий доклад по перспективам «Шаттлов» у недавно образованной компании Mathematica. Мы не стояли за кулисами в момент, когда он объяснял ей, как писать доклад, поэтому не будем строить предположений.
Ограничимся фактами. Mathematica сделала доклад, в котором рассмотрела единственную мыслимую возможность экономически целесообразной реализации проекта «Шаттлов». Для этого авторы отчета взяли цифры максимально частых полетов «Шаттлов» — до уровня больше десятка в год. Тогда, за счет в теории меньшей стоимости одного полета, удавалось отбить затраты на НИОКР. Увы, доклад Mathematica не объяснял, откуда у «Шаттлов» возьмутся цели для столь частых полетов.
Зато он понравился политикам: им обещали «подешевле» — и это, увы, было все, что всерьез интересовало чиновников 70-х в космической программе. Как мы покажем ниже, в итоге заплатить пришлось больше.
Рождение челнока: куда мы летим — в космос или к деньгам?
Исходно NASA планировало полноценный многоразовый корабль-челнок. С жидким топливом для всех двигателей, что упрощало многократное использование всех компонентов системы челнока.
Однако, родившись под лозунгом «снижения затрат», челнок с самого начала пошел по пути избегания решения всех сложных вопросов. Ускорители заменили на твердотопливные, сперва их хотели ловить из океана для многоразового использования, но потом просто забыли об этом (опять же, из-за этого поднялась бы цена НИОКР).
Размеры «Шаттлов» в миллиметрах (вместе с ускорителями). Масса всей системы на стартовом столе — 2045 тонн, из которых на экипаж и груз может приходиться не более 29,5 тонны. На два боковых твердотопливных ускорителя приходилось 1180 тонн, на внешний топливный бак с жидким топливом (для двигателей самого челнока) — 756 тонн. Непосредственно челнок (на схеме назван орбитером) даже с полезной нагрузкой весил меньше ста тонн / ©Wikimedia Commons
Разработчики NASA с самого начала знали, что нормальное катапультирование доступно, лишь если катапультируемых кресел не будет больше четырех. Но делать корабль менее чем для семи человек посчитали неверным: тогда он получился бы не таким многоцелевым, каким его исходно видели. Делать катапульты на семерых было сложно — и их просто… не сделали.
Вообще-то, сам вопрос о создании системы аварийного спасения экипажей на «Шаттлах» ставился. Но итог был прост: это сильно утяжелило бы его конструкцию. И подняло стоимость. Несложно догадаться, что NASA выбрало летать так — без системы аварийного спасения.
В прямом смысле: у «Востока-1», с которого начиналась пилотируемая космонавтика, катапультирование было, а на полетевших через десятки лет после него челноках — нет. А что, если случится авария? Значит, все умрут, что тут скажешь. Да и вообще, не нагнетайте, какие аварии, у нас же все надежно!
В 1980-х, расследуя первую катастрофу «Шаттлов», физик Ричард Фейнман писал:
«В чем причина фантастической веры менеджмента в надежность «Шаттлов»? Первая причина <...> — попытка убедить правительство в совершенстве NASA, чтобы успешно получать госсредства. Вторая причина <...> — искренняя вера в правдивость , показывающая почти невероятный недостаток общения между менеджментом и инженерами ».
На практике у «Шаттлов» оказалось не так мало слабых мест. Их корпус был покрыт керамической плиткой — очень сложной в установке и поддержании. Кроме того, часть поверхностей сделали в расчете исключительно на аэродинамические нагрузки. В итоге прочность их оказалась недостаточной.
В свете всего этого легко понять, почему Фейнман констатирует: инженеры оценивали вероятность катастрофы «Шаттлов» в 1%. То есть каждый сотый полет, с точки зрения инженеров, 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, изначально нацеленной на десятки полетов в год, вероятность катастрофы в 1% — это уровень безопасности, который скорее следует назвать «уровнем гарантированной опасности».
Система аварийного спасения корабля «Аполлон» на испытаниях. Как мы видим, в США тоже осознавали необходимость подобных систем. Увы, для «Шаттлов» их использование сделало бы челноки слишком тяжелыми и дорогими. Поэтому от нее отказались / ©NASA
А вот администраторы проекта, отмечает все тот же Фейнман, считали, что вероятность катастрофы равна лишь 0,001%.
Как они могли настолько не знать, что считают инженеры? Мы уже не раз упоминали подобную схему в самых разных областях человеческой деятельности. Когда мы разделили все сферы жизни на узкоспециализированные сектора, то сразу заложили возможность типичного сценария: никто не знает, что делается рядом.
