Покорение Луны: триумф и трагедия

20 июля 1969 года человек впервые высадился на спутнике Земли. Вокруг этого события сложился целый ряд мифов: от мнения, что все сделанное там астронавтами могли бы сделать автоматы, до вывода, что Луна — якобы безводный мир. Но главный из них такой: люди летали на Луну всего три года (шесть полетов с 1969-го по 1972-й) потому, что такие полеты безумно дороги. Именно дороговизной принято объяснять тот факт, что спустя полвека никто не может — и в ближайшие годы не сможет — повторить такой полет. Но, возможно, на самом деле ситуация была совсем иной.

Вопреки общему мнению, полеты людей на Луну вовсе не были слишком дорогими

Лунная ракета «Сатурн-5» фактически была создана под руководством Вернера фон Брауна. В дальнейшем, после завершения лунной программы, он покинул свой пост потому, что был не согласен со сворачиванием программы по ее созданию. Полеты только на низкую околоземную орбиту просто не устраивали его как цель. А молодые американские конструкторы хотели довести до «железа» свой, как им представлялось, революционный многоразовой шаттл.

Как справедливо отметил один из глав NASA уже в XXI веке, это стало фатальной ошибкой, которая на десятилетия задержала развитие и американской, и мировой космонавтики. Выводить грузы на околоземную орбиту с помощью шаттлов был гораздо дороже, чем на борту «Сатурна», это хуже подходило для создания и обслуживания орбитальных станций и вовсе не годилось для полетов к Луне. Вдобавок шаттлы оказались небезопасны, и из-за аварийности их программу закрыли.

Почему же триумф лунной высадки закончился столь печальным итогом? Когда можно надеяться на возвращение людей на Луну и почему их вряд ли доставит туда ракета NASA?

Каким на самом деле был путь к Луне?

Отцом ракеты «Сатурн-5», доставившей людей на Луну, был человек для Америки посторонний. Его роль в лунной миссии честно обозначил еще административный директор программы «Аполлон» Сэмюэл Филлипс, отметив, что сомневается в том, что США могли бы достичь Луны без фон Брауна.

Вернер фон Браун и остальные немецкие разработчики «Сатурна» никогда особенно не нравились их коллегам в Штатах — от ученых до руководителей самого Брауна в армии США, эвакуировавших его и его инженеров из нацистской Германии в ходе операции «Скрепка». Уже в 1946 году, когда американская публика впервые узнала о том, что фон Браун ввезен в их страну, это раскритиковал даже Альберт Эйнштейн.

Причины неприязни очевидны. Хотя фон Браун и вывел первый рукотворный объект в космос в 1944 году (суборбитальный полет ракеты на высоту 199 километров), будучи 32 лет от роду, он все же был членом НСДАП, а также СС. При сборке его боевых ракет «Фау-2» использовался труд заключенных нацистских концлагерей. Американская пресса ополчилась на фон Брауна еще тогда, и не разжала свою хватку до самого начала космической гонки. На его родине, в Германии, всего пять лет назад кампания в прессе заставила немецкую гимназию, носившую имя создателя «Сатурнов», выбросить его имя из своего названия именно из-за его нацистского прошлого.

Вид Земли из космоса во время послевоенного пуска американцами одной из трофейных «Фау-2» 24 октября 1946 года. Фото сделано с ракеты, поднявшейся всего на 105 километров, а немецкие пуски 1944 года «Фау-2» доходили до 188 километров

До 1950 года ему и его 120 немецким коллегам-ракетчикам даже не разрешали покидать место проживания (военную базу США) без вооруженного сопровождения, из-за чего немецкие специалисты полушутливо называли себя «мирнопленными». До 1957 года фон Браун вполсилы работал над военными ракетами умеренной мощности, поскольку американские военные, его новые заказчики, просто не были заинтересованы в мирном освоении космоса.

Параллельно фон Браун писал в популярные журналы о проектах ракет для Луны и Марса, но его хозяевам из рядов военной бюрократии было наплевать на планы «мирнопленного». Справедливости ради нельзя не отметить, что сам фон Браун не платил им взаимностью: однажды он даже назвал своего босса из американских генералов «сукиным сыном» прямо в лицо.

