Уже несколько лет в экспертном сообществе не утихают дискуссии о том, в каком направлении наша пилотируемая космонавтика должна двигаться в ближайшие годы, в особенности после окончания совместной с американцами эксплуатации Международной космической станции (МКС).
Например, рассматривается возможность создания на замену МКС новой космической станции, так называемой станции БРИКС, в партнерстве с Китаем (прежде всего подразумевается его финансовое участие в этом проекте. Немало говорится и о создании Россией сверхтяжелого носителя для пилотируемых полетов на Луну. Наконец, всерьез обсуждается вопрос, нужна ли вообще России пилотируемая космонавтика.
Такие разговоры волей-неволей порождают ощущение отсутствия долгосрочной и, самое главное, реалистичной перспективы развития нашей пилотируемой программы. Более того, складывается впечатление, что подобные «простые решения» предлагаются без сколько-нибудь серьезного анализа их последствий в будущем и направлены по большей части на создание пропагандистского эффекта.
На перепутье
Если все же задуматься и попытаться ответить на вопрос о долгосрочном векторе развития, то каким может быть ответ, действительно открывающий перспективу для отечественной космонавтики? Для этого прежде всего необходимо посмотреть на основные ограничения, которые будут оказывать первостепенное влияние на реализацию любых планов, касающихся пилотируемой программы.
Первое — это, конечно, бюджетные ограничения, возникающие из-за непростой экономической ситуации в нашей страны, в связи с чем в последние годы ассигнования на космонавтику уменьшились практически вдвое по сравнению с финансированием, ранее заложенным в Федеральной космической программе (ФКП). Вероятнее всего, эти ограничения в обозримом будущем никуда не денутся и станут постоянно требовать минимизации стоимости жизненного цикла любой реализуемой программы. В таких условиях призывы к финансированию создания еще одной космической станции (КС) очевидно непродуктивны; тем более вызывают недоумение намерения создать новую, сверхтяжелую и сверхдорогую, ракету-носитель (РН). Думается, вместо этого нам необходимо пересмотреть приоритеты и сконцентрировать и без того ограниченные ресурсы на качественном росте пилотируемой космонавтики. А для этого нужно инвестировать в разработку новых подходов, технологий и технических решений, которые позволили бы этого достичь. Иными словами, как ни парадоксально это звучит, нужно учиться делать больше за меньшие деньги.
Второе: мы, в сущности, продолжаем бесконечно эксплуатировать технологическое наследие 1960–1980-х годов, закладывая в перспективные проекты те же подходы и решения, почти без изменений. Понятно, что гораздо проще использовать то, что уже отработано десятилетиями и не сопряжено с большими рисками, где есть большой технический задел, включая уже имеющиеся блоки, модули и другое «железо», которое может быть приспособлено для выполнения той или иной задачи после глубокой модернизации. Но именно такой подход ограничивает возможности развития нашей космонавтики. Этот же подход просматривается и в планах Федеральной космической программы, которая больше напоминает инерционный документ, обосновывающий необходимые бюджетные траты на очередное десятилетие, чем программу, которая ставила бы для пилотируемой космонавтики новые рубежи и предлагала план развития перспективных технологий, придающих ей новое качество. Получается, мы сами программируем наше прогрессирующее технологическое отставание на будущее, следуя по пути наименьшего сопротивления.
За прошедшие четверть века США, строя и эксплуатируя МКС вместе с нами, одновременно продолжали развивать ключевые технологии, необходимые для полетов человека за пределы низкой земной орбиты. Прежде всего NASA разработало новую архитектуру пилотируемых полетов на Марс, не предусматривающую использование МКС для сборки марсианского пилотируемого комплекса. Вместо этого компоненты пилотируемого комплекса будут по отдельности выводиться на траекторию полета к Марсу с околоземной орбиты. А по прибытии к Красной планете некоторые из них выйдут на парковую орбиту вокруг нее, а другие совершат посадку на поверхность. Таким образом, новая марсианская архитектура NASA не требует использования МКС, результатом чего и стало заявление NASA о выходе из совместной эксплуатации станции в 2020-х годах, чтобы затем можно было сконцентрировать усилия сначала на возвращении на Луну, а затем на пилотируемых экспедициях к Марсу.
