4 жовтня 1957 року радіоаматори вперше прийняли з орбіти позивні “Біп! Біп!”, які ознаменували, що людство почало підкорення космосу. Однак, незважаючи на всю історичну значущість цієї події, вона стала лише відправною точкою довгої дороги. У другій частині нашого матеріалу про історію космонавтики ми розкажемо про протистояння наддержав, альтернативні проекти космічних систем і кораблі багаторазового використання, що не були втілені на практиці.
Космічні перегони та битва за Місяць
Перші десятиліття космічної ери пройшли під прапором протистояння СРСР та США, які зробили космос ще однією ареною для свого глобального змагання. Нам вже складно це уявити, але в ті роки буквально кожен запуск, кожна нова космічна місія розглядалися з позиції першості.
Спочатку СРСР лідирував у областях, пов’язаних з пілотованими польотами і запусками у міжпланетний простір. США мали перевагу в “прикладних” аспектах освоєння космосу: перший метеосупутник, перший комерційний супутник зв’язку, перший супутник-шпигун тощо.
Радянський успіх у ранні роки космічних перегонів багато в чому пов’язаний із помітною, порівняно з американськими ракетами, перевагою у вантажопідйомності знаменитої ракети Р-7 та створених на її базі носіїв. Це має досить просте пояснення. Р-7 насамперед створювалася як міжконтинентальна балістична ракета, призначена для доставки термоядерних бомб. Під час розробки носія конструктори виходили з того, що маса боєголовки становитиме вельми значні 5,5 тонни. Саме ця закладена у проект “надлишкова” вантажопідйомність і стала основою для багатьох гучних досягнень СРСР у космосі.
Ситуація почала змінюватися після того, як США оголосили про намір відправити до кінця 1960-х людей на Місяць. Це завдання вимагало використання набагато потужніших ракет, аніж ті, що вже існували, і їх потрібно було створювати з нуля. Фактично, це дозволило Америці розпочати змагання з чистого аркуша.
Не зупинятимемося докладно на історії місячних перегонів. Зазначимо лише, що до певної міри вони стали повторенням ситуації із першим супутником. Тільки цього разу вже США зосередили всі зусилля на досягненні конкретної мети та методично прямували до неї. Зі свого боку Радянський Союз долучився до місячних перегонів із помітним запізненням, та ще й розпорошив свої ресурси відразу на два незалежні проекти, що вже фактично від початку зумовило його підсумкову поразку.
Завершення місячних перегонів збіглося за часом зі значним спадом інтересу громадськості до космосу. Це трапилося через сукупність різних причин. Однією з них було те, що запущені до Марса та Венери міжпланетні місії дали можливість переконатися, що там немає життя (принаймні у складному вигляді), а умови на їхній поверхні абсолютно ворожі для людей. Це розбило вщент сподівання багатьох космічних романтиків, які мріяли, що вже найближчим часом людство створить колонії на сусідніх планетах та встановить контакт із братами по розуму.
Свою роль відіграло й зростання усвідомлення того, що освоєння космосу — набагато складніший, небезпечніший та дорожчий захід, аніж це малювали фантастичні твори. Адже гучні космічні успіхи супроводжувалися низкою не менш гучних катастроф, які забрали життя кількох екіпажів космічних кораблів.
Альтернативні проекти космічних систем
Згадуючи ранні роки освоєння космосу, слід розуміти, що за минулі 60 років у технологічному плані суть космічного польоту мало змінилася. Сучасні ракети працюють за абсолютно тими ж принципами, що й ракети, які відправили в космос Гагаріна та Армстронга. Звичайно, у різних носіях можуть використовуватися різні матеріали та різні види палива й окислювача. Але це не змінює суті. А її можна звести до однієї простої істини: з огляду на ККД (якщо вважати його співвідношенням навантаження, що виводиться на орбіту, і стартової маси) ракети жахливо неефективні.
Розглянемо для прикладу легендарну Saturn V, яка доставила людей на Місяць і досі утримує звання найпотужнішого носія в історії. Вона могла вивести до 140 тонн корисного навантаження на низьку навколоземну орбіту (ННО) у вигляді корабля Apollo з місячним модулем, а також свого третього ступеня із залишками палива. При цьому стартова маса Saturn V складала 3000 тонн. Таким чином, умовний ККД ракети становив менше ніж 5%.
