I. Ракета
II. Капсула
III. Орбита
IV. «Гейтвэй»
V. Луноход
VI. Заправка
VII. Заключение
Чуть более 51 года назад с мыса Канаверал взлетела ракета с тремя астронавтами и космическим автомобилем. После трехдневного полёта на Луну двое астронавтов забрались в веретенообразный посадочный аппарат и совершили короткий спуск на поверхность, где ещё три дня собирали камни и дрифтовали на космическом автомобиле. Затем они вернулись в корабль, присоединились к своему коллеге на орбите и отбыли на Землю. Их капсула упала в южной части Тихого океана 19 декабря 1972 года. Эта миссия, «Аполлон-17», станет последней на сегодняшний момент, когда люди выходили за пределы низкой околоземной орбиты.
Если верить НАСА, в конце 2026 года американцы снова будут ходить по Луне. Эта миссия называется «Артемида-3», и её лунный сегмент очень похож на «Аполло-17» без космического корабля. Два астронавта высадятся на Луну, соберут камни, сделают сэлфи и примерно через неделю после посадки присоединятся к своим коллегам на орбите, чтобы вернуться на Землю.
Но если «Аполлон-17» стартовал на одной ракете и обошёлся в 3,3 миллиарда долларов (в пересчёте на доллары 2023 года), то первая посадка «Артемиды» предполагает десяток или два запусков тяжёлых ракет и стоит столько, что НАСА отказывается называть общее число (один ветеран бюджетирования НАСА оценивает её в 7-10 миллиардов долларов).[1] Одноразовый посадочный аппарат для этой миссии будет самым тяжёлым из когда-либо летавших космических аппаратов, и все же научный результат миссии — маленькая коробка камней — будет меньше, чем то, что прилетело домой на «Аполлоне-17». И весь план зависит от технологий, которые ещё не изобретены и станут надёжными и практичными в течение следующих восемнадцати месяцев.
Не нужно быть учёным-ракетчиком, чтобы понять, что здесь происходит. Если мы смогли посадить человека на Луну, то почему мы не можем сделать это снова? Луна не менялась с 1960-х годов, в то время как все технологии, которые мы использовали, чтобы попасть туда, достигли ошеломляющего прогресса. На заре космической эры НАСА потребовалось восемь лет, чтобы пройти путь от пустого места до высадки на Луну. Но сегодня, спустя двадцать лет и 93 миллиарда долларов после того, как космическое агентство объявило о нашем возвращении на Луну, эта цель кажется такой же недостижимой, как и раньше[2].
В статьях об «Артемиде» часто рассказывается запутанная предыстория программы. Но я хочу поговорить об «Артемиде» как о техническом проекте, потому что в нем так много интересного. Хотя НАСА не чуждо сложных архитектур миссий, «Артемида» выходит за рамки сложного и становится просто бессвязной. Не найти двух кусочков головоломки, которые происходят из одной и той же коробки. Половина программы требует прорывных технологий, которые сделают другую половину ненужной. Ракеты и космические корабли, на создание которых НАСА потратило два десятилетия, не могут даже добраться до Луны. И по непонятным причинам в программе появилась новая космическая станция.
Раньше, какой бы странный проект ни придумало НАСА, мы, по крайней мере, знали, что они способны создать описываемое оборудование. Но «Артемида» ставит под сомнение компетентность агентства как инженерной организации. Впервые с начала 1960-х годов неясно, способно ли американское космическое агентство вообще высадить астронавтов на Луну.
Касаемо «Аполлона»
В этом эссе я провожу много сравнений с проектом «Аполлон». Это не потому, что я считаю другие архитектуры миссий неполноценными, а потому, что ранний успех этой программы задаёт столь полезный базовый уровень. На заре космической эры, используя рудиментарные технологии, американские астронавты высаживались на Луну шесть раз за семь попыток. Высадка на Луну стала величайшим достижением НАСА и должна установить планку, которой может достичь современная миссия, использующая современное оборудование.
Сторонники «Артемиды» настаивают на том, что эта программа — нечто большее, чем «Аполлон 2.0». Но, как мы увидим, «Артемида» не может сравниться даже с «Аполлоном 1.0». Она стоит дороже, делает меньше, летает реже и подвергает экипажи рискам, которые твердолобые ракетчики эпохи «Аполлонов» считали неприемлемыми. Это как если бы Ford в 2024 году выпустил новую модель автомобиля, которая была бы медленнее, аварийнее и в десять раз дороже «Model T».
Если лунная программа нового поколения не может соответствовать стандартам стоимости, производительности и безопасности, установленным тремя поколениями ранее, значит, что-то пошло не так.
I. Ракета
Жемчужина «Артемиды» — большая оранжевая ракета с безвкусным названием Space Launch System (SLS). SLS выглядит так, будто кто-то начал строить «Спейс шаттл» и у него закончились лего для орбитального корабля. Здесь есть знакомый оранжевый бак, большая белая пара твердотопливных ускорителей, но затем ракета превращается в стопку конусов и цилиндров в стиле 1960-х годов.
Лучше всего представлять SLS как лысеющего парня с бородкой: фейерверк внизу, призванный отвлечь вас от печальной ситуации наверху. В случае с ракетой эти фейерверки — первая ступень с большей тягой, чем у «Сатурн 5», — тягой, достаточной для того, чтобы разгонная основная ступень могла почти самостоятельно вывести себя на орбиту. Но на вершине этого монстра располагается вторая ступень, настолько анемичная, что даже её название (промежуточная криогенная ступень) является своего рода извинением. В течение восьми минут SLS с рёвом взмывает в небо на огненном столбе. А затем, словно пробка из бутылки, появляется крошечная ступень ICPS и дрейфует примерно в сторону Луны со слабеньким огоньком позади.
С помощью этой конструкции разработчики SLS впервые достигли успеха в космических полётах, создав ракету, которая одновременно мощнее и менее полезна, чем «Сатурн-5». Если гигант 1960-х годов мог отправить на Луну 49 тонн, то SLS — только 27 тонн. Этого недостаточно для посадки по типу «Аполлон», не хватит даже для того, чтобы вывести экипаж на орбиту вокруг Луны без посадочного устройства. Лучшее, на что способна SLS, — это запустить космический корабль «Орион» так, чтобы он облетел разок вокруг Луны и вернулся обратно. Эта миссия пройдёт под названием «Артемида-2».
