После завершения программы Apollo с 1980-ых годов началась новая программа NASA Space Transportation System, но уже связанная с полётами на низкую околоземную орбиту на многоразовых транспортных космических кораблях Space Shuttle. США немного отложили планы по освоению Луны и Марса, хотя и предполагали впоследствии их осуществить: с конца 1980-ых годов компании Martin Marietta (сейчас Lockheed Martin), Rockwell International и United Technologies Corporation начали предварительное проектирование сверхтяжёлой ракеты-носителя Shuttle-C — предшественницы Space Launch System. Ракету планировали быстро и с небольшими затратами разработать и запустить к середине 1990-ых годов за счёт использования основных компонентов Space Shuttle.
Новый элемент Shuttle-C — это грузовой модуль, который должен был заменить орбитальный ракетоплан и таким образом увеличить массу выводимой на околоземную орбиту полезной нагрузки до 70 тонн. Для Shuttle-C могли бы использовать существующую наземную инфраструктуру, оборудование и технологии Space Shuttle, а полезная нагрузка у этих двух систем была бы взаимозаменяема. С помощью Shuttle-C можно было значительно сократить срок создания Международной космической станции и освободить Space Shuttle для других задач (изучение Солнечной системы, астрономические и биологические исследования). Кроме того, Shuttle-C планировали использовать для программ по исследованию планет Солнечной системы, вывода на околоземную орбиту научных космических аппаратов, а также в качестве испытательного стенда для новых систем Space Shuttle. Однако проект отменили, а строительство МКС затянулось на десятилетия.
Таким образом, программа по разработке сверхтяжёлой ракеты-носителя медленно и безуспешно перешла в новый век, поскольку следующее поколение конструкторов и инженеров утратило прошлый опыт. В 2004 году NASA предприняло попытку построить ракету-носитель сверхяжёлого класса Ares V, способную выводить до 180 тонн на околоземную орбиту (проект Constellation), но она также оказалась безуспешной, проект закрыли. Следующая попытка — действующая программа Artemis по пилотируемому полёту на Луну к 2024 году. В рамках этой программы разработали сверхтяжёлую ракету-носитель Space Launch System с грузоподъёмностью от 95 до 130 тонн, а также пилотируемый космический корабль Orion, который перешёл из проекта Constellation. Однако у этой системы есть некоторые недостатки.
SLS — пережиток прошлого, и хотя у ракеты-носителя новая конструкция, проект максимально приближен к Space Shuttle и использует ранее летавшие на нём ракетные двигатели RS-25 и модернизированные твердотопливные ускорители. Такой подход должен был ускорить создание прототипа ракеты, но в первую очередь позволил продолжить работу с подрядчиками времён Space Shuttle и использовать прежнюю схему финансирования, при которой затраты, превысившие выделенный бюджет, также покрывались.
При таком подходе у подрядчиков нет стимула придерживаться бюджета и соблюдать график работ. Кроме того, из-за тщательного планирования программы со стороны NASA, невозможности рисковать и проводить многочисленные испытания, в которых есть вероятность потерпеть неудачу, работа над SLS растянулась почти на 10 лет, а над Orion — на 15.
Ещё один недостаток SLS — возможность совершать только по одному запуску в год в связи с высокой стоимостью эксплуатации (один запуск — приблизительно 2 миллиарда долларов). Для сравнения — запуски Space Shuttle проводили в среднем по четыре раза в год, а максимальное количество доходило и до восьми.
И, наконец, система SLS / Orion позволяет доставить астронавтов только до окололунной орбиты. Чтобы высадить их на поверхность Луны, необходим лунный посадочный модуль. Однако SLS, даже в самой мощной своей конфигурации, не рассчитана на такую дополнительную полезную нагрузку.
Для предварительного проектирования лунного посадочного модуля в апреле 2020 года NASA заключило контракты с тремя претендентами: «национальной командой» во главе с Blue Origin, объединением малых предприятий под руководством компании Dynetics и со SpaceX.
Blue Origin, получив наибольшую часть финансирования в 579 миллионов долларов, предложила неудобную трёхступенчатую посадочную систему Integrated Lander Vehicle (ILV). Система состоит из трёх элементов: посадочного, перелётного и возвращаемого. Все три элемента сначала запустят с Земли по отдельности на ракетах-носителях New Glenn и Vulcan Centaur до высокой окололунной орбиты, где они состыкуются и будут ожидать прибытия Orion. Затем экипаж перейдёт из Orion в посадочный модуль. Перелётный элемент (на базе грузового космического корабля Cygnus) доставит всю конструкцию с высокой на низкую окололунную орбиту, после чего отстыкуется, а посадочный и возвращаемый элементы спустятся на поверхность Луны. После завершения работ астронавты на возвращаемой ступени вернутся на Orion. Эта концепция полностью соответствует требованиям NASA, однако её отклонили в связи с риском не успеть разработать такую систему в сжатые сроки.
Команда Dynetics получила 253 миллиона долларов и предложила небольшой одноступенчатый спускаемый аппарат с использованием топливных баков, которые сбрасываются при посадке. Аппарат будет представлять собой единую конструкцию, обеспечивающую возможности как спуска на поверхность Луны, так и подъёма. Его запустят с Земли на ракете Vulcan Centaur. Основной элемент посадочного модуля можно будет использовать повторно. В целом такая система тоже соответствует концепции NASA, однако, как и в предыдущем случае, потребует ускоренных темпов развития.
SpaceX, получив оставшиеся 135 миллионов долларов, выдвинула свою концепцию — модификацию космического корабля Starship — и предложила наибольшие возможности по наименьшей цене.