Всё изменили 1957 год и Сергей Королев. Запуск первого спутника мгновенно заставил США заинтересоваться космосом. Для военных это стало тревожным звонком: с такими возможностями русские могут ударить ракетой с ядерным оружием мгновенно и без риска, что ее перехватят, в отличие от самолета с ядерной бомбой. Случившееся имело огромное значение не только в военной, но и в политической (и даже идеологической) областях. Вашингтон находился в фазе острой конкуренции с СССР и просто не мог позволить себе демонстрировать техническое отставание от Москвы.

Немецкий конструктор был практиком и понимал, что заказчика-военного тоже можно использовать в освоении космоса. Поэтому в 1954 году он предложил проект ракеты, которая смогла бы вывести на орбиту спутник, точно предсказав: «Если мы не сделаем это первыми, это станет ударом по престижу США». Более того, по факту именно ракета фон Брауна могла доставить в космос первый спутник. 20 сентября 1956 года Jupiter-C совершила полет, достигнув высшей точки в 1100 километров (выше орбиты запуска первого советского спутника). Причем на ее борту был макет спутника массой в 14 килограммов.

Но недостаточно хорошо делать свою работу, чтобы она была востребована, — надо еще и уметь понравиться начальству. С этим немецкий конструктор справляться не умел, поэтому перед пуском к разработчикам приехал генерал О\’Мира (Andrew Pick O\’Meara) из Пентагона, специально для того, чтобы разъяснить: Jupiter-C не должен «случайно» запустить ничего на околоземную орбиту.

Как отмечает американский историк Уолтер Макдугалл (Walter A. McDougall), «брауновский» центр создания ракеты для спутника-шпиона был отвергнут именно потому, что там работал фон Браун: «Правительство хотело избежать любой связи [американских космических проектов] с Третьим Рейхом, [поскольку] такие связи могли использовать русские с целью пропаганды». На роль ракеты для первого спутника выбрали проект «Авангард» (Vanguard), который создавали американские конструкторы. В итоге первый американский спутник по времени сильно отстал от первого советского. Взлететь он смог на 1,2 метра, после чего взорвался вместе с ракетой Vanguard прямо на старте.

«Авангард» со спутником на борту взрывается на стартовой площадке, 6 декабря 1957 года

Но еще до этого, сразу в ночь запуска советского спутника, министр обороны США лично приехал к фон Брауну обсудить проекты, выходящие за пределы межконтинентальных баллистических ракет (МБР). Через 90 дней «немецкая» группа вывела в космос первый американский спутник на варианте военной МБР Redstone. Немец-ракетчик мог не нравиться американцам, но СССР своими успехами заставил Вашингтон спрятать свои предпочтения глубоко и надолго.

Конечно, это не означало, что США сразу хватило дальновидности поручить Брауну работу на ракетой для полета к Луне. Немец вновь и вновь предлагал этот проект, но Эйзенхауэр и Кеннеди не вняли предложениям фон Брауна. Кеннеди отверг очередное предложение о пилотируемом полете на Луну 20 марта 1961 года, меньше, чем за месяц до полета первого человека в космос.

Но и тут Королев придал американцам живительный импульс в том направлении, которого в Белом доме пытались избежать. Юрий Гагарин оказался в космосе раньше американского астронавта, и не было никакого способа продемонстрировать, что США технологически не отстали, кроме как сделать шаг, сравнимый по значимости с выводом человека в космос. Таким шагом могла быть только лунная программа, поэтому уже в мае 1961 года Кеннеди развернулся на 180 градусов и одобрил ее. Фон Браун со своими проектами лунных ракет впервые после вывоза из Германии оказался востребован «на полную мощность».

После высадки на Луне и, главное, отказа Москвы от дальнейшей эскалации лунной гонки (Королев уже умер и проталкивать марсианский проект в СССР было некому) фон Браун просто перестал быть нужным. Кнут советской технологической конкуренции загнал Америку на Луну, но со смертью Королева он перестал щелкать над ухом американских президентов. Фон Браун, конечно, предложил проект полета к Марсу, но, как мы помним, американские президенты (и, наверное, не только американские) дают действительно большие деньги на космос только тогда, когда им нужно срочно продемонстрировать первенство.

