Starliner, Starship и «Ангара», или О пользе конкуренции в космонавтике

Александр Хохлов,
популяризатор космонавтики
«Троицкий вариант — Наука» №12(406), 4 июня 2024 года

Оригинал статьи на сайте «Троицкого варианта»

Starliner

21 июля 2011 года космический шаттл Atlantis опустился на взлетно-посадочную полосу космического центра имени Кеннеди, завершив свой последний полет для снабжения Международной космической станции и одновременно подведя черту всей программы Space Shuttle [1]. С этого момента начался отсчет очередного периода отсутствия у США собственных средств доставки астронавтов в космос. Следующие примерно девять лет все экипажи попадали на борт станции на российских пилотируемых кораблях «Союз».

Конечно, завершая эпоху шаттлов, NASA озаботилось созданием новых космических кораблей. Еще в 2006 году началась программа разработки новых средств доставки грузов на МКС — Commercial Orbital Transportation Services (COTS), в рамках которой взошла звезда компании SpaceX. Выиграв контракт, команда Илона Маска разработала космическую ракету Falcon 9 (сначала в одноразовом варианте) и грузовой космический корабль Dragon с возвращаемым аппаратом. Этот опыт позволил присоединиться и ключевой программе по созданию американских коммерческих пилотируемых кораблей для МКС — Commercial Crew Program (CCP), стартовавшей в 2010 году. Администрация президента Барака Обамы, руководствуясь рекомендациями независимой комиссии Нормана Огастина [2], дала начало новому подходу к части ключевых пилотируемых программ NASA по покупке космических услуг у частных компаний [3].

Starliner при полете к МКС (фото NASA).

Эта стратегия позволила привлечь к созданию космической техники дополнительных игроков, а не только корпорации-тяжеловесы, такие как Boeing и Lockheed Martin.

Командиром и пилотом последнего шаттла на орбите были, соответственно, Кристофер Фергюсон [4] и Дуглас Хёрли [5]. Завершив предыдущий этап пилотируемой американской космонавтики, оба астронавта включились в работу над новым. В 2014 году Boeing и SpaceX стали финалистами по программе CCP и заключили контракты на создание пилотируемых кораблей для доставки экипажей на МКС, а также на первые полеты на орбиту. Boeing считался лидером и получил контракт на 4,2 млрд долл., а компания Илона Маска — всего на 2,6 млрд долл.

Дуглас Хёрли вошел в группу астронавтов NASA, которая готовилась к полетам на Crew Dragon, пилотируемом корабле компании SpaceX, и на «Старлайнере» Boeing (первое название корабля CST-100). Кристофер Фергюсон ушел из NASA и стал коммерческим астронавтом-испытателем корпорации Boeing, включившись в работу над кораблем Starliner. Оба астронавта мечтали стать первыми, кто полетит на МКС на новом американском корабле.

Но задача оказалось непростой. Оба подрядчика задержали сроки готовности к полетам, которые должны были начаться в 2017 году. Первый беспилотный Crew Dragon компании SpaceX долетел до МКС только весной 2019 года, а старт с экипажем состоялся 31 мая 2020 года. Счастливчик Дуглас Хёрли вместе с Робертом Бенкеном оказались на станции [6]. После этого испытательного полета Crew Dragon стал штатным средством доставки экипажей на МКС, стартуя дважды в год и привозя на борт по четыре человека.

У Кристофера Фергюсона всё оказалось сложнее. Первый беспилотный запуск Starliner состоялся 20 декабря 2019 года. Из-за программных ошибок корабль потратил много топлива на низкой орбите, и его полет к МКС и стыковка были отменены. Капсула села на полигон Уайт-Сэндс в штате Нью-Мексико после двух дней автономного полета (если Crew Dragon классическим в США для «капсульных» кораблей способом приводняется в океан, то корабль Boeing спроектирован для штатной посадки на сушу с помощью парашютов и надувных подушек на днище). После исправления основных замечаний Starliner повторно полетел на МКС без людей только 19 мая 2022 года. Успешно выполнив автоматическую стыковку, корабль доставил грузы на станцию и через четыре дня благополучно вернулся на Землю. Началась подготовка первого испытательного пилотируемого полета (Boeing Crew Flight Test).

К сожалению, еще 7 октября 2020 года астронавт-испытатель корпорации Boeing Крис Фергюсон покинул первый экипаж Starliner по личным причинам. Его заменил астронавт NASA Барри Уилмор [7], он начал подготовку вместе с Сунитой Уильямс [8]. Их полет на МКС несколько раз переносился, последний раз это произошло 1 июня 2024 года, когда астронавты уже находились внутри корабля на ракете Atlas V на стартовом столе SLC-41 мыса Канаверал [9]. Запуск был отменен автоматикой за 3 минуты 50 секунд до включения двигателей из-за сбоя в одном из резервных компьютеров наземной системы управления.

