Первые блины комом: как создавались первые многоразовые

Фото: happyfitfood.de

Первый реалистичный многоразовый

После Второй мировой, в ходе операции «Скрепка», Вернера фон Брауна и еще 120 его коллег-ракетчиков вывезли из Германии в США. Все шло в тайне: фон Браун был штурмбаннфюрером СС и, строго говоря, в обычных условиях подлежал бы суду, как и другие высокопоставленные члены этой организации. Поэтому, в рамках операции, он и его коллеги получили фиктивные биографии, из которых вымарали упоминания о членстве в НСДАП и СС.

Американцы ждали от Вернера ракет боевых – ​космические, как тогда считалось, смогут сделать и инженеры американского происхождения. Привлекать к ним сугубо немецких исполнителей никто не хотел.

Однако сам фон Браун, напротив, особого желания делать упор на военные ракеты не имел. Еще в 1930-х он начал делать работу, чтобы создать нечто, что долетит до Марса, – ​им он буквально бредил, не слабее, чем сегодня Илон Маск. Военные ракеты требовали много меньшей мощности, и он видел в них досадную помеху. Поэтому, когда он не был занят работой над ними, то продумывал средства доставки человека к Красной планете.

flickr.com

Так в конце 1940-х – ​начале 1950-х появился проект «Паромной ракеты» (на иллюстрации). Ее форма крайне необычна: первая ступень напоминает барабан с широкими стабилизирующими рулями, диаметром 20 метров и высотой 29 метров. Пустой одна весила 700 тонн, а с топливом – ​5500 тонн. Вторая ступень имела сухой вес 70 тонн, плюс 700 тонн топлива. Третья – ​78,5 тонны общей массы, из которых 25 тонн приходилось на полезную нагрузку, которую ракета могла вывести в космос.

Получается, его ракета была вдвое массивнее «Сатурна-V», самой большой из когда-либо построенных ракет. В то же время полезная нагрузка «Сатурна» была в районе 130 тонн, а тут только 25 тонн – ​впятеро меньше. Впрочем, это и неудивительно: ведь «Сатурн» был одноразовым носителем, а «Паромная ракета» планировалась многоразовой, то есть тратящей топливо и для возвращения на Землю.

Сегодня все ракеты в пилотируемой космонавтике используют керосин и жидкий кислород. Вместо них «Паромная ракета» применяла «гидразин» и тетраоксид диазота. Нечто подобное использовал «Протон» – ​и это высокотоксичное топливо, которое сложно совместить со спасением космонавтов в случае аварии.

Важнейшим отличием от привычных для нас ракет было спасение первой ступени с помощью 65-метрового тормозного парашюта из… стальной сетки (чтобы он не сгорел в атмосфере). Перед падением ступень переворачивалась так, чтобы тепловой щит на верхушке ступени смотрел вниз, а ленточный стальной парашют находился сзади ступени – ​чтобы его не сожгли и не деформировали потоки набегающего воздуха.

Вернер фон Браун. Фото: NASA/Marshall Space Flight Center, archive.org

Первая ступень направлялась в океан. Почти достигнув его (на высоте 45 метров), за счет парашюта она должна была уронить скорость до 162 км/ч. Но при ударе о воду пустую ступень все равно деформировало бы, поэтому на такой высоте включались маломощные твердотопливные ракетные двигатели мягкой посадки.

Затем первую ступень вылавливал «мореходный сухой док». По мысли фон Брауна, он должен был выловить огромную первую ступень. Но сделать это краном, да еще и аккуратно выглядело не очень реальным. Поэтому корабль-платформа должен был набрать воду в специальные балластные цистерны, частично погрузиться в нее и поднырнуть под плавающую после мягкого приводнения пустую первую ступень. Затем вода из цистерн выкачивалась, и корабль-платформа всплывал, поднимая с собой в вертикальное положение и первую ступень. По такой же схеме спасалась и вторая ступень.