Стагнация в советском пилотируемом космосе (наши космонавты и сегодня летают на кораблях и ракетах, чьи первые модификации спроектировали при Королеве) значила: фон Браун сделал свое дело — фон Браун может уходить. После целой серии конфликтов с руководством NASA и США из-за урезания программы «Аполлон» в мае 1972 года он ушел в отставку и спустя пять лет умер.

Главный вывод, который можно сделать из биографии фон Брауна, таков: директор программы «Аполлон» Сэмюэл Филлипс, скорее всего, был прав. Если бы лунную программу США вел другой конструктор, она скорее была бы похожа на Vanguard. Ну или на то, что мы наблюдали в исполнении NASA в постлунную эру.

Главный миф покорения Луны

20 июля 1969 года посадочный модуль мягко доставил на Луну двоих астронавтов. После выполнения короткой научной программы они вернулись на Землю, а еще пять полетов спустя (с 1973 года) высадки на Луну прекратились.

Типовое объяснение этому звучит так: лунная гонка с СССР обошлась США так дорого, что продолжать полеты к Луне они просто не могли. Шесть полетов за128 миллиардов долларов (здесь и далее — в ценах 2019 года), по 21 миллиарду долларов за полет, не могла себе позволить даже самая богатая экономика планеты. Пришлось переключиться на куда более дешевые полеты на низкую околоземную орбиту — программу шаттлов.

Увы, это простое и ясное объяснение абсолютно несовместимо с цифрами. Прежде всего, 90% расходов на программу «Аполлон» ушло на НИОКР, разработку и испытания всех образцов техники, нужных для решения задачи. Чтобы полеты были безопасны, Вернер фон Браун настаивал на многократном испытании на отдельных стендах и гигантских двигателей F-1 для первой ступени «Сатурна-5», и кислород-водородных (впервые в истории) систем верхней ступени, и многого, многого другого.

Пик расходов NASA пришелся на 1966 год (из-за НИОКР), а к началу полетов на Луну они резко снизились (на графике расходы в долларовых ценах 2010 года)

Однако эти 90% расходов были разовыми. После завершения создания ракет «Сатурн», пилотируемых кораблей «Аполлон», лунного посадочного модуля, луномобилей и всего остального, нужного для полетов к Луне, программа переходила из стадии разработок уникального на тот момент продукта в стадию его малосерийного производства. Это значит, что затраты на нее резко снижались. Документы NASA показывают, что весь полет к Луне, включая стоимость всего — от ракеты и корабля до скафандров и луномобилей — стоил не более 2,3 миллиарда долларов (с. 1274 по ссылке), а вовсе не 21 миллиард, как может показаться простым делением стоимости программы на число высадок на Луну.

Впрочем, 2,3 миллиарда — это тоже довольно дорого. Шаттлы на каждый полет добавляли всего 0,5 миллиарда долларов переменных издержек — ясно, почему американцы отказались от «Сатурнов» и «Аполлонов» в их пользу! Но на самом деле все не так просто.

«Сатурны» выводили в космос 140 тонн полезной нагрузки, а шаттлы — не более 27,5 тонны. Разница — в пять раз: килограмм полезной нагрузки шаттлы выводили на низкую орбиту за 18 180 долларов, а «Сатурн-5» — за 16 430 долларов, на 10% меньше. И это не считая того факта, что для полета на околоземную орбиту связке «Сатурн — Аполлон» не нужен был бы ни 15-тонный лунный посадочный модуль, ни луномобили, ни оборудование для лунных экспедиций. То есть при полетах туда же, куда могли долететь шаттлы, реальная цена вывода килограмма нагрузки у «Сатурнов» была бы много меньше.

Хорошо, скажем мы, лунная ракета выводит грузы на 10% дешевле, но зато она куда больше. Может быть, NASA нужно было выводить на орбиту много мелких грузов, а не один большой, и тогда отказ от крупной ракеты в пользу небольшого шаттла понятен? К сожалению, и это объяснение лишь выглядит логичным. У «лунной» ракеты был вариант без первой ступени, Saturn IB. Он выводил 21 тонну на низкую орбиту за 0,337 миллиарда долларов, на 11% дешевле шаттлов. Был у него и еще один приятный бонус: из пустой первой ступени «Сатурна» получалась большая орбитальная станция размером с «Мир» или половину МКС. Не говоря уже о том, что при желании такие первые ступени можно было стыковать.

