Почему мы так долго ждали SLS
Помните 2011 год? Три последних миссии Space Shuttle, SpaceX ведет разработку грузового корабля Dragon (первый испытательный полет — декабрь 2010, первый полет к МКС май 2012), «Кьюриосити» стартовал к Марсу, а «Юнона» к Юпитеру, «Мессенджер» прилетел к Меркурию, а Dawn к Весте. Китай отправил на орбиту свою первую орбитальную станцию «Тяньгун-1», в России запустили очень успешный «Спектр-Р» и следили за неудачными попытками спасти застрявший на околоземной орбите «Фобос-Грунт». Именно тогда был официально представлен проект сверхтяжелой ракеты-носителя Space Launch System, которая, возможно, полетит 29 августа этого года, если старт опять не перенесут. Но если в начале десятых SLS нормально смотрелась на фоне маленьких ракет SpaceX и других частников, то сейчас она может показаться устаревшей (еще до первого полета!), если сравнить ее со SpaceX Starship или New Glenn от Blue Origin. Попробуем разобраться, почему мы так долго ждали ее первого пуска и почему, скорее всего, люди полетят на ней к Луне не раньше 2024, высадятся не раньше 2025, и проект может продолжить свое неспешное движение в обозримом будущем года до 2036, а то и далее.
Стоящая на стартовой площадке LC-39B SLS на фоне пуска Falcon 9/Starlink с LC-40 и соседа Falcon 9/Crew Dragon на LC-39A, фото NASA/Kim Shiflett
Глубже в прошлое
Для понимания происходящего лучше будет погрузиться еще на несколько лет в прошлое. Катастрофа шаттла «Колумбия» 1 февраля 2003 фактически поставила крест на программе Space Shuttle. Пусть после нее и состоялось 22 полета, было очевидно, что продолжать полеты шаттлов можно только по необходимости для завершения сборки Международной космической станции, и никаких перспектив у челноков не осталось. Менее чем через год после катастрофы президент США Джордж Буш — младший представил общественности план «Взгляд на исследование космоса» («Vision of space exploration») и программу «Созвездие» («Constellation»), в которой были две ракеты-носителя на базе технологий шаттла: тяжелая Ares I, с первой ступенью на базе твердотопливного ускорителя шаттла, сверхтяжелая грузовая Ares V с двумя боковыми твердотопливными ускорителями и пятью двигателями от шаттла на второй ступени (центральном блоке) и ее пилотируемый вариант Ares IV. Пилотируемый корабль получил название «Орион», а лунный модуль — «Альтаир».
Ares I, IV и V в сравнении с Saturn V и Space Shuttle, изображение NASA
По проекту Ares V получался менее функциональным, нежели Saturn V — пилотируемый полет к Луне планировался двумя запусками, а не одним — сначала лунный модуль, потом пилотируемый корабль. «Орион» должен был стать кораблем для полетов и к МКС и к Луне, а в перспективе и далее, обеспечивая и регулярные смены вахт экипажа на станции и высадки на лунную поверхность. Здесь стоит отметить, что очень похожая на будущую Ares V ракета Magnum находилась на стадии предварительного проектирования еще в середине 90-х, в то же время, у нее были и другие варианты, например, крылатые возвращаемые боковые ускорители с ЖРД.
Интрига заглавного вопроса частично разрешается уже если посмотреть на план пусков от 2006 года. По нему первый пуск сверхтяжелой Ares V должен был состояться в июне 2018, а первая в 21 веке высадка на Луну (и седьмая после «Аполлонов») планировалась на декабрь 2019 в миссии «Орион 13». То есть практически сразу было понятно, что этот проект надолго.
В 2009 году свежеизбранный президент Барак Обама охарактеризовал «Созвездие» как «превышающую бюджет, отстающую по срокам и испытывающую недостаток инноваций» и закрыл программу. Тем не менее дошедший до высокой степени готовности испытательный пуск Ares I-X провели — первая ступень, частично соответствующая штатной, отработала нормально, а выше был массо-габаритный макет второй ступени, корабля и системы аварийного спасения, который планово упал в океан. Зрелище тем не менее получилось красивое.
