4 октября 1957 года радиолюбители впервые приняли с орбиты позывные “Бип! Бип!”, ознаменовавшие, что человечество начало покорение космоса. Однако, несмотря на всю историческую значимость этого события, оно стало лишь отправной точкой в длительном пути. Во второй части нашего материала про историю космонавтики мы поговорим о противостоянии сверхдержав, несостоявшихся альтернативных проектах космических систем и кораблях многоразового использования.
Космическая гонка и битва за Луну
Первые десятилетия космической эры прошли под знаменем противостояния СССР и США, сделавших космос еще одной ареной для своего глобального соревнования. Нам уже сложно это представить, но в те годы буквально каждый запуск, каждая новая космическая миссия рассматривались с точки зрения первенства.
Изначально СССР лидировал в областях, связанных с пилотируемыми полетами и запусками в межпланетное пространство. США же имели преимущество в “прикладных” аспектах освоения космоса: первый метеоспутник, первый коммерческий спутник связи, первый спутник-шпион и т.д.
Советский успех в ранние годы космической гонки во многом связан с заметным, в сравнении с американскими ракетами, преимуществом в грузоподъемности знаменитой ракеты Р-7 и созданных на ее базе носителей. У этого имеется достаточно прозаичное объяснение. Р-7 первоначально создавалась как межконтинентальная баллистическая ракета, предназначенная для доставки термоядерных бомб. При разработке носителя конструкторы исходили из того, что масса боеголовки будет составлять весьма внушительные 5,5 тонны. Именно эта заложенная в проект “избыточная” грузоподъемность и стала основой для многих громких достижений СССР в космосе.
Ситуация начала меняться, после того как США объявили о намерении отправить до конца 1960-х людей на Луну. Данная задача требовала использования намного более мощных ракет, чем те, что уже существовали, и их следовало создавать с нуля. Фактически, это позволило Америке начать соревнование с чистого листа.
Не будем подробно останавливаться на истории лунной гонки. Отметим лишь, что в определенной степени она стала повторением ситуации с первым спутником. Только в этот раз уже США сосредоточили все усилия на достижении конкретной цели и методично шли к ней. В свою очередь, Советский Союз включился в лунную гонку с заметным опозданием, и при этом распылил свои ресурсы сразу на два независимых проекта, что уже фактически изначально предопределило его итоговое поражение.
Завершение лунной гонки совпало во времени со значительным спадом интереса общественности к космосу. Это было вызвано совокупностью разных причин. Одной из них было то, что запущенные к Марсу и Венере межпланетные миссии дали возможность убедиться, что там нет жизни (по крайней мере, в сложном виде), а условия на их поверхности абсолютно враждебны для людей. Это разбило надежды многих космических романтиков, мечтавших о том, что уже в ближайшем времени человечество создаст колонии на соседних планетах и установит контакт с братьями по разуму.
Свою роль сыграло и возросшее понимание того, что освоение космоса — намного более сложное, опасное и дорогостоящее мероприятие, чем это рисовали фантастические произведения. В конце концов, громкие космические успехи сопровождались рядом таких же громких катастроф, унесших жизни нескольких экипажей космических кораблей.
Альтернативные проекты космических систем
Вспоминая ранние годы освоения космоса, надо понимать, что за прошедшие 60 лет в технологическом плане суть космического полета мало изменилась. Современные ракеты работают по абсолютно тем же принципам, что и ракеты, отправившие в космос Гагарина и Армстронга. Конечно, в разных носителях могут использоваться разные материалы и разные виды топлива и окислителя. Но это не меняет сути. А ее можно свести к одной простой истине: с точки зрения КПД (если считать его по соотношению выводимой на орбиту нагрузки и стартовой массы) ракеты чудовищно неэффективны.
Рассмотрим для примера легендарную Saturn V, доставившую людей на Луну и до сих пор удерживающую звание самого мощного носителя в истории. Она могла вывести до 140 тонн полезной нагрузки на низкую околоземную орбиту (НОО) в виде корабля Apollo с лунным модулем, а также своей третьей ступени с остатками топлива. При этом стартовая масса Saturn V равнялась 3000 тонн. Таким образом, условный КПД ракеты составлял менее 5%.
