В 1957 году запуск советского спутника «Спутник» вызвал на Западе так называемый спутниковый шок. Испытания звездолетов в 2024 году проходят быстрыми темпами и вызовут аналогичные потрясения за пределами Соединенных Штатов, но пройдет три года, прежде чем кто-либо это поймет. Почему это произошло и каковы последствия?
6 июня 2024 года четвертое испытание ракеты и космического корабля SpaceX завершилось лучше, чем довольно успешное третье испытание. После запуска в 15:50 (мск) и первая, и вторая ступень очень хорошо подавляли скорость в атмосфере, а это именно то, что нужно Илону Маску. Первый приземлился в целости и сохранности в водах Мексиканского залива, а второй преодолел атмосферу и приземлился в запланированном районе Индийского океана. Во время третьего испытания 14 марта 2024 года, напомним, из-за проблем с управлением разрушились и первая, и вторая ступени.
С технической точки зрения это очень важные факты, особенно в контексте второго этапа. Причем ни один из 33 двигателей первой ступени не запустился за три секунды до старта (но это все равно ничего не остановило).
Благодаря Starlink SpaceX удалось получить впечатляющее видео спуска через атмосферу — фактически, это первое подобное видео в истории человечества:
Как и ожидалось, не все пошло по плану: части рулей начали отваливаться даже на высоте более 50 километров. Однако именно в этом и состоит цель тестирования: определить, что работает неправильно и когда это можно улучшить.
Несмотря на то, что происходит, есть веские основания для оптимизма. Кривая демпфирования скорости очень близка к желаемой кривой, как и поведение корабля и теплозащиты в целом. Ему удалось замедлиться до скорости ниже 400 километров в час перед приводнением, что и было целью четвертого испытания. Это означает, что, несмотря на яркие кадры камеры, миссия в основном выполнена.
Кроме того, регуляторы США достигли соглашения с SpaceX и следующие испытательные полеты начнутся немедленно, без задержек со стороны властей. Если все пойдет хорошо, есть большая вероятность, что новый корабль пройдет испытания в ближайшие месяцы. Затем он, скорее всего, совершит беспилотный полет на Луну в 2025 году, что будет необходимо астронавтам НАСА для высадки на Луну в 2026 году.
Техника решает почти все
Дело в том, что вторая ступень входит в атмосферу в несколько раз быстрее первой ступени. Это означает, что его энергия на единицу массы в несколько раз выше, а также его в несколько раз сложнее потушить.
Именно поэтому первую ступень можно затормозить только за счет работы и маневрирования ракетного двигателя, а вторая ступень вынуждена окутаться плазменным облаком при аэродинамическом торможении в верхних слоях атмосферы. Сам по себе двигатель не затормозит: тогда придется потратить слишком много топлива. Поэтому требуется «плазменное торможение», что видно на видео.
Конечно, плазма опасна для металлов космических кораблей. Да, материал второй ступени Starship (он же космический корабль) совершенно отличается от материала всех его предшественников: от гагаринского «Востока» до современных кораблей НАСА или российских космических кораблей — все они сделаны из алюминия. Да, нержавеющая сталь, ранее использовавшаяся только при строительстве кораблей в романе Николая Носова «Я не знаю луны», плавится и теряет прочность при гораздо более высоких температурах, чем алюминий.
Человечество знает это на практике: в 1988 году упавшая плитка обнажила кусок кожи на одном из космических кораблей (STS-27), и экипаж думал, что он погибнет при входе в атмосферу. Случайно плитка упала на часть космического корабля, содержащую нержавеющую сталь, поэтому инцидент с возгоранием (который уничтожил другой космический корабль «Колумбия» 17 лет спустя) так и не произошел.
Тем не менее, весь тепловой поток от плазменного облака был бы неприемлем для космического корабля. Каким бы термостойким ни было ваше тело, люди и оборудование внутри никогда не перегреются. Вот почему Starship украшен 18 000 изоляционными плитками. Это самая сложная часть этого проекта.
Да, они несколько отличаются от тайлов шаттла и метели. Логично, что SpaceX использует диоксид кремния, покрытый боросиликатным стеклом. Под стеклом также находится слой белой изоляции. Плитки удерживаются на месте булавками и клеем (во время полета 6 июня компания Илона Маска использовала новый красный клей). Но это тоже не панацея.
Некоторые из 18 000 плиток менее безопасны, чем другие, и могут упасть (это случалось в предыдущих полетах). Материал под ним сгорит, и тепло будет передано стальному корпусу ракеты/корабля. Если речь идет об одной или нескольких плитках, это не приведет к перегреву корпуса. Но если в одном месте отпадут десятки плиток, это может привести к катастрофе.
