«Сатурн-5»: как можно утерять технологию ракеты
В СМИ всё чаще говорят о так называемом «лунном заговоре», конспирологической теории, которая утверждает, что полёт и высадка на Луну в рамках космической программы «Аполлон» были сфабрикованы. Является ли это политической спекуляцией, какие цели преследуют эти обсуждения — это немного другой вопрос.
Часто говорят, что ракета «Сатурн-5» была слишком хороша для того, чтобы быть реальной. Если она существовала, зачем нужно было начинать программу шаттлов, которые в конечном итоге оказались дороже предшественника? Если она существовала, зачем сейчас вести с нуля разработку сверхтяжёлой ракеты SLS с похожими характеристиками? Как вообще можно утерять технологию производства?
«Сатурн-5» — ракета, созданная для обеспечения вывода пилотируемых космических кораблей «Аполлон» на траекторию полёта к Луне. Людей нужно было не только запустить, но и предусмотреть возможность безопасного возвращения. То есть нужно было обеспечить мягкое приземление на поверхность Луны двух человек с оборудованием и системами жизнеобеспечения, взлёт с Луны и возврат на Землю с теплозащитой при входе в атмосферу. Часть массы удалось сэкономить за счёт разделения лунного модуля, который садился на Луну, от командного, который оставался на орбите Луны.
Но ракета всё равно потребовалась огромная: «Сатурн-5» мог выводить на низкую околоземную орбиту 140 тонн. Для сравнения: часто используемая тяжёлая ракета «Протон» выводит 22 тонны. Последний из запущенных «Сатурнов-5» вывел на орбиту космическую станцию «Скайлэб» массой 77 тонн — только многомодульный «Мир» смог побить этот рекорд. «Скайлэб» был настолько огромным, что при потере точки опоры астронавт мог повиснуть и застрять в таком положении на несколько минут, пока система вентиляции не сдует к одной из стенок. «Сатурн-5» остаётся самой мощной ракетой в истории, её рекорд пока никто не смог побить.
Человечество смотрит вперёд и хочет новых достижений. Сегодня взгляд НАСА устремлён на Марс. И пусть Конгресс с неохотой даёт деньги, но ведётся разработка ракеты Space Launch System (SLS). Если грубо обрисовать её, то это трёхступенчатая ракета с двумя усиленными твердотопливными ускорителями с шаттлов. На её первой ступени установлены четыре двигателя шаттлов. В своей самой тяжёлой модификации SLS должна побить рекорд «Сатурна-5» — Block III сможет выводить 150 тонн на низкую околоземную орбиту.
Но это лишь самая тяжёлая из предложенных модификаций. Другие более реалистичны, они могут запустить 70 или 130 тонн. Если «Сатурн-5» могла выводить 140, то почему не использовать её? Для ответа на этот вопрос нужно обратиться к истории создания ракеты.
Пусть и неофициально, но в НАСА о Луне начали задумываться в 1960 году, ещё до речи Кеннеди. Название «Сатурн-5» намекает, что ракета была пятой моделью в семействе. Были другие варианты, даже тяжелее «Сатурна-5». Серия ракет «Нова» смогла бы выводить на низкую околоземную орбиту 300 тонн и выше, но навсегда осталась на чертёжной доске. В 1962 году программа разработки «Новы» была свёрнута из-за выбора схемы полёта с отдельным лунным модулем, что снижало требования по массе летательного аппарата.
Ракета обладала беспрецедентной сложностью. Стоял вопрос, кто будет её строить. Фон Браун выбрал разделение труда. Это позволяло ему выбирать лучших из лучших во всей промышленности. Он мог задействовать самых опытных людей из каждой из компаний. Скорость разработки действительно получилась высокой. Для подрядчиков решение означало крупные заказы, а не огромный заказ для кого-то одного. В итоге основная доля распределялась между тремя компаниями: «Боинг», North American Aviation и «Дуглас». Они производили три ступени, из которых состоит «Сатурн-5».
На S-IC установлены 5 двигателей Rocketdyne F-1, которые работают на жидком кислороде и керосине. Первая ступень производилась компанией «Боинг» на заводе Michoud Assembly Facility в Новом Орлеане в штате Луизиана. Прогон в аэродинамической трубе проходил в Сиэттле. Ступень была создана конструкторами из Космического центра Маршалла, ведущего центра НАСА.
За S-II отвечала North American Aviation. В движение ступень приводилась пятью двигателям J-2 от компании Rocketdyne на жидких водороде и кислороде. Сборка производилась в Сил-Бич в штате Калифорния. Douglas Aircraft Company строила третью ступень S-IVB в Хантингтон-Бич в Калифорнии. Как и на второй, здесь стоял двигатель J-2, но один. Он работал на тех же водороде и кислороде. Третья ступень умещалась в самолёт Pregnant Guppy, а две другие приходилось доставлять на мыс Канаверал по воде. Иногда они проводили по 70 дней в море.
Полётом трёх ступеней управлял инструментальный модуль конструкции Космического центра Маршалла и сборки IBM. Конструкторы решили разделить системы навигации корабля и ракеты по ряду причин. В их числе была надёжность. Решение спасло жизни: во время полёта «Аполлона-12» в ракету ударила молния. Компьютер «Аполлона» отключился, а «Сатурна-5» — нет.