Сунита Уильямс и Барри Уилмор (в синих комбинезонах) и основной экипаж МКС-71 (фото NASA).

Экипаж успешно стартовал 5 июня 2024 года в 14:52 UTC. После 27 часов полета с небольшими приключениями (произошла небольшая утечка гелия и сбои в работе двигателей) корабль Starliner 6 июня в 13:34 UTC пристыковался к переднему стыковочному узлу модуля Harmony («Гармония») на МКС [10]. Барри Уилмор и Сунита Уильямс присоединились к экипажу основной экспедиции МКС-71. Первоначальный план предполагал недельное пребывание корабля в составе МКС, но из-за обнаруженных на первом этапе полета Starliner отдельных проблем (например, с двигателями ориентации корабля) было решено задержать астронавтов-испытателей на станции. Для дополнительных тестов Starliner и полного выполнения всех задач полета его продлили сначала до 18 июня [11], а потом до 22-го. Если миссия будет выполнена в основном успешно, результаты позволят сертифицировать Starliner для доставки основных экипажей на МКС. Тогда Boeing и SpaceX «поделят» между собой контракты NASA по коммерческим полетам астронавтов на станцию в дальнейшем.

Starship

Соревнование между корпорацией Boeing и компанией SpaceX развернулось не только в сфере создания пилотируемых кораблей, но и в сфере создания сверхтяжелых ракет-носителей. В 2011 году NASA начало разработку новой сверхтяжелой ракеты-носителя Space Launch System (SLS), основной целью для которой был дальний космос, в первую очередь Луна. При Бараке Обаме о высадке людей на Луну речь не шла, планировалось летать к астероидам и создать окололунную посещаемую станцию, которая в будущем стала бы местом сборки марсианского транспортного корабля. В 2019 году, когда администрация президента Дональда Трампа анонсировала лунную программу Artemis («Артемида») [12], SLS стала основной ракетой для возвращения американцев на Луну. Ракета корпорации Boeing создавалась с опорой на технологии прошлого века — в первую очередь использованных в космической транспортной системе Space Shuttle. Но если шаттл был многоразовым (как и боковые ракетные ускорители), то ракета SLS полностью одноразовая. В свой первый полет 16 ноября 2022 года ракета отправилась со снятыми с музейных челноков двигателями RS-25 на первой ступени. Дорогие в производстве двигатели, многократно летавшие в космос, в этом раз разрушились вместе со ступенью после одного полета для отправки беспилотного корабля Orion к Луне.

Параллельно с этим классическим, но уже устаревшим подходом Boeing компания SpaceX разработала и ввела в эксплуатацию частично многоразовую тяжелую ракету Falcon Heavy, а также активно доводит до летной эксплуатации полностью многоразовую сверхтяжелую ракету Starship. Появившаяся альтернатива очень дорогим ракетам SLS [13] изменила картину будущего космонавтики. Если в 2010-е годы планировалось использовать SLS для отправки в дальний космос тяжелых межпланетных аппаратов, строить окололунную станцию и марсианские пилотируемые корабли [14], то теперь тяжелая ракета Falcon Heavy будет использоваться для запуска к Юпитеру автоматической станции Europa Clipper и для доставки к Луне модулей посещаемой орбитальной станции Gateway, что сэкономит для NASA и время, и деньги. А новый Starship стал ключевым звеном программы «Артемида», его специальный лунный вариант планируется использовать для высадки астронавтов на Луну, а танкерный вариант — для заправки основного корабля на орбите около Земли.

Но если Falcon Heavy доказала свою надежность, «Старшипу» только предстоит стать полноценной «рабочей лошадкой», способной совершить еще одну революцию по доставке грузов в космос от SpaceX (резко увеличив массу, габариты и снизив стоимость).

А пока ему придется совершить еще много испытательных полетов с космодрома Starbase в Бока-Чика на берегу Мексиканского залива, прежде чем он будет готов к полетам на Луну. Но уже выполненные четыре показали значительный прогресс. Стоит отметить, что SpaceX при разработке Starship использует метод натурных испытаний, прямо во время пусков относительно «сырых» изделий.

В первом испытательном полете 20 апреля 2023 года ракета поднялась на высоту 39 км, но была подорвана из ЦУПа, так как две ступени не смогли разделиться и перешли в неконтролируемое вращение [15].

