Глава NASA Билл Нельсон выступил с очередным заявлением по поводу лунной программы «Артемида», отметив, что агентство не просто идет «точно по графику», но и сможет отправить людей на Луну раньше Китая. И одним из доказательств тому служат, по его словам, успешные испытания тяжелой ракетной системы Starship, лунной версии которой предстоит доставить астронавтов на поверхность спутника Земли. Но так ли все оптимистично в реальности? Каковы основные изъяны «Артемиды», о которых умалчивают в агентстве, и какие проблемы предстоит решить компании SpaceX для успешной посадки на Луну — в нашем разборе.
В последнее время все яснее закономерности того, как NASA или SpaceX представляют свои проекты широкой публике. В заголовках сообщений всегда есть цель — четко определенная, емкая и фантастическая. Есть обещание, возбуждающее воображение так, как способна только тематика космических путешествий.
Но когда дело доходит до технического разбора того, как планируется достичь этих целей, повезет, если зрители или читатели получат красочную презентацию в Powerpoint, или 30-секундный анимационный ролик. Такой информации хватает для непосвященного человека, но недостаточно для тех, кто пытается вникнуть в технические способы исполнения обещаний. Это потому, что зачастую детали космической миссии на момент выпуска пресс-релиза кажутся не проработанными. Оговоримся: возможно, здесь ключевое слово «кажутся», а на самом деле все в порядке...
«В этом десятилетии мы отправимся на Луну» — один из таких заголовков. Поэтому стоит обсудить некоторые изъяны в сюжете «Артемиды» — самого амбициозного проекта NASA — которые прячут от публики.
Проблема сроков
Первое, о чем NASA старается не говорить публично — это то, что возвращение на Луну состоится не в первой четверти XXI века. Сроки («к 2020 году»), называемые в программах Vision for Space Exploration и Constellation, объявляемых в годы президентства Обамы и Буша-младшего, уже казались не реальными — слишком медленно шла разработка и слишком эфемерными представлялись задачи. А когда Трамп объявил высадку на Луну к 2024 году одним из национальных приоритетов, наблюдатели просто развели руками.
Учитывая, что график таких амбициозных проектов жестко связан с электоральными циклами, инженеры NASA в срочном порядке пытались собрать воедино план, дающий хотя бы малейшую надежду на достижение результата за один президентский срок.
Основные элементы (становой хребет) всех проектов возвращения на Луну — сверхтяжелая ракета-носитель SLS и пилотируемый корабль Orion — строились на основе идей эпохи полетов «Аполлонов», подкрепленных технологиями, наработанными в эру «шаттлов». Однако с их помощью даже на бумаге высадиться «в один пуск» не получалось: Orion для этого не годился, а разработка посадочных модулей не считалась приоритетом.
Однако SLS была лучшим, что могло сделать NASA с ресурсами, отпускаемыми на программу «Артемида» к началу второго десятилетия XXI века. Поэтому, когда настало время решать, как астронавты спустятся на лунную поверхность, эту задачу закономерно делегировали на сторону. Агентство обещало масштабное финансирование для любой компании, которая хотела и могла построить посадочный модуль, подспудно подразумевая, что настоящей наградой для победителя станут не деньги, а слава организации, которая «вернула людей на Луну».
В конкурсе участвовало трое: Dynetics, Blue Origin и SpaceX. Концепция первой проиграла сразу, вторая предложила что-то невразумительное. Победителем вышла… компания Илона Маска со впечатляющим проектом модифицированного «звездолета» Starship HLS. На сегодня это самый большой ракетный корабль в истории, который одновременно обладает самыми большими ограничениями. Поэтому SpaceX приходится рассказывать о его выдающихся показателях с большими оговорками.
Starship HLS — самый уязвимый элемент «Артемиды»
Starship Human Landing System — специальный вариант второй ступени (корабля) ракетно-космической системы Super Heavy — Starship. Он предназначен для доставки астронавтов с окололунной орбиты на поверхность Луны и обратно. Это ключевой и самый уязвимый элемент «Артемиды», из-за которого сроки выполнения программы сильно поехали «в право». О причинах сдвижки промолчим, сейчас все внимание — на технические характеристики «посадочного модуля».