Конечно, можно сказать, что Saturn V — это детище 1960-х, и с тех пор многое изменилось. Тогда возьмем более “свежие” ракеты. Например, Electron, которая изготавливается с широким использованием композитных материалов. Ее стартовая масса составляет 12,5 тонны, максимальная грузоподъемность на НОО — 300 кг. Условный КПД равен всего 2,4%. Для Falcon Heavy эти показатели составляют 1420 тонн и 63,8 тонны (4,5%), для той же Falcon 9 — 549 тонн и 22,8 тонны (4,15%). А ведь речь идет о низких орбитах. Если же груз нужно отправить “повыше” (скажем, на геостационарную орбиту или к другой планете), цифры грузоподъемности уменьшаются еще в несколько раз. К тому же не стоит забывать, что ракеты практически никогда не летают с полной загрузкой, и обычно выводят в космос меньше груза, чем могут в теории.
Еще на заре космической эры конструкторам была очевидна эта безжалостная арифметика. И многие из них воспринимали ракеты на традиционном химическом топливе как “временный” транспорт, который придется использовать до тех пор, пока не будет создано что-то получше и поэффективнее.
Особенно большие надежды в этом плане возлагались на атомную энергию. Один из наиболее смелых проектов начала космической эры, получивший название Orion, предполагал использование небольших ядерных зарядов для разгона космического корабля.
Суть концепции заключалась в следующем. Космический корабль снабжается мощной плитой, устанавливаемой за кормой. Во время полета из него равномерно выбрасываются ядерные заряды малой мощности, которые подрываются на сравнительной небольшой (до 100 м) дистанции. Заряды сконструированы таким образом, чтобы большая часть продуктов взрыва в виде расширяющегося плазменного фронта была направлена в хвост Orion. Отражающая плита принимает на себя импульс и передает его кораблю через систему амортизаторов. От повреждения световой вспышкой, потоками гамма-излучения и высокотемпературной плазмой плиту защищает покрытие из графитовой смазки, которое заново распыляется после каждого подрыва.
Насколько безумной на первый взгляд ни казалась бы подобная схема, но она была работоспособной. Эксперименты с использованием моделей продемонстрировали, что полет с помощью взрывов может быть устойчивым. Были проведены и опыты для проверки концепции защитного покрытия в реальных условиях. Во время ядерных испытаний на атолле Эниветок покрытые графитом стальные сферы разместили всего в 9 м от эпицентра взрыва. После испытания их нашли неповрежденными. Это доказало, что предложенная схема использования графитовой смазки для защиты плиты в принципе реализуема.
Чрезвычайно высокие характеристики тяги и удельного импульса должны были обеспечить Orion показателями КПД, которые в буквальном смысле не снились традиционным ракетам. Так, по оценке физика-теоретика, профессора Принстонского университета Фримена Дайсона, корабль со стартовой массой в 4000 тонн смог бы вывести на орбиту груз весом в 1600 тонн. Более того, Orion можно было бы использовать и для межзвездных путешествий. Согласно оценкам того же Дайсона, ядерно-импульсный корабль смог бы разогнаться до максимальной скорости в 3,3% от скорости света (современные расчеты и вовсе дают цифру до 10% от скорости света).
Однако Orion так и не вышел за рамки теоретических расчетов и экспериментов. Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, подписанный в 1963 году, поставил крест на дальнейшем развитии подобных кораблей.
Другой интересной альтернативой традиционным ракетам были ядерные ракетные двигатели (ЯРД). В них создаваемое ядерным реактором тепло используется для разогрева рабочего тела (как правило, водорода), которое затем выбрасывается через сопло. Хотя ЯРД и не смогли бы сравниться по эффективности с ядерно-импульсным Orion, они все равно имели намного более высокие показатели тяги, нежели обычные ракеты. Так, расчеты показали, что, если заменить верхнюю ступень ракеты Saturn V на ступень с ЯРД, это увеличит выводимую ею полезную нагрузку на 65-100%.
И США, и СССР разрабатывали проекты подобных ракет, вложив в них немалые средства. Их предполагалось использовать для миссий в дальний космос, в частности полетов на Марс, а также для создания “буксиров”, предназначенных для снабжения орбитальных станций и лунных баз.
