Система принятия решений в Советском Союзе, особенно после 1960-х годов, была устроена по принципу «не надо придумывать, надо смотреть, как делает потенциальный противник». Мы это очень хорошо знаем, например, по истории нашей микроэлектроники и по многим другим сферам. И с того момента, как информация об американской программе Space Shuttle начала попадать в СССР, было понятно, что задача воспроизвести у нас космический челнок станет главной.
Здесь важно сказать, что на момент создания программы она была чрезвычайно перелоббирована американским ВПК. Был обещан широкий функционал корабля, а главное — очень дешевые пуски, крайне низкая стоимость вывода на орбиту килограмма полезной нагрузки за счет многоразовости. И в этом смысле на этапе добычи нами развединформации все выглядело крайне убедительно.
Но когда американцы начали запускать «Шаттлы» и реально посмотрели на их возможности и экономику, они ужаснулись. Но выбора не было: альтернативные носители отсутствовали, все остальные программы были свернуты. Попытка перезапуска производства сверхтяжелых ракет «Сатурн-5» потерпела фиаско. Выяснилось, что ряд ключевых поставщиков в сложных кооперационных цепочках создания ракеты просто закрылись, документация, тогда бумажная, не сохранилась, и детище Вернера фон Брауна просто не смогли воспроизвести.
Программа Space Shuttle угодила в ловушку. Концепция многоразовости толком не сработала: американцы так и не сумели ни удешевить стоимость производства челноков и твердотопливных ускорителей, ни обеспечить повторное использование последних.
США тратили на программу деньги по принципу «это святое, не трогаем». И если бы не аварии, особенно вторая, в 2003 году, то «Шаттлы» могли бы летать еще долго. Но после второй аварии собралась сенатская комиссия, начала изучать причины дороговизны пусков, обнаружила дикие переплаты, чудовищную неэффективность программы, и она была свернута. После чего на орбиту американцы начали летать на наших «Союзах».
Как меняется удельная стоимость вывода полезной нагрузки на орбиту
Источник: CSIS Aerospace Security Project
В результате в историю американской космической отрасли программа Space Shuttle вошла в качестве антипримера для частной космонавтики. Все частники сегодня используют удельную стоимость вывода полезного груза «Шаттлом» как точку отсчета и соревнуются, кто готов запустить в десять раз дешевле, а кто — в двадцать.
Но программа Space Shuttle служит не только наглядным пособием, как не надо делать космические системы. Ее двигательная система взята за основу ныне действующей программы NASA «Артемида», которая предполагает пилотируемые полеты в дальний космос с помощью сверхтяжелой ракеты Space Launch System (SLS). Первая ступень SLS имеет четыре жидкореактивных двигателя RS-25, которыми оснащались «Шаттлы», а вторая — два твердотопливных ускорителя, на четверть более мощных по сравнению с шаттловскими. И вот эта переделка, которая всем казалась технической, сожрала столько денег, что в NASA все за голову схватились. Так что у «Шаттлов» в смысле затрат очень плохая карма.
Тем не менее в части технологического и инженерного уровня «Шаттл» был для своего времени вершиной технических достижений, а советская система «Энергия» — «Буран» повторяла и частично развивала «Шаттл», что было, безусловно, технологически круто. Но экономику любых космических проектов и программ надо всегда считать на старте.
Освоенная компанией SpaceX Илона Маска ракетная, а не парашютная схема возвращения из космоса разгонных блоков позволила обеспечить действительную многоразовость использования средств выведения и кардинально снизить удельную стоимость доставки грузов на орбиту
Источник: MALCOLM DENEMARK/FLORIDA TODAY VIA AP
Цена вывода нагрузки: от «золотой» до бросовой
Безусловно, ракеты класса «Энергии» обогнали свое время очень сильно. В том смысле, что рабочий функционал для них появляется только сегодня. Но и с важной оговоркой: сегодняшние ракетоносители-сверхтяжи имеют существенно более низкую удельную стоимость вывода полезной нагрузки на орбиту. И по цене вывода Falcon Heavy или Starship космическое производство уже входит в зону рентабельности.