НАСА хочет заменить ICPS «разведочной верхней ступенью» (проект был задержан, в частности, из-за почти миллиардного превышения стоимости стартовой площадки). Но даже такая модернизация не даст SLS мощности «Сатурн-5». По какой-то причине НАСА спроектировало свою первую за сорок лет тяжёлую ракету-носитель так, чтобы она не могла летать по простой, проверенной архитектуре миссий «Аполлон».
Конечно, многие ракеты способны на полезную и продуктивную карьеру, не будучи такими мощными, как «Сатурн-5». И если бы ракеты SLS скапливались на сборочном комплексе в Мичуде на манер хвороста, или если бы НАСА хотело позволить своим астронавтам летать на коммерческой основе, было бы просто разделить миссии «Артемида» на несколько запусков.
Но НАСА настаивает на том, чтобы астронавты летали на SLS. А SLS – это разовый проект, ракета, созданная кустарным способом вручную рабочей силой, которая любит возвращаться домой до того, как на дорогах начнутся пробки. Ракета может стартовать только раз в два года, а её стоимость составляет около четырёх миллиардов долларов[3] — примерно вдвое больше, чем стоило бы сложить и сжечь стопку долларовых купюр с аналогичным весом[4].
На ранних этапах разработки SLS было принято катастрофическое решение повторно использовать оборудование «Шаттла», а это все равно что использовать яйца Фаберже, чтобы сэкономить на омлете. Основная ступень SLS использует главные двигатели «Спейс шаттл» — ветеранов старых полётов «Шаттла», которых вызвали с пенсии для одной последней работы. Переделка одного такого двигателя для работы на SLS обходится НАСА в 40 миллионов долларов, что немного больше, чем SpaceX тратит на все 33 двигателя своей сверхтяжёлой ракеты-носителя.[5] И хотя двигатели «Шаттл» разработаны как многоразовые (главная причина их дороговизны), при каждом запуске SLS четыре из них выбрасываются. Когда все свалки выберут дочиста, НАСА заплатит компании Aerojet Rocketdyne за возобновление производства классического двигателя по серьёзной стоимости в 145 миллионов долларов за штуку[6].
Не лучше обстоит дело и с твердотопливными ракетными ускорителями — ещё одной частью аппаратуры «Шаттла», которую SLS использует повторно. Изначально эти тяжёлые ракеты были временной мерой, введённой для экономии бюджета «Шаттла», но теперь они прикрепляются к каждой новой конструкции ракеты-носителя НАСА, как ракушки к корпусу корабля. Ни для кого не стало удивлением, что модернизация кучи тяжёлых стальных корпусов, оставшихся со времён «Шаттла», ничего не дала программе. По прогнозам, стоимость каждой ракеты-носителя SLS составит 266 миллионов долларов, что примерно вдвое превышает стоимость запуска Falcon Heavy.[7] Одна только замена асбестовой обшивки в ракете-носителе на более экологичный материал — проект, бюджет которого изначально составлял 4,4 миллиона долларов, — обошлась НАСА в четверть миллиарда долларов. А когда через семь ракет закончатся оставшиеся сегменты, SLS потребуется совершенно новая конструкция ракеты-носителя, что откроет новые просторы для перерасхода средств.
Затраты на SLS достигли такого уровня, что частная промышленность теперь способна разработать, испытать и запустить целую ракетную программу за меньшую сумму, чем НАСА тратит на один двигатель[8]. Полет на SLS похож на владение классическим автомобилем — все собирается вручную, компоненты стоят целое состояние, а когда вы наконец выводите машину из мастерской, вас постоянно обгоняют более молодые конкуренты.
Но стоимость SLS для НАСА не ограничивается только деньгами. Агентство взяло на себя обязательства по созданию устаревшей ракеты, похожей на франкенштейновского монстра, как раз в то время, когда космическая отрасль вступает в период беспрецедентных инноваций. В то время как другие космические программы получают возможность порезвиться с такими технологиями, как многоразовые ступени и экзотические сплавы, НАСА на годы застряло, растрачивая усилия огромного штата квалифицированных специалистов на тупиковую конструкцию.
Улиткоподобные темпы программы SLS также влияют на безопасность. Ещё в эпоху «Шаттлов» руководители НАСА утверждали, что требуется три-четыре запуска в год, чтобы работники были достаточно квалифицированы для создания и безопасного запуска кораблей. Бутиковый подход, при котором работники вручную создают одну ракету раз в два года, означает необходимость заново изучать процессы и процедуры при каждом запуске.
Кроме того, в программе «Артемида» не остаётся места для испытательных полётов. Программа просто рассчитывает на успех и планирует исполнить все свои важные первые полёты с астронавтами на борту. Когда происходят непредвиденные сбои, такие как обширное отслоение теплозащитного экрана и почти полное прогорание, наблюдавшееся у «Артемиды-1»,[9] у агентства нет возможности проверить работоспособность предложенного исправления без многолетней задержки программы. Поэтому, чтобы убедить себя в том, что новая конструкция безопасна для полётов, приходится прибегать к косвенным методам — процесс, чреватый ошибками и самообманом.
II. Капсула
Капсула «Орион», которая будет запущена с помощью SLS, представляет собой переосмысление командного модуля «Аполлона», подходящее для современных астронавтов больших размеров. Он оснащён современными компьютерами, объём которых в два раза меньше, чем у конструкции 1960-х годов, и несколько удобств (например, отсутствие необходимости какать в пакетик), которые порадовали бы первопроходцев «Аполлона».
Официальное название капсулы — Orion Multipurpose Crew Vehicle [Многозадачный командный модуль], но придумать даже одну задачу для «Ориона» оказалось для НАСА очень сложной проблемой. В течение двадцати лет космический корабль в основном простоял на земле, проедая годовой бюджет в 1,2 миллиарда долларов. В 2014 году первый «Орион» совершил короткий испытательный полет. Спустя всего восемь лет «Орион» стартовал снова, доставив команду манекенов с приборами вокруг Луны на корабле «Артемида-1». В 2025 году капсула (к тому времени достаточно взрослая, чтобы употреблять алкоголь [по американским законам это 21 год / прим. перев.]) должна будет перевезти пассажиров-людей на «Артемиде-2».