США весьма успешно использовали МКС для накопления опыта длительного пребывания своих астронавтов в невесомости, а теперь, имея этот опыт, разворачивают работы по созданию транспортной инфраструктуры для осуществления пилотируемых полетов по маршруту Земля—Луна, а в дальнейшем и Земля—Марс. И такая последовательность действий NASA представляется совершенно логичной. У нас же все наоборот.
Еще до того, как эксплуатация космической станции де-факто превратилась для России в некую самоцель, ее первоначальное предназначение заключалась в проверке способности человека работать в условиях длительного пребывания в космосе, а также в накоплении опыта создания и обслуживания сложных космических комплексов, каковым была станция «Мир». Но эти цели были достигнуты уже в 1980-е годы. Понятна логика строительства МКС в 1990-е. В тот чрезвычайно трудный период эта станция стала своего рода спасательным кругом для российской пилотируемой космонавтики. Но очевидно, что настала пора двигаться вперед и выбрать новое направление развития пилотируемой программы, открывающее перспективы для ее качественного роста.
Таким образом, уже сейчас ясно, что строительство новой космической станции на околоземной орбите либо бесконечное продолжение эксплуатации МКС — тупиковый путь по нескольким причинам. Прежде всего потому, что для российской пилотируемой космонавтики это будет означать не развитие, а лишь повторение пройденного. Далее, идея строительства новой станции в рамках кооперации БРИКС едва ли найдет поддержку у Китая, так как эта страна уже создает свою собственную станцию, а заявленная цель ее космической программы — освоение Луны. Более того, на фоне лунных устремлений Евросоюза и Китая партнерство в строительстве еще одной КС вряд ли может кого-то серьезно заинтересовать. В случае же бесконечного продления эксплуатации МКС наша пилотируемая программа и через пятнадцать-двадцать лет будет там же, где, по большому счету, она была тридцать лет назад. Однако за те же полтора-два десятилетия другие космические державы переместят центр своей пилотируемой активности уже за пределы низкой земной орбиты, оставив нас далеко позади.
Курс на Луну
Тогда возникает вопрос: каким должен стать новый пункт назначения для российских пилотируемых кораблей в случае отказа от эксплуатации МКС? В этом случае естественным центром активности для нас была бы Луна, а пунктом назначения для пилотируемых аппаратов на первом этапе могла бы стать лунная орбитальная станция, а позднее и постоянно обитаемая база на Луне. Но зачем нам вообще нужны такая станция или такая база? Что это принципиально меняет по сравнению с околоземными КС, на которые наша космонавтика была завязана последние полвека?
Главное преимущество по сравнению с Землей, которое предлагает Луна, — намного меньшие энергетические затраты для вывода полезного груза на окололунные орбиты, например ракетного топлива, производство которого может быть налажено из лунных ресурсов. Это сильно удешевит логистику транспортной системы Земля—Луна—Марс за счет обеспечения топливом транспортной системы Земля—Луна, а в будущем и компонентов пилотируемых марсианских экспедиций, которые будут стартовать с околоземной орбиты. Не менее важно и то, что постоянно обитаемая база на Луне — это полигон для отработки технологий поддержания жизни и деятельности человека в крайне неблагоприятных для него условиях, с последующим использованием этого опыта для решения острейшей проблемы человечества в XXI веке — экологического выживания. Таким образом, пилотируемая космонавтика станет центром всей транспортной инфраструктуры, без которой жизнь и деятельность людей на Луне и в окололунном пространстве будет невозможна. Это, наконец, дает ответ на вопрос, зачем нам вообще нужна нерентабельная пилотируемая космонавтика и чем могут быть оправданы связанные с нею затраты.