Какой сейчас достигнут прогресс в цене вывода полезной нагрузки на орбиту? Давайте смотреть. У «Шаттла» этот показатель составлял свыше 50 тыс. долларов за килограмм (что эквивалентно 65 тыс. долларов в ценах 2021 года, см. график). Сегодняшняя внешняя цена вывода (внутреннюю никто не знает, кроме Маска) у Falcon Heavy — полторы тысячи долларов за килограмм. У российского «Союза» — порядка пяти тысяч долларов, у индийцев — около трех тысяч долларов, у китайцев — между тремя и пятью тысячами долларов. Starship, если выдержит 50-кратную многоразовость, покажет около 50 долларов за килограмм. То есть снижение стоимости вывода нагрузки еще на порядок. Китайцы выкатили долгосрочную, до 2040 года, программу разработки перспективных носителей, они еще сами не знают каких, но с таргетом также 150 долларов за килограмм. Если и когда это будет достигнуто, задача строительства в космосе чего угодно — промышленных станций, космических отелей, баз на орбите Луны, индустриальное освоение Луны и астероидов — станет экономически состоятельным.
Маск — убийца затрат
Экономика многоразовости начинает хорошо сходиться, когда это мультимногоразовость. Маск сначала поставил инженерам требование запускать бустеры (возвращаемые ускорители первой степени) ракеты семейства Falcon не реже раза в неделю, и это уже достигнуто. Теперь таргет у Маска — один день. То есть Маск хочет довести технологию до того класса, при котором бустер «Фалькона» будет летать каждый день. Взлетел, сел, почистили, взлетел, сел, почистили. В самолетном графике. Естественно, для такой оборачиваемости никакие, даже микроудары ускорителя при возвращении на Землю недопустимы. Отсюда безальтернативность мягкой ракетной посадки — никаких парашютов. Кроме того, здесь работа на перспективу: Маску нужно было отработать технологию будущих посадок на Луну и на Марс, где парашюты в принципе не работают.
Особенностью компоновки сверхтяжелых ракет Маска Falcon Heavy и Starship является схема пакетной увязки значительного количества двигателей небольшой единичной тяги, которая наследует схеме советской лунной ракеты H-1, так и не поднявшейся в космос. И это не каприз, а трезвый расчет.
У Маска-менеджера есть колоссальное достоинство: он обнаруживает источники неоправданного роста стоимости своих изделий, будь то автомобиль или ракета, и избавляется от них. Маск осознал, что при росте единичной мощности ракетного двигателя стоимость его разработки и изготовления растет непропорционально высоко. Поэтому он просто взял скромный двигатель Merlin 1960-х годов и поручил инженерам сделать связку. Маску, конечно же, рассказали всё про неудачу Королева, на что он справедливо ответил, что у Королева не было таких компьютеров, на которых можно было все эти тепловые ловушки и асинхронность работы отдельных движков в связке подсчитать в реальном времени. И когда они это сделали на производительных современных процессорах, у них всё получилось.
У космопланов, возможно, есть будущее
Традиционно считалось, что «фишкой» ракетопланов типа «Шаттла» или «Бурана» является возможность эффективного снятия с низкой околоземной орбиты грузов весом до 15‒20 тонн. Но возврат нагрузки с орбиты может решаться и другими способами — инженерная мысль не стоит на месте. Сегодня тестируется свод с орбиты на гиперзвуке, а обсуждается даже такая кажущаяся пока экзотическая опция, как свод с орбиты с использованием каменных щитов из лунного или астероидного материала, которые выполняют роль естественной защиты при прохождении верхних слоев атмосферы, а полезная нагрузка затем спокойно опускается на Землю на парашюте.
С другой стороны, активные работы по гиперзвуку могут привести к более эффективным вариантам исполнения ракетопланов нового поколения, которые сделают их эксплуатацию коммерчески возможной.