«Орион» отправляется в космос в комплекте с корзиной с подарками, называемой Европейским сервисным модулем. ESM снабжает «Орион» солнечными батареями, дыхательным газом, аккумуляторами и небольшой ракетой, которая является основным двигателем капсулы. Но поскольку ESM никогда не предназначался для полётов на Луну, он несёт очень мало топлива — слишком мало, чтобы вывести тяжёлую капсулу на лунную орбиту и вернуть обратно[10].
А «Орион» увесистый. Изначально капсула была рассчитана на шесть астронавтов, но её размеры так и не поменяли, когда требования к экипажу сократились до четырёх человек. Как минивэн для опустевшего семейного гнёзда, «Орион» теперь таскает за собой кучу ненужной массы и объёма. Даже с учётом экономии на замене авионики времён «Аполлона», капсула весит почти в два раза больше, чем командный модуль «Аполлона».
Эта дополнительная масса оказывает влияние на всю конструкцию «Артемиды». Поскольку для большой капсулы нужна большая ракета-носитель, SLS придётся тащить на орбиту массивную систему отмены запуска «Орион» — семь тонн собственного веса — почти до самой орбиты. А усиление капсулы для того, чтобы система аварийного отключения не превратила астронавтов в желе, означает, что капсула становится тяжелее, что увеличивает нагрузку на парашюты и тепловой экран, и так по кругу.
Особенно обидно, что «Орион» и ESM вместе имеют почти такую же массу, как командный и служебный модули «Аполлона», которые без проблем достигли Луны. Вся разница — в пропорциях. Если «Аполлон» был построен как родстер, с маленьким отсеком для экипажа, прикрученным к огромному двигателю, то «Орион» — это Dodge Journey для космических кораблей — громоздкий, маломощный шестиместный корабль, который рассказывает всему миру, что вы ужасно распоряжаетесь деньгами.
III. Орбита
Тот факт, что ни ракета, ни космический корабль не могут добраться до Луны, создаёт трудности для лунной программы НАСА. Поэтому, подобно стареющему певцу, транспонирующему старые хиты на более доступную октаву, агентство работает над поиском «прилегающего к Луне» пункта назначения, до которого может добраться его аппаратура.
Их решение — небольшая небесная страна чудес под названием Near Rectilinear Halo Orbit [Почти прямолинейная гало-орбита], или NRHO. Космический аппарат на этой орбите обращается вокруг Луны каждые 6,5 дней, проходя в 1000 километрах над северным полюсом Луны при ближайшем сближении, а затем удаляясь примерно на 70 000 километров (пятая часть расстояния между Землёй и Луной) в самой удалённой точке. Для того чтобы добраться до NRHO с Земли, требуется значительно меньше энергии, чем для выхода на полезную лунную орбиту, что делает её вполне досягаемой для SLS и «Ориона»[11].
По мнению НАСА, NRHO имеет столько преимуществ, что удивительно, что мы всё ещё остаёмся на Земле. У космических аппаратов на этой орбите Земля всегда находится в пределах видимости, и они никогда не проходят через её тень. Орбита относительно стабильна, поэтому космический аппарат может находиться на ней месяцами, используя только ионные двигатели. А условия дальнего космоса — идеальное место для тренировки полёта на Марс.
Но NRHO ужасно неудобен для полёта на Луну. Орбита похожа на один из тех европейских бюджетных аэропортов, выйдя из которых, вы оказываетесь где-то в чистом поле, и вам приходится много платить за такси. В случае «Артемиды» это такси принимает форму совершенно другого космического корабля — лунного посадочного, который запускается без экипажа за месяц или два до «Ориона» и должен, находясь в NRHO, ждать, когда прибудет капсула.
После стыковки этих двух космических кораблей два астронавта пересаживаются в «Орион» и начинают дневной спуск на лунную поверхность. Два других астронавта ждут их в NRHO, играя в червы и тихонько поглощая радиацию.
При посадке «Аполлонов» экипаж также разделяли на тех, кто будет в спускаемом аппарате, и тех, кто остаётся на орбите. Но в этих миссиях командный модуль находился на низкой лунной орбите, которая каждые два часа проносила его над местом посадки. Такая близость орбитального и посадочного модулей имела огромные преимущества в плане безопасности. В любой момент миссии астронавты на Луне могли забраться в поднимающуюся ракету, нажать большую красную кнопку и к тому времени, когда было пора ложиться спать, уже потягивать напиток из порошочка с пилотом командного модуля. Короткий орбитальный период также давал объединённому экипажу дюжину возможностей в день вернуться на Землю при необходимости. [12]
Если вы застряли в NRHO, это значительно усложняет варианты отмены. В зависимости от того, на каком этапе миссии это произойдёт, сбитому зонду может потребоваться три или более дней, чтобы догнать движущийся по орбите «Орион». В худшем случае экипаж может застрять на лунной поверхности на несколько часов после отбоя, вынужденный ждать, пока «Орион» достигнет более благоприятной точки своей орбиты. А когда все вернутся на «Орион», может пройти ещё несколько дней, прежде чем экипаж сможет отправиться на Землю. Такое длительное и переменное время отбоя значительно увеличивает риски для экипажа, делая многие сценарии, которые можно было пережить на «Аполлоне» (например, «Аполлон-13»!), смертельно опасными на «Артемиде». [13]
Проблема с отменами — лишь один из примеров того, как NRHO замедляет миссии. НАСА любит хвастаться, что «Орион» может оставаться в космосе гораздо дольше, чем «Аполлон», но это все равно что хвастаться, что вы пришли в лучшую форму за всю свою жизнь после того, как банк забрал вашу машину. Странно позитивно оценивать неудачный жизненный выбор. Причина, по которой «Ориону» нужна вся эта выносливость, заключается в том, что время транзита от Земли до NRHO велико, и экипажу приходится тратить дополнительное время в NRHO, ожидая, пока орбиты выстроятся в ряд. Например, миссия «Артемида-3» проведёт в пути 24 дня, в то время как у миссии «Аполлон-11» на это ушло всего 6 дней.