Впрочем, уже в апреле 2010 Обама выступил в космическом центре Кеннеди и объявил в том числе и о выделении более, чем трех миллиардов долларов на «продвинутую тяжелую ракету», отметив, что хотел бы не «пересмотра старых моделей, а новых конструкций». Осенью Сенат принял документ 111–267, известный как «Закон об ассигнованиях на NASA 2010», в котором упомянуто название Space Launch System. Там же зафиксирован самый ранний из сроков готовности ракеты — 31 декабря 2016. А обозначенная грузоподъемность в 70 и 130 тонн на низкую орбиту, по словам Гарри Лайлза, главного инженера SLS, взята из характеристик «Магнума», а то и более ранних требований.
Новая старая ракета
Фото NASA / Paul E. Alers
Когда 14 сентября 2011 проект SLS официально представили общественности, злые языки могли ехидничать «ну по крайней мере Ares перекрасили». Действительно, на иллюстрациях была изображена трудно отличимая от Ares IV ракета, окрашенная в стиле Saturn V и стоящая на таком же, как и во времена «Аполлонов», мобильном стартовом сооружении. Первой ступенью (по российской терминологии) должны были стать удлиненные с 4 до 5 сегментов ускорители от шаттлов, такие же, как и предполагались для Ares. Вторая ступень (или центральный блок) теперь должна была получить не 5, а 4 двигателей RS-25 от шаттлов и использовать наработки по внешнему топливному баку шаттла. Верхней ступенью предполагалось использовать сначала разгонный блок ICPS (модифицированный разгонный блок DCSS от Delta IV) с широко используемыми в американской космонавтике двигателями RL-10. Конструкция ракеты-носителя должна была постепенно развиваться. ICPS предполагали заменить на EDS с новыми двигателями J-2X, которые изначально предполагались прямыми наследниками J-2 с Saturn V, но потом их решили разрабатывать с нуля. Должны были улучшаться и RS-25, которые больше не нуждались в многоразовости, и боковые ускорители.
Илюстрация NASA, 2012 год
Грузоподъемность ракеты оценивалась в уже знакомые вам 70 тонн для раннего варианта и 130 для продвинутого. И в этот же день был объявлен первый из сдвигов сроков — теперь первый полет ожидался в конце 2017. Работы по созданию компонентов для ракеты уже велись — например, в 2011 году начались огневые испытания двигателя J-2X.
Сроки и задержки
В 2012 году проект благополучно прошел серию ревью, что свидетельствовало о в целом благополучном его движении. 17 января 2013 NASA объявило, что сервисный модуль корабля «Орион» будет изготавливаться Европейским космическим агентством. Спустя почти ровно год ЕКА заявило, что несмотря на весовые сложности и разнообразные задержки, они уверены в готовности сервисного модуля к концу 2017.
В 2013 году двигатель J-2X и ступень EDS посчитали слишком мощными и законсервировали в ожидании полетов к Марсу в 2030-х. Разгонные блоки ICPS и будущая EUS должны будут использовать двигатели RL-10.
27 августа 2014 NASA сообщило, что проект SLS благополучно прошел ключевую точку принятия решения С (KDP-C), в которой фиксируются сроки и бюджет проекта, и он непосредственно запускается. Здесь же появился новый срок — не позднее ноября 2018, но агентство еще не отказалось от надежд успеть к 2017. 12 сентября закончилось строительство гигантского сварочного станка для производства баков центрального блока. Как это нередко бывает, вскоре выяснилось, что при постройке из-за непонимания между подрядчиками станок оказался установлен с наклоном 0,06°, что потребовало времени на исправление ситуации.