Разделение труда оказалось палкой о двух концах. Всего в производстве ракеты было задействовано более 20 тыс. подрядчиков и субподрядчиков. Не все из них существуют и поныне. Сегодня North American Aviation ушла в прошлое как отдельная организация — компания была продана «Боингу» в 1996 году. Также «Боинг» владела Rocketdyne, но позже продала United Technologies Corporation, а последняя передала её Aerojet. Многие компании, которые участвовали в создании ракеты, не дожили до наших дней. Некоторые из оставшихся сменили структуру и несколько поколений сотрудников.
Но ликвидированные организации — это не единственная проблема. Даже если бы все компании всё ещё существовали, они вряд ли смогли бы начать производство. Каждый из подрядчиков держал собственную документацию по производству, которая могла быть утеряна. Даже если она не утеряна, она может храниться на каком-то из складов. На каком, знает человек, который уже там не работает или вообще умер.
За работой подрядчиков следили две группы в Космическом центре Маршалла. Отдел Research and Development Operations следил за целостностью структуры ракеты, а Industrial Operations перечислял денежные средства и принимал работу. Людей, которые знают, как сложить кусочки мозаики, уже нет.
Для «Сатурна-5» не было запланированного использования после «Аполлона». Многое не документировалось должным образом, оставаясь в личных записях инженеров. Сегодня эти кусочки бумаги гниют в чьём-нибудь подвале. Люди знают, где были те или иные документы, помнят важные мелочи, которые нигде не записаны. Ещё нужны операторы, которые будут управлять полётом ракеты. Если сегодня захочется запустить «Сатурн-5», то их нужно будет обучить заново.
Сама постановка вопроса «как были утеряны технологии» неправильна. Мы не живём в каких-то Тёмных веках. Мы не достигли некую эпоху невежества, в которую мы внезапно забыли принципы работы ракетных двигателей. Знания остались, их стало больше. Есть и способность делать ракеты. Почему бы сегодня не построить «Сатурн-5», если он такой мощный?
Почему для разработки новой модели автомобиля или самолёта нужно несколько лет? Все технологии их постройки уже известны. От друг друга они отличаются лишь незначительными улучшениями, пусть иногда и есть полностью новые разработки. Даже модификации уже существующей базовой модели занимают значительные промежутки времени. Так происходит, потому что это — очень сложные устройства с множеством деталей, которые производятся несколькими различными компаниями.
Ракета-носитель для высадки хрупкого человека на другое небесное тело требует ещё большей точности отдельных деталей. Её допуски, допустимые различия размеров, меньше, чем для какого-нибудь автомобиля. Поэтому при создании и постройке такого устройства тысячи часов тратятся на испытания и доработки. Нужна сложная техническая экспертиза. В её результате команда разработчиков приобретает уникальный опыт, которого нет ни у кого другого в мире. Опыт работы над «Сатурном-5» должен быть у любого, кто хочет повторить «Сатурн-5». Но людей нет.
Управление работой ракеты отражено в технической документации, которая является результатом моделирования и испытаний. Допустим, документация откуда-то появится. Ракета «Сатурн-5» состоит из более 3 миллионов деталей. Сам корабль «Аполлон» и лунный модуль добавляют ещё несколько миллионов. Сборка и управление подобными аппаратами — сложные процессы, масштаб запутанности которых едва поддаётся человеческому сознанию. Любые изменения в конструкции тоже потребуют изменений и переписывания этой бумаги с инструкциями.
А изменения потребуются. По окончании программы «Аполлон» заводы, которые выпускали детали для ракет, либо были закрыты, либо начали выпускать что-то ещё. Сборочные линии были разобраны, шаблоны и формы были уничтожены за ненадобностью. Инженеры, рабочие-механики, учёные и операторы управления полётом занялись другой работой. Со временем устарели материалы, некоторые из них уже не производят.
Устаревшие материалы можно заменить. (Или можно воссоздать половину промышленности США образца начала шестидесятых.) Замена материалов поменяет массу, напряжения, давления и взаимодействия между деталями. Изменятся неисправности и возможности летательного аппарата. Можно провести техническую экспертизу. Несколько лет уйдёт на повторное проведение испытаний и моделирование. Можно сформировать новые методики действий и операции по управлению, написать новую документацию. Можно обучить людей. Но всё это означает фактическое создание ракеты с нуля.
Рассматривалась возможность использовать двигатели F-1 первой ступени в будущей ракете SLS на боковых ускорителях. Разумеется, их не хотели копировать полностью. Современные средства разработки и системы автоматизированного проектирования обладают большей мощностью и простотой процесса для конструктора. За пятьдесят лет было создано много нового, поэтому сегодня можно сделать более эффективные узлы. Можно начать улучшать отдельные части. Именно на это и был направлен проект F-1B: один из двигателей F-1 разобрали и прогнали 3D-сканером.
Текущий проект SLS использует двигатели и твердотопливые ускорители шаттлов — от F-1B отказались. Конгресс США предъявляет свои требования к подрядчикам программы SLS, и они куда жёстче, чем в эпоху лунной гонки. За это проект в шутку прозвали Senate Launch System.
«Сатурн-5» оказался слишком дорогой ракетой. Стоимость запуска в 1969 году составляла 3,19 млрд долларов с учётом инфляции. На смену пришла программа Space Shuttle, целью которой ставилось удешевление стоимости пуска до 118 долларов за фунт (≈1520 $ за килограмм в сегодняшних деньгах). Из-за неожиданной сложности всех операций, смены конструкции и раздутия бюджета шаттлы никогда не достигли этой цели, став в разы дороже. Доставить человека на Марс должна SLS, стоимость которой тоже не радует.
По материалам блога Эми Шира Тейтель и ответа Роберта Фроста.