Crew Dragon сильно лучше «Союза»? Роскосмос теперь обанкротится? А новые российские корабли когда-нибудь полетят на МКС?

Стыдные вопросы о пилотируемой космонавтике после успеха SpaceX

Когда говорят о том, что запуск космического корабля Crew Dragon с экипажем — это историческое событие, — многие задаются вопросом, в чем же именно состоит его значение. Формально запуск не стал революцией в науке и технике; не будет ею и полет к Луне американских астронавтов в 2023-24 годах в рамках программы «Артемида». Все это человечество уже делало. Запуск не стал и возвратом утраченных технологий: последнее десятилетие, когда не летали американские пилотируемые космические корабли, к МКС регулярно отправлялись российские «Союзы», так же, как в космосе бывали космонавты КНР. Однако полет Crew Dragon стал прорывом с организационной точки зрения — 30 мая компания SpaceX официально стала первой в мире частной фирмой, которая владеет пилотируемым космическим транспортным средством и вольна распоряжаться им по собственному усмотрению. Это кардинально меняет будущее пилотируемых полетов. Теперь компания использует наработки для новейшего корабля Starship, а значит, нас, вероятно, ждет революция в пилотируемой космонавтике.

Как вообще частный космический корабль оказался на орбите?

Пилотируемые полеты в космос как бизнес зародились в России. К концу 90-х планировалось сделать российский «Мир» частной орбитальной станцией, предназначенной для туристических полетов и коммерческих экспериментов. Фактически к моменту затопления в 2001 году «Мир» был частной космической гостиницей под управлением корпорации MirCorp (совместно с РКК «Энергия»). Потом аналогичный бизнес российские компании пытались вести и на МКС: в экипажах посещения на «Союзах» туда летали «коммерческие» астронавты других космических агентств (Европа, Бразилия, Малайзия, Южная Корея) и государств и туристы-частники (из США и ЮАР). Когда из Федеральной космической программы был вычеркнут второй научно-энергетический модуль для МКС, «Энергия» предложила создать коммерческий модуль в российском сегменте и доставлять туда туристов на «Союзе», чтобы компенсировать завершение контракта с NASA по доставке астронавтов. Совместно с компанией Space Adventures планировалось отправлять туристов вокруг Луны на модернизированных «лунных» «Союзах».

Но работа над этими коммерческими космическими программами застопорилась по двум основным причинам: после введения американских санкций против России в 2014 году РКК «Энергия» лишилась возможности привлекать внешние инвестиции; при этом корпорация перестала быть частной: государство, ликвидировав Федеральное космическое агентство, и создав госкорпорацию «Роскосмос», вернуло контроль над «Энергией».

В США в это время процесс наоборот пошел в сторону коммерциализации пилотируемой космонавтики. В 2010 году президент Барак Обама подписал программу по созданию коммерческих пилотируемых кораблей для программы Международной космической станции. Он опирался на выводы независимой «комиссии Огастина», которая всесторонне проанализировала настоящее и возможное будущее пилотируемой космонавтики США. Одной из рекомендаций комиссии было отдать низкую орбиту на откуп частникам.

Получив указание президента, NASA поменяло важнейший принцип работы с промышленными подрядчиками: раньше госагентство заказывало и закупало космическую технику, которую потом само эксплуатировало, теперь же NASA заключало контракты на предоставление услуги по доставке грузов и астронавтов на МКС. Принципиальное отличие в том, что теперь вся техника стала собственностью частных подрядчиков, которые могут использовать ее по своему усмотрению. Так, корабли Crew Dragon компании SpaceX и Starliner корпорации Boeing являются их собственностью и могут использоваться для полетов иных заказчиков (частных или государственных).

Илон Маск разом превратился из чудака-миллиардера, мечтающего об основании первой колонии на Марсе, в главу компании, которая первой из частников отправила людей в космос. И как бы кто-то ни говорил о том, что SpaceX сотрудничала с государством (государственное финансирование, передача технических отчетов NASA, вся мощь американской промышленности), в глазах многих покорение космоса теперь выглядит так: СССР, США, Китай, Илон Маск (SpaceX).

Как именно Crew Dragon изменит будущее?

Возможно, появление новых кораблей продлило жизнь МКС. Международный проект станции изначально предполагал, что транспорт по доставке людей должен дублироваться, теперь же он троирован — возможна доставка и возвращение экипажа на двух американских или российском корабле. Это положительно скажется на самой программе станции, повысит ее эффективность для научных и коммерческих задач. Если с 2009 по 2020 год основной экипаж МКС состоял из шести человек, то теперь будет семь (так как на американских кораблях штатно будут доставляться четыре человека, а на российских — три), плюс будут дополнительные полеты по коммерческим программам, как у США, так и у России.