Звісно, можна сказати, що Saturn V — це дітище 1960-х, і з того часу багато що змінилося. Тоді візьмемо “свіжіші” ракети. Наприклад, Electron, яка виготовляється із широким використанням композитних матеріалів. Її стартова маса становить 12,5 тонни, максимальна вантажопідйомність на ННО — 300 кг. Умовний ККД дорівнює лише 2,4%. Для Falcon Heavy ці показники становлять 1420 тонн та 63,8 тонни (4,5%), для тієї ж Falcon 9 — 549 тонн та 22,8 тонни (4,15%). І ми говоримо лишень про низькі орбіти. Якщо вантаж потрібно відправити “вище” (скажімо, на геостаціонарну орбіту або до іншої планети), цифри вантажопідйомності зменшуються ще в кілька разів. Водночас не варто забувати, що ракети практично ніколи не літають із повним завантаженням, і зазвичай виводять у космос менше вантажу, ніж можуть теоретично.
Ще на початку космічної ери конструкторам була очевидна ця безжальна арифметика. І багато хто із них сприймав ракети на традиційному хімічному паливі як “тимчасовий” транспорт, який доведеться використовувати доти, доки не буде створено щось краще та ефективніше.
Особливо великі надії покладалися на атомну енергію. Один із найсміливіших проектів початку космічної ери, що отримав назву Orion, передбачав використання невеликих ядерних зарядів для розгону космічного корабля.
Суть концепції полягала у наступному. Космічний корабель забезпечується потужною плитою, яка встановлюється за кормою. Під час польоту з нього рівномірно викидаються ядерні заряди малої потужності, що підриваються на порівняно невеликій (до 100 м) дистанції. Заряди сконструйовані таким чином, аби більша частина продуктів вибуху у вигляді плазмового фронту, що розширюється, була направлена в хвіст Orion. Відбиваюча плита приймає на себе імпульс і передає його кораблю через систему амортизаторів. Від пошкодження світловим спалахом, потоками гамма-випромінювання та високотемпературною плазмою плиту захищає покриття з графітового мастила, яке заново розпорошується після кожного підриву.
Якою б безглуздою на перший погляд не здавалась подібна схема, але вона була працездатною. Експерименти із використанням моделей продемонстрували, що політ за допомогою вибухів може бути стійким. Було проведено і досліди для перевірки концепції захисного покриття у реальних умовах. Під час ядерних випробувань на атолі Еніветок покриті графітом сталеві сфери розмістили лише за 9 м від епіцентру вибуху. Після випробування їх знайшли неушкодженими. Це довело, що запропонована схема використання графітового мастила для захисту плити у принципі можлива.
Надзвичайно високі характеристики тяги та питомого імпульсу мали забезпечити Orion показниками ККД, які й не снилися традиційним ракетам. Так, за оцінкою фізика-теоретика, професора Принстонського університету Фрімена Дайсона, корабель зі стартовою масою 4000 тонн зміг би вивести на орбіту вантаж вагою 1600 тонн. Більше того, Orion можна було б використати і для міжзоряних подорожей. За оцінками того ж Дайсона, ядерно-імпульсний корабель зумів би розігнатися до максимальної швидкості у 3,3% від швидкості світла (сучасні розрахунки взагалі дають цифру до 10% від швидкості світла).
Однак Orion так і не вийшов за межі теоретичних розрахунків та експериментів. Договір про заборону випробувань ядерної зброї в атмосфері, космічному просторі та під водою, підписаний 1963 року, поставив хрест на подальшому розвитку подібних кораблів.
Іншою цікавою альтернативою традиційним ракетам були ядерні ракетні двигуни (ЯРД). У них тепло, що створюється ядерним реактором, використовується для розігріву робочого тіла (як правило, водню), яке потім викидається через сопло. Хоча ЯРД і не змогли б зрівнятися за ефективністю із ядерно-імпульсним Orion, вони все одно мали б набагато вищі показники тяги, аніж звичайні ракети. Так, розрахунки показали, що якщо замінити верхній ступінь ракети Saturn V на ступінь з ЯРД, це збільшить корисне навантаження на 65-100%.
І США, і СРСР розробляли проекти подібних ракет, вклавши у це чималі кошти. Їх передбачалося використовувати під час місій у далекий космос, зокрема для польотів на Марс, а також для створення “буксирів” для постачання орбітальних станцій та місячних баз.
