На пороге революции в космосе
Сохраните это фото, оно вполне может стать историческим
В середине XX века человечество было очаровано космосом. Запуск первого спутника, полёт Гагарина, выход в открытый космос, высадка на Луну (сразу оговоримся, автор считает отрицание посещения американцами Луны одной из тяжёлых форм мракобесия, сродни отрицанию ВИЧ, прививок и прочего бреда, генерируемого сторонниками «плоской Земли») – казалось, ещё немного – и мы полетим к звёздам, тем более что амбициозные проекты межпланетных кораблей действительно существовали. А уж базы на Луне, полёты на Марс – уж это-то считалось само собой разумеющимся.
С технической точки зрения даже в XX веке человечество вполне могло реализовать большую часть того, что показал режиссёр Стенли Кубрик в своём фантастическом фильме «Космическая одиссея 2001 года»
Но приоритеты сменились. Технологии прошлого века хоть и позволяли реализовать всё вышеперечисленное, но были исключительно дороги. Экспансия в космос на технологиях прошлого века потребовала бы переориентацию на решение этой задачи всех экономик ведущих стран мира.
Интенсивное освоение космического пространства требует решения двух базовых задач: первая – обеспечение возможности вывода на орбиту массивных крупногабаритных грузов, вторая – снижение стоимости вывода на орбиту за один килограмм полезной нагрузки (ПН).
Если с первой задачей человечество справилось относительно неплохо, то со второй – всё оказалось гораздо сложнее.
Долгий путь в космос (и очень дорогой)
С самого начала ракеты-носители (РН) были одноразовыми. Технологии XX века не позволяли создать многоразовую ракету-носитель. Это кажется невероятным, когда сотни миллионов или миллиарды рублей/долларов сгорают в атмосфере или разбиваются о поверхность.
Представим себе, что корабли строились бы только для одного выхода в море, а после него сразу бы сжигались. Настала бы в этом случае эпоха великих географических открытий? Был бы колонизирован североамериканский континент?
Вряд ли. Скорее всего, человечество так и жило бы разобщёнными очагами цивилизации.
Возможность вывода на низкую опорную орбиту (НОО) крупногабаритных и сверхтяжёлых грузов была реализована в американской монструозной сверхтяжёлой РН «Сатурн-5». Именно эта ракета, способная вывезти на НОО 141 тонну ПН, позволила США стать лидерами в космической гонке на тот момент, доставив американских астронавтов на Луну.
РН «Сатурн-5» позволила высадить человека на Луну
Советский Союз проиграл гонку за Луну, поскольку не смог создать сверхтяжёлую РН, сравнимую с «Сатурном-5».
А сверхтяжёлую РН СССР не смог создать по причине отсутствия мощных ракетных двигателей. Из-за этого на первой ступени советской сверхтяжёлой пятиступенчатой РН Н-1 было установлено сразу 30 двигателей НК-33. Учитывая отсутствие возможности компьютерной диагностики и синхронизации работы двигателей на тот момент, а также то, что из-за нехватки времени и финансирования наземные динамические и огневые стендовые испытания всей РН или первой ступени в сборе не проводились, все испытательные пуски РН Н-1 окончились неудачно на этапе работы первой ступени.
Ракета-носитель Н-1
Попыткой радикально снизить стоимость вывода ПН на орбиту стала американская программа «Спейс шаттл» (Space Shuttle – космический челнок).
В многоразовом транспортном космическом корабле (МТКК) Space Shuttle возвращаемыми были два компонента из трёх – твердотопливные ускорители на парашюте приводнялись в океан и после проверки и заправки могли использоваться повторно, а космический самолёт – челнок, осуществлял посадку на взлётно-посадочную полосу по самолётной схеме. В атмосфере сгорал лишь бак для жидкого водорода и кислорода, топливо из которого использовалось двигателями «шаттла».
Space Shuttle
Систему Space Shuttle нельзя отнести к сверхтяжёлым ракетам-носителям – максимальный вес груза, выводимый ею на низкую опорную орбиту (НОО), составлял менее 30 тонн, что сравнимо с показателями полезной нагрузки российской РН «Протон».
Советский Союз ответил программой «Энергия-Буран».