Starship HLS может доставить на Луну 100 тонн груза, но не при старте с Земли, а исключительно с орбитальной дозаправкой. Без нее в теории он способен вывести этот груз на низкую околоземную орбиту и остаться там с совершенно пустыми баками. Но соединившись с орбитальной заправочной станцией и залив в баки криогенное топливо, корабль сможет отправиться… куда угодно! Однако технология криогенной орбитальной дозаправки, к сожалению, сейчас тоже существует только на бумаге, несмотря на то что в третьем экспериментальном полете Super Heavy — Starship 14 марта 2024 года специалисты вроде бы провели успешный эксперимент по перекачке 10 тонн криогенных жидкостей, но… внутри самого «Звездолета».
Для одного полета на Луну, выхода на окололунную орбиту, посадки на поверхность и возвращения на орбиту в Starship HLS надо залить около 1000 тонн топлива. Поскольку каждый «нормальный» Starship способен вывести на низкую околоземную орбиту 100 тонн груза, для доставки топлива потребуется 10 пусков системы Super Heavy — Starship. Прибавим к ним специализированное заправочное «депо» для промежуточного хранения на орбите криогенных компонентов и, собственно, корабль Starship HLS, который отправится на Луну. Итого 12 пусков.
Нельзя забывать, что топливо для этого корабля (метан и кислород) остается в жидком состоянии только при очень низких температурах. Но на околоземной орбите космический аппарат подвергается нагреву на солнечной стороне и остывает в тени. Это означает, что часть запущенного топлива так или иначе испарится, превратившись в бесполезный газ. Нужна сверхмощная теплоизоляция, дополнительные эксперименты для проверки длительного хранения криогенных жидкостей в космосе и... запас на испарение.
Некоторые эксперты полагают, что для того, чтобы сохранить в «депо» 1000 тонн топлива, может понадобиться не 10, как предположено выше, а 12-13 пусков Super Heavy — Starship. А для того, чтобы продемонстрировать возможность выполнения операции по заправке, запуску к Луне и посадке, SpaceX придется совершить этот цикл полетов дважды! То есть, скорее всего, для одной только первой лунной экспедиции «Артемиды» понадобится 28-30 (!) полетов, если первый демонстрационный корабль — «лунный модуль» не потерпит крушение.
После 6 июня 2024 года в сети появилась информация, что исходный Starship, усиленный по результатам первых трех летных испытаний, стал тяжелее и в лучшем случае может вывести на орбиту 50 тонн груза. Чтобы достичь заявленных возможностей, придется ждать Starship V2 или даже V3, которые больше и мощнее прототипа. И ждать долго: за четыре экспериментальных запуска «Звездолета» (который, кстати, задумывался не для посадки на Луну) SpaceX продвинулся далеко, но пока так и не показал, что Starship V1 может стабильно летать на орбиту и обратно. С этим надо разобраться до того, как два корабля состыкуются и произведут дозаправку в космосе. И единственный способ сделать хоть что-то из этого хотя бы разумно экономичным — это сажать Starship после возвращения с орбиты, загружать его топливом и повторно запускать как можно чаще.
В своих сообщениях NASA все еще заявляет, что миссия «Артемида-3», предполагающая высадку людей на Луну после более чем полувекового перерыва, состоится, в 2026 году. То есть все вышеописанные проблемы SpaceX обязуется решить в течение двух лет.