Однак, незважаючи на значний обсяг теоретичної роботи та низку наземних тестів із використанням прототипів реакторів, згодом усі ЯРД-проекти були припинені через комбінацію технічних проблем, високий ступінь страху громадськості перед ядерною енергією та небажання наддержав уплутуватися у нові дорогі космічні перегони. Втім, результати проведених експериментів та досліджень нікуди не поділися і чекають свого часу. Цілком можливо, ми ще побачимо відродження цієї концепції у майбутньому.
Багаторазові космічні системи
Місячні перегони стали воістину поворотним моментом в історії американської космічної програми. Завдяки значним фінансовим вливанням NASA вдалося здійснити найбільш видатне технологічне досягнення в історії людства.
Проте, вигравши битву за Місяць, американський уряд виявився зовсім не готовим продовжувати підтримувати космічну програму в колишньому обсязі. Економіка країни увійшла у складний період, В’єтнамська війна вимагала все більших і більших ресурсів, до того ж публіка втратила інтерес до космосу. Все це спричинило масштабне скорочення космічних програм. Під ніж потрапили майже всі проекти, які вимагали значних фінансових вливань. По суті, склалася парадоксальна ситуація, коли тріумф NASA обернувся перспективою закриття всієї американської пілотованої програми. Організації потрібно було терміново запропонувати щось, що могло виправдати її подальше існування.
Історія шатла
Вибір NASA упав на проект багаторазового вантажного корабля, який спершу мали намір використовувати для доставки людей та вантажів на велику орбітальну станцію. NASA вирішило “продати” його Конгресу (саме він займається затвердженням федерального бюджету США) під виглядом комерційної системи, здатної у перспективі вийти на самоокупність і навіть принести прибуток. Так народилася програма Space Shuttle.
Від початку планувалося, що система буде повністю багаторазовою. Проектувальники хотіли використовувати для запуску шатлів перший ступінь, що після відділення повертатиметься та сідатиме на аеродром подібно до літака. Це була дуже елегантна, але водночас занадто складна для тих років ідея. Тож невдовзі конструкторам довелося від неї відмовитися і почати вивчати варіант із одноразовим ступенем. Надалі ж було вирішено встановити три ракетні двигуни на сам шатл, а для розміщення палива використовувати одноразовий зовнішній бак.
Варто зауважити, що фахівці, які знаються на технічному підґрунті, вже тоді чудово розуміли, що насправді Space Shuttle навряд чи принесе якийсь прибуток. Проведені на початку 1970-х економічні розрахунки свідчили, що для окупності програми шатли повинні здійснювати щонайменше 30 польотів на рік із повним завантаженням. На той час реальної потреби у такій кількості рейсів на орбіту просто не існувало. Але, як відомо, мета виправдовує кошти. А головним завданням шатлів був не теоретичний прибуток, а збереження американської пілотованої програми.
Втім, незважаючи на всі зусилля лобістів із NASA, Конгрес все одно не поспішав погодитися фінансувати програму. У якийсь момент доля Space Shuttle буквально повисла на волосині. Щоб врятувати програму, NASA звернулося за допомогою до ВПС. Військові погодилися підтримати проект, натомість висунувши низку вимог до вантажного відсіку та орбітальних можливостей крилатого корабля. У ситуації, що склалася, NASA не могло відмовитися від цієї пропозиції, тож конструкторам довелося ґрунтовно переробити дизайн. Шатл помітно збільшився за розміром і став важчим. А це означало, що тепер він не зможе злетіти лише на власних двигунах. Тому до його конструкції були додані два бічні ракетні прискорювачі. Так шатли набули свого остаточного вигляду.
Спочатку передбачалося, що перший політ шатла відбудеться наприкінці 1970-х. Проте через низку технічних складнощів він неодноразово переносився. Зрештою крилатий корабель вперше вирушив у космос лише 1981 року.
Незважаючи на свій компромісний характер, шатли по-своєму були революційними машинами. Вони дозволяли проводити раніше неможливі космічні операції — орбітальний ремонт, повернення на Землю несправних супутників, будівництво складних космічних споруд, використання установок для переміщення у відкритому космосі тощо. Човни також застосовувалися для виведення на орбіту комерційних вантажів. І NASA активно цим користувалося, прагнучи максимально наростити частоту запусків. Відомство поставило за мету здійснювати їх раз на два тижні. Велися серйозні розмови про те, що через кілька років шатли повністю замінять звичайні одноразові ракети.