При внешней схожести «Спейс Шаттла» и системы «Энергия-Буран» у них имелись ключевые отличия. Если в «Спейс Шаттле» вывод на орбиту осуществлялся двумя многоразовыми твердотопливными ускорителями и самим космическим кораблём, то в советском проекте «Буран» был пассивной нагрузкой ракеты-носителя «Энергия». Саму РН «Энергия» с полным основанием можно отнести к «сверхтяжам» – она была способна вывести 100 тонн на низкую опорную орбиту, всего на 40 тонн меньше, чем «Сатурн-5».
«Энергия-Буран»
На базе РН «Энергия» планировалось создать РН «Вулкан» с увеличенным до 8 штук количеством боковых блоков, способную вывести на НОО 175–200 тонн полезной нагрузки, что позволило бы осуществить полёты к Луне и Марсу.
Однако наиболее интересной разработкой можно назвать проект «Энергия II» – «Ураган», в котором все элементы должны были быть многоразовыми, включая орбитальный космоплан, центральный блок второй ступени и боковые блоки первой ступени. Развал СССР не позволил реализоваться этому, без сомнения, интересному проекту.
При всей своей эпичности обе программы были свёрнуты: одна – по причине развала СССР, а вторая – из-за высокой аварийности «шаттлов», угробивших полтора десятка американских астронавтов. Кроме того, программа «Спейс Шаттл» не оправдала надежд в части радикального снижения стоимости вывода на орбиту полезной нагрузки.
После завершения программы «Энергия-Буран» у человечества не осталось сверхтяжёлых ракет-носителей. России было не до этого, а США значительно растеряли космические амбиции. Для решения текущих насущных задач вполне хватало имеющихся у обеих стран ракет-носителей (если не считать временное отсутствие у США возможности самостоятельного вывода астронавтов на орбиту).
Американское аэрокосмическое агентство НАСА постепенно осуществляло конструирование сверхтяжёлой РН для решения амбициозных задач: типа полёта на Марс или строительства базы на Луне. В рамках программы «Созвездие» (Constellation) разрабатывалась сверхтяжёлая ракета-носитель «Арес-5» (Ares V). Предполагалось, что «Арес-5» сможет выводить на НОО 188 тонн полезной нагрузки, а к Луне доставлять 71 тонну ПН.
Ares V
В 2010 году программа «Созвездие» была закрыта. Наработки по «Арес-5» использовали в новой программе создания сверхтяжёлой РН – SLS (Space Launch System – система космических запусков). Сверхтяжёлая ракета-носитель SLS в базовой версии должна выводить на НОО 95 тонн полезной нагрузки, а в версии с увеличенной грузоподъёмностью – до 130 тонн ПН. В конструкции РН SLS используются двигатели и твердотопливные ускорители, созданные в рамках программы Space Shuttle.
Сверхтяжёлая РН SLS
По сути, это будет некая современная реинкарнация «Сатурна-5», схожая с ним как по характеристикам, так и по стоимости. Несмотря на то, что программу SLS, скорее всего, всё-таки доведут до конца, революции ни в американской, ни в мировой космонавтике она не сделает.
Это заведомо тупиковый проект.
Та же участь ждёт российский проект сверхтяжёлой РН «Енисей»/«Дон», если он будет строиться на базе «традиционных» решений, применяемых в космической технике.
Концепты перспективной российской сверхтяжёлой ракеты-носителя
В целом до определённого момента ситуация в США и в России была относительно схожей: ни от НАСА, ни от «Роскосмоса», мы вряд ли увидели бы какие-то прорывные решения в части вывода полезной нагрузки на орбиту. Да и в других странах не просматривалось ничего нового. Космическая отрасль стала очень консервативной.
Всё изменили частные компании, и вполне закономерно, что это случилось в США, где для бизнеса созданы максимально комфортные условия.
Частный космос
Разумеется, в первую очередь речь идёт о компании SpaceX Илона Маска. Как только его не называли – мошенник, «успешный менеджер», «Остап Петрикович Маск» и так далее и тому подобное. Автору доводилось читать на одном из ресурсов наукообразную статью о том, почему не полетит РН Falcon-9: и корпус у неё не тот, слишком тонкий, и двигатели не те, в общем, миллион причин почему «нет». Такие оценки, кстати, высказывались не только независимыми аналитиками, но и официальными лицами, руководителями российских государственных структур и предприятий.