Второй старт состоялся 18 ноября 2023 года. Прошло успешное горячее разделение, когда двигатели второй ступени включились до начала расстыковки с Super Heavy (первой ступенью). Но и в тот раз обе части ракеты были взорваны системой аварийного уничтожения. При этом корабль Starship преодолел условную границу космоса в 100 км и достиг высоты 148 км [16].

Третий полет был 14 марта 2024 года, и его можно признать относительно успешным с точки зрения основных целей. Первая ступень Super Heavy успешно отделилась и вернулась в нужную точку Мексиканского залива. Но она не смогла затормозить и разрушилась при приводнении. Вторая ступень вышла на запланированную суборбитальную траекторию с максимальной высотой 233 км. При торможении в плотных слоях атмосферы Starship закрутило, и он потерял множество теплозащитных плиток. Связь с ним поддерживалась с помощью спутниковой группировки Starlink, на высоте около 65 км она была потеряна — корабль разрушился в атмосфере [17].

Третий испытательный полет Starship 14 марта 2024 года с первой ступенью Super Heavy (фото NASA)

Четвертый испытательный запуск (последний на момент публикации номера) в конфигурации B11/S29 состоялся 6 июня в 15:50 мск с того же стартового стола на техасском космодроме Starbase в Бока-Чика [18]. Почти сразу после старта один из 33 двигателей Raptor первой ступени Super Heavy отключился, но это не повлияло на дальнейший полет. Система управления парировала отказ одного двигателя за счет более долгой работы других. Горячее разделение ступеней вновь прошло штатно. Первая ступень Super Heavy после отделения успешно выполнила два включения двигателей и произвела мягкую вертикальную посадку с помощью торможения двенадцатью двигателями (один из используемых тринадцати отключился) и зависания на трех «Рапторах» в последние секунды в запланированном месте Мексиканского залива. В момент «остановки» ракеты над поверхностью океана в Бока-Чика гигантские захваты «Мехазилла», установленные на башне обслуживания на стартовом столе, смоделировали захват ступени. В будущем они должны будут подхватывать снижающуюся первую ступень. Возможно, первая попытка будет уже во время пятого полета.

Начало четвертого испытательного полета Starship (фото SpaceX)

Вторая ступень Starship продолжила запланированный полет по суборбитальной траектории, набрав скорость 7,3 км/с и достигнув высоты более 213 км. Завершающая ключевая цель этого испытания — успешный вход в атмосферу с торможением в облаке плазмы — также была выполнена. Часть полета картинка с внешних камер не передавалась, но специалисты смогли решить проблему. При высоте около 55 км наблюдавшие за трансляцией полета смогли воочию наблюдать прогар одного из рулевых крыльев Starship, находившегося непосредственно перед камерой. Несмотря на разрушение теплозащиты крыло выдержало, подтвердив обоснованность выбора нержавеющей стали в качестве основного материала для ракеты [19].

Та самая камера, с которой транслировалась завершающая картинка входа Starship в атмосферу (фото NASA)

Несмотря на частичную потерю одного крыла (по другим нет информации), многих теплозащитных плиток и, вероятно, повреждение других частей корпуса, корабль не разрушился полностью и продолжил передавать на Землю телеметрическую информацию до мягкого приводнения в Индийском океане. Перед посадкой он предпринял попытку развернуться в вертикальное положение для выполнения посадки с помощью двигателей.

В трансляции можно видеть движение поврежденного крыла, а телеметрия показала разворот корабля в вертикальное положение. На последних кадрах отчетливо видно приводнение Starship. Несмотря на множество сложностей, в этот раз инженеры смогли собрать большой объем информации на всех этапах полета от старта до падения корабля в воду, это поможет в доработках как ракеты, так и летных процедур. В четвертом полете не планировалось спасение ступеней с воды и, по всей видимости, они утонули.

«Ангара»

Конкуренция в ракетостроении и в пусковых услугах в глобальном мире происходит и между странами. В начале XXI века Россия была лидером по коммерческим пусковым услугам, занимая первое место в мире по количеству космических запусков. Для этого использовались две ракеты-носителя: «Союз-2» в среднем классе и «Протон-М» в тяжелом. Вместе с тем Государственным космическим научно-производственным центром имени М. В. Хруничева с 1990-х годов разрабатывается линейка ракет-носителей «Ангара» с разной грузоподъемностью. Планировалось активно использовать эти ракеты для международной коммерческой деятельности. Совместная российско-американская компания International Launch Services уже несколько лет предлагает коммерческие запуски на ракете-носителе «Ангара-1.2» легкого класса [20]. Но предложение осталось без внимания; причины тому — долгие летные испытания, введение санкций в 2014 году и постепенный захват мирового рынка космических запусков компанией SpaceX.