NRHO даже диктует, как долго астронавты будут находиться на Луне — время пребывания на поверхности должно быть кратно 6,5-дневному орбитальному периоду. Отсутствие гибкости означает, что даже ранние миссии, которые собираются оставить после себя только флаг и отпечатки в пыли, такие как «Артемида-3», должны провести на Луне не менее недели, что значительно увеличивает риск первоначальной посадки. [14]
В космических полётах кратковременность — это безопасность. Нет лучшего способа защитить астронавтов от рисков солнечных бурь, механических сбоев и других неприятностей, чем минимизация лишнего времени, проведённого в космосе. Кроме того, безопасная архитектура должна обеспечивать быстрое возвращение на Землю в любой момент миссии. Несомненно, астронавтам первых миссий «Артемида» будет лучше, если «Орион» будет находиться на низкой лунной орбите. Решение о запуске с NRHO — отличный пример того, что НАСА разрабатывает свою лунную программу в неправильном направлении, позволяя недостаткам аппаратуры диктовать уровень риска миссии.
IV. «Гейтвэй»
Полагаю, в какой-то момент мы должны поговорить и о «Гейтвэй». «Гейтвэй» — это небольшая модульная космическая станция, которую НАСА хочет построить в NRHO. Она появляется в различных миссиях, как неприятный запах, ещё с 2012 года.
В начале программы «Артемида» НАСА описывало «Гейтвэй» как своего рода небесную стоянку для грузовиков, безопасное место для посадочного аппарата, где экипаж сможет припарковаться и выпить чашку кофе по пути на Луну. Но когда стало ясно, что «Гейтвэй» не будет готов к запуску «Артемиды-3», НАСА пересмотрело свои взгляды. Рассудив, что два космических аппарата могут встретиться в NRHO так же легко, как и три, агентство разрешило провести первую высадку на Луну без космической станции.
Несмотря на открытое признание ненужности «Гейтвэя», строительство космической станции остаётся основным направлением программы «Артемида». Три миссии, которые следуют за первой высадкой, посвящены в основном сборке «Гейтвэя». На самом деле, в первоначальных планах «Артемиды-4» лунная посадка вообще не предусматривалась, как будто это было неким неудобным аспектом, мешающим реальной работе, выполняемой на орбите.
Это удивительная ситуация. Это как если бы вы наняли кого-то переделать вашу кухню, а он начал строить лодку на вашей подъездной дорожке. Конечно, лодка даёт строителям место для отдыха, позволяет им практиковаться в хитроумных сантехнических и отделочных работах, а также является безопасным местом для хранения их инструментов. Но все эти аргументы вас не удовлетворят. Вы все равно хотите знать, какое отношение строительство лодки имеет к ремонту кухни, и почему именно вы оплачиваете этот счёт.
НАСА с трудом удаётся найти техническое обоснование для «Гейтвэя». Космическая станция увеличивает стоимость и сложность программы «Артемида», которая не испытывает недостатка ни в том, ни в другом. Требование к астронавтам, прибывающим на Луну, останавливаться на «Гейтвэе» также делает миссии более рискованными (за счёт дополнительных стыковочных операций) и в то же время заставляет тратить больше топлива. Аэрокосмический инженер и обозреватель Роберт Зубрин метко назвал станцию местом для сбора дорожного налога.
Даже защитники «Гейтвэй» с трудом оправдывают строительство станции. Распространённый аргумент заключается в том, что программа «Гейтвэй», возможно, и не идеальна для чего-то одного, но хороша для многих вещей. Но это та же самая схема мышления, которая привела нас к SLS и «Орион» — обе ракеты были разработаны до того, как кто-то понял, что с ними нужно делать. Правда в том, что универсальных конструкций для пилотируемых космических полётов не существует. Лучшее, что вы можете сделать, — это построить космический корабль, который одинаково плох во всем.
Но искать технические обоснования — значит неправильно понимать цель «Гейтвэя». Станция строится не для того, чтобы укрыть астронавтов в суровых условиях космоса, а для того, чтобы защитить «Артемиду» в суровых условиях Конгресса. «Гейтвэй» нужен НАСА, чтобы ориентироваться в неопределённом политическом ландшафте 2030-х годов. Без станции «Артемида» станет просто серией нечастых многомиллиардных высадок на Луну, красным плащом, развевающимся перед лицом Управления по менеджменту и бюджету. «Гейтвэй» вооружает «Артемиду», привлекая международных партнёров, каждый из которых предоставляет дорогостоящее оборудование. Как выяснило НАСА, создавая Международную космическую станцию, сочетание невозвратных затрат и международного участия является мощным талисманом против гибели программы.
«Гейтвэй» также решает некоторые другие проблемы для НАСА. Он даёт SLS направление для полёта, стимулирует частную промышленность (выделяя государственные деньги на поставки оборудования для «Гейтвэя»), создаёт рабочие места для астронавтов и гарантирует непрерывность полётов человека в космос после того, как МКС станет непригодной для жизни где-то в 2030-х годах. [15]
Последняя цель может показаться странной, если вы не рассматриваете полет человека в космос как самоцель. Но НАСА — это организация, основанная на вере и придерживающаяся принципа, что налогоплательщики всегда должны держать на орбите одного-двух американцев. Это немного похоже на то, как если бы Национальное управление океанических исследований и атмосферы настаивало на сохранении батискафов, заполненных моряками, на дне моря, независимо от стоимости или преимуществ этого, и отвергало программы, которые могли бы угрожать постоянному присутствию человека на дне. С верой не поспоришь.
С точки зрения бюрократов, «Гейтвэй» — это билет НАСА назад в золотую эру начала 2000-х, когда Космическая станция и «Спейс Шаттл» составляли единое целое, и каждая программа оправдывала существование другой. Воссоздание этой динамики с помощью «Гейтвэя» и SLS/»Орион» означало бы предсказуемость бюджетов и стабильность программ НАСА вплоть до 2050-х годов.
Но «Артемида» должна была вернуть нас в другой золотой век, золотой век «Аполлона». И поэтому в программе существует неразрешимое противоречие между строительством «Гейтвэя» и выполнением интересных задач на Луне. Поскольку миссии «Артемиды» происходят с разницей в два и более лет, неизбежно сборка «Гейтвея» отодвинет такие перспективные проекты, как поверхностная среда обитания или луноход с атмосферным давлением внутри, на 2040-е годы. Но эти же проекты встречаются на пути к Марсу, и НАСА по-прежнему настаивает на том, что мы отправимся туда в конце 2030-х годов. Ситуация неловкая.
Такова история «Гейтвэя» — нелюбимого, неистребимого и, как мы увидим, вероятно, ставшего единственным наследием программы «Артемида».
V. Луноход
Лунный вездеход — самая технически амбициозная часть «Артемиды». Если SLS, «Орион» и «Гейтвэй» в основном представляют собой компиляцию лучших хитов НАСА, то для лунохода требуются прорывные технологии, способные совершить революцию в космических путешествиях.
