Почему “Шаттл” проиграл “Союзу”

21 июля 2011 года с посадкой космического ракетоплана “Атлантис” закончилась 30-летняя программа Space Shuttle. Теперь челноки встанут на вечный прикол в музеях США. А российские “Союзы” продолжат нести свою трудовую космическую вахту. А для многих землян так и останется без ответа вопрос: как так получилось, что самая совершенная космическая транспортная система проиграла “самой простой”?

Скажем сразу: американские челноки проиграли не “Союзам”, челноки спустили на землю технический прогресс, экономика и законы физики. Что поделать: топор, изготовленный мастерами Золингера, до сих пор в работе, достаточно его просто наточить, но кто помнит, как называлась и как выглядела первая бензопила? (вот так она выглядела).

Начало небесной механики

Все рассуждения о космических системах начинаются с физики орбитального полета. Вот возьмем камень и кинем его. Он, в лучшем случае, шлепнется вниз через несколько десятков метров. Его притянет к себе наша Земля. Выстрелим из пушки. Снаряд пролетит несколько километров и тоже упадет. Снаряд улетит подальше, если поднять пушку повыше. Или если скорость снаряда будет больше. Правда, снаряду будет мешать сопротивление воздуха. Но если бы пушка стояла на горе высотой более 100 км и выстрелила снарядом со скоростью 7,9 км/с, он облетел бы всю Землю и мог бы разнести свое же орудие, прилетев с другой стороны.

Эта закономерность известна давным-давно. Но беда в том, что нет у нас ни таких высоких гор, ни пороха, который бы дал снаряду такую скорость. Так что “из пушки на Луну”, подобно героям Жюля Верна, не улететь. Есть еще одна причина, по которой пушка не подходит для запуска космического корабля. Это мгновенное ускорение. Из-за него космонавтов при старте раздавило бы в лепешку.

Так что, нужна ракета. Она может начать свое движение медленно, а затем ускорять свой полет. Она летит за счет того, что выбрасывает из себя газы. Чем тяжелее газы и чем больше скорость их истечения из двигателя, тем лучше.

Но здесь есть еще одна проблема. Как потом сесть на Землю? 8 км/с — это 28 800 км/ч. Поди, затормози до безопасных 5—10 м/с. Получается, что решение для дороги “туда” только одно. А вот “обратно” — возможны варианты.

Дорога туда

Вот если бы на Земле было топливо, которое было бы тяжелое, как свинец, и вылетало бы из ракетного двигателя со скоростью 8 км/с, то задача осуществления комических полетов была бы гораздо проще. Но, увы, газы истекают гораздо медленнее, со скоростью чуть более 2 км/с. И они легкие. А значит, нужно очень много топлива, чтобы разогнать ракету даже с маленьким грузом. А к топливу нужен еще окислитель. На земле топливо горит за счет кислорода из воздуха. В космос кислород или другие окислители надо брать с собой. Вот поэтому ракеты такие тяжелые и большие.

Но если сделать ракету в одном корпусе, то возникнет проблема: с каждым километром набора высоты будет все больше лишнего веса — пустых баков. И тогда ракета вообще может не улететь в космос. Пустые баки мертвым грузом потянут ее вниз. Нужно избавляться от лишнего. Отсюда естественная идея — несколько отпадающих ступеней. Выгорает топливо в первой — она сбрасывается, и ракета становится легче.

Многоступенчатую ракету изобрел примерно в 1650 году белорусский артиллерист Казимир Семенович, который был на службе в Речи Посполитой. Идею применения этой системы для космических полетов предложил Константин Циолковский только в 1929 году.

И “Шаттл”, и “Союз”, и европейский “Ариан”, и китайский “Великий поход” — все они стартуют с поверхности Земли, используя многоступенчатый принцип. Такие ракеты могут быть очень мощными: российская “Энергия” и американская “Сатурн-5” могли вывести на орбиту 100 и 140 тонн полезной нагрузки соответственно. А вот как двигаться назад?