Наличие на Луне обитаемой базы потребует постоянного грузопотока по поддержанию ее жизнедеятельности — ротации экипажа, доставки оборудования и расходуемых материалов. А значит, создаст постоянный стимул для совершенствования космической транспортной инфраструктуры, удешевления ее эксплуатации и превращения этих операций в рутинные. Возникнет постоянная необходимость в разработке все более эффективных космических средств и совершенствовании всей транспортной инфраструктуры, подобно тому как когда-то необходимость постоянного сообщения между Старым и Новым Светом создала стимул для внедрения все более совершенных способов пересечения Атлантики.
Следующий важнейший вопрос: несмотря на перспективы, которые открывает такое направление, будет ли оно финансово посильно для России в условиях постоянных и жестких бюджетных ограничений? Очевидно, что главной предпосылкой для его реализации является отказ от слепого копирования чрезвычайно дорогостоящей архитектуры пилотируемых полетов на Луну в 1960–1970-е годы, которая лежала в основе американской и советской лунных программ, использовавших сверхтяжелые РН «Cатурн-5» и Н-1. В то время острого соперничества между США и СССР за первенство в лунной гонке соображения экономии были второстепенными, к тому же еще не было опыта автоматических стыковочных операций на орбите, поэтому использование сверхтяжелых РН тогда казалось безальтернативным. Но сегодня нужно использовать иные подходы, которые позволили бы не просто «водрузить флаг» на лунной поверхности, как полвека назад, а напротив, вернуться на Луну так, чтобы там остаться, создать обитаемую базу и начать активно развивать лунные ресурсы.
Не секрет, что американская лунная программа была прекращена в 1972 году, всего лишь после нескольких успешных полетов, именно по причине ее дороговизны. И если мы будем придерживаться такого же подхода, то непонятно, почему нас должен ждать другой финал. Нужно также учитывать, что создание новой сверхтяжелой РН займет как минимум десятилетие, поэтому ее первый полет может состояться не ранее 2027 года, но, вероятнее всего, это произойдет намного позже. Получается, что мы, планируя реализацию пилотируемых полетов на Луну с помощью новой сверхтяжелой РН, заранее соглашаемся на расходование огромных средств, что может дать в основном лишь пропагандистский эффект. Но это трудно назвать рациональными инвестициями в долгосрочное будущее нашей пилотируемой космонавтики.
Именно поэтому нам нет смысла бездумно копировать американцев, создавая российскую сверхтяжелую РН, аналогичную американской SLS, разработку которой NASA ведет вместе с Boeing. Необходимо иметь в виду, что NASA создает SLS прежде всего для запуска компонентов марсианских пилотируемых экспедиций, имеющих значительно большую массу, чем разгонные блоки и взлетно-посадочные аппараты для пилотируемых полетов к Луне. Возврат американцев в окололунное пространство с помощью SLS, намеченный на 2020-е годы, сам по себе является лишь подготовительной фазой к пилотируемым экспедициям на Марс, которые NASA планирует реализовать после 2030 года.
При создании и эксплуатации обитаемой базы на Луне многие полеты для ее обеспечения будут беспилотными и в «один конец», а значит, с меньшими по массе полезными нагрузками; как следствие, возможности сверхтяжелой РН будут хронически недоиспользованы. Да и стоимость доставки полезной нагрузки с ее помощью будет чрезвычайно высока. Важно учитывать, что ежегодно может быть произведено не более двух сверхтяжелых РН, поэтому регулярность и оперативность доставки грузов к Луне тоже под вопросом. Не только создание, но и эксплуатация сверхтяжелой РН будет чрезвычайно дорогостоящей, при этом проблема регулярного и надежного снабжения лунной базы останется нерешенной.