Конечно, нельзя было назвать его просто луноходом. На языке «Артемиды» этот космический корабль — Human Landing System, или HLS. НАСА поручило его разработку двум частным компаниям — Blue Origin и SpaceX. SpaceX отвечает за посадку астронавтов на «Артемидах» 3 и 4, а Blue Origin — за «Артемиду-5» (условно запланированную на 2030 год). После этого агентство будет принимать конкурсные заявки на последующие миссии.
Дизайн SpaceX HLS основан на экспериментальном космическом корабле Starship — огромной ракете, которая взлетает и садится на хвост, как в фантастике 1950-х годов. В этом дизайне чувствуется вайб «нового платья короля». С одной стороны, это детище гениальных инженеров SpaceX, прошедшее техническую экспертизу НАСА. С другой стороны, кажется, что этот аппарат из кожи вон лезет, чтобы создать себе проблемы и решить их с помощью технологий.
Начнём с очевидного: вероятность того, что HLS опрокинется, выше, чем у двух последних космических аппаратов, приземлявшихся на Луну, которые опрокинулись. Это пятнадцатиэтажная башня, которая должна приземлиться на задницу в ужасных условиях освещения, на груду булыжника неизвестного состава, на расстоянии более световой секунды от Земли. Экипаж оказывается подвешенным так высоко над поверхностью, что для спуска ему нужен складной космический лифт (не такой крутой, как представляют фантасты). И все же в итоге этот одноразовый посадочный аппарат несёт меньше полезной нагрузки (как в одну сторону, так и в другую), чем крошечный лунный модуль на «Аполлоне-17». Использовать Starship для высадки двух астронавтов на Луну — все равно, что доставлять пиццу с помощью авианосца.
Забавно, что из-за огромных размеров конструкции SpaceX у него почти не осталось места для груза. Космический корабль прибывает на Луну, нагруженный примерно 200 тоннами криогенного топлива,[16] и, подобно толстяку, покидающему кресло, ему нужна каждая капля этой энергии, чтобы оторвать свою массу от поверхности. Не способствует делу и то, что все это криогенное топливо должно будет жариться в течение недели под прямыми солнечными лучами.
Другие, менее смелые проекты уменьшают аппетит к топливу за счёт использования отделяемой посадочной ступени. Такая схема также защищает взлетающую ракету от сверхскоростных обломков, которые поднимаются во время посадки. Но HLS — это цельная ракета; те же самые двигатели, которые подвергаются пескоструйной обработке на пути к Луне, должны безотказно работать неделю спустя.
Учитывая этот факт, примечательно, что контракт НАСА со SpaceX не требует от них демонстрации лунного взлёта. Все, что нужно сделать SpaceX, чтобы удовлетворить требования НАСА, — это посадить прототип HLS на Луну. Вопросы о подъёме могут подождать до самой миссии, когда мы вместе с экипажем узнаем, сможет ли HLS снова взлететь[17].
Такая бесстрашность в проектировании является частью модели Starship HLS. Проблемы, которых другие посадочные аппараты избегают на этапе проектирования, решаются с помощью инженерных уловок. И вполне понятно, почему SpaceX поступает именно так. Starship предназначен для полёта на Марс, а это гораздо более сложная задача, чем высадка двух человек на Луну. Если базовая конструкция Starship не справится с посадкой на Луну, это поставит под сомнение весь план компании по полёту на Марс. SpaceX стремится к тому, чтобы Starship работал, а эта задача отличается от задачи создать наилучший лунный корабль.
Менее очевидно, почему НАСА терпит все эти сложности на самом опасном этапе своей первой лунной миссии. Зачем сажать ракету размером со здание, напичканную движущимися частями? Трудно смотреть на проект HLS и не вспоминать о других случаях, куча умных людей из НАСА уговаривали сами себя пойти на большой риск, потому что альтернативой был отказ от полёта вообще.
Поучительно сравнить подход HLS с философией проектирования «Аполлона». Инженеры этой программы были мотивированы страхом; никто не хотел совершить ошибку, которая оставила бы астронавтов на Луне. Оружием, которое они использовали для снижения риска, была простота. Лунный модуль представлял собой небольшой металлический ящик с широкой стойкой, построенный достаточно низко, чтобы астронавтам нужно было спускаться только по короткой лестнице. Нижняя половина модуля представляла собой спускаемую ступень, которая полностью закрывала восходящую ракету (эта конструкция показала свою ценность на «Аполлоне-15», когда один из спускаемых двигателей был разбит камнем). И эта ракета-носитель, самый важный элемент оборудования на станции, была пещерной конструкцией, намеренно сделанной настолько примитивной, чтобы она не смогла найти способов выйти из строя.
На «Артемиде» все наоборот: чем опаснее этап миссии, тем сложнее аппаратура. Трудно смотреть на всю эту лунную технику и оставаться спокойным, особенно когда собственная Консультативная группа по аэрокосмической безопасности НАСА считает, что только часть лунной миссии «Орион»/SLS (не считая ничего, связанного с HLS) уже имеет 1 шанс из 75 погубить экипаж.
VI. Заправка
Поскольку самая большая ракета НАСА с трудом выводит «Орион» на далёкую лунную орбиту, а HLS весит в пятьдесят раз больше, чем «Орион», любопытный читатель может задаться вопросом, как беспилотный посадочный аппарат должен туда добраться.
Ответ НАСА очень разумный: «Это не наша проблема». Они платят Blue Origin и SpaceX большие деньги, чтобы те сами разобрались с этим. А с практической точки зрения, единственный способ вывести такой массивный космический корабль на NRHO — это сначала заправить его на низкой околоземной орбите.
Как и многие другие космические технологии, орбитальная дозаправка звучит просто, но её никогда не испытывали и её не получится адекватно смоделировать на Земле.[18] Суть проблемы в том, что жидкие и газовые фазы в микрогравитации смешиваются в трёхмерный беспорядок, так что даже измерить количество топлива в баке становится сложно. Чтобы усложнить ситуацию, Starship использует криогенное топливо, которое кипит при температурах примерно на сто градусов холоднее, чем трубы, по которым оно должно двигаться. Представьте, что вы пытаетесь налить воду из термоса в раскалённую сковороду, падая с обрыва, и вы получите некоторое представление о трудностях.
