#реал #астрономическое #космонавтика

Про SLS и историю ракет-носителей

На этой неделе впервые за полвека люди полетели к Луне – 1 апреля с космодрома на мысе Канаверал стартовала миссия «Артемида 2», в рамках которой четверо астронавтов совершат пилотируемый облёт Луны и вернуться на Землю. Несомненно, важное событие, приятно выделяющееся на фоне традиционно-депрессивных новостей последних лет, но я хотел бы обратить внимание на то, чем именно корабль "Орион" был поднят на орбиту и отправлен к Луне.

По-моему, даже американские республиканские СМИ с выраженной неохотой пишут о ракете-носителе SLS, которая отправила четырёх астронавтов на историческую миссию. Хотя на первый взгляд повод для гордости более чем стоящий – успешно стартовала с экипажем самая тяжёлая и грузоподъёмная ракета-носитель из всех, находящихся в настоящее время в эксплуатации. Что же с ней не так? Для того, чтобы ответить на этот вопрос, нужно обратиться к истории развития ракет-носителей вообще.

Первые полноценные космические ракеты имели грузоподъёмность в несколько тонн полезной нагрузки: 5-7 тонн у "Востоков" и ранних "Союзов", 3-4 тонны у вторых "Титанов", 2-4 тонны у "Атласов". Космический оптимизм 60-ых быстро породил ракеты-носители тяжёлого класса – по мере освоения околоземного космического пространства всё чаще требовалось выводить на орбиту массивные спутники и станции военного и исследовательского назначения. В 1966 году с мыса Канаверал взлетел "Сатурн-1Б" с массой полезной нагрузки в 18 тонн, а годом позже с Байконура стартовал "Протон-К" с грузоподъёмностью в 20 тонн.

N.B. Здесь и далее под грузоподъёмностью ракет-носителей для простоты будем понимать массу полезной нагрузки, выводимую на низкую опорную орбиту (НОО) – самую низкую из стабильных околоземных орбит. Большинство реальных запусков производится на более высокие орбиты, что требует тратить часть полезной нагрузки на увеличенные запасы топлива верхних ступеней или отдельные разгонные блоки, так что реальная масса космических аппаратов, выводимых ракетами-носителями ощутимо ниже их грузоподъёмности на НОО. Для вывода аппаратов на высокие орбиты (геопереходные или геостационарные) большая часть полезной нагрузки тратится именно на разгонные блоки, так что туда можно забросить не больше четверти от грузоподъёмности на НОО, а для полётов к Луне или другим планетам нужно израсходовать и того больше массы на топливо и разгонные двигатели.

Для освоения околоземного космического пространства таких значений хватало с запасом, а вот доставить до Луны человека и вернуть его обратно одним пуском было куда более сложной задачей. Для её решения требовалось вывести на НОО около ста тонн полезной нагрузки, 95% которой приходилась на разгонные блоки, двигатели и топливо. Чтобы сделать это, потребовалось создать настоящих космических исполинов – американскую ракету-носитель "Сатурн-5" с полезной нагрузкой около 140 тонн и советскую Н-1 с чуть более скромными 105 тоннами. Увы, советская пилотируемая лунная программа провалилась (все 4 пуска Н-1 закончились авариями), а американская ограничилась в совокупности 13 запусками "Сатурн-5" (первые "Аполлоны" выводились на околоземную орбиту "Сатурнами-1Б").

Для менее амбициозных задач, чем полёты на Луну, хватало существующих средних и тяжёлых ракет – "Союзы", "Протоны", "Титаны" и "Атласы" регулярно модернизировались и на протяжении долгих десятилетий успешно вытаскивали на орбиту спутники, космические корабли и орбитальные станции. Лишь к 1980-ым сверхтяжёлые ракеты-носители вновь вернулись на сцену, на сей раз в формате многоразовых космических челноков – американского "Спейс Шаттл" и советского "Бурана". Впрочем, многоразовыми были только сами космические ракетопланы, а до космоса их довозили одноразовые сверхтяжёлые ракеты-носители, полезная нагрузка которых (с учётом массы самого ракетоплана) составляла около ста тонн.