Вместо создания сверхтяжелого и сверхдорогого носителя для пилотируемых полетов на Луну намного разумнее использовать многопусковую схему запуска на основе более энерговооруженных вариантов уже существующей РН «Ангара». В этом случае пилотируемый корабль, лунный взлетно-посадочный аппарат и разгонные ступени выводятся по отдельности, для чего может потребоваться три-четыре запуска ракет-носителей среднего класса вместо одиночного запуска сверхтяжелой ракеты. Уже подсчитано, что создание таких вариантов «Ангары» и двух стартовых столов на космодроме Восточный, необходимых для многопусковой схемы, обойдется как минимум в десять раз дешевле создания сверхтяжелой ракеты. Более того, все это может быть осуществлено в течение ближайших нескольких лет.
Стратегия на дальнюю перспективу
Для того чтобы пилотируемые полеты на Луну действительно могли превратиться в долговременную программу ее освоения, во главу угла необходимо поставить разработку такой транспортной архитектуры, создание и эксплуатация которой были бы в пределах возможностей финансирования российской космической программы на ближайшие десятилетия. В этом случае с самого начала необходимо проектировать архитектуру транспортной системы Земля—Луна с применением элементов, сводящих к минимуму эксплуатационные расходы. Этого можно добиться путем использования полностью многоразовых элементов там, где это технически возможно, и частично многоразовых там, где это целесообразно. Очевидно, что их разработка также потребует существенных затрат и большого объема опытно-конструкторских работ, но эти усилия будут многократно окуплены позднее, за счет снижения затрат на эксплуатацию такой транспортной системы в течение всего ее жизненного цикла. Такой подход делает возможным создание постоянно действующей и развивающейся транспортной инфраструктуры Земля—Луна, благодаря чему она сможет использоваться в будущем как основа для более амбициозных проектов, будь то освоение и использование ресурсов Луны, обслуживание различных космических объектов в точках Лагранжа или пилотируемые полеты на Марс.
Узловым элементом такой архитектуры могла бы стать лунная орбитальная станция, относительно небольшая по размеру и функционирующая большую часть времени в беспилотном режиме. Но при этом служащая своеобразным перевалочным пунктом и топливным депо, к которому могли бы причаливать как пилотируемые корабли и орбитальные буксиры, идущие к Луне, так и лунные взлетно-посадочные аппараты (ВПА), доставляющие людей и грузы c этой станции на лунную поверхность.
В свою очередь лунные ВПА также могут быть спроектированы как многоразовые. Для этого они должны быть конструктивно выполнены по одноступенчатой схеме, когда одна и та же двигательная установка используется для посадки на Луну и для взлета с ее поверхности. Такая схема уже была однажды реализована на советском пилотируемом лунном корабле, созданном в рамках программы Н1-Л3. Правда, тогда главной причиной такого выбора было желание минимизировать общую массу аппарата, но подобная конфигурация прекрасно подходит и для создания многоразового ВПА. Дозаправка многоразовых ВПА будет осуществляться на лунной орбитальной станции топливом, доставляемым с низкой земной орбиты с помощью межорбитальных буксиров, а на более поздних этапах ВПА смогут дозаправляться непосредственно на лунной базе, где будет налажено производство ракетного топлива из имеющихся на Луне запасов воды, замороженной в грунте, которая была обнаружена в районе полюсов планеты.
У нас уже прорабатывался проект многоразового межорбитального буксира, использующего электроракетную двигательную установку (ЭРДУ), получающую энергоснабжение либо от ядерного реактора, либо от солнечных батарей. ЭРДУ имеет очень высокий удельный импульс и поэтому способна дать на порядок большую экономию топлива по сравнению с жидкостными ракетными двигателями (ЖРД). Однако вследствие низкого уровня тяги ЭРДУ, разгонная часть траектории с ее использованием представляет собой раскручивающуюся спираль вокруг Земли, и весь полет к Луне занимает 30 суток и более, в то время как перелет с использованием ЖРД занимает всего четыре дня. Помимо этого восходящая спиральная траектория с ЭРДУ значительную часть времени будет проходить через радиационные пояса Ван-Аллена. По этим причинам, а также из-за радиационной опасности при использовании ядерного реактора межорбитальные буксиры с ЭРДУ представляются малопригодными для пилотируемых полетов к Луне.