Чтобы дозаправка работала, SpaceX придётся сначала продемонстрировать передачу топлива между ракетами в качестве доказательства работоспособности концепции, а затем добиться надёжной и эффективной работы этого процесса в масштабах сотен тонн. (Это две разные задачи). Как только они смогут регулярно перемещать жидкий кислород и метан со звездолёта A на звездолёт B, они будут готовы к созданию инфраструктуры, необходимой для запуска HLS.
План доставки HLS на Луну выглядит следующим образом: за несколько месяцев до даты посадки SpaceX запустит специальный вариант своей ракеты Starship, который будет служить хранилищем топлива. Затем они начнут запускать звездолёты один за другим, чтобы заполнить его. Каждый звездолёт прибывает на низкую околоземную орбиту с некоторым остатком топлива; ему нужно будет состыковаться с ракетой-хранилищем и перекачать эти остатки топлива. Когда хранилище будет заполнено, SpaceX запустит HLS, заставит его заполнить свои баки на ракете-хранилище и отправит его на NRHO перед «Орионом». Когда «Орион» прибудет на место, на борту HLS останется достаточно топлива, чтобы взять на борт астронавтов и совершить один круговой полет от NRHO до лунной поверхности.
Чтобы этот план сработал, необходимо решить вторую инженерную проблему — как сохранить криогенное топливо холодным в космосе. Низкая околоземная орбита — жаркое место, и без специальных мер криогенное топливо, которое использует Starship, быстро улетучится в космос. Эту проблему легко решить в глубоком космосе (используйте тент от солнца), но она становится сложной на низкой околоземной орбите, где один тёплый камень закрывает треть неба. (Выкипание также является большой проблемой для HLS на Луне).
Пока неясно, сколько запусков звездолёта потребуется для заправки HLS. Илон Маск сказал, что четырёх будет достаточно; помощник заместителя администратора НАСА Лакиша Хокинс говорит, что это число находится в «районе десятков». На прошлой неделе Кэти Людерс из SpaceX назвала цифру в пятнадцать запусков.
Реальное число неизвестно и будет зависеть от четырёх факторов:
Сколько топлива может доставить звездолёт на низкую околоземную орбиту.
Какую часть этого топлива можно выкачать из ракеты.
Как быстро криогенное топливо выкипает из орбитального хранилища.
Как быстро SpaceX сможет запускать звездолёты.
SpaceX, вероятно, знает ответ на вопрос (1), но не говорит. Данные по пунктам (2) и (3) придётся ждать до лётных испытаний, которые запланированы на 2025 год. И, очевидно, многое зависит от (4), также называемого каденцией запуска.
Рекорд по частоте запусков тяжёлых ракет принадлежит «Спейс Шаттлу», который летал девять раз в календарный год, предшествовавший катастрофе «Челленджера». Второе место занимает «Сатурн-5», которая стартовала три раза в течение четырёх с половиной месяцев в 1969 году. На третьем месте — Falcon Heavy, которая летала шесть раз в течение 13 месяцев, начиная с ноября 2022 года.
Чтобы план дозаправки сработал, Starship должен будет побить этот рекорд в десять раз, запускаясь каждые шесть дней или около того на нескольких стартовых комплексах. [19] Программа дозаправки может потерпеть несколько неудач при запуске, если ни одна из них не повредит стартовую площадку.
Нет компании, которая была бы лучше подготовлена к решению этой задачи, чем SpaceX. Их ракета Falcon 9 побила рекорды надёжности и частоты запусков и теперь стартует примерно раз в три дня. Но SpaceX потребовалось десять лет, чтобы перейти от первого орбитального полёта Falcon 9 к еженедельным запускам, а Starship намного больше и сложнее Falcon 9. [20]
Экстраполяция в прошлое от официального расписания миссии позволяет нам оценить давление, с которыми сталкивается SpaceX. Чтобы успеть к официальной дате посадки «Артемиды», SpaceX должна высадить беспилотный прототип HLS на Луну в начале 2026 года. Это означает, что полёты танкеров для заправки орбитального хранилища должны начаться в конце 2025 года. Это не оставляет компании много времени, чтобы изобрести орбитальную заправку, обеспечить её масштабную работу, сделать её эффективной, решить проблему выкипания топлива, обеспечить надёжный запуск Starship, начать восстановление ступеней РН,[21] создать дополнительные пусковые установки, добиться еженедельной периодичности и в то же время разработать и испытать все остальные системы, которые должны войти в HLS.
Чтобы никто не подумал, что я придираюсь к SpaceX, график разработки лунного корабля 2029 года от компании Blue Origin ещё более фантастичен. Этот проект требует перекачки многих тонн жидкого водорода между космическими аппаратами на лунной орбите — задача, возможно, на порядок сложнее, чем та, которую пытается решить SpaceX. Жидкий водород громоздок, кипит при температуре около абсолютного нуля и печально известен своей способностью просачиваться сквозь что угодно (программа «Шаттл» не смогла справиться с утечками водорода на Земле даже после сотни запусков). А ракета, которая нужна Blue Origin для испытания всех этих технологий, так и не поднялась в воздух.
В итоге НАСА поставило между собой и Луной пару долгоиграющих программ развития технологий. Особенно поражает контраст между амбициозностью проектов HLS и крайним консерватизмом и ледниковыми темпами SLS/«Орион». Та же организация, которая потратила 23 года и 20 миллиардов долларов на создание самого «ванильного» космического корабля в мире, требует, чтобы SpaceX омрачила небо звездолётами в течение четырёх лет после подписания первоначального контракта на HLS. Хотя поклонники SpaceX и испытывают восторг, это довольно несерьёзное поведение со стороны национального космического агентства, которое за несколько десятилетий предупредило, что для полёта на Луну потребуется посадочный аппарат.
Все понимают, что в 2026 году высадки на Луну не будет. В какой-то момент НАСА придётся официально сместить график, как это было в 2021, 2023 и в начале этого года. Если эта ускоряющаяся череда задержек продолжится, то к концу года мы можем достичь состояния непрерывной отсрочки, своего рода сингулярности планирования, когда дата посадки «Артемиды-3» плавно и непрерывно отступает в будущее.
В противном случае трудно представить себе пилотируемую посадку на Луну раньше 2030 года, если программа «Артемида» просуществует так долго.