Увы, развал СССР и завершение космической гонки сделали космические челноки нерентабельными – "Буран" поднялся на орбиту лишь однажды, а программа "Спейс Шаттл" закончилась в 2011 году, после 135 полётов и двух катастроф. Статистика довольно печальная – и "Челленджер", и "Колумбия" погибли из-за аварии ракеты-носителя (только во втором случае её последствия сказались при возвращении на Землю). Для сравнения, ракеты-носители "Союз" за те же 130 пилотируемых пусков ни разу не становились причинами гибели космонавтов.

Прекращение космической гонки на долгие тридцать лет ввергло космонавтику в депрессию – если в 1970-80-ых ежегодно осуществлялось 120-130 космических запусков (причём СССР обеспечивал около сотни пусков в год), то к 2000-ым их число упало до 60-70. Лишь к концу 2010-ых это значение пробило отметку в сто пусков, а в 2021 впервые превзошло рекорды 60-ых – развёртывание сети "Старлинк" и стремительно разгоняющаяся китайская космическая программа обеспечили 145 пусков за год. Вообще, Илон Маск задал очень хороший темп и сбавлять его не планирует: за 2025 год одних только Falcon'ов (в основном со "Старлинками") было запущено 165! Китайцы тоже стараются, обеспечив 95 запусков за тот же год. Об успехах "Роскосмоса" на этом фоне скромно промолчим.

Ренессанс космонавтики вновь вернул на повестку дня сверхтяжёлые ракеты-носители – Илон Маск запускает Falcon Heavy на 63 тонны полезной нагрузки и в меру успешно тестирует Starship на 150 тонн, а китайцы ударными темпами разрабатывают Чанчжэн-10 на 70 тонн. На этом фоне стотонная SLS кажется просто ещё одной новой сверхтяжёлой ракетой-носителем, но с ней всё гораздо интереснее и печальнее одновременно.

Дело в том, что закрытие проекта "Спейс Шаттл" обсуждалось ещё с 1990-ых, когда стало ясно, что в новых условиях он просто слишком сложен, тяжёл и дорог. Каждый старт "Шаттла" обходился в $400-500 миллионов, и НАСА искали замену столь расточительным пускам. Увы, с заменой выходило скверно – с производством ракет-носителей в США приключилась обычная для высокотехнологичных отраслей монополизация, когда два последних производителя этих сложных изделий, Boeing и Lockheed Martin, объединили свои ракетно-космические отделы в единое предприятие со звучным названием United Launch Alliance (ULA).

С падением железного занавеса ребятки из ULA смогли заполучить отличные российские двигатели РД-180 для своих средне-тяжёлых "Атласов", и потому в начале нулевых небезосновательно считали, что справятся с коммерческими пусками и без новых ракет. Обновлённые "Атласы" с российскими двигателями вытаскивали 18 тонн на НОО за $130-150 миллионов, а большей грузоподъёмности для коммерческих пусков всё равно не требовалось. Однако из соображений безопасности и национального престижа США требовалась полностью собственная ракета-носитель, не привязанная к иностранным комплектующим.

Илон Маск в те годы ещё занимался платёжными системами, а не космическими запусками, так что NASA были вынуждены обращаться ко всё тем же монополистам из ULA. Недолго думая, те предложили изящное решение: взять готовые двигатели RS-25 от "Спейс Шаттла", твердотопливные ускорители от него же, и соорудить сверхтяжёлую ракету на их основе. Должно было получиться дёшево и сердито: все самые сложные элементы ракеты в виде двигателей и турбонасосных агрегатов уже готовы, осталось "упаковать" их в готовое изделие. Эскизные работы по проекту стартовали в нулевых, а окончательный вид он принял в 2011 году, когда NASA отказались от разработки тяжёлых и сверхтяжёлых ракет-носителей класса "Арес" и сосредоточились на проекте SLS.

N.B. В скобках заметим, что советские инженеры изначально предусмотрели возможность запуска ракеты-носителя комплекса "Энергия-Буран" без челнока, то есть советский аналог SLS на те же 100 тонн грузоподъёмности полетел ещё в 1988 году.