Налицо парадокс. «Сатурны» могли летать и на Луну, и на околоземную орбиту по ценам ниже шаттлов, которые могли летать только на околоземную орбиту, но никуда больше. Из компонентов «Сатурнов» орбитальные станции получались намного дешевле и быстрее (за один полет!), чем при строительстве МКС. Так зачем же американцы отказались от более мощного, гибкого и дешевого средства в пользу во всех отношениях уступающего ему шаттла?

Шаттлы: «почти невероятный недостаток общения между менеджментом и инженерами»

Чтобы понять причины того, почему «Сатурны» и вместе с ними полеты к Луне ушли в прошлое, нужно понимать, как работают большие организации. Еще Сирил Паркинсон отмечал, что объем работы в крупных бюрократических структурах растет вне зависимости от того, какова реальная отдача от такой структуры. Министерство колоний Великобритании в 1935—1960 годах увеличило свою численность и расходы в разы, при том что колонии у этой страны к 1960 году в основном закончились.

Сходная ситуация случилось в NASA. Американские президенты были против постоянных полетов на Луну, считая, что это слишком дорого. Они требовали от NASA решительного сокращения расходов, и та немедленно взяла под козырек, пообещав, что создание шаттлов — крылатых гибридов кораблей и носителей многоразового, в отличие от ракет, использования — резко сократит стоимость вывода грузов на орбиту. Планировщики организации заявляли, что смогут выводить килограмм груза всего по $ 1599 за килограмм. Это в десять раз меньше, чем было у «Сатурнов», и неудивительно, что в конечном счете президент Никсон выбрал именно шаттлы.

Увы, стремление пойти навстречу начальству не всегда кончается хорошо. «Отец шаттла», американский инженер, а потом и администратор Джордж Мюллер рассчитывал, что шаттлы будут полностью многоразовыми и смогут летать очень часто — до 24 раз в год.

Однако Мюллер, привыкший к большим зарплатам частных компаний, покинул NASA в 1969 году. А люди, которые воплощали его концепцию, быстро обнаружили, что первая многоразовая ступень для возвращения на Землю должна быть весьма большой и с ней шаттлы по размерам приближались к «Сатурнам».

Средств на создание такой сложной системы в бюджете NASA на НИОКР не нашлось, поэтому вместо первой ступени приделали два одноразовых твердотопливных ускорителя. Сразу после этого стоимость подпрыгнула.

Но самой главной проблемой было то, что за проектом не стоял один крупный инженер, который мог бы проследить за его технической продуманностью во всех аспектах. В итоге многие решения принимали по линии наименьшего сопротивления. Например, многоразовый шаттл требовал тепловую защиту — и ее сделали из керамических плиток. Это был, на первый взгляд, самый очевидный путь: алюминиевые сплавы не выдерживали такой температуры, а испытания носителей из тугоплавких металлов (например, из нержавеющей стали, как у Starship Илона Маска или корабля коротышек из «Незнайки на Луне») потребовали бы времени и средств. На вид керамика решала проблемы без лишних изысканий. По факту оказалось, что плитки уязвимы, выпадают, их очень трудоемко проверять и укреплять после каждого полета, и все это тащило цену эксплуатации шаттла вверх.

Отсутствие одного человека, хорошо представляющего себе проект в целом с инженерной точки зрения (своего рода нового фон Брауна), привело к тому, что шаттлы изначально имели серьезнейшие просчеты не только в плане экономики, но и просто в плане безопасности. В двух авариях шаттлов погибли 14 человек, и это больше, чем унесли полеты на всех остальных типах носителей для пилотируемой космонавтики, вместе взятые.

Всего в космических полетах погибло 18 человек, но все четыре советских космонавта сделали это в первые десять лет космической эры, в 1961—1971 годах, когда космическая техника делали первые шаги. США, напротив, потеряли 14 астронавтов в двух катастрофах шаттлов через 25 лет и 42 года после начала космической эры, в эпоху, когда полеты в космос давно перестали быть чем-то неизведанным.

Жирной точкой на карьере шаттлов стало вскрытие причины второй из этих аварий, гибели «Колумбии». И именно этот случай лучше всего показывает, к чему ведет конструирование техники без единого инженерного видения этой самой техники. В 2003 году, после расследования гибели «Колумбии», выяснилось, что материал для кромки крыльев шаттла выбран неудачно. Углепластик толщиной в считанные миллиметры просто не выдержал удара куска полиуретановой теплоизоляции, оторвавшейся от шаттла при запуске.