VII. Заключение
Я хочу подчеркнуть, что нет ничего плохого в том, что НАСА делает большие ставки на технологии. Напротив, дерзкие контракты HLS — это, возможно, самое полезное в «Артемиде». Провидцы из НАСА определили новый футуристический источник энергии (эго космических миллиардеров) и нашли способ использовать его по фиксированной стоимости. Если SpaceX или Blue Origin придумают, как сделать криогенную заправку практичной, это будет означать большой шаг вперёд в освоении космоса — именно то, что НАСА должно поощрять. Если же технология не оправдает себя, мы узнаем об этом, потратив в основном деньги Маска и Безоса.
Настоящая проблема «Артемиды» заключается в том, что она не продумывает последствия собственного успеха. Работающая инфраструктура для орбитальной дозаправки сделает SLS и «Орион» ненужными. Вместо того чтобы ждать два года, чтобы подняться на ракете стоимостью 4 миллиарда долларов, экипажи и грузы могли бы стартовать каждые выходные на дешёвых коммерческих ракетах, дозаправляясь на низкой околоземной орбите по пути к Луне. Аналогичная логика применима и к «Гейтвэй». Зачем мучительно собирать космическую станцию из частей на лунной орбите, если можно построить её на Земле и запустить в космос одной деталью? А ещё лучше просто нанести надпись «ГЕЙТВЭЙ» из баллончика на бок ближайшего звездолёта, отправить его на NRHO и сэкономить НАСА и его международным партнёрам миллиарды. Наличие работающей заправочной станции на низкой околоземной орбите в корне меняет возможные варианты, чего, похоже, не признает ответвление проекта «Артемида» -SLS/«Орион».
И наоборот, если SpaceX и Blue Origin не смогут заставить работать криогенную заправку, то у НАСА не будет плана Б для высадки на Луну. Все, на что будет способна программа «Артемида», — это сборка «Гейтвэй». Обещать налогоплательщикам Луну, и в итоге получить только младшего брата МКС – это не похоже на послание национального величия и вряд ли заставит Конгресс с энтузиазмом отнестись к полёту на Марс. Обидные сравнения между американским динамизмом 1960-х годов и тем, что мы имеем сейчас, практически напрашиваются сами собой.
То, что делает НАСА, похоже на то, как офисный работник спускает половину своей зарплаты на лотерейные билеты, а другую половину откладывает в пенсионный фонд. Если лотерейные деньги поступают, то пенсионный фонд действительно не нужен. Но без выигрыша в лотерею на пенсионном счёте не будет достаточно денег, чтобы выйти на пенсию. Эти две стратегии не имеют смысла вместе.
Существует «реалистическая» школа космических полётов, которая признает все это, но просит нас взглянуть на картину шире. У нас никогда не будет идеальной космической программы, утверждает она, но главное — это движение вперёд. И «Артемида» — первая программа за последние годы, которая пережила смену президента и имеет шанс вывести нас за пределы низкой околоземной орбиты. Поскольку программа «Артемида» все ещё финансируется, а Starship быстро продвигается вперёд, в какой-то момент мы наконец увидим американских астронавтов на Луне.
Но у этого аргумента есть два недостатка. Первый заключается в том, что он подпитывает цикл дисфункции в НАСА, который быстро делает невозможным для нас куда-либо полететь. Создание для пилотируемых космических полётов стандартов, отличных от стандартов для научных миссий НАСА, стало катастрофой для освоения космоса. В настоящее время Управление по разработке исследовательских систем (организация, отвечающая за пилотируемые космические полёты) не смогло бы собрать тостер меньше чем за миллиард долларов. Некомпетентность, самоуправство и бесхозяйственность, которые привели бы к краху карьеры в научной сфере НАСА, не только терпятся, но и вознаграждаются в сфере пилотируемых космических полётов. Прежде чем позволить агентству создать третий за сорок лет чемодан без ручки, стоит задуматься о том, что мы получаем взамен половины бюджета на исследования.
Второй, более серьёзный недостаток «реалистического» подхода заключается в том, что он создаёт культуру институциональной лживости, которая в конечном итоге должна быть фатальной для инженерной организации. Мы достигли той точки, когда НАСА постоянно лжёт, как себе, так и общественности. Оно лжёт о графиках и возможностях. Оно лжёт о затратах и выгодах своей программы пилотируемых космических полётов. И, прежде всего, оно лжёт о рисках. Все институциональные патологии, выявленные в докладе Роджерса и Комиссией по расследованию аварии «Колумбии» , живы и процветают в «Артемиде» — конформизм, раздутость руководства, сильное давление с целью соблюдения невозможных сроков и готовность создавать инженерные обоснования, чтобы оправдать полёты небезопасного оборудования.
Неужели нам нужно ждать ещё одной трагедии и ещё одного прекрасно подготовленного отчёта президентской комиссии, чтобы понять, что «Артемида» не работает?
Примечания
[1] Без помощи НАСА трудно определить стоимость миссии в долларах, не принимая несколько произвольных решений о том, что включать, а что исключать. Оценка в 7-10 миллиардов долларов исходит от чиновника Управления по управлению и бюджету времён Буша, комментирующего на форуме НАСА Spaceflight Forum:
И эти 7,2 миллиарда долларов предполагают, что «Артемида III» останется в графике. Исходя из бюджетного запроса на 24 финансовый год, каждый дополнительный год между «Артемидой II» и «Артемидой III» добавляет ещё от 3,5 до 4,0 миллиардов долларов на общую разведку «Артемиды III». Если «Артемида III» стартует в 2027 году, то общая сумма составит $10,8B. Если в 2028 году, то $14,3B.
Другими словами, трудно определить реальную стоимость, пока сроки запуска «Артемиды» II и III постоянно срываются.
Генеральный инспектор НАСА оценивает стоимость только части SLS/«Орион» для высадки на Луну в 4,1 миллиарда долларов.
[2] Первый американский суборбитальный полет, «Дружба-7», стартовал 15 мая 1961 года. Армстронг и Олдрин высадились на Луну восемь лет и два месяца спустя, 21 июля 1969 года. Президент Буш объявил о цели возвращения на Луну в своей речи в январе 2004 г., установив дату первой высадки «не ранее 2015 г.» и не позднее 2020 г.