Однако, несмотря на значительный объем теоретической работы и ряд наземных тестов с использованием прототипов реакторов, со временем все ЯРД-проекты были свернуты вследствие комбинации технических проблем, возросшего страха общественности перед ядерной энергией и нежелания сверхдержав ввязываться в новую дорогостоящую космическую гонку. Впрочем, результаты проведенных экспериментов и исследований никуда не делись и ждут своего времени. Так что, как знать, возможно, мы еще увидим возрождение этой концепции в будущем.
Многоразовые космические системы
Лунная гонка стала поистине поворотным моментом в истории американской космической программы. Благодаря внушительным финансовым вливаниям NASA удалось осуществить наиболее выдающееся технологическое свершение в истории человечества.
Однако, победив в битве за Луну, американское правительство оказалось совершенно не готово продолжать поддерживать космическую программу в прежнем объеме. Экономика страны вступила в сложный период, Вьетнамская война требовала все больших и больших ресурсов, к тому же публика потеряла интерес к космосу. Все это привело к масштабному сокращению космических программ. Под нож попали почти все проекты, требовавшие значительных денежных вложений. По сути, сложилась парадоксальная ситуация, когда триумф NASA обернулся перспективой закрытия всей американской пилотируемой программы. Организации нужно было срочно предложить что-то, что могло бы оправдать ее дальнейшее существование.
История шаттла
Выбор NASA пал на проект многоразового грузового корабля, который изначально собирались использовать для доставки людей и грузов на большую орбитальную станцию. NASA решила “продать” его Конгрессу (он занимается утверждением федерального бюджета США) под видом коммерческой системы, способной в перспективе выйти на самоокупаемость и даже принести прибыль. Так родилась программа Space Shuttle.
Сначала предполагалось, что система будет полностью многоразовой. Проектировщики хотели использовать для запуска шаттлов возвращаемую первую ступень, которая после отделения будет садиться на аэродром подобно самолету. Это была очень элегантная, но одновременно слишком сложная для тех лет идея. Так что вскоре конструкторам пришлось от нее отказаться и начать рассматривать вариант с одноразовой ступенью. В дальнейшем же и вовсе было принято решение установить три ракетных двигателя на сам шаттл, а для размещения топлива использовать одноразовый внешний бак.
Стоит отметить, что разбирающиеся в технической подоплеке специалисты уже тогда отлично понимали, что в реальности Space Shuttle вряд ли принесет какую-то прибыль. Проведенные в начале 1970-х экономические расчеты свидетельствовали, что для окупаемости программы шаттлы должны совершать не менее 30 полетов в год с полной загрузкой. В то время реальной потребности в таком количестве рейсов на орбиту попросту не существовало. Но, как известно, цель оправдывает средства. А главной задачей шаттлов была все же не теоретическая прибыль, а сохранение американской пилотируемой программы.
Но, несмотря на все усилия лоббистов из NASA, Конгресс все равно не горел желанием финансировать программу. В какой-то момент судьба Space Shuttle в буквальном смысле повисла на волоске. Чтобы спасти программу, NASA обратилось за помощью к ВВС. Военные согласились поддержать проект, взамен выдвинув ряд требований к грузовому отсеку и орбитальным возможностям крылатого корабля. В сложившейся ситуации у NASA не было возможности отказаться от этого предложения. Поэтому конструкторам пришлось существенно переделать дизайн челноков. Шаттл заметно увеличился в размерах и потяжелел. А это означало, что теперь он не сможет совершить взлет лишь на собственных двигателях. Поэтому к его конструкции были добавлены два боковых ракетных ускорителя. Так шаттлы обрели свой окончательный облик.
Первоначально планировалось, что первый полет шаттла состоится в конце 1970-х. Однако ввиду ряда технических сложностей он неоднократно переносился. В итоге крылатый корабль впервые отправился в космос лишь в 1981 году.
Несмотря на свой компромиссный характер, по-своему шаттлы были революционными машинами. Они позволяли проводить ранее невозможные космические операции — орбитальный ремонт, возвращение на Землю неисправных спутников, строительство сложных космических сооружений, использование установок для перемещения в открытом космосе и т. д. Челноки также применялись для вывода на орбиту коммерческих грузов. И NASA активно этим пользовалось, стараясь максимально нарастить частоту запусков крылатых кораблей. Ведомство поставило цель осуществлять их раз в две недели. Ходили серьезные разговоры о том, что спустя всего несколько лет шаттлы полностью заменят обычные одноразовые ракеты.