Сейчас действует соглашение партнеров на работу МКС до 2024 года. В США, главном интеграторе проекта, идут споры о ее будущем, и успех SpaceX, очевидно, усилил позиции сторонников продления работы МКС до 2030 года. С высокой вероятностью США не отдадут пальму первенства Китаю, орбитальная станция которого будет собрана на околоземной орбите к 2023 году. Поэтому в космосе до конца десятилетия будут находиться минимум две обитаемые пилотируемые станции.

США и Китай как страны с наибольшим научно-техническим потенциалом, способны получить отдачу от прикладных и фундаментальных исследований на станциях, но главное, это подготовит их к длительным полетам в космос. Обе страны не скрывают своих межпланетных амбиций и могут подкрепить их финансированием.

Какие вообще есть космические корабли? Чем они отличаются?

Современные пилотируемые корабли можно поделить на две категории:

• низкоорбитальные, спускаемые аппараты которых могут вернуться на Землю после полета с первой космической скоростью (около 7,9 км/с),
• и для дальних полетов в космос (пока только к Луне), возвращаемый аппарат которых может совершить безопасный вход в атмосферу примерно со второй космической скоростью (11,2 км/с).

От назначения, в свою очередь, зависят конструктивные отличия: форма спускаемого аппарата, тепловая защита, система управления, система связи, требования к радиационной устойчивости электронных компонентов, запас топлива на борту, срок автономного полета.

К низкоорбитальным (из существующих и проектируемых пилотируемых кораблей) относятся:

• американские Crew Dragon и Starliner (ушедшие в 2011 году на покой «шаттлы» тоже были низкоорбитальными);
• российские: «Союз МС» и первый вариант нового корабля ПТК НП «Орел»;
• китайские «Шэньчжоу» и безымянный «перспективный пилотируемый корабль»;
• индийский «Гаганьян».

Для полетов в дальний космос предназначены:

• американский Orion;
• следующая версия российского ПТК НП «Орел»;
• следующая модификация китайского безымянного перспективного пилотируемого корабля.

Есть еще проект универсального (то есть способного летать как на низкую орбиту, так и в дальний космос) многоразового корабля Starship от той же SpaceX Илона Маска. Более того, Маск обещает революционную способность корабля садиться на разные небесные тела. Осмысленность создания такого корабля вызывает сомнения у специалистов, как и вообще возможность и необходимость универсального подхода в этом случае — сейчас пилотируемые корабли могут только возвращаться на Землю, а для других крупных небесных тел (Луна или Марс) требуется отдельный посадочный модуль, созданный специально под гравитационные и атмосферные параметры планеты.

Важно то, что делать универсальные корабли в современном понимании нет смысла. Это как забивать золотым кубком гвозди. Но для понимания стоит отметить, что на низкоорбитальном корабле к Луне не стоит лететь, так как экипаж будет обречен: ему не хватит топлива либо на выход на окололунную орбиту, либо для возвращения. А если бы и мог вернуться к Земле, то форма спускаемого аппарата и теплозащита не выдержали бы перегрева — он гарантировано разрушится. Но на лунном корабле вполне можно слетать на низкую орбиту, как, например, в 70-е годы американцы использовали оставшиеся лунные «Аполлоны» для трех полетов к орбитальной станции «Скайлэб» и для совместного полета с советским «Союзом» в 1975 году.

Новый корабль SpaceX намного лучше «Союзов»? А чем отличается Crew Dragon от конкурента Starliner?

В 2010 году NASA объявило конкурс именно на низкоорбитальный корабль для полетов к МКС, которые должны были избавить американское агентство от необходимости закупать транспортные услуги российских «Союзов». Так что в своих базовых характеристиках все эти корабли принципиально схожи. Однако есть и несколько важных отличий:

Во-первых, новые коммерческие корабли значительно массивнее. Масса Crew Dragon — 12 тонн, Starliner — 14 тонн, в то время как «Союз» почти вдвое легче — 7,2 тонны. Масса около 7 тонн объяснялась возможностями существующей отработанной ракеты среднего класса «семерки» (РН «Союз»). До сих пор модернизированный пилотируемый корабль «Союз МС» летает на модернизированной РН «Союз-2». Большая масса кораблей Crew Dragon и Starliner возможна за счет более грузоподъемных ракет Falcon 9 и Atlas V. Это позволяет взять больше грузов с собой в герметичном объеме и больше вернуть на Землю.

Во-вторых, на них больше мест: по 4 человека в экипаже находятся штатно, вместо 3 человек в «Союзе». Однако оба новых корабля подразумевают спасательный режим, когда вместо грузов можно вернуть дополнительно троих, то есть 7 человек в сумме. Эта опция предусмотрена на случай аварийной ситуации, например, если что-то случится с другим кораблем на станции, его экипаж можно будет вернуть на Crew Dragonʼе и Starlinerʼе.