[3] НАСА отказывается отслеживать стоимость SLS в пересчёте на один запуск, поэтому легко ввязаться в битвы ботанов. Поскольку основным фактором стоимости SLS является гигантский штат сотрудников, занятых в проекте, примерно в два или три раза превышающий штат SpaceX, стоимость одного запуска сильно зависит от частоты запусков. Если исходить из годовой нормы запусков (официальная риторика), то ракета стоит 2,1 миллиарда долларов за один запуск. Если, как и я, вы считаете, что один запуск раз в два года — это оптимистично, то стоимость возрастает до 4-5 миллиардов долларов.
[4] SLS весит 2 600 метрических тонн в заправленном состоянии, и, что очень удобно, долларовая купюра весит около 1 грамма.
[5] SpaceX не раскрывает стоимость, но принято считать, что двигатель Raptor, используемый на Superheavy, стоит 1 миллион долларов.
[6] Цифра в 145 миллионов долларов получена путём деления стоимости контракта на количество двигателей, в стиле первоклассника. Другие считают, что стоимость единицы этих двигателей составляет 100 миллионов долларов. Важно не то, кто прав, а то, что НАСА платит за двигатели такого класса гораздо больше, чем кто-либо другой.
[7] 250 миллионов долларов — это цифра, которую вы получите, разделив сумму контракта на производство и эксплуатацию ракет-носителей стоимостью 3,2 миллиарда долларов, заключённого с компанией Northrop Grumman, на количество ракет-носителей (12), предусмотренных контрактом. Источник: Управление генерального инспектора. О перерасходе средств на замену асбеста см. отчёт КГИ об управлении НАСА контрактами на бустеры и двигатели для космических ракет-носителей. Министерство обороны заплатило 130 миллионов долларов за запуск Falcon Heavy в 2023 году.
[8] Компания Rocket Lab разработала, испытала и провела полет своей ракеты Electron общей стоимостью 100 миллионов долларов.
[9] В частности, разделительные болты, встроенные в тепловой экран «Орион», были изготовлены на основе несовершенной тепловой модели и должны быть перепроектированы для безопасного полёта экипажа. Из отчёта КГИ:
Расплавление разделительных болтов за пределами теплового барьера во время входа в атмосферу может привести к попаданию горячих газов за теплозащитный экран, что превысит конструктивные ограничения «Орион» и приведёт к разрушению корабля и гибели экипажа. Послеполётные проверки выявили несоответствие в тепловой модели, использовавшейся для предполётного прогнозирования работы болтов. Согласно текущим прогнозам, сделанным с использованием корректной информации, расплавление болтов превышает проектные возможности «Орион».
Текущий план состоит в том, чтобы решить эти проблемы на «Артемиде-2», а затем перепроектировать компоненты для «Артемиды-3». Это означает, что астронавтам придётся как минимум дважды летать с непроверенной конструкцией теплозащитного экрана.
[10] У «Орион»/ESM бюджет дельта V составляет 1340 м/с. Для выхода на экваториальную низкую лунную орбиту и выхода с неё требуется около 1800 м/с, для полярной орбиты — больше. (См. источник.)
[11] Для выхода и входа в NHRO требуется около 900 м/с общей дельта V, что вполне соответствует бюджету «Орион»/ESM в 1340 м/с. (См. источник.)
[12] В книге «Несущие огонь» астронавт «Аполлона-11» Майкл Коллинз вспоминает, что носил с собой небольшой блокнот с 18 сценариями лунного рандеву, которые могли бы быть предложены ему в различных непредвиденных ситуациях. Если лунный модуль мог оторваться от поверхности, то наверняка существовал способ состыковаться с ним.
[13] Подробное (хотя и несколько загадочное) обсуждение возможных режимов прерывания полёта «Артемида» до NRHO см. в HLS NRHO to Lunar Surface and Back Mission Design, НАСА 2022.
[14] Основной проблемой безопасности является сложная тепловая среда в месте посадки, где Солнце находится прямо над горизонтом, нагревая половину посадочного аппарата. Если бы не ограничение NRHO, очень маловероятно, что «Артемида-3» провела бы на лунной поверхности больше одного-двух дней.
[15] Программа МКС неоднократно продлевалась, но станция сталкивается с физическими ограничивающими факторами (например, усталостью металла), которые вскоре сделают её слишком опасной для использования.
[16] Это моё собственное предположение; ответ очень чувствителен к сухому весу HLS и скорости выкипания её криогенных топлив. Дельта V от поверхности Луны до NRHO составляет 2 610 м/с. Если предположить, что HLS весит 120 тонн без топлива, то для посадки на NRHO с поверхности Луны потребуется около 150 метрических тонн топлива. Если добавить запас прочности, топливо для стыковочных операций и недельное выкипание, то получится около 200 тонн.
[17] Недавние комментарии НАСА свидетельствуют о том, что SpaceX добровольно добавила фазу подъёма к демонстрационному варианту посадки, что положило конец неприемлемой ситуации. Тем не менее, в контракте HLS по-прежнему нет требования, чтобы беспилотная посадка и подъем осуществлялись с использованием той же конструкции, что и в реальной миссии, что является ещё одной странностью.
[18] Если быть точным, я говорю о перемещении объёмного топлива между ракетами на орбите. Существуют рейсы пополнения запасов на Международную космическую станцию, которые доставляют около 850 килограммов некриогенного топлива для поддержания станции на её орбите, и были проведены небольшие эксперименты по дозаправке спутников. Но никто не пытался заправить в космосе летящую ступень ракеты, криогенную или иную.
[19] И Кэти Людерс из SpaceX, и НАСА подтверждают, что звездолёт должен стартовать с нескольких площадок. Вот выдержка из протокола заседания Комитета по исследованию и эксплуатации человека Консультативного совета НАСА от 17 и 20 ноября 2023 года:
Мистер [Уэйн] Хейл спросил, откуда будет стартовать «Артемида III». [Помощник заместителя АА по программе «От Луны до Марса» Лакиша] Хокинс сказала, что стартовые площадки будут использоваться во Флориде и, возможно, в Техасе. Для миссий потребуется довольно большое количество топливозаправщиков; чтобы уложиться в график, необходимо будет осуществлять быструю последовательность запусков топлива, что потребует более одной площадки для запусков по 6-дневному графику, а также многократных запусков.
[20] Falcon 9 впервые полетела в июне 2010 года и достигла еженедельного графика запусков в течение шести пусков, начиная с ноября 2020 года.
[21] Восстановление сверхтяжёлых ступеней не является требованием НАСА для HLS, но это огромный фактор затрат для SpaceX, учитывая количество запусков.