Но за все приходится платить. Технические компромиссы, экономия на критически важных компонентах, стремление увеличить частоту запусков, чтобы оправдать само существование корабля — комбинация всех этих факторов привела к катастрофе шаттла Challenger в 1986 году.
После гибели Challenger NASA пришлось внести ряд важных корректив в пилотируемую программу. Из-за изменения стандартов безопасности челноки больше никогда не летали с прежней интенсивностью. Кроме того, было принято решение прекратить использовать шаттлы для запуска коммерческих грузов. Вместе с этим окончательно растаяли надежды на то, что челноки когда-нибудь смогут принести прибыль, не говоря уже о планах по замене ими одноразовых ракет. Но, по крайней мере, они сделали главное, позволив сохранить американскую пилотируемую программу.
Ненужный “Буран”
По завершении лунной гонки СССР оказался в иной ситуации, нежели США. Советской пилотируемой программе не грозило закрытие. После Луны Страна Советов сделала ставку на создание долговременных орбитальных станций, отказавшись от планов по организации дорогостоящих межпланетных экспедиций. В этой парадигме роль космических кораблей, по сути, сводилась к средству доставки экипажей на орбиту и их последующего возвращения на Землю. Для подобной цели было вполне достаточно уже опробованных “Союзов”.
Однако свою роль сыграла Холодная война. Узнав о начале разработки программы Space Shuttle, советские военные начали рисовать пугающие картины крылатых кораблей, сбрасывающих ядерные бомбы на Москву. Сложно сказать, действительно ли генералы верили в подобный сценарий, или же сказались непомерные аппетиты ВПК, с каждым годом требовавшего все больших и больших ресурсов. Так или иначе, но руководство страны испугалось космической угрозы. Было принято решение построить систему “как у американцев”, даже не попытавшись предварительно определить, для каких целей ее станут использовать.
Результат оказался закономерным. Потратив ресурсы, сопоставимые с расходами на американский лунный проект, советские конструкторы создали “Буран”, по некоторым характеристикам даже превосходивший шаттлы. Но какой смысл иметь лучший корабль, если для него нет никакого практического применения?
Шаттлы использовались для вывода коммерческих и научных грузов, ремонта и снятия с орбиты неисправных спутников, а также проведения исследований с помощью космической лаборатории SpaceLab. “Буран” не годился ни для одной из этих целей. Советский Союз не осуществлял коммерческих запусков. Большинство советских спутников имели весьма короткий срок жизни, и в их орбитальном ремонте не было особой целесообразности. Для вывода грузов на орбиту СССР располагал несколькими семействами неплохих одноразовых носителей. Для проведения научных исследований имелись долговременные орбитальные станции “Салют” и “Мир”. Чтобы доставить на эти станции людей, страна использовала корабли “Союз”, а для их снабжения — беспилотные корабли “Прогресс” и ТКС.
То есть в СССР у “Бурана” попросту не было гражданского или научного применения. В качестве иллюстрации его “ненужности” можно привести всего один факт. Несмотря на широко разрекламированный испытательный полет “Бурана” в 1988 году, на тот момент он был еще совершенно не готов к пилотируемым миссиям. Даже если бы программу не закрыли в итоге, первый полет советского шаттла с экипажем все равно состоялся бы не раньше 1994 года.
По сути, “Буран” мог быть интересен только военным — в контексте реализации сомнительных проектов вроде создания боевых орбитальных комплексов и платформ для запуска ядерных ракет. Однако уже начавшая дышать на ладан советская экономика не могла обеспечить поддержку подобных программ. В результате, вместо симметричного ответа американцам, “Буран” фактически стал одним из последних гвоздей в крышку гроба СССР.
И все же космическая гонка двух сверхдержав и подключившиеся к освоению космоса значительно позже страны Евросоюза и Востока создали космическую инфраструктуру — в ее первичном виде, с ее проблемами и недостатками, позволив все-таки человечеству получить и все преимущества космоса.