После вывода груза на орбиту третья часть, длиной всего 15 метров и с размахом крыльев 52 метра, должна была частично погасить свою скорость ракетными двигателями, а потом планировать через верхние слои атмосферы Земли и дотянуть до аэродрома (расположенного близ точки запуска). Посадка ступени шла на «велосипедном» (двухколесном) шасси. Благодаря большим крыльям аэродинамическое торможение в нижних слоях атмосферы было таким, что посадочная скорость, по расчетам, должна была составлять лишь 105 км/ч – ​скорее на уровне И‑16, чем самолетов 1950-х годов.

Цель такого полностью многоразового носителя была простой – ​обеспечить сборку на орбите кольцевой космической станции диаметром 75 метров. Зачем строить такие станции, за десятки лет до Брауна объяснил еще Циолковский: ракетные двигатели, единожды раскрутив кольцевую станцию, обеспечат ее внешнему краю аналог гравитации. Между тем, именно невесомость (а вовсе не радиация) – ​главная проблема для пребывания человека в космосе.

В будущем фон Браун рассчитывал на использование таких же кораблей и для сборки пилотируемых носителей до Марса.

Что было не так с его кораблем – понять несложно. Ракета массой 6400 тонн не может быть дешевой по определению. Она раз в десять массивнее типичных современных ракет, вроде «Протона» или Falcon 9. Кроме того, 25 тонн – ​не очень большая грузоподъемность. Чтобы вовремя собрать массивную станцию, таких «паромных ракет» нужна была сразу дюжина. Поэтому, по расчетам разработчика, на реализацию всего проекта требовалось 4 млрд долларов. Но 4 млрд долларов 1952 года – ​это 40 млрд долларов 2022 года. Естественно, что американские политики и не думали выделять такие средства на многоразовый корабль.

Дополнительной проблемой было то, что такой многоразовый корабль, по сути, был узко специализированным. Полезная нагрузка в 25 тонн означала, что на нем нельзя было полететь к Луне или Марсу. Чтобы достичь последнего, фон Браун вообще задумал Nuclear Shuttle– ​корабль исключительно для открытого космоса, неспособный садиться на поверхность планеты. Он предполагал использовать для движения выброс водорода: жидкий водород из баков выпускали бы в камеру с тепловыделяющими трубками атомного реактора. Нагревшись на них, водород превращался бы в газ, с огромной скоростью вылетающий наружу.

В принципе, и в таком многоразовом корабле ничего нереального не было: СССР запустил в космос множество ядерных реакторов, и в силу своего устройства они были практически безопасны даже при падении на поверхность Земли, чего с Nuclear Shuttle в принципе не могло случиться, в силу далеких от нее орбит. Поскольку корабль до Марса состоял бы из трех одинаковых модулей, те, по мере расходования водорода, отделялись от основного корабля и медленно возвращались на орбиту Земли, где их можно было перезаправить и использовать для следующего путешествия к Марсу.

Но и для этого многоразового корабля работала та же проблема: он был очень большим и поэтому недешевым. При массе 726 тонн в собранном виде (на шесть человек экипажа) иначе и быть не могло.

В итоге многоразовые планы фон Брауна были раз за разом отвергнуты: и обычный «паром» на химических двигателях, и атомный шаттл на ядерном реакторе – ​все они так и не воплотились в металл. А жаль! Задуманный в 60-х проект по срокам смог бы доставить первых людей на Марс уже в начале 80-х.

skyatnightmagazine.com

Вторая попытка: шаттл

В конце 60-х политическое руководство США довело до NASA мысль: космос обходится очень дорого, надо научиться тратить на него меньше. Да еще и повысить при этом коммерческую отдачу – ​за счет запуска и ремонта на орбите коммерческих же спутников связи.

Тогда и был запущен проект многоразового носителя – ​и, в то же время, корабля – ​Shuttle. По расчетам того времени, для полета к Марсу требовалось более 70 млрд долларов (в долларах 2022 года), на продолжение полетов к Луне – ​60 млрд долларов, а для шаттлов, многоразовых кораблей, способных летать не выше низких околоземных орбит, – ​менее 40 млрд долларов. Естественно, что выбрали именно третий вариант. Легко заметить, что его бюджет был примерно такой же, как у проекта фон Брауна 1952 года. Это не просто так: с помощью шаттлов планировалось собрать околоземную орбитальную станцию, пусть и без искусственного аналога гравитации.