Дорога обратно

Здесь надо сбросить скорость. Сначала используются тормозные двигатели, а дальше — кто как. “Шаттл” начинает планировать в атмосфере. Процесс этот непростой и требует высочайшего мастерства. Можно, как и в случае с советским “Бураном”, использовать автоматику, но аппарат все равно нуждается в пилотировании.

“Союз” может лететь, как камень. Его несет к Земле сила тяготения. А разгону мешает растущее сопротивление воздуха. От этого в корабле растут перегрузки, а сам корабль начинает нагреваться из-за трения о воздух. “Шаттл” тоже нагревается, но его траектория вхождения в атмосферу более пологая. Процесс растянут во времени, поэтому перегрузки значительно ниже, чем в “Союзе”, да и температура на корпусе тоже ниже.

Тем не менее, “Союз” в этом смысле “чувствует себя лучше”. Его термозащита работает по принципу потения: она разрушается, но, вскипая, уносит с собой избыточное тепло. Жалеть ее незачем — капсула все равно одноразовая. А вот у “Шаттла” все гораздо сложнее, и, как показала катастрофа “Колумбии” 1 февраля 2003 года, даже нескольких отвалившихся теплозащитных пластин достаточно, чтобы раскаленный воздух разрушил аппарат. Ведь “Шаттл” — это уникальная по своей сложности система.

Когда скорость совсем упадет, у “Союза” открываются парашюты. “Шаттл” — планирует на свою посадочную полосу. “Союз” доставляет на землю трех членов экипажа, “Шаттл” — до 14 тонн груза, которые может снять с орбиты, или шесть членов экипажа. При этом забросить на орбиту он может 28 тонн. Вот ради этого “Шаттл” и создавался. В расчете на поток грузов “туда и обратно”.

Чемодан без ручки

НАСА в период подготовки лунной программы превратилось в мощную организацию, а изготовление космических “изделий” и обеспечение их функционирования — в развитый бизнес. Однако в тот день, когда Армстронг и Олдрин ступили на поверхность Луны, цель, ради которой создавался весь этот научно-промышленный комплекс, была достигнута. И тогда встал другой вопрос: а что делать дальше? Как сохранить наработанный научный потенциал, рабочие места в аэрокосмической промышленности?

Сначала была программа полетов, в которой астронавт был лишь пассажиром (Mercury). Затем астронавты получили определенную возможность управления кораблем (Gemini). Следующий шаг — это управление межпланетным космическим кораблем (Apollo). Для обеспечения межпланетных полетов нужна была система регулярной транспортной связи между Землей и орбитой. Она получила название Space Shuttle. Было это в 1966 году, так что челноки как программа, по сути, ровесники советского “Союза”.

Американцы были уверены, что после полета на Луну начнется ее освоение, а затем и полеты на Марс. Поэтому челноки разрабатывались как единственно возможное техническое средство, которое может не только забросить, но и спустить из космоса многотонный груз. Потому что спускаемый аппарат массой в два-три десятка тонн будет слишком тяжел для парашютной системы, а из-за больших размеров он просто не выдержит баллистического спуска. Большой и громоздкий груз надо спускать медленно и аккуратно.

Но очень скоро стало ясно, что никакого освоения Луны и Марса не предвидится. Американской администрации нужно было решать новые социальные проблемы и заканчивать войну во Вьетнаме. И тогда НАСА, пытаясь сохранить программу, сделало упор на возможные коммерческие выгоды от использования челноков.