Однак за все доводиться платити. Технічні компроміси, економія на критично важливих компонентах, намагання збільшити частоту запусків, щоб виправдати існування корабля — комбінація всіх цих факторів вилилася в катастрофу шатла Challenger 1986 року.
Після загибелі Challenger NASA довелося внести низку вагомих коректив до пілотованої програми. Через зміну стандартів безпеки шатли більше ніколи не літали з колишньою інтенсивністю. Крім того, було ухвалено рішення припинити використовувати шатли для запуску комерційних вантажів. Разом із цим остаточно розтанули надії на те, що човни колись зможуть принести прибуток, не кажучи вже про плани замінити ними одноразові ракети. Але принаймні вони зробили головне, дозволивши зберегти американську пілотовану програму.
Непотрібний “Буран”
Після завершення місячних перегонів, на відміну від США, СРСР опинився в іншій ситуації. Радянській пілотованій програмі не загрожувало закриття. Після Місяця країна зробила ставку на створення довгострокових орбітальних станцій, відмовившись від планів з організації дорогих міжпланетних експедицій. У цій парадигмі роль космічних кораблів, власне, зводилася до засобу доставки екіпажів на орбіту та їхнього подальшого повернення Землю. Для подібної мети було цілком достатньо випробуваних “Союзів”.
І тут свою роль зіграла Холодна війна. Дізнавшись про початок розробки програми Space Shuttle, радянські військові почали малювати страшні картини крилатих кораблів, що скидають ядерні бомби на Москву. Складно сказати, чи дійсно генерали вірили у подібний сценарій, або ж позначилися непомірні апетити ВПК, який з кожним роком вимагав все більших та більших ресурсів. Так чи інакше, але керівництво країни злякалося космічної загрози. Було ухвалено рішення побудувати систему “як у американців”, навіть не спробувавши попередньо визначити, для яких цілей її використовуватимуть.
Результат виявився закономірним. Витративши ресурси, що можна порівняти із витратами на американський місячний проект, радянські конструктори створили “Буран”, який за деякими характеристиками навіть перевершував шатли. Однак, чи є сенс мати кращий корабель, якщо для нього немає практичного застосування?
Шатли використовувалися для виведення комерційних та наукових вантажів, ремонту та зняття з орбіти несправних супутників, а також проведення досліджень за допомогою космічної лабораторії SpaceLab. “Буран” не годився для жодної із цих задач. Радянський Союз не здійснював комерційних запусків. У більшості радянських супутників був дуже короткий термін життя, а їхній орбітальний ремонт не мав особливої доцільності. Для виведення вантажів на орбіту СРСР мав у своєму розпорядженні кілька сімейств непоганих одноразових носіїв. Для проведення наукових досліджень були створені довгострокові орбітальні станції “Салют” та “Мир”. Аби доправити на ці станції людей, країна використовувала кораблі “Союз”, а для їхнього забезпечення — безпілотні кораблі “Прогрес” і ТКС.
Тобто в СРСР для “Бурану” просто не було цивільного або наукового застосування. Як ілюстрацію його “непотрібності” можна навести лише один факт. Незважаючи на широко розрекламований випробувальний політ “Бурану” у 1988 році, на той момент він був ще зовсім не готовий до пілотованих місій. Навіть якби програму не закрили, перший політ радянського шатла з екіпажем все одно відбувся б не раніше 1994 року.
По суті, “Буран” міг бути цікавим лише військовим — у контексті реалізації сумнівних проектів на кшталт створення бойових орбітальних комплексів та платформ для запуску ядерних ракет. Однак радянська економіка, яка вже почала дихати на ладан, не могла забезпечити підтримку подібних програм. У підсумку замість симетричної відповіді американцям “Буран” фактично став одним із останніх цвяхів у кришку труни СРСР.
І все одно космічні перегони двох наддержав, а також країни Євросоюзу і Сходу, що долучилися до освоєння космосу значно пізніше, створили космічну інфраструктуру — в її первинному вигляді, з її проблемами та недоліками, все ж таки дозволивши людству отримати і всі переваги космосу.