В 70-х, по мере проектирования конкретных систем шаттлов, финансирование на их разработку урезали. В итоге пришлось отказаться от полной многоразовости: два разгонных блока сделали на твердом топливе, а не на жидком. Так было дешевле в разработке, но дороже в использовании. А затем убрали из программы и вылавливание из моря внешнего топливного бака для двигателей самого шаттла. Между тем, внешний топливный бак весил 765 тонн – ​из 2030 тонн общей массы шаттла. Получалось, заметная часть конструкции уже перестала быть многоразовой. Сам корабль, отделявшийся от ускорителей и внешнего бака, был полностью многоразовым и садился «по-самолетному», планируя в атмосфере после схода с орбиты.

Но неполная многоразовость оказалась только частью проблемы. В порядке экономии на шаттле не был отработан беспилотный режим управления. Если советский «Восток‑1», на котором летал Гагарин, имел этап беспилотной отработки (чтобы в случае неудачи не погиб человек), то у шаттла все испытательные полеты велись сразу с людьми. Вряд ли есть нужда говорить, что так дела не делают, и что шаттл был единственным космическим кораблем в истории, который испытывали сразу с людьми.

Но дело не только в отсутствии автопилота. Весь аппарат проектировали в спешке, и слабых мест было слишком много. Например, габариты челнока позволяли сделать на нем только четыре катапультируемых кресла, а запланированный экипаж составлял семь человек. Чтобы решить вопрос, надо было урезать число людей на борту – ​но это бы ухудшило цифры программы в глазах политиков. Поэтому катапультных кресел на шаттлах не было вообще. Ни одного. Опять-таки: космическая эра началась с «Востока‑1», и там катапультируемое кресло было. А на шаттле, который сделал первый полет через 20 лет после гагаринского полета в космос, – ​его не было. «Нормально ли это» – ​вопрос, безусловно, чисто риторический. Естественно, нет.

В конечном счете фатальной для шаттлов оказалась другая недоработка: узкая специализация разработчиков. Тот, кто проектировал крыло челнока, рассчитал его прочность под нагрузкой от набегающего воздуха. Но он не знал, как проектируют свои узлы разработчики внешнего топливного бака. А у тех внутри конструкции был жидкий водород, и, чтобы теплоизолировать его, они обложили бак пенополиуретановой изоляцией, сегодня ею «запенивают» окна.

В 2003 году при запуске шаттла «Коламбия» кусок такой теплоизоляции отломало набегающим потоком воздуха, и он ударил в крыло, в результате чего в нем образовалась дыра. На входе в атмосферу воздух расширил это отверстие, разрушив крыло и погубив семь человек экипажа – ​как мы помним, даже выброситься с креслами они не могли, потому что это не «Восток» образца 1961 года, и никаких катапультируемых кресел здесь не было.

В принципе, эксплуатация шаттлов на этом могла бы и не закончиться. В конце концов, не прекратили же они летать в 1986 году, когда авария на них по другой причине убила еще 7 астронавтов. Но продолжать мешала и экономика: каждый полет стоил более полутора миллиардов долларов. Полеты на одноразовых ракетах российского производства стоили на порядок меньше. К тому же там были катапультируемые кресла и десятки лет истории полетов без катастроф. В NASA решили, что нужно создавать новую ракету – ​теперь уже одноразовую, зато более безопасную. Такая ракета, SLS, пока не сделала ни одного полета, но ее разработка все еще продолжается.

12 апреля 1981 г. Первый запуск шаттлов состоялся ровно через 20 лет после первого полета человека в космос. Два белых цилиндра по краям – твердотопливные разгонные блоки-ускорители, большой белый цилиндр в центре – внешний топливный бак. Фото: NASA, nasa.gov

А что же СССР?

Не секрет, что в СССР внимательно отслеживали проекты западных коллег. Поэтому, когда в США появлялись многоразовые проекты, на их аналоги выделяли деньги и в нашей стране. Дальше всего дело зашло с проектом «Буран», который был, в основном, аналогом шаттла.