5 декабря благополучно прошел испытательный полет «Ориона» EFT-1. Спускаемый аппарат с массо-габаритным макетом сервисного модуля стартовал на ракете-носителе Delta IV Heavy, был переведен на эллиптическую орбиту и вернулся из космоса, войдя в атмосферу с повышенной скоростью.
Замечательное событие было немного подпорчено тем, что уже 10 декабря появилась новость о том, что дата первого пуска все-таки сдвигается на 2018, «несмотря на дополнительное финансирование».
В 2015 году вышел отчет Счетной палаты США, в котором программу SLS, с одной стороны, похвалили, а с другой указали на то, что у NASA заканчиваются резервы времени, чтобы успеть осуществить первый пуск в 2018. 16 сентября 2015 KDP-C прошел корабль «Орион», для которого назвали дату первого пилотируемого полета — 2023 год. Но работы по проекту шли своим ходом. Инженеры благополучно убрали лишний вес краски на центральном блоке, и он стал цвета теплоизоляции бака — оранжевым, как это было на шаттлах и планировалось для Ares IV/V. 11 марта прошло успешное огневое испытание бокового ускорителя.
К 2017 году запасы по срокам были уже совсем исчерпаны, а проблемы не перестали появляться. Например, серьезная задержка произошла на сварочном станке центрального блока из-за того, что сваривали рекордно тонкие листы металла. Менеджер производства ступеней SLS Стив Дьюринг мог шутить, что они получат много диссертаций по итогам своего труда, но доработки сварочного автомата приводили ко все новым задержкам, и в мае 2017 первый пуск сдвинулся на 2019. В ноябре 2017 стало ясно, что 2019 был оптимистичным сценарием, а реалистичным — лето 2020.
В 2018 году вышел очередной отчет Счетной палаты США, в котором говорилось, что уже было наметившийся тренд на уменьшение непредвиденных задержек и удорожание проектов портят дорогие и долгие проекты NASA — телескоп «Джеймс Уэбб» (хорошо, что он все-таки улетел в 2021!) и SLS с кораблем Orion. Эти гиганты-долгострои и отставали по срокам и превышали бюджет.
В 2019 стало известно о новой программе разработки улучшенных твердотопливных ускорителей BOLE, которые должны были повысить грузоподъемность модификации SLS Block 2 до изначально задуманных 130 тонн на низкую орбиту. Необходимость в этом почувствовали, потому что модификация Block 1 по расчетам имеет грузоподъемность 95 тонн, а 1B — 105. В этом же году деньги на модификации Block 1B и 2 пропали было из бюджета на 2020 фискальный год, это привело к появлению новостей о том, что президент Трамп собирается закрыть программу, но в итоге все вернулось на круги своя. Большим успехом года стало завершение в декабре производства центрального блока для первого пуска.
Установка центрального блока в тестовый стенд, фото NASA
На момент начала 2020 года формально крайним сроком был март 2021, однако с распространением по миру пандемии коронавируса стало ясно, что его выдержать невозможно, и появились новости о сдвиге на ноябрь. Впрочем, со временем работы возобновились, и стало очевидно, что, пусть и со всеми задержками, подготовка к первому пуску стала выходить на финальную стадию. Летом 2020 на космодром прибыли по железной дороге в разобранном виде твердотопливные ускорители.
2021 год начался с заметной неудачи — спустя всего минуту пришлось аварийно остановить огневое испытание ступени в сборе из-за появления сообщения «отказ основного компонента». Но ремонтные работы не заняли много времени и были успешны, 19 марта огневые испытания прошли успешно на полной длительности. Тяга 4 RS-25 сравнима с одним двигателем F-1 от первой ступени Saturn V (на которой их было пять) или с полной тягой первой ступени Falcon 9, но все равно это было впечатляющее зрелище.