Тепловая защита при входе в верхние слои атмосферы – вот почему НАСА считало и до сих пор считает концепцию звездолета ошибкой. Агентство сосредоточилось на своем опыте: оно проектировало шаттл наспех и небрежно. Основная проблема даже не в том, что плитка отваливается. Что еще хуже, летящие плитки ударились о поверхность шаттла, который местами был сделан из углеродного волокна толщиной в несколько миллиметров. В случае с STS-27 экипажу повезло: плитка попала в зону низкой уязвимости. В случае с Колумбией нам повезло меньше: в районе карбоновой конструкции не было даже ни одной плитки, а был лишь кусок изоляционного пенопласта. Разумеется, впоследствии корабль был уничтожен при входе в атмосферу.
В случае SpaceX этого не произойдет: нержавеющая сталь намного прочнее углеродного волокна при высоких температурах и даже не такая хрупкая, как углеродное волокно. Но если нержавеющая сталь подвергается множественным циклам нагревания-охлаждения, когда плитка отрывается более одного раза в одном месте, а затем рентгеновский контроль показывает, что это сильно ослабляет конструкцию в нагретых местах, то отдельные панели могут быть уничтожен. Его необходимо отрезать и приварить новый. Такие операции приведут к тому, что космический корабль потребует ремонта, но частые ремонты несовместимы с возможностью полного повторного использования.
С финансовой точки зрения ситуацию можно описать так: если вторую ступень ракеты-носителя SpaceX удастся использовать повторно десять раз, проект сможет окупить себя и будет востребован в аэрокосмической отрасли. Но один полет Starship вряд ли будет стоить менее 25 миллионов долларов. Хотя это означает десятикратное снижение стоимости отправки единицы груза на орбиту — до 250 долларов с сегодняшней минимальной стоимости около 2500 долларов, — этого недостаточно для колонизации Марса. Мы будем обсуждать только лунные базы и отдельные попытки завоевать четвертую планету.
Поэтому Маск стремится использовать вторую ступень как минимум сто раз, а не только первую ступень, которая, исходя из опыта Falcon, осуществима без тепловой защиты. Учитывая, что системы жизнеобеспечения, как и все самое дорогое оборудование, будут находиться на этапе 2, а не на этапе 1, текущие перспективы успеха SpaceX являются многообещающими.
Реализация 100 необслуживаемых запусков на втором этапе снизит цену каждого запуска Starship примерно с 25 миллионов долларов до не более 5 миллионов долларов. Полезная нагрузка стоит менее 50 долларов за килограмм, что в десятки раз дешевле, чем полет в космос 10 лет назад.
Что в этом для науки: кочующая лунная база
Ни для кого не секрет, что наука в космосе за последние 20 лет столкнулась с определенными трудностями. Тем не менее, да, на Международной космической станции все еще открываются новые вещи: например, споры почвенных бактерий с экватора достигают внешней поверхности станции и затем могут производить новые жизнеспособные бактерии. Но судя по планируемым экспериментам на Земле, не все так хорошо.
Цитата российского космонавта хорошо иллюстрирует причину: на Международной космической станции очень мало места для научного оборудования, а если оборудования будет мало, то будет сложно проводить новые эксперименты. Ведь большое количество экспериментов было проведено на станциях «Салют», «Мир» и «Скайлэб» с небольшим количеством оборудования. Нам нужно продолжать двигаться вперед, но этому мешают тесные рамки Международной космической станции и сложность транспортировки туда крупных экспериментальных установок.
… [Проблема] заключается в отсутствии серьезных научных исследований по российскому компоненту МКС, отсутствии перспективных проектов будущего и, в целом, отсутствии целеполагания по пилотируемым [российским] полетам в космос.
В российском отсеке из 920 кубометров модулей микрогардеробов на Международной космической станции наш отсек занимает всего 230 кубометров. Если убрать пространство за панелями, где разбросаны контейнеры для оборудования, пайки, сумки с одеждой, воду, мочу и другие вещи, то оставшееся пространство все равно уменьшится в 2,5-3 раза.Отрывок из интервью космонавта Геннадия Падалки, проведшего в космосе 878 дней
Хотя эти слова относятся к российской части Международной космической станции, если американские астронавты разочарованы проблемами развития НАСА так же, как российские космонавты разочарованы проблемами с постановкой целей Роскосмоса, они могли бы сказать то же самое, если бы. Но НАСА собирается отправиться в лунную экспедицию, поэтому американцы неохотно высказывают подобные мысли вслух.
Тем не менее, глядя на объёмы их отсеков, читая научные труды последних лет об экспериментах на американской части космической станции и хотя бы находя там видеоролики, достаточно понять: проблемы там те же, только не такие, как острый.
Это не значит, что на трассе нечего исследовать. Было бы здорово, если бы там можно было повторить эксперименты типа советского БИОС-3, когда люди жили в полностью автономной системе жизнеобеспечения с газом и водой (и 80% еды) полностью автономно и без необходимости связи с внешним миром. Но БИОС-3 находится на Земле, без невесомости и радиации. Проведение подобных экспериментов на орбите было бы неоценимо.