Обвиняли Маска и в том, что сам он ничего не разработал (а он должен был сам сделать всю конструкторскую документацию, а затем самостоятельно собрать РН?), и в том, что SpaceX получила много информации и материалов по другим проектам от NASA (а SpaceX должна была делать всё с нуля, как будто космических программ до неё в США не существовало?).
Так или иначе, но РН Falcon-9 состоялась, летает в космос с завидной регулярностью, с той же регулярностью садятся отработанные первые ступени, одна из которых слетала уже 10(!) раз. «Роскосмос» потерял большую часть рынка вывода полезной нагрузки на орбиту, а после создания SpaceX многоразового пилотируемого космического корабля Crew Dragon (Dragon V2) и рынок доставки американских космонавтов на орбиту.
Взлёт РН Falcon-9, посадка её многоразовой первой ступени и пилотируемый многоразовый космический корабль Crew Dragon
А ведь у SpaceX есть ещё и тяжёлая ракета Falcon Heavy, способная вывести свыше 63 тонн на НОО. В настоящий момент это самая тяжёлая и грузоподъёмная ракета-носитель из имеющихся в мире. Её первая ступень и боковые ускорители также являются многоразовыми.
Взлёт РН Falcon Heavy и синхронная посадка её боковых ускорителей
В затылок SpaceX дышит компания Blue Origin другого американского миллиардера Джеффа Безоса. Конечно, пока её успехи гораздо скромнее, но достижения всё же имеются. В первую очередь это создание нового метан-кислородного двигателя BE-4, который будет использоваться в РН New Glenn и в РН Vulcan (которая должна заменить РН «Атлас-5»). Учитывая, что сейчас «Атлас-5» летает на российских двигателях РД-180, после появления BE-4 «Роскосмос» потеряет ещё один рынок сбыта.
В США и в других странах существуют сотни стартапов по созданию ракет-носителей и иных типов летательных аппаратов для вывода полезной нагрузки на орбиту, стартапов по созданию спутников и космических аппаратов различного назначения, промышленных технологий для космоса, орбитального туризма и так далее и тому подобное.
К чему всё это приведёт?
К тому, что космический рынок будет стремительно расширяться, а конкуренция на рынке вывода полезной нагрузки на орбиту приведёт к значительному снижению стоимости её вывода из расчёта за один килограмм.
Стоимость вывода 1 кг полезной нагрузки на НОО системой Space Shuttle или ракетой Delta-4 порядка 20 000 долларов. Российские РН «Протон» позволяют выводить полезную нагрузку на НОО по цене менее 3 000 долларов за килограмм, но эти ракеты работают на крайне токсичном несимметричном диметилгидразине и в настоящее время сняты с производства. Дешёвые, разработанные в СССР, российско-украинские «Зениты» также остались в прошлом.
Ориентировочная стоимость вывода полезной нагрузки разными ракетами-носителями (в различных источниках данные могут отличаться, но порядок цен сохраняется)
Ракета-носитель Falcon-9, при условии использования возвратной первой ступени, позволяет выводить полезную нагрузку на низкую опорную орбиту по цене менее 2 000 долларов за один килограмм. По словам Илона Маска, Falcon-9 потенциально позволяет снизить стоимость вывода полезной нагрузки до 500–1100 долларов за 1 килограмм.
Можно спросить, почему же сейчас заказчикам вывод полезной нагрузки обходится гораздо дороже?
Во-первых, стоимость определяется не только себестоимостью запуска, но и условиями рынка – ценами конкурентов. Какой капиталист откажется от дополнительной прибыли? Выгодно быть чуть ниже конкурентов, постепенно захватывая рынок, чем демпинговать, ничего не зарабатывая, тем более что в такой специфической критичной отрасли, как рынок космических запусков, контролирующие структуры в любом случае будут поддерживать несколько поставщиков, пусть даже у одного цены будут в несколько раз выше, чем у конкурента.
Можно предположить, что снизить цены SpaceX сподвигнет только появление конкурентов в лице компании Blue Origin с её РН New Glenn или других компаний и стран, которые создадут средства для вывода полезной нагрузки с низкой себестоимостью запуска.
Впрочем, большая часть стартапов и перспективных проектов относится к выводу на орбиту полезной нагрузки массой сотни, максимум тысячи килограмм. Это не произведёт революцию в космосе – для строительства чего-то крупного потребуются тяжёлые и сверхтяжёлые многоразовые ракеты-носители с низкой стоимостью вывода полезной нагрузки на орбиту. А здесь, как мы уже видели выше, всё печально.