Специалист так специализирован, что уже не может объяснить свои знания неспециалисту. Администратор пытается услышать специалиста, но сам настолько плохо представляет инженерные вопросы, что не способен четко понять, что же думает о вопросе инженер-проектировщик.
Причем следует учитывать: доклад Фейнмана после первой катастрофы так и не смог достичь мозга администраторов NASA. Они по-прежнему не осознавали, насколько высока аварийность созданной в их организации системы.
«Крыло крепко и «Шаттлы» наши быстры»: как неспособность осознать неудовлетворительность конструкции «Шаттлов» привела к их второй аварии
С высокой вероятностью именно поэтому погиб экипажа шаттла «Колумбия» в феврале 2003 года. Как известно, при пуске кусок пенополиуретановой изоляции с внешнего ускорителя «Шаттла» оторвался от набегающего 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 вошли в крыло и уничтожили его изнутри. «Шаттл» потерял стабильность, начал падать. Системы спасения не было, поэтому все астронавты погибли.
Так выглядела пенополиуретановая теплоизоляция внешнего бака «Шаттла». Она была необходима потому, что без нее на баке с жидким водородом и кислородом образовался бы лед. Куски льда, отлетая от носа бака и ударяя по «Шаттлу», наделали бы в нем дырок. Однако разработчики даже не задумались над тем, что пенополиуретановая пена тоже может отлететь от обшивки бака и сделать дырки в крыле шаттла / ©NASA
Но это было вовсе не обязательным развитием событий. Дело в том, что на 1 марта того же года был намечен следующий пуск шаттла «Атлантис». В теории, взяв поменьше членов экипажа, он мог забрать с «Колумбии» ее семь астронавтов.
Беда в том, что для этого администраторы NASA должны были хотеть этого. «Колумбия» оказалась в космосе в середине января 2003 года, запасы на ее борту позволяли просуществовать в космосе месяц-полтора, но при условии их жесткой экономии с самого начала миссии.
При старте «Колумбии» (на фото) видеокамеры зафиксировали отрыв куска пенополиуретана от бака и удар оторванным куском по крылу челнока / ©NASA
На первый взгляд, этому ничего не мешало. О повреждении кромки крыла было известно с момента старта — оставалось неясным лишь то, где оно находится. Более того, ряд инженеров NASA просили Минобороны США сделать фото спутником-шпионом, чтобы понять размах повреждения. Другие предлагали одному из челнов экипажа «Шаттла» выйти наружу, осмотреть повреждения. Здесь, правда, шансов было немного: скафандров для внекорабельной активности на «Шаттле» не предусматривалось. После любого из этих действий можно было понять, что в кромке крыла дыра. Из этого сама собой вытекала необходимость спасательной миссии.
Комиссия по расследованию катастрофы «Колумбии» заключила:
«Такая спасательная операция была вызовом, но вполне преодолимым».
Ничего этого не сделали. Причина? Во-первых, перед полетом, несмотря на доклад Фейнмана после первой катастрофы «Шаттлов», никто просто не задумывался над возможностью ее повторения всерьез. Поэтому никаких отработанных операций спасения не планировали. Запросы инженеров в Минобороны администраторы отклонили.
Шаттл «Атлантис» на старте. В 2003 году он должен был полететь 1 марта, через полтора месяца после запуска «Колумбии». Но при желании его подготовку к старту можно было ускорить — и тем самым спасти семерых человек на борту «Колумбии» / ©NASA
Во-вторых, когда компьютерное моделирование (с помощью программы «Кратер») показало, что в крыле может быть пробоина, лица, выполнявшие моделирование, просто сказали, что оно преувеличивает угрозу. Они были уверены: ну не может кусок пенополиуретана убить «Шаттл», ну ошибается программа.
Мы, правда, не знаем, думали ли так все в NASA. Например, человек, отвечавший тогда в агентстве за управление полетами, вот как объяснил подчиненному свой подход к повреждению «Колумбии»:
«Ты знаешь, даже если бы этом знали, то лучше было бы не знать… Разве не лучше было бы для экипажа иметь счастливый полет и умереть в его конце неожиданно, чем оставаться на орбите, зная, что ничего не может быть сделано?»
Спасение экипажа «Колумбии» «Атлантисом» в представлении художника. Косность мышления руководителей полетов NASA исключила этот вариант / ©ArsTechnica
Расследование комиссии установило, что сделать можно было. Но для этого следовало хотеть этого: продумывать планы, работать. Этого никто заранее не делал — а в самом январе 2003 года отреагировать вовремя и понять, что людей можно спасти «Атлантисом», никто из администраторов NASA так и не смог.