Проблема с дозаправкой Starship решена, но что дальше
Предположим, что Starship V2 начнет стабильно летать и все задачи с его дозаправкой будут решены. Итак, в 2026 году четверо астронавтов стартуют на «Орионе», установленном на вершине ракеты SLS и берут курс на Луну. Модуль экипажа будет двигаться по «околопрямолинейной гало-орбите» вокруг Луны, то есть по большому эллипсу, приближаясь к нашему естественному спутнику раз в шесть суток. Причина выбора именно такой орбиты, по словам NASA, заключается «в лучшей линии визуальной связи между экипажем и Землей». Однако правда в том, что… у SLS не хватает мощности, чтобы отправить модуль экипажа на более низкую орбиту. Ведь чем ниже вы спускаетесь в гравитационный колодец Луны, тем больше энергии вам нужно, чтобы вернуться обратно, а на борту корабля просто недостаточно топлива, чтобы это сделать.
Поэтому здесь, на этой сверхдальней окололунной орбите, экипаж встретится со Starship HLS, который самостоятельно будет запущен с Земли после 14-15 полетов Super Heavy — Starship. Два астронавта перейдут в посадочный модуль и отправятся к поверхности Луны, пока остальные двое будут ждать на окололунной орбите около недели.
Теперь необходимо совершить спуск на поверхность Луны. И только в этот момент специалисты узнают, возможно ли запустить вновь криогенный ракетный двигатель с турбонасосным агрегатом, который находится в космосе несколько дней или даже недель, чего также никогда раньше в истории космонавтики не делалось. Двигатель Raptor корабля Starship HLS — сложнейшая система с двумя турбонасосами, работающая по схеме «газ — газ», которая до этого летала только на суперносителе Super Heavy — Starship. Специалистам Илона Маска придется сильно напрячься, чтобы решить проблему повторного многократного включения криогенного двигателя после длительных (в несколько суток) пауз.
Есть еще одна проблема с высокоэллиптической окололунной орбитой. Если что-то пойдет не так, и во время спуска на поверхность посадочному модулю придется прервать снижение, то возможность повторной попытки посадки появится только через шесть дней. Эта «экономически оправданная» орбита обеспечивает очень узкое баллистическое «окно» для выполнения критически важных операций, которое совершенно точно нельзя пропустить. Эти обстоятельства стоило бы назвать опасными для астронавтов, но NASA никаких комментариев по этому вопросу не дает.
Вызывает опасение и то, что Starship HLS способен прилуниться исключительно в автоматическом режиме. Этой высокой и узкой ракетой нельзя управлять вручную: пилот корабля находится в кабине на высоте 15-этажного дома, откуда ему трудно увидеть, что происходит в основании корабля.
Еще во времена «Аполлонов» астронавты отрабатывали ручное управление лунным посадочным модулем. Ведь, хотя он оснащался компьютером для автоматического прилунения, в половине случаев имитации посадки на Земле вычислитель давал сбои или вообще не работал.
Нельзя отрицать достижения автоматики последних лет. Однако даже современному компьютеру трудно справиться с прилунением — вспомним проблемы с посадочными зондами Индии, Японии и России. Более того, неудача с американским аппаратом компании Intuitive Machines — пример того, что может случиться с высоким и тонким аппаратом при посадке: он опрокинулся.
В презентациях конструкция шасси для Starship HLS показана условно. Для посадки на Землю SpaceX собирается «ловить» ракету с помощью гигантского хватательного механизма на башне обслуживания, чего, конечно, никто раньше не делал. Но на лунном модуле обязательны крепкие и устойчивые посадочные опоры. А что случится, если этот высокий и тонкий корабль прилунится на неровной поверхности?
Чтобы избежать предсказуемой катастрофы, необходима мощная система поддержания равновесия и выравнивания после посадки. Затем, как только астронавты благополучно сядут на Луну, к поверхности им придется не менее 40 метров спускаться на лифте. И неизвестно, как на подобный механизм будут воздействовать лунная пыль или гравитация.
Только поразмыслив над этими задачами, которые NASA и SpaceX обязуются решить в ближайшие 2-4 года, можно представить картину миссии «Артемида» целиком. Сравнить то, что компания говорит о состоянии работ в пресс-релизах, и то, насколько схемы близки к реализации даже на бумаге.