Всё, за исключением важнейшего проекта компании SpaceX – полностью многоразового космического корабля Starship с также полностью многоразовой первой ступенью Super Heavy.
Многоразовые сверхтяжёлые
Отличие Starship (в дальнейшем будем называть Starship как связку Starship + Super Heavy) от всех других ракет-носителей в том, что многоразовыми являются обе ступени. При этом грузоподъёмность Starship на низкую опорную орбиту должна составлять 100 тонн, то есть это полноценная сверхтяжёлая ракета. Для Starship компания SpaceX разработала новые уникальные метан-кислородные двигатели Raptor, закрытого цикла, с полной газификацией компонентов.
Starship в сравнении с другими сверхтяжёлыми ракетами-носителями
Компания SpaceX планирует заменить ракетой-носителем Starship все свои ракеты-носители, включая сверхуспешный Falcon-9. Обычно запуск сверхтяжёлой ракеты стоит крайне дорого – порядка одного миллиарда долларов. Для того чтобы снизить стоимость запуска, SpaceX планирует использовать обе ступени много раз – по 100 запусков, а возможно, и более. В этом случае стоимость снизится практически на два порядка – до десяти миллионов долларов за запуск. При учёте максимальной загрузки в 100 тонн мы получим стоимость вывода полезной нагрузки на НОО на уровне порядка 100 (!) долларов за килограмм.
Конечно, возвращаемые ступени будут требовать обслуживания, замены двигателей через 50 запусков, заправки топливом, потребуется оплачивать работу наземных служб, но и сам Starship, скорее всего, будет стоить менее миллиарда долларов, а технологии его производства и обслуживания будут непрерывно совершенствоваться по мере получения опыта компанией SpaceX.
Установка прототипа многоразовой первой ступени Super Heavy
На самом деле Илон Маск заявляет, что на Starship потенциально можно добиться стоимости вывода полезной нагрузки на уровне порядка 10 долларов за 1 килограмм при общей стоимости запуска 1,5 млн долларов, а стоимость доставки грузов на Луну составит порядка 20–30 долларов за 1 килограмм, но для этого необходимо обеспечить еженедельный запуск Starship.
Откуда взять такие объёмы?
Даже у военных такого количества полезной нагрузки пока просто нет, что уж там гражданский космос – развитие рынка займёт десятилетия.
Колонизация Марса?
Вряд ли об этом можно говорить серьёзно.
Колонизация Луны?
Уже ближе, Starship вполне может «потопить» SLS и отправить американцев на Луну второй раз. Но это десятки запусков, не сотни и не тысячи.
Установка многоразового космического корабля Starship на первую ступень Super Heavy
Однако у SpaceX есть бизнес-план, куда более реальный, нежели отправка колонистов на Марс – это использование Starship для межконтинентальной перевозки пассажиров. При перелёте из Нью-Йорка в Токио через орбиту Земли время полёта составит порядка 90 минут. При этом SpaceX планирует обеспечить надёжность эксплуатации на уровне современных крупных авиалайнеров, а стоимость перелёта – на уровне стоимости трансконтинентального перелёта бизнес-классом.
Таким же образом могут доставляться и грузы. Например, этой возможностью уже заинтересовались военные США. За один перелёт планируется доставлять 80 тонн грузов, что сопоставимо с возможностями транспортного самолёта C-17 Globemaster III.
В совокупности: перевозкой пассажиров и грузов, доставкой американских астронавтов на Луну, а возможно, что и на более отдалённые объекты Солнечной системы, выводом коммерческих космических аппаратов, космическим туризмом и так далее и тому подобное – SpaceX вполне может обеспечить снижение стоимости вывода полезной нагрузки хотя бы до уровня 100 долларов за один килограмм.
В этом случае Starship откроет новую эпоху в освоении космического пространства и не только.
Перспективы и последствия
В настоящий момент на Starship смотрят с некоторым подозрением. Вроде на бумаге всё красиво, да и имеющийся у компании SpaceX опыт говорит сам за себя, но как-то уж всё слишком радужно?
Иногда возникает ощущение, что потенциальные возможности этой системы пока просто не укладываются в голове у руководства вооружённых сил США, руководства НАСА, владельцев и руководителей предприятий самых разных отраслей промышленности. Слишком долго вывод даже небольшой полезной нагрузки в космос означал многомиллионные затраты.