Существуют и другие варианты конструктивной реализации многоразовых орбитальных буксиров, использующих традиционные ЖРД, которые были бы пригодны для транспортировки к Луне как пилотируемых кораблей, так и различных беспилотных грузов. Такой буксир может быть оснащен аэродинамическим экраном с неабляционным теплозащитным покрытием, что позволит ему на траектории возврата к Земле совершать управляемый аэродинамический проход в верхних слоях атмосферы, чтобы рассеять в ней ровно столько орбитальной энергии, сколько необходимо для выхода на желаемую низкую околоземную орбиту. После завершения аэродинамического прохода межорбитальный буксир отрабатывает небольшой импульс для поднятия перигея новой орбиты над атмосферой и ее стабилизации, а затем в автоматическом режиме осуществляет дозаправку топливом, стыковку с пилотируемым кораблем или какой-либо другой полезной нагрузкой и совершает обратный полет к лунной орбитальной станции.
Доставка на низкую опорную орбиту пилотируемых кораблей, транспортных контейнеров и топлива, предназначенных для отправки к Луне, может осуществляться носителями среднего класса, производными от РН «Ангара». Конечно, для обеспечения необходимого грузопотока потребуется значительное число запусков этих РН, но их крупносерийное производство приведет и к существенному снижению цены самой РН. В перспективе первая ступень этих РН может стать многоразовой, производящей вертикальную посадку для повторного использования, как это уже делается с первой ступенью американской ракеты Falcon 9, что будет способствовать дальнейшему снижению стоимости их запусков.
Все это лишь один из возможных вариантов эффективной с точки зрения долговременных эксплуатационных затрат транспортной архитектуры. Очевидно, что при оптимизации альтернативных архитектур, использующих многоразовые элементы, могут быть найдены и более интересные варианты. Главным здесь является то, что развитие пилотируемой программы по этому сценарию представляется нам направлением, открывающим большие перспективы для ее качественного и технологического роста.
Кроме того, нацеленность на освоение Луны сделает Россию по-настоящему привлекательной для международной кооперации в космосе, поскольку это направление совпадает с заявленными целями космических программ Евросоюза и Китая, которые в ближайшее десятилетие намерены перенести значительную часть своей космической активности на Луну и окололунное пространство. В этом случае ЕС и КНР в большей мере будут заинтересованы в кооперации с нами, поскольку это позволит разделить финансовое бремя между всеми участниками проекта, но и NASA вряд ли останется в стороне, так как Луна является промежуточной остановкой на пути американцев к Марсу.
Переход к качественному росту
Помимо целеполагания и прогрессирующего технологического отставания в российской космонавтике крайне остро стоят еще две проблемы. Это кадровая проблема, которая проявляется в виде нехватки молодых специалистов, и проблема низкой производительности труда в отрасли, что ведет к необходимости поддержания избыточно больших трудовых коллективов и невозможности предложить молодежи привлекательную зарплату. Таким образом, получается своего рода замкнутый круг, который нам необходимо разорвать.
У многих наблюдателей вызывает удивление тот факт, что компания SpaceX, обладая персоналом всего в несколько тысяч человек, оказалась способна за короткий срок создать новые РН, возвращаемый космический аппарат и стать мировым лидером по числу запусков. Однако новая частная космонавтика в США обязана своим взлетом не столько космическим визионерам, сколько системе взаимодействия, сложившейся между NASA, космической индустрией и американскими университетами, что и сделало возможным этот феномен.
NASA заказывает изделия и раздает контракты на конкурсной основе тем компаниям, которые могут выполнить конкретный заказ быстрее и дешевле. Поэтому, когда United Launch Alliance (ULA), образованная Boeing и Lockheed Martin, практически монополизировала американский рынок государственных запусков в космос, NASA на деньги из своего бюджета вскормило новые частные компании — SpaceX, Blue Origin и многие другие. В результате монополия ULA оказалась разрушена, и теперь бывший гегемон вынужден бороться за место под солнцем так же, как и все остальные игроки на этом рынке.