Для этого потребуется всего несколько сотен кубических метров площади. На Международной космической станции, если принять во внимание оборудование, находящееся в герметичном космосе, это будет все доступное пространство. Конечно, наполнить его гидропоникой и кухнями будет невозможно: людям будет негде выполнять другие задачи. Еще было бы неплохо опробовать на космической станции компактные центрифуги для сна (без них невесомость быстро увеличила бы костную массу космонавтов до опасного для жизни уровня). Но на Международной космической станции такого места нет.
Starship решает такие проблемы раз и навсегда. Там установят центрифугу с коротким плечом и БИОС-3 — и места для других экспериментов, космонавтов и прочего там еще предостаточно. Ведь по внутреннему объёму он сравним с Международной космической станцией, и ещё один такой корабль в космосе легко мог бы состыковаться с другим. Модульность позволяет собрать их в огромную конструкцию.
Более того, подобная ситуация сразу же возникла бы на таких базах, как Лунная база. Баки Starship способны транспортировать сотни тонн метана и кислорода. Даже если утечка неизбежно произойдет, это значит, что он сможет взлететь оттуда и достичь низкой околоземной орбиты в течение нескольких месяцев. Сегодня на Международной космической станции произошла не менее одной смены экипажа.
Нетрудно понять вывод, сделанный из этого. После приземления Starship HLS там может осуществляться «замена персонала лунной станции», например, раз в полгода. Затем его поднимут в космос и вернут на низкую околоземную орбиту. Там заменяется экипаж и оборудование обычных звездолетов, запускаемых с Земли, а затем все возвращается на Луну для следующей смены.
Что это даст? Для строительства кочевой базы не потребуется никаких усилий со стороны лунных астронавтов. Это явное отличие от всех других проектов, требующих значительных трудозатрат и труднореализуемых из-за проблем со скафандрами в условиях лунной пыли, о которых мы писали не раз.
К концу 2030-х годов SpaceX планирует довести стоимость таких полетов до 100 миллионов долларов. Это около 0,5% текущего бюджета НАСА. С учетом этого фактора создание очень крупной базы на Луне неизбежно: даже размещение там десятка космических кораблей обойдется гораздо дешевле, чем сборка новой Международной космической станции.
Это означает новую эру космической науки: из узких, но очень дорогих пределов орбитальных станций она естественным образом перетекает на более просторные лунные базы.
Naked Science много раз писала: «На Селене есть что исследовать». Жизнь тоже не исключена. Как не раз указывали ученые на протяжении XX века, открытие любой жизни за пределами Земли немедленно и навсегда изменило бы общество на нашей планете: от целеполагания до политики и даже экономики. Страна, в которой было сделано это открытие, займет совершенно особое место в истории человечества.
Геополитические последствия: как итальянцы и малайцы смогут обогнать великие державы с лунной базой
Как исследования Луны влияют на геополитику? легко.
Напомним: все космическое сотрудничество между такими странами, как Россия и Китай, строится вокруг темы «совместной базы на Луне» в далеких 2030-х годах. Другие страны третьего мира вполне могли бы быть готовы присоединиться к такому сотрудничеству.
Испытание IFT-4, в ходе которого звездолет вошел в атмосферу, не будучи уничтоженным, является третьим сигналом о том, что в течение нескольких лет даже ОАЭ или Малайзия смогут позволить себе базу «Селина». Любой, кто тратит не менее миллиарда долларов в год на космические исследования.
Давайте взглянем на список: оказывается, что Япония, Франция, Германия и Италия могут позволить себе лунные базы. Им даже не нужно тратить 50% своего космического бюджета, чтобы заключить контракт со SpaceX на доставку европейских и японских ученых на Луну, используя команду астронавтов компании, которые потратили годы на подготовку к полету.
Не нужно думать, что только они смогут решить проблему. Точнее: европейцы вряд ли будут первыми, кто заключит такую сделку, потому что она не нравится ни Маску, ни SpaceX. Но в мире есть не только люди, готовые откусить себе руки, чтобы не приветствовать неугодных им граждан.
А еще есть Тайвань, для которого построить базу на Луне быстрее, чем Китай, — это просто мечта пиарщика. Есть также много арабских стран с большими бюджетами, но без собственных космических экипажей. Наконец, есть Южная Корея, которой в контексте Северной Кореи действительно необходимо добиться успеха в космосе, но ее кадры пока не позволяют добиться в космосе каких-то особо впечатляющих результатов.
Некоторые из них не отказались бы от исследований на Луне, о которых мировые политические тяжеловесы, такие как Китай и Россия, не могли мечтать многие годы. Вполне возможно, что нас ждет своего рода геополитическая революция – сначала в космосе, а затем и в смысле «мягкой силы» здесь, на Земле.
Трудно найти на земле страну, которая была бы лучше подготовлена к последствиям этой революции, чем Россия. Всего три года спустя, когда американские астронавты снова ступят на поверхность Луны, наш высокий уровень шока будет ощущаться среди населения и руководства. На этот раз — кораблю, которому суждено стать кочевой лунной базой.