На бумаге всё было просто и красиво, но ULA постоянно срывал сроки разработки и производства новой ракеты. Пользуясь своим монопольным положением на рынке тяжёлых ракет-носителей, они растянули программу разработки более чем на десятилетие: первый пуск SLS состоялся в 2022 году, когда не только успешно взлетел Falcon Heavy, но и Starship из красивых картинок начал потихоньку воплощаться в металле. С тех пор SLS запустили аж дважды (в 2022 и вот на неделе, с миссией "Артемида-2"), оба пуска оказались успешными.

Занимательная деталь: на SLS сейчас устанавливают двигатели RS-25, скрученные с "Шаттлов". В смысле, не просто те же самые двигатели, что были на космических челноках, а физически те же агрегаты, которые демонтируют с ракетопланов и устанавливают (разумеется, после кучи тестов и некоторых доработок) на новые ракеты. Насколько эффективно и оправданно использовать многоразовые двигатели от "Шаттлов" возрастом в несколько десятилетий на одноразовых ракетах, предлагаю всем желающим оценить самостоятельно. На новых SLS, начиная с третьей миссии "Артемида", обещают устанавливать вновь произведённые двигатели RS-25E и D в одноразовом варианте, но пока что они проходят стендовые испытания.

В итоге, "быстрая и дешёвая" программа национальной сверхтяжёлой ракеты-носителя заняла 12 лет (не считая периода 2004-2010, когда отдельные элементы будущей SLS разрабатывались теми же ULA для отменённой программы "Арес"), стоила около $24 миллиардов и породила ракету со стоимостью запуска в... $2 миллиарда! То есть, разрабатывая дешёвую замену "Шаттлам", стоимость пуска которых в $400-500 миллионов считалась чрезмерной, ULA за десятилетие создали вчетверо более дорогую полностью одноразовую ракету! Сложно сказать, сколько стоили бы сейчас запуски "Энергии", но Атлас-5 вытаскивает 18 тонн на НОО за $150 миллионов, "Протон-М" – за 65, а Falcon Heavy доставляет на низкую орбиту аж 63 тонны за 150. То есть новейшая ракета по экономическим показателям в разы проигрывает не только конкурентам из SpaceX, но и ракетам полувековой давности!

Кстати, как раз пару недель назад Илон Маск похвастался, что заключил первый внутренний контракт на запуск Starship (на те же 100 тонн на НОО). Для SpaceX запуск их сверхтяжёлой ракеты-носителя должен обойтись в $90 миллионов. То есть SLS по цене пуска проигрывает новинке Маска примерно в 20 раз! Неудивительно, что о коммерческих запусках SLS речи не идёт, а все планы её эксплуатации связаны только с проектом "Артемида". Пока что запланировано 6 пусков, два из которых уже выполнены, после чего SLS, весьма вероятно, спишут – последний из пусков программы (сроки реализации которой постоянно смещаются вправо) запланирован на 2031 год, когда вовсю должны летать Starship'ы, в оптимистичном сценарии – уже даже в многоразовом варианте.

N.B. К вопросу о мифе про неэффективность продукции плановой экономики. Килограмм полезной нагрузки на НОО в коммерческих пусках у "Союзов" стоит $4 тысячи, у "Протонов" – около $3 тысяч, у "Атлас 5" – $8 тысяч, а у SLS – около $20 тысяч. Многоразовые Falcon 9 обеспечивают стоимость вывода килограмма полезной нагрузки на уровне современного "Протона", и только новейшие Falcon Heavy и Starship обещают существенное снижение этого показателя: около полутора тысяч долларов у первого и тысячи у второго. Детища товарищей Королёва и Челомея (само собой, не раз модернизированные) по экономической эффективности проиграли только конкурентам, появившимся спустя полвека.

В общем, нынешний успех американской космонавтики одновременно является впечатляющим памятником монополизации, коррупции, бесхозяйственности и деградации целых отраслей промышленности в условиях отсутствия конкуренции и монопольных сговоров.