После завершения испытаний центральный блок был отправлен на космодром, куда прибыл в конце апреля. В июне его собрали в одну конструкцию с твердотопливными ускорителями. В июле добавили верхнюю ступень ICPS, а в октябре ракету-носитель впервые собрали полностью, установив летный «Орион» и попутные кубсаты. Еще летом появились слухи о сдвиге пуска на 2022, которые подтвердились в конце года, когда обнаруженные проблемы вынудили поменять контроллер на одном из двигателей центрального блока.
SLS транспортируют между зданием вертикальной сборки и стартовым сооружением, фото NASA
17 марта 2022 SLS впервые вывезли из здания вертикальной сборки (VAB) и отправили на старт. На стартовом комплексе хотели провести полные испытания с заправкой (wet dress rehearsal). Попытка 3 апреля сорвалась из-за проблем с транспортером, 4 апреля удалось преодолеть различные препятствия от плохой погоды до задержек с поставкой газообразного азота, починить оборудование, вроде вентиляторов, на месте, но забытый в закрытом положении клапан сорвал полное выполнение программы испытаний. На третьей попытке были обнаружены забитый куском резины клапан на ICPS и утечка водорода, поэтому ракету решили снимать со старта и везти обратно в VAB.
Во второй раз SLS вывезли на старт 6 июня. 20 июня удалось дойти до отметки Т-29 секунд, но плановой отметки Т-9 секунд (когда при пуске уже начинается зажигание двигателей центрального блока) готовности набрать не получилось из-за утечки водорода из мачты стартового сооружения. Это не помешало признать испытания успешными и отправить ракету обратно в VAB 2 июля для финальной подготовки к пуску.
16 августа полностью собранная ракета-носитель с «Орионом» и спутниками была вывезена на старт в третий раз, теперь уже для пуска. Пока что его датой называют 29 августа с резервными днями 2 и 5 сентября.
Как же так
На вопрос «почему так долго?» есть несколько дополняющих друг друга ответов. Прежде всего, это очень большой проект и изначально планировалось, что он будет идти много лет. От самого раннего плана, который писался еще для «Созвездия», отстали всего-то на четыре года. Вполне возможно, что сдвиг первого пуска с 2018 на 2016 при переходе от «Созвездия» к SLS был ошибкой — отчет Счетной палаты от 2018 года указывает на запас всего в 2% по срокам вместо положенных 20% для ракет-носителей. Конечно, если сравнивать SLS с программой «Аполлон», то получается грустное зрелище: «Аполлон» объявили в 1961, первый пуск сверхтяжелой Saturn V провели в 1967, всего-то шесть лет спустя, а человек высадился на Луне в 1969, восемь лет спустя. Но необходимо понимать, что на программу выделили примерно 257 миллиардов долларов в ценах 2020 года. SLS на сегодняшний день получила на порядок меньше — примерно 23 миллиарда в ценах 2022. Не стоит забывать, что «Аполлон» был задачей национального престижа, его смысл был блестяще представлен публике президентом Джоном Кеннеди на выступлении в университете Райса в 1962, и все были мотивированы на скорейшее и наилучшее решение поставленной задачи. Сегодня космическое «вау!» прочно ушло к частникам, от них же первый Илон Маск. И работающие без сна и отдыха молодые инженеры — это SpaceX, а не Grumman, который в 60-х делал лунный модуль «Аполлонов». В NASA на 2018 год 56% сотрудников были старше 50, и ситуация с тех пор не сильно изменилась.
С этим же связано и восприятие происшествий. Если у Маска взорвется Starship, публика будет в восторге. Авария уже должного иметь высокую надежность Falcon 9 вызовет сочувствие. А любое происшествие в NASA сталкивается с гневом «Как вы посмели это допустить?!» и оргвыводами. Это, пусть и опосредованно, должно влиять на принятие решений. Но даже если предположить, что этот фактор совсем не оказывает воздействия, объем необходимых испытаний все равно остается огромным. И сокращать их нельзя, потому что в таком случае резко снижается надежность. Успех программы «Аполлон» был связан как раз с очень тщательным и качественным тестированием (напомню, что ближайший соратник Королева, Б.Е. Черток главной причиной неудачи советской лунной Н-1 считает недостаточное тестирование — отсутствие стенда для наземной отработки первой ступени и невозможность огневых испытаний двигателей перед установкой на ракету). А тщательное тестирование — это время, и еще больше времени, если нет средств выделить на него много людей и ресурсов.