Starship — полностью многоразовая двухступенчатая система запуска. Первая ступень — сверхтяжёлая ракета-носитель Super Heavy, предназначенная только для взлёта с Земли и достижения низкой околоземной орбиты. Вторая ступень и, по совместительству, космический корабль Starship позволяет совершать полёты в космическом пространстве и управляемые посадки на Землю, Луну и Марс. Правда, в «лунном варианте» Starship отсутствуют тепловой экран и аэродинамические рули, поэтому на Землю он вернуться не сможет.
Грузоподъёмность Starship составляет 100 тонн на низкую околоземную орбиту. Работает космический корабль на многоразовых двигателях Raptor, которые используют топливную пару метан / кислород. Их мощность занимает промежуточное положение между SLS и Saturn V. Однако компактные размеры Raptor позволяют разместить их большее количество (37 на Super Heavy и 6 на Starship — и это количество SpaceX может изменить), в результате чего тяга системы Starship при старте примерно в два раза превышает тягу SLS и Saturn V.
Обладая значительной грузоподъёмностью, большими обитаемым пространством (около 800 кубических метров) и объёмом топливных баков (1400 кубических метров), Starship хорошо справится с задачей по доставке экипажа и груза на поверхность Луны в рамках программы Artemis. Кроме того, лунный посадочный модуль Starship сможет находиться в автономном полёте на окололунной орбите до ста дней, ожидая прибытия Orion.
Однако в этой системе есть и недостаток: после выхода на низкую околоземную орбиту Starship не сможет сразу её покинуть. Чтобы космический корабль достиг окололунной орбиты и поверхности Луны необходима дозаправка топлива — безусловная часть полётного плана Starship. В соответствии с ним сначала на околоземную орбиту выведут топливный склад, который заполнят несколькими рейсами топливного танкера Starship. Затем запустят лунный космический корабль Starship, который получит дополнительное топливо на низкой околоземной орбите и отправится к окололунному пространству, чтобы принять на борт экипаж Orion.
Для дозаправки лунного Starship понадобится до 14 рейсов топливного танкера на низкую околоземную орбиту. Только после заправки у Земли и перелёта к Луне, корабль можно использовать в качестве перевозчика между низкой окололунной орбитой и поверхностью Луны. Однако можно в три раза снизить количество рейсов топливного танкера за счёт разработки технологий по извлечению кислорода из лунных пород и производства топлива на поверхности Луны. Оксиды металла в составе лунного реголита в среднем содержат около 50% кислорода, который составляет наибольшую долю в топливной паре Starship — 78%.
NASA сделало выбор в пользу Starship также в связи с планами SpaceX по проведению многочисленных наземных и лётных испытаний. В отличие от SLS, где всё должно быть точно спланировано, прежде чем переходить к испытаниям, подход SpaceX заключается в том, чтобы построить прототип, запустить его, разбить, исправить проблемы, а затем повторить всё сначала. Такой подход позволяет строить прототипы с меньшими затратами и большей скоростью, и в результате развитие Starship происходит ускоренными темпами.
В небольшом техасском городке Бока-Чика SpaceX строит завод по производству прототипов Starship, там же находится и стартовая площадка. Завод быстро расширяется, в нём уже работает около десяти тысяч сотрудников, а строительство прототипов достигло высокой скорости — в среднем по одному экземпляру в месяц.
Впоследствии строительство космических кораблей такими высокими темпами позволит поддерживать космическую программу не тремя-четырьмя кораблями, а десятками и сотнями. SpaceX планирует осуществлять по 200 запусков в год, что возможно с 20-тью действующими кораблями Starship, каждый из которых будет совершать полёт раз в 36 дней. Стоимость одного полёта Space Shuttle достигала 1 миллиарда долларов. За счёт планируемого большого количества многоразовых космических кораблей Starship стоимость одного его полёта по предварительным оценкам составит 5 миллионов долларов — в 200 раз дешевле, чем Space Shuttle, и при этом с грузоподъёмностью в пять раз больше.
В отличие от предложения конкурентов SpaceX, Starship не будет ограничиваться участием в лунной программе NASA. Основная цель разработки Starship — доставка груза, а затем и людей на Марс и создание там научных баз и человеческих поселений. Низкая стоимость одного запуска сделает полёты человека на Марс доступными гражданину среднего класса, который захочет стать добровольным поселенцем. NASA же, выбрав SpaceX для своей лунной программы, также создаёт основу для дальнейшей работы по освоению Марса.
С помощью Starship на поверхность Марса можно будет доставить множество автоматических космических аппаратов (например, 90 таких роверов, как Perseverance). Марсоходы и вертолёты различных размеров могут детально изучить более обширную местность, а строительные роботы — построить марсианскую базу, и таким образом подготовить основу для прибытия людей. Возможности же людей в поиске доказательств прошлой жизни на Марсе значительно превосходят возможности автоматических аппаратов, поскольку человек может работать аккуратнее, интуитивно искать подсказки, забираться в труднопроходимые места, бурить грунт, брать образцы подповерхностного слоя и изучать их.
И наконец, помимо отправки астронавтов на Луну и Марс, Starship позволит открыть новые возможности в освоении космоса. Это и проведение экспериментов на околоземной орбите с меньшими затратами, и поддержка программ по исследованию областей за пределами Солнечной системы, и даже создание огромных космических телескопов, в несколько десятков или сотен раз больше Hubble.
Автор: Алина Нестерова
Источники: nautil.us, m.habr.com, www.nasaspaceflight.com, www.nasaspaceflight.com, www.globalsecurity.org