Тест расследующей комиссии на Земле показал, что мягкая полиуретановая теплоизоляция при ударе о кромку крыла шаттла на скорости 850 километров в час оставляет в нем дыру, делающую разрушение конструкции набегающим воздухом практически неизбежным

Глава NASA (и в прошлом астронавт) Чарльз Болден так прокомментировал тогда ситуацию:

«Мы все думали, что это [углепластиковое покрытие кромки крыла] непробиваемая штука… Я провел 14 лет в программе пилотируемых космических полетов, думая, что у меня там 5-6 дюймов толщины материал на кромке крыла. Узнать, что «Колумбия» имела там всего лишь доли дюйма и что по прочности этот материал уступает стеклопластику на вашем «Корветте» [спортивный автомобиль], было просто открытием, и я думаю, что для всех нас… Лучшие умы и в NASA, и вне его никогда не предусматривали такой возможности для аварии».

Иными словами, начав делать шаттлы в конце 60-х, NASA 30 лет не подозревало, что ведущая кромка крыла этого аппарата непрочна настолько, что ее пробивают куски отваливающейся от этого же аппарата теплоизоляции. Этот эпизод неплохо характеризует целостность видения проектировщиками всего проекта шаттлов. NASA послужило отличной иллюстрацией к словам из известной песни: «В нашей семье каждый делает что-то, но никто не знает, что же делают рядом. Такое ощущение, словно мы собираем машину, которая всех нас раздавит».

Шаттл был именно такой машиной. Инженеры, проектировавшие теплоизоляцию, были узкими специалистами, которые и знать не знали, какая там толщина у кромки крыла и какая у него прочность. Инженеры, проектировавшие крыло, вообще не знали до начала полетов, что от теплоизоляции могут отваливаться куски. Стремление администраторов NASA сэкономить привело к тому, что на аппарате вообще не было никаких систем спасения для основной части его взлетной и посадочной траектории (системы на «Союзе», недавно спасшие жизнь экипажа, превосходят их на две головы).

Итоги программы шаттлов: за 30 лет они совершили 135 полетов (4,5 в год против 24 планировавшихся) при общей стоимости программы в 233 миллиарда долларов. Они получились почти вдвое дороже лунной программы, при этом никаких действительно новых результатов пилотируемой космонавтике не принесли. Значительная часть полетов сводилась к выводу в космос спутников — задаче, которую другие носители выполняют без участия людей.

Шаттлы не умели (в отличие от советского «Бурана») летать в автоматическом режиме, без человека на борту, поэтому даже в таких случаях были вынуждены рисковать жизнями с вероятностью потери экипажа не менее одного процента.

Согласно физику Ричарду Фейнману, расследовавшему еще первую катастрофу шаттла, за много лет до гибели второго, инженеры, работавшие над шаттлами, уже в 80-е знали, что они не вполне безопасны. По его свидетельству, инженеры оценивали вероятность катастрофы в 1%. Для системы, изначально нацеленной на десятки полетов в год, это очень много. А вот административные руководители проекта считали, что вероятность катастрофы равна лишь 0,001% процента.

Но у инженеров не было власти в NASA. Фейнман задается вопросом: «В чем причина фантастической веры менеджмента в надежность шаттлов?» Физик находит два ответа на этот вопрос: «Первая причина… попытка убедить правительство в совершенстве NASA, чтобы успешно получать госсредства. Вторая причина… искренняя вера в правдивость [ожиданий низкой аварийности], показывающая почти невероятный недостаток общения между менеджментом и инженерами [NASA]». Среди прочих выводов Фейнмана есть и такой: «[Руководство NASA] должно быть ближе к реальности, сравнивая стоимость и возможности шаттлов в сравнении с другими способами полетов в космос».

Что было бы, если бы никаких шаттлов никогда не было?

Интересно, что эту рекомендацию Фейнмана, данную в 1987 году, руководство Управления все же выполнило. Глава NASA в 2005—2009 годах Майкл Гриффин в 2007 году изложил ситуацию предельно честно: «Вместо создания шаттлов стоило постепенно модернизировать “Сатурны” и “Аполлоны”… Сделай мы всё это, мы бы сейчас были на Марсе».