Цена эксплуатации: к деньгам прилететь тоже не удалось
Вопреки исходным представлениям, трудоемкость — и цена — подготовки «Шаттлов» к последующему полету оказалась намного выше запланированной. Проблемы сыпались буквально везде: плитка отваливалась чаще, чем думали, ее проверка и замена оказались крайне трудоемкими.
Идея о десятке и более полетов в год ожидаемо не оправдалась. Поэтому, согласно планам, «Шаттлы» должны были возить грузы в космос за 560 долларов за килограмм, а в жизни возили за 18 тысяч (без учета НИОКР), а то и за 60 тысяч (с учетом НИОКР). Ошибка в этом ключевом параметре была примерно в 30-100 раз.
Кислород-водородный двигатель RS-25. Каждый челнок имел по три таких, и по меркам своего времени параметры этих двигателей были очень высоки / ©NASA
За 30 лет полетов «Шаттлы» летали 135 раз, 4,75 раза в год. Средняя стоимость полета с учетом НИОКР оказалось полтора миллиарда долларов, без них — 0,5 миллиарда. Средняя стоимость программы в год превысила семь миллиардов в современных деньгах. Общая — более 210 миллиардов, полторы лунные программы.
В XXI веке бывший руководитель NASA Майкл Гриффин попробовал поставить вполне разумный вопрос: что, если бы все пошло по сценарию RAND, без разработки «Шаттлов», но лишь с использованием «Сатурнов» и «Аполлонов»?
Его выводы: в силу полного завершения НИОКР по этим ракете и кораблю NASA несло бы на них только операционные расходы. Стоимость одного полета к Луне без учета НИОКР — которые уже выполнены и поэтому не требуют новых расходов — была в районе пары миллиардов долларов. Полеты «Сатурнов» на более низкую орбиту, к орбитальным станциям типа «Скайлэб» — много дешевле. Типичный бюджет пилотируемой программы NASA — не ниже десятка миллиардов современных долларов в год. Это стоимость двух полетов на Луну и четырех полетов к околоземной орбитальной станции. Таким образом, 30 лет полетов на «Шаттлах» обходились Соединенным Штатам как минимум 60 полетов на Луну.
Но почти после каждого полета в RS-25 обнаруживались дефекты, заставлявшие менять те или иные компоненты. Сборка-разборка для осмотра была долгой и сложной, как и обратная установка на челнок (ее можно видеть на фото). Итог — копии двигателей челноков NASA планирует использовать и для своего нового носителя Space Launch System, но лишь однократно, потому что сжечь их в атмосфере в конечном счете дешевле, чем использовать повторно / ©NASA
Кстати, и для полетов к орбитальным станциям ракета «Сатурн» подходила больше «Шаттлов». У нее была версия без первой ступени, «Сатурн-IB». На низкую околоземную орбиту он выводил 21 тонну, близко к «Шаттлам» — только вот один его пуск стоил всего 0,35 миллиарда долларов, заметно дешевле 0,5 миллиарда для «Шаттлов» (в обоих случаях цены даны без учета НИОКР).
Запуская вместо нее в космос «Сатурн-5», можно было каждым пуском выводить на орбиту не только полезную нагрузку, но и одну пустую ступень — из одной такой NASA в 1970-х сделало станцию «Скайлэб».
Ступень была настолько большой, что станция из нее вышла больше «Мира» и как половина МКС. Разумеется, пустые ступени можно было стыковать. То есть при желании NASA могло каждый год создавать по орбитальной станции — не меньше современной МКС.
Основная часть «Скайлэб» (на изображении справа вверху) по сути была пустой ступенью ракеты Saturn IB / ©Wikimedia Commons
Подведем итоги. «Шаттлы» создали с одной главной целью: летать в космос дешевле, чем раньше, — за счет многоразовости. Многочисленные попытки оправдать их существование «возможностью забора спутников с орбиты» и прочими функциями не находят никакого подтверждения в реальных источниках времен разработки челноков. Ни в докладе RAND, ни в докладе Mathematica, ни в документах NASA эпохи создания «Шаттлов» их способности снимать спутники с орбиты не выступают в качестве одной из главных функций. Оно и понятно: в момент создания никакого заметного рынка ремонта спутников не было, так что базировать развитие огромного проекта на чисто гипотетических идеях о таком рынке никто бы не стал.
Рассказы в духе «а вот зато «Шаттлы» могли снять спутник с орбиты» хронологически появляются весьма поздно (в основном уже в XXI веке) и практически всегда в контексте оправдания многочисленных проблем программы. В период выбора «Шаттлов» как будущей космической системы все говорили не об этом, а только о будущей низкой цене их полетов в космос.
В реальной жизни «Шаттлы» оказались плохо спроектированы: разгонные блоки на твердом топливе не были многоразовыми, обслуживание керамической плитки и слишком сложных двигателей требовало уйму средств.