У НАСА были для этого серьезные основания. Дело в том, что спутники того времени были и более громоздкими, и ломались чаще, чем нынешние. Поэтому ремонт спутников, их замена и модификация — все это выглядело весьма привлекательным и прибыльным бизнесом. Особенно для военных, которые готовились к запуску военной версии орбитального телескопа “Хаббл” — гигантской подзорной трубы, с помощью которой на территории СССР можно было бы разглядеть предметы размером с футбольный мяч. Поломки на таком аппарате были вполне возможны, а чинить его на орбите было крайне проблематично. Вот и пришлось подгонять размеры грузового отсека “Шаттла” под еще не созданный груз.

Мало того, военные поставили еще одно условие: “Шаттл” должен был иметь большие возможности для маневра по горизонтали, чтобы садиться только на специальные полосы — из соображений секретности. Для этого пришлось изменить профиль крыльев “Шаттла”, сделав их с характерной двойной стреловидностью. А это поставило под вопрос их прочность. Так и строился этот уникальный ракетоплан — в расчете на работу, которой еще не было.

Безработный челнок

Три десятилетия “Шаттла” — это три стадии его жизни. В первое десятилетие это был символ американской технологической мощи. И мало кто знал, что окупить себя этот символ может только, если будет летать на орбиту буквально каждую неделю, с полезной нагрузкой не только туда, но и обратно. А ее не было. Были отдельные заявки, но “Шаттл” оказался слишком дорогим. А тут начались разрядка и перестройка, и актуальность военного применения “Шаттла” резко упала. Тем более, что с запуском советского “Бурана” формально технологический паритет был как бы восстановлен. Ну и конечно, катастрофа “Челленджера”, который погубила резиновая прокладка порохового ускорителя, тоже добавила скепсиса в отношении судьбы этих ракетопланов.

В 90-е годы “Шаттл” оказался в связке с космической станцией “Мир”. И тут-то, наконец, стало понятно, зачем нужен такой аппарат. Он оказался отличной строительной машиной именно для орбитальных станций, и прекрасным транспортом. Как-то позабылось, что в 1966 году его придумали именно для этого.

А вот с коммерческими спутниками дело не сложилось. Они стали совершеннее, надежнее, “умнее”. И возить их, как старую рухлядь, туда-сюда уже не требуется. Во всяком случае, в тех объемах, какие закладывались в 1972 году, когда президент Никсон дал добро программе “челноков”.

В начале 2000-х годов “Шаттл” стал составной частью системы Международной космической станции (МКС). Многие ее блоки могли быть доставлены на орбиту только на “Шаттлах”. Стареющий ракетоплан наконец-то нашел себе дело.

Этого дела хватило бы надолго, если бы не целый список недостатков “Шаттла”. Если бы он был поменьше, если бы в нем было больше пассажирских мест, если бы его запуск обходился подешевле, чем $0,5 млрд, а сам он стоил поменьше, чем $1,7 млрд. (“Шаттл Endeavour” ). Если бы из пяти “Шаттлов” два не погибли от сравнительно небольших дефектов. Список этих “если бы” можно продолжать.

Простой как топор (на фоне “Шаттла”) космический корабль “Союз”, чья главная задача — вывести в космос человека и безопасно спустить его вниз, остается в строю, потому что он идеально соответствует тем целям, для которых создавался. Его облик, размеры и форма определены железной логикой физики, небесной механики, химии и человеческой физиологии. Вера астронавтов, космонавтов и космических туристов в “Союз” крепка и обоснованна. А значит “Союзам” еще придется долго нести свою вахту. Или аналогичным им кораблям, как, например, китайская “Небесная лодка”.

Но и без ракетопланов типа Space Shuttle нам, землянам, не обойтись. Поэтому челноки не уходят “в никуда”. Они, как корабли “Восток”, “Восход”, “Джемини” и “Меркьюри”, сделали свое дело. Как когда-то сделали свое дело величественные парусники, которые конечно же уступают современным лайнерам, но сохраняют романтику и восторг первооткрывателя. Новые ракетопланы, скорее всего, будут меньше, эффективнее, дешевле в эксплуатации и надежнее. Ждать осталось недолго.

Константин РАНКС