Ну и, наконец, в технике постоянно происходят сдвиги сроков из-за неверных оценок и разнообразных происшествий, вплоть до совершенно непредсказуемой пандемии, которая задерживает работы на месяцы. Можно даже вывести эмпирическое правило — чем больше, сложнее и дороже проект, тем больше он превысит бюджет и задержится по срокам. Не стоит забывать, что, несмотря на использование уже освоенных компонентов, например, в первом пуске на центральном блоке будут стоять двигатели, уже летавшие на шаттлах, в проекте хватает технических вызовов, диссертации по сварке трением и новые компетенции действительно появятся. Но в то же время общие задержки проектов и перерасход бюджета в NASA в последние годы имеют тенденцию к росту.
Данные Счетной палаты США о перерасходе бюджета (синие столбики) и сдвиге сроков (желтая линия), иллюстрация Счетной палаты США
Живее всех живых
Сейчас на фоне проектов частных космических компаний SLS выглядит ракетой прошлого века, она недешевая и одноразовая — даже боковые твердотопливные ускорители проектируются для однократного использования, в отличие от шаттлов. Но несмотря на это, проект практически наверняка продолжит развиваться, и уже сейчас идут разговоры о контракте на производство 24 SLS до 2036 года. Недавно в очень критически относящемся к ракете Планетарном обществе вышел материал «Почему у нас есть SLS», объясняющий внутренние факторы, поддерживающие проект.
По мнению автора, Кейси Драйера, живучесть SLS происходит главным образом из двух факторов — представительной демократии и механизмов распределения бюджетов в США. NASA — это не только классные космические аппараты, бравые астронавты и замечательные инженеры. Это еще и бюджеты, рабочие места и избиратели. Большие проекты вроде SLS оказывают влияние на экономику всех штатов, например, в 2019 году это были 14 миллиардов долларов в экономике и 69 тысяч рабочих мест. Не будет излишним упрощением сказать также, что Ares, а затем и SLS — это механизмы сохранения значительной специализированной рабочей силы, оставшейся от шаттлов. В представлении конгрессмена от штата Алабама, родного для SLS, идея закрыть проект и перенаправить 2,6 миллиарда ежегодно на SpaceX Starship означает лишение тысяч своих избирателей и работы (кредиты, ипотека, социальная стабильность) и чувства гордости за выполнение важного для страны проекта, и передачу этих ресурсов в штаты Калифорния и Техас, связанные со SpaceX. Пока что поддержка SLS гораздо выше, чем сила аргументов против, и опасностью для проекта могут стать сравнительно маловероятные события — либо серьезные катастрофы (которые убили шаттл), либо значительное изменение политической конъюнктуры, либо изменение в механизмах выделения средств (здесь, кстати, есть некоторое движение, NASA постепенно смещается к контрактам с фиксированной стоимостью). Но что может быть приятнее для цели «вернуть человека на Луну», нежели десятки заказанных сверхтяжелых ракет, ждущих, чтобы туда отправиться?
Заключение
Первый испытательный полет Artemis I запланирован на 29 августа с резервными датами 2 и 5 сентября. План полета — беспилотная миссия корабля «Орион» к Луне с попутными кубсатами. Длительность миссии — от 16 до 42 суток. Если все пройдет по плану, корабль выйдет на новый тип орбиты вокруг Луны, удаленную ретроградную (Distant Retrograde orbit, DRO), и вернется на Землю (реконструкция в симуляторе Orbiter).
Схема полета, иллюстрация NASA