Но это еще не все. NASA охватывает своей грантовой поддержкой все ведущие аэрокосмические факультеты США, формирует темы исследований, раздает их на конкурсной основе лучшим студентам и аспирантам и оплачивает их учебу вплоть до окончания аспирантуры. После чего эти выпускники приходят на работу в NASA и космические компании. Например, та же SpaceX чуть ли не на 90% состоит из бывших сотрудников NASA, Boeing и Lockheed Martin.
Наконец, NASA предоставляет американским аэрокосмическим компаниям в бесплатное лицензированное пользование свыше тысячи наименований высокоэффективных компьютерных программ для аэротермодинамического, траекторного, прочностного, системного и других видов моделирования. С единственным условием: эти программные пакеты не должны попасть в третьи страны. Именно в этом причина того, что SpaceX с персоналом менее чем пять тысяч человек в состоянии делать больше и в несколько раз быстрее то, что делают наши фирмы, имеющие персонал в десятки тысяч человек.
Находя талантливую и мотивированную молодежь и приобщая ее к развитию перспективных технологий еще на стадии обучения в вузах, мы сможем посеять семена, которые затем дадут всходы в виде молодых, квалифицированных специалистов, тех, кто станет новой движущей силой на предприятиях Роскосмоса и составит кадровую основу нарождающейся российской частной космонавтики. Для этого самому Роскосмосу также необходимо формировать темы перспективных исследований и разработок для ведущих аэрокосмических факультетов страны и на конкурсной основе раздавать их лучшим студентам и аспирантами, предоставляя им адресную грантовую поддержку вплоть до защиты диплома или окончания аспирантуры. Часть этих выпускников придет на предприятия Роскосмоса и будет доводить темы своих исследований и разработок до практической реализации в форме их экспериментальной отработки и летных испытаний. Другие выпускники, работавшие над перспективной тематикой на гранты Роскосмоса, образуют стартап компании для доведения своих разработок до стадии инновационных продуктов и услуг, которые затем могут быть коммерциализированы на аэрокосмическом рынке.
Однако многое должно быть сделано для того, чтобы были созданы условия, при которых космические стартапы будут появляться у нас сотнями. Выживут из них десятки, а единицы перейдут к устойчивому развитию и смогут создавать не только наноспутники, но и новые РН и пилотируемые КА, задавая тон в радикальном повышении конкурентоспособности всей российской космической отрасли.
Необходимо понимать, что развитие частной космонавтики — это не потенциальная конкуренция Роскосмосу, а резерв новых технологий и подготовленных кадров для его предприятий, равно как и важнейший стимул для повышения общей глобальной конкурентоспособности нашей космической отрасли. Поддержка российской частной космонавтики прежде всего служит интересам самого Роскосмоса, и относительно небольшие средства, потраченные на становление стартапов, впоследствии многократно окупятся притоком новых методов проектирования и производства ракетно-космической техники и новых бизнес-моделей ее продажи и эксплуатации — всего того, чего сейчас нам так остро не хватает.
Не секрет, что именно люди являются носителями всех преобразований, и будущее нашей космонавтики зависит прежде всего от ее способности привлечь в свои ряды талантливую молодежь. Интересно наблюдать, какой поистине планетарный энтузиазм вызывают планы компании SpaceX по колонизации Марса, хотя их практическая реализация вызывает очень большие вопросы. Тем не менее публичный интерес, которые они генерируют, порождает неиссякаемый поток желающих приобщиться к этим планам в будущем как в качестве инженеров и ученых, создающих космическую технику, так и инвесторов, и непосредственных участников этого проекта. Переориентация российской космической программы на лунное направление почти наверняка найдет отклик и у нашей молодежи, потому что для нее это будет означать возможность участвовать в начинании, которое захватит ее воображение, где она получит простор для творчества и инициативы. Это также откроет возможности для привлечения в нашу космонавтику нового поколения молодых инженеров, ученых и предпринимателей.