Вопрос в том, что произойдёт в тот момент, когда 100 долларов за 1 килограмм станут реальностью?
Когда грамотные люди в Министерстве обороны США поймут, что забросить условный танк на орбиту быстрее и дешевле, чем перевезти его самолётом военно-транспортной авиации с американского континента в Европу, то к каким выводам они придут?
Нет, «Абрамсов» на Луне мы не увидим, но ведь танк не цель, это всего лишь способ доставки снаряда к противнику. Что, если проще доставить этот снаряд непосредственно с орбиты? Как быстро США выйдут из договора о мирном космосе, если получат в нём (в космосе) стратегическое преимущество? Как быстро вооружённые силы США начнут миграцию на орбиту?
Более того, даже существующих возможностей по выводу полезной нагрузки на орбиту в виде Falcon-9 и Falcon Heavy, в сочетании с технологиями массового строительства спутников, будет достаточно, чтобы НОО была забита спутниками разведки, управления и связи, что приведёт к тому, что США будут контролировать поверхность планеты в режиме 24/365. Забудьте про крупные надводные силы, войсковые группировки, подвижные грунтовые ракетные комплексы – всё это будут лишь мишенями для оружия большой дальности с коррекцией траектории полёта.
Успех Starship позволит добавить к этому набору ударный космический эшелон, когда цель будет поражаться из космоса в течение нескольких десятков минут после получения запроса. Ни один политический лидер мира не сможет чувствовать себя уверенно, зная, что в любую секунду из космоса может обрушиться неотвратимый вольфрамовый ливень.
При цене 100 долларов за килограмм в космос полезут все, кому не лень – фармацевтические компании, металлургические, добывающие. Позже мы ещё поговорим про экономику космоса. При возможности дёшево выводить и сводить грузы с орбиты космос станет новым Клондайком. Что уж тут говорить про 10 долларов за килограмм...
Вполне вероятно, что прямо сейчас на наших глазах происходит историческое событие, которое может стать поворотной точкой в развитии человечества.
Может ли этот процесс остановиться?
Может, история непредсказуема. Людская алчность, глупость или просто случайность – цепочка неудач, могут похоронить любые, самые успешные начинания. Достаточно пары крупных аварий Starship с гибелью сотен людей, и процесс освоения космоса может вновь сильно затормозиться, как это уже было в XX веке.
В случае получения одностороннего преимущества в космосе, США начнут вести куда более агрессивную политику, чем сейчас. При отсутствии возможности обеспечить паритет в космосе мы вполне можем скатиться до уровня Северной Кореи, сидя на «ядерном чемодане» и угрожая в случае чего подорвать себя, соседей и всех остальных (что, судя по всему, по странным причинам некоторым даже импонирует).
В связи с этим необходимо уделить повышенное внимание космической отрасли, состояние которой в настоящий момент не вызывает никакого оптимизма.
Взять, к примеру, проект сверхтяжёлой РН «Енисей»/«Дон» – достаточно посмотреть все взаимоисключающие высказывания различных руководителей и ведомств по этому проекту, и становится ясно, что никто, в принципе, не знает, ни зачем его создают, ни каким он должен в конечном итоге стать. Если это будет очередная «Ангара», то проект можно закрывать уже сейчас – нет смысла тратить на это народные деньги.
В то же время Китай не сидит сложа руки.
Помимо разработки ракет-носителей традиционной компоновки, они активно изучают и перенимают американский опыт, не стесняясь прямого копирования. В вопросах национальной безопасности все средства хороши.
В национальный день космоса китайский исследовательский институт ракетной техники рассказал о проекте суборбитальной ракетной системы, которая должна доставлять пассажиров из одной точки планеты в другую менее чем за один час.
Китайская суборбитальная транспортная система, ничего не напоминает?
Презентация китайской суборбитальной транспортной системы
Можно сказать, что пока это только рисунки, но Китай за последнее время неоднократно доказывал свою способность догонять лидеров в самых разных отраслях науки и промышленности.
России также пора отбросить разброд и шатания в космической отрасли, чётко сформулировать цели и обеспечить их выполнение любыми средствами.
Если Китай и Россия смогут составить США конкуренцию в космосе на новом технологическом уровне, то низкие орбиты станут лишь началом, и человечество действительно вступит в новую эпоху, которая пока существует лишь на страницах научно-фантастических романов.
Информация