В-третьих, у американских кораблей нет бытового отсека. Корабль «Союз» — это младший брат лунного корабля «Союз 7К-Л1», который в рамках программы «Зонд» облетал в беспилотном режиме Луну. Бытовой отсек изначально использовался не только для удобства жизнеобеспечения, но и как шлюзовая камера — первая стыковка и переход двух космонавтов из одного корабля в другой была выполнена с выходом в открытый космос (16 января 1969 года корабли «Союз-4» и «Союз-5»). В дальнейшем использование шлюза уже не требовалось, но принципиальная конструкция корабля не менялась. Корабли Crew Dragon и Starliner по техзаданию создавались для коротких низкоорбитальных полетов, поэтому бытовой отсек заложен в проект не был, а все системы жизнеобеспечения, включая туалетную кабинку, находятся в возвращаемом аппарате.

В-четвертых, у новых кораблей нет обтекателей и по-другому реализована система спасения. Отказ от бытового отсека в том числе позволил отказаться от створок обтекателей на ракете и SpaceX, и Boeing, а это существенная экономия массы. Такое решение повлияло и на то, как в кораблях реализована система спасения (ее задача увести капсулу с пассажирами подальше от ракеты-носителя в случае аварии на старте). У корабля «Союз» система аварийного спасения интегрирована в обтекатель: сверху стоит штанга с твердотопливными ракетными двигателями, и такие же двигатели встроены в сам обтекатель. У кораблей Crew Dragon и Starliner двигатели системы спасения встроены в сами спускаемые аппараты. Отсутствие обтекателей повлияло и на систему стыковки: стыковочный аппарат у Crew Dragon защищен многоразовым механическим колпаком, а у Starlinerʼа — одноразовой крышкой-обтекателем.

В-пятых, корабли отличаются компоновкой. «Союз» состоит из трех модулей: частично негерметичного приборно-агрегатного отсека, спускаемого аппарата и бытового отсека. Crew Dragon и Starliner состоят всего из двух: приборно-агрегатного и возвращаемого аппарата. Но между последними есть отличие: SpaceX в отличие от Boeingʼа имеет также контракт на доставку грузов на МКС, поэтому пилотируемый корабль сразу спроектировали с негерметичным грузовым отсеком. Существующие грузовые корабли Dragon в ближайшее время будут заменены на новые грузовики, созданные на основе Crew Dragon. И если агрегатный отсек, совмещенный с грузовым отсеком, будет одноразовым и каждый раз будет разрушаться в атмосфере, то возвращаемая капсула, доставив экипаж, в следующий раз полетит с грузами в космос и обратно.

Наконец, есть множество разнообразных инноваций. Возможности американской промышленности позволили использовать новые материалы для кораблей, более современные системы управления, и интерфейсы (например, сенсорные экраны). «Союзы» также регулярно модернизировались, в том числе за деньги с контрактов NASA по доставке астронавтов на МКС. Но средств на кардинальные изменения «Союзов» у России нет, так как она вкладывает в создание нового корабля ПТК НП «Орел».

А что с деньгами — билет на какой корабль дешевле?

По оценке главного инспектора NASA Пола Мартина, в 2019 году одно место для астронавта в корабле «Союз» стоило около 80 миллионов долларов. В 2020 году эта стоимость выросла до 90 миллионов долларов. В корабле Crew Dragon доставка одного астронавта обойдется агентству в 55 миллионов долларов, а в корабле Starliner корпорации Boeing — те же 90 миллионов.

Здесь уместно вспомнить, что разница в цене американских кораблей изначально закладывалась в контракте от 2014 года, когда SpaceX получила от NASA 2,6 миллиарда долларов, а Boeing почти вдвое больше — 4,2 миллиарда долларов. Также стоит отметить, что когда компания Илона Маска взялась за работу над пилотируемым кораблем, мягкие посадки первых ступеней Falcon 9 и их повторное использование еще только планировались, поэтому в контракте с NASA было прописано одноразовое использование и ракеты, и корабля. Но, после успешного запуска миссии Demo-2, NASA разрешило начиная с первой штатной экспедиции осенью 2020 года повторно использовать возвращаемый аппарат и первую ступень ракеты-носителя. Это не скажется на сумме контракта, а значит принесет SpaceX значительную дополнительную прибыль.

Почему Crew Dragon летит к МКС дольше «Союза»? Он тихоходный?

Crew Dragon летел до МКС 19 часов, а это действительно существенно больше, чем те шесть часов, которые обычно сейчас занимает полет на МКС на «Союзах». Причин несколько: новый корабль должен был пройти ряд тестов в автономном полете, поэтому не было смысла торопиться. А раз так, к этому полету решили не проводить коррекцию орбиты МКС, чтобы сделать баллистические условия более удобными.

Что значит удобные условия?