Из этого видео можно получить представление о внутреннем диаметре «Скайлэб». И по сей день помещения космических станций не догнали ее по этому параметру, важному для обеспечения свободы движения космонавтов во время физподготовки, столь необходимой в космосе / ©NASA
Предельно мало внимания уделили безопасности системы. Никто даже не рассчитал возможность событий, подобных гибели экипажа «Колумбии». Инженеры догадывались, что каждый сотый полет «Шаттла» станет катастрофой (на практике один из 68), но администраторы и астронавты об этом не подозревали.
Просто отказавшись от «Шаттлов» и летая на «Сатурнах», американцы успели бы изучить всю поверхность Луны, включая приполярные регионы с их водным льдом, и при желании даже построить на Селене постоянную базу. Попутно Штаты могли строить по мега-МКС раз в год, если бы у них было такое желание.
Нам ничего не остается, как согласиться с выводами Майкла Гриффина, в 2005-2009 годах возглавлявшего NASA: «Вместо создания «Шаттлов» стоило постепенно модернизировать «Сатурны» и «Аполлоны»».
Предупреждение для Starship?
Все одноразовые космические системы счастливы одинаково, а вот все многоразовые космические системы несчастливы по-своему. Несмотря на это общее правило, у «Шаттлов» и Starship есть пара сходных моментов.
Во-первых, ни тот, ни другой не имеют системы аварийного спасения. У «Шаттлов» это обосновывали просто: с системой аварийного спасения, как у «Аполлонов» или «Союзов», вес полезной нагрузки сократился бы до неприличия. Или же его пришлось делать намного больше — и дороже.
Starship — в более жесткой ситуации. Его вместимость — при внутреннем гермообъеме более 800 кубометров — сотни человек. Это вам не семеро смелых на «Шаттле»: система аварийного спасения для них будет циклопической. Если ее создать, она сделает корабль бессмысленным и непригодным для полета к Марсу. А Маск задумывал Starship именно для этой цели: Луна, напомним, его не интересует, ибо ее нельзя терраформировать имеющимися техническими средствами.
Второе сходство Starship и «Шаттлов» — теплоизолирующие плитки. Потребность стального гиганта в них намного меньше, чем у «Шаттла». Материалы корабля SpaceX более жаростойкие (нет углепластика и прочего). Это важный момент: нержавеющая сталь нового корабля не теряет прочности как минимум до 800 оС, а углепластик начинает делать это уже при 150 оС. Но все же на небольшой доле поверхности корабля плитки есть. Пусть они из стеклоподобного материала, а не из керамики — Илону Маску еще предстоит показать, что он справится с проблемой отрыва этих плиток при полете. Если выпадение плиток окажется регулярным, летать в космос с нужной частотой Starship станет довольно сложно.
Один из ранних рендеров торможения Starship в верхних слоях атмосферы Земли. Использование нержавеющей стали в теории даст ему заметное преимущество перед «Шаттлами» / ©SpaceX
Разумеется, это вовсе не означает, что новая американская многоразовая космическая система будет иметь такую же катастрофическую судьбу, как старая. Маск прав, когда говорит, что на авиалайнерах никакой системы аварийного спасения нет, тем не менее они куда безопаснее автомобиля. Он планирует довести безопасность Starship именно до уровня авиалайнеров, и, если это получится, система спасения ему не нужна.
Проще должна быть и ситуация с плиткой и перегревом при входе в атмосферу: благо общая устойчивость нержавеющей стали к тепловым нагрузкам выше, чем у материалов «Шаттла». Это, кстати, большой плюс всей концепции Starship, и нельзя не порадоваться тому, что Маск, вопреки сопротивлению инженеров, на этом настоял.
Главная причина оптимизма по теме Starship, однако, не техническая, а организационная. Администраторы NASA, продвигавшие «Шаттлы», сами не проектировали ракет. Они были «специалистами по управлению специалистами». Подчиненные инженеры предлагали варианты, а администраторы их выбирали и корректировали. Так они докорректировали исходные «Шаттлы» до «полумногоразовых», получив «дешевый многоразовый корабль» с ценой эксплуатации много выше «дорогих одноразовых ракет».
В отличие от них, Маск за последние 18 лет вырастил из себя хорошего конструктора космической техники. Именно он стоит за внедрением переохлажденного топлива на своих носителях, выбором посадки на хвост для Falcon и основных идей для Starship. Значит, ключевые решения для новой космической многоразовой системы принимает администратор, который в то же время инженер (пусть и без соответствующего диплома). Будем надеяться, у него получится лучше, чем у его предшественников из NASA.