«В основном» мы пишем, конечно, потому, что в нем было довольно много отличий. «Буран» разрабатывали с полноценным автопилотом: чтобы во время испытательного полета не рисковать людьми – ​с катапультируемыми креслами. И самое главное – ​вместо твердотопливных (а твердотопливные ракетные ускорители много дороже жидкотопливных аналогов) ускорителей и внешнего бака здесь роль разгонщика выполняла кислород-водородная ракета «Энергия» с полезной нагрузкой в сотню тонн. Кислород-водородные двигатели были и на шаттле, но там они не давали основную часть импульса при старте.

Ракета-носитель «Энергия», ruscosmos.narod.ru

«Разгонная» ракета «Энергия» должна была повторно использовать блоки первой ступени: у них были парашюты и твердотопливные небольшие двигатели мягкой посадки, отдаленный аналог идей фон Брауна из 50-х. Но «должна» – ​это одно, а практика – ​другое. Во время испытания система оказалась такой сложной, что ее так и не успели отладить до закрытия проекта.

По безопасности связка «Буран»–«Энергия» выглядела много лучше американского аналога. Здесь не было теплоизоляции, которая может оторваться от внешнего бака, и были катапультируемые кресла. Однако в смысле экономики больших преимуществ перед шаттлами концепция не имела. Без отладки повторного использования «разгонной» ракеты «Энергия» получалась та же частичная многоразовость, что и у шаттла.

Как было бы со стоимостью у «Бурана»–«Энергии» в случае серийных полетов и доводки, мы не знаем, так как после первых полетов рухнул СССР. Естественно, что России 1990-х было не до многоразового космоса. Тем более не особенно отлаженного.

Что внушает оптимизм в случае Starship?

Опыт «первого блина» – ​а точнее, нескольких «первых блинов» – ​позволяет запастись осторожным оптимизмом по поводу проекта Starship, основной многоразовой системы наших дней.

При массе порядка пяти тысяч тонн он имеет полезную нагрузку в 100 тонн – ​вчетверо больше, чем «Паромная ракета» фон Брауна, хотя та на 28 % тяжелее. Ничего удивительного здесь нет: на Starship стоит кислородно-метановый двигатель Raptor, параметры которого радикально выше, чем у двигателей начала 50-х. Что очень важно, Raptor использует не токсичный и недешевый гидразин, а просто метан.

Этот же самый метан и высокая полезная нагрузка позволяют ему обойти главные проблемы всех трех основных многоразовых проектов прошлого – ​слишком узкую специализацию. И «Паромная ракета», и шаттлы, и «Буран» имели недостаточную полезную нагрузку, чтобы на них можно было полететь куда-то, кроме низкой околоземной орбиты.

Starship может достигнуть Луны и даже Марса – ​с предварительной дозаправкой топливом на околоземной орбите от других Starship. Наконец, метан можно получить на том же Марсе из воды и углекислого газа марсианской атмосферы. Это тоже увеличивает универсальность корабля: нет нужды в специализированной многоразовой конструкции для полета к Красной планете, типа Nuclear Shuttle, все того же фон Брауна.

Большой плюс: вся конструкция предусмотрена полностью многоразовой и не имеет парашютов. Вместо алюминиевых сплавов и углепластика (как на шаттле) выбрана нержавеющая сталь, сохраняющая прочность при значительно более высоких температурах.

Это значит, что на ней многоразовость, впервые в истории освоения космоса, станет полной. Пока на практике это не удавалось никому: ни шаттлы, ни «Буран»–«Энергия» на деле этого так и не смогли.

Все это вовсе не означает, что полный успех Starship гарантирован. У него есть тот существенный недостаток, что он слишком мозолит глаза NASA. Агентство все еще делает свою одноразовую ракету SLS и уже потратило на нее десятки миллиардов долларов. На этом фоне появление Starship, который обошелся SpaceX менее 10 млрд долларов, – ​да еще и многоразового, – ​было бы не самым приятным для NASA явлением. Неудивительно, что FAA, американский госрегулятор, месяц за месяцем откладывает первый орбитальный полет Starship. Однако делать это до бесконечности не получится. И если полет окажется удачным – ​начало новой эры в освоении космоса практически неизбежно.