Гриффин отмечает, что два полета к Луне ежегодно и четыре полета на низкую околоземную орбиту, к станциям типа «Скайлэб», стоили бы NASA 9,37 миллиарда долларов в год. На практике, отмечает он, NASA в постлунную эру получало (и тратило!) на пилотируемую программу даже чуть больше этой цифры. Вот только вместо шести полетов в год оно из-за дороговизны шаттлов имело 4,5 полета в год. И это даже без упоминания того, что полеты к Луне по научной значимости заметно важнее полетов на низкую околоземную орбиту.

Почему ракета NASA никогда больше не привезет людей на Луну?

Свернув в 1972 году программу «Аполлон», американские политики хотели снизить расходы на космос. В итоге сделать этого не получилось. Напротив, в 1972 году, вместе с лунной программой, NASA тратило на пилотируемые полеты меньше, чем после, с программой шаттлов. И даже меньше, чем тратило в 2011—2019 годах, когда никаких пилотируемых полетов сами американцы не осуществляли, а все средства уходили только на разработку новых ракет.

В целом картина ожидаемая: бюрократические учреждения всегда найдут предлоги не урезать им финансирование. Отказ от полетов к Луне не гарантировал, что NASA будет тратить меньше, он означал, что NASA просто будет летать в тысячу раз ближе, но за те же деньги. Ну или вообще никуда не летать на своих ракетах, как в последние восемь лет, но опять за те же деньги. Законы Паркинсона могут звучать как шутка, но «в каждой шутке есть доля шутки».

Печально то, что NASA не демонстрирует никаких признаков исправления ситуации. Новые американские ракеты и корабли (если в их проектирование вовлечено Управление) проектируются так же, как шаттлы, но не так, как «Сатурны». Там по-прежнему нет какого-то одного человека, который, как когда-то фон Браун или Королев, отвечал бы за технический облик проекта в целом и при этом действительно глубоко разбирался в проектировании ракет. В итоге расходы на новую ракету NASA (SLS) и пилотируемый корабль для нее (Orion) уже давно вышли за планируемый бюджет. На них за 2004—2019 годыпотрачено 30 миллиардов долларов. И это несмотря на то, что двигатели SLS — это RS-25 от шаттлов, да и боковые ускорители оттуда же, то есть их разработка уже давно оплачена.

Аналитики из западной аэрокосмической индустрии отмечают: «SLS и Orionвыполняют свою работу — предоставление работы центрам NASA и их подрядчикам. А также дают США чувство национальной гордости за то, что перед ними стоят столь масштабные цели. Они [SLS и Orion] не должны быть быстрыми, недорогими или устойчивыми. Они — символические величественные действия величественной нации».

На сегодня очевидно, что ранее 2021 года SLS никуда не полетит. Также известно, что без новой верхней ступени SLS не сможет доставить никакой посадочный модуль на Луну, а такая ступень не появится ранее конца 2020-х годов. Но и тогда мы сомневаемся в дате начала полетов: стоимость программы растет и далеко не факт, что ее не свернут, как целый ряд программ-предшественников, тоже пытавшихся заменить шаттлы.

SpaceX или США?

Скорее всего, если люди и вернутся на Луну, то не на ракетах, разработанных NASA. Наиболее вероятно, что это сделают другие игроки. Например, SpaceX, которая, по данным NASA, делает запуски на ракете с многоразовой первой ступенью всего по 50,3 миллиона долларов. Руководитель SpaceX на вопрос журналиста о сроках возможной высадки на Луну прямо сказал, что это случится через четыре года, использовав местоимение «мы».

Тогда журналист спросил его: «Когда вы говорите “мы”, вы имеете в виду США или SpaceX?» Ответ звучал так: «Точно не скажу. Если убедить NASA и власти в том, что мы можем сделать это, займет больше времени [чем сама высадка на Луну], тогда мы просто сделаем это [без США, одни]. Может оказаться проще посадить Starship на Луну [сперва без людей — А.Б.], чем пытаться убедить NASA, что мы можем это сделать».

Каким бы маловероятным не казалось достижение Луны кораблями частной компании, практически наверняка это случится раньше, чем NASA сможет вернуться туда, куда его однажды завел фон Браун.

via

Пожаловаться