МКС находится на орбите около 400 км над Землей в плоскости с наклонением в 51,7 градуса к экватору. На картах трассы полета можно видеть, что каждый виток станция смещается над поверхностью планеты, это связано с тем, что Земля вращается под МКС.

Изменение наклонения орбиты требует расхода топлива, поэтому время старта корабля подбирают так, чтобы корабль и МКС оказались примерно в одной плоскости (корабль изначально ниже на опорной орбите). Дальше, используя свое топливо, корабль поднимает орбиту до высоты МКС, и сокращает фазовый угол (то есть расстояние до станции на окружности).

В ближайшем будущем корабли SpaceX будут летать к станции намного быстрее. Но, как и в случае «Союзов», при необходимости, всегда возможен переход на более длительную схему выведения.

Новый корабль получился таким, как его придумал Маск, или реализация отличается от идеи?

Техзадание предопределило облик Crew Dragon и используемые (и неиспользуемые) решения. И SpaceX, и Boeing выбрали примерно одинаковые схемы кораблей, поскольку их ограничивали требования NASA и необходимость уложиться в расчетный уровень безопасности.

Так, изначально Илон Маск хотел использовать любимую им реактивную посадку для возвращаемого аппарата Crew Dragon, опираясь на опыт приземления первых ступеней ракеты Falcon 9. Но такой способ посадки не удовлетворял требованиям по безопасности NASA, и от него пришлось отказаться, вернувшись к классической посадке на воду на парашютах.

Boeing выбрал несвойственную истории американской космонавтики посадку возвращаемой капсулы на сушу (не считая шаттлов, которые садились на твердую землю, а точнее, на взлетно-посадочную полосу), используя для этого надувные подушки вместо твердотопливных двигателей мягкой посадки. Последние используются, например, российскими кораблями «Союз» для посадки в степи Казахстана.

Новые американские корабли похоронят российскую космонавтику?

Нет никаких оснований говорить, что полеты новых американских кораблей приведут к краху Роскосмоса. Да, таких выгодных договоров, как с NASA, скорее всего не будет, но, к примеру, сейчас в РКК «Энергия» изготавливается два корабля по коммерческим контрактам, и в 2021 и 2022 будет три запуска «Союзов» в год. В этих коммерческих кораблях только командир будет россиянином, а остальные места Роскосмос планирует продавать туристам и астронавтам третьих стран, как это было, например, в сентябре 2019 года, когда на МКС летал представитель ОАЭ Хаззаа Аль-Мансури.

А почему ничего не слышно о новых российских успехах в пилотируемой космонавтике?

Проблемы Роскосмоса кроются в самом Роскосмосе и в космической стратегии правительства России, которое является основным заказчиком госкорпорации:

• через Федеральную космическую программу (ФКП), утверждаемую раз в десять лет
• через ряд целевых программ (в том числе по линии Министерства обороны).

Проблемы со стратегией хорошо заметны на примере проекта создания пилотируемого транспортного корабля нового поколения ПТК НП «Орел» (старое название «Федерация»).

Проблемы начинаются с формулирования стратегии. Что и зачем делают американцы, понятно: на сайте NASA есть соответствующий раздел, посвященный программе по созданию коммерческих пилотируемых кораблей Dragon и Starliner для МКС, есть раздел о лунной программе «Артемида» и, соответственно, о корабле Orion и сверхтяжелой ракете SLS.

У России же официально нет пилотируемой лунной программы, в федеральной программе до 2025 года лишь заложена подготовка к ней. На сайтах Роскосмоса и его подрядчика РКК «Энергия» нет собственного раздела по кораблю, словно его не создают уже 11 лет.

Зачем создается пилотируемый «Орел» — тоже не вполне ясно. Вроде бы он позиционируется как лунный корабль, то есть как конкурент американского корабля Orion, который полетит к Луне без экипажа в 2021 году. Однако сейчас спроектирован и изготавливается в макетах не лунный, а низкоорбитальный вариант «Орла»: он намного легче лунного (в нем меньше приборно-агрегатный отсек, не нужно брать топливо на торможение у Луны и разгон обратно к Земле), почти все приборы корабля спроектированы на радиационную обстановку на низкой орбите и т. д. Таким образом, когда «Орел» будет все-таки достроен, то после трех испытательных полетов (автономный беспилотный полет, полет без экипажа к МКС и полет с людьми на станцию), придется проектировать, строить и испытывать совершенно другую версию корабля — лунную.

Учитывая, что сроки запусков и низкоорбитальной версии корабля регулярно сдвигаются, полеты российских космонавтов к Луне на российском корабле, запущенном на российской ракете, в целом выглядят проблематично. Из этого положения, вероятно, есть выход, но он заключается в международном сотрудничестве по лунной программе и в более четкой, последовательной и открытой обществу космической стратегии.

Александр Хохлов