К 2020-м годам единственным заказчиком на «Ангару» осталось правительство России (в первую очередь Министерство обороны).

Две ракеты вышли на летные испытания: легкая «Ангара-1.2» и тяжелая «Ангара-А5». Обе ракеты выполнили по три испытательных запуска со стартового стола 35/1 на космодроме Плесецк (Архангельская область), эксплуатируемом Министерством обороны РФ.

К концу 2023 года было завершено строительство второго стартового стола 1А, но теперь на гражданском космодроме «Восточный» в Амурском крае. Изначально планировалось, что первый пуск ракеты в интересах Роскосмоса с «Восточного» будет по программе летных испытаний перспективного транспортного корабля нового поколения (одно время его называли «Федерация», а сейчас «Орёл»), предназначенного для полета космонавтов к Луне (сейчас для околоземных полетов). По указу президента России на конец 2023 года намечался первый запуск корабля для автономного полета [21]. Но в августе 2023 года стало известно, что начало летных испытаний перенесено сразу на 2028 год, при этом корабль должен пристыковаться к новой Российской орбитальной станции (РОС) [22].

Пуск «Ангары-А5» с Восточного (Роскосмос)

Поэтому 11 апреля 2024 года с Восточного на ракете «Ангара-А5» вместо корабля «Орёл» был запущен разгонный блок «Орион» из семейства разгонных блоков «ДМ» РКК «Энергия» им. С. П. Королёва (изначально они создавались для советской лунной программы) [23]. «Орион» вывел на геостационарную орбиту имитатор полезной нагрузки (обычно это бетонный блок), перейдя в завершении испытаний на орбиту захоронения (немного за геостационарную орбиту) [24]. Впервые на тяжелой «Ангаре» кроме имитатора полезной нагрузки был настоящий спутник — в данном случае наноспутник «Гагаринец» форм-фактора CubeSat 3U компании Avant Space. Как и в случае полета Юрия Алексеевича Гагарина 12 апреля 1961 года, о запуске «Гагаринца» стало известно после старта. Он был выведен на низкую околоземную орбиту с помощью пускового контейнера компании «КосмоЛаб». Через несколько дней кубсат сгорел в атмосфере Земли [25].

В целом первый вариант ракеты «Ангара-А5» не планируется использовать; возможно, это связано с определенными техническими моментами [26]. В разработке находится модернизированный вариант ракеты «Ангара-А5М», который будет использоваться для запуска межпланетных станций к Луне, выведения на орбиту модулей РОС, пилотируемых кораблей «Орёл», тяжелых спутников [27], в том числе в интересах Министерства обороны [28]. Основным заказчиком ракет будут государственные структуры, и, скорее всего, их будет устраивать одноразовый вариант ракеты для редких запусков.

Соревноваться с американскими и китайскими компаниями в скорости обновления поколений ракет имело бы смысл только в случае доступности рынка коммерческих запусков, но на сегодняшний день Роскосмос ограничен собственными задачами и редкими запусками в интересах «дружественных» стран [29].

1. Новости космонавтики №9, 2011.

2. Seeking a Human Spaceflight Program Worthy of a Great Nation. NASA.

3. Commercial Crew Program. Performance.gov.

4. Кристофер Джон Фергюсон. Космическая энциклопедия.

5. Дуглас Джералд Хёрли. Космическая энциклопедия.

6. Хохлов А. Crew Dragon с экипажем прибыл на МКС // «Троицкий вариант» №305, 2 июня 2020 года.

7. Барри Юджин Уилмор. Космическая энциклопедия.

8. Санита «Сани» Лин Уилльямс. Космическая энциклопедия.

9. Полет Starliner перенесен на 5 июня, полет Starship — на 6 июня // «Космическая лента», 3 июня 2024 года.

10. Boeing’s Crew Flight Test on Starliner Docks to Station. NASA.

11. NASA, Boeing Progress on Testing Starliner with Crew at Space Station. NASA.

12. Artemis. NASA.

13. Davenport C. As private companies erode government’s hold on space travel, NASA looks to open a new frontier // The Washington Post, 25 февраля 2021 года.

14. Gebhardt C. NASA finally sets goals, missions for SLS — eyes multi-step plan to Mars // Nasa Space Flight, 6 апреля 2017 года.

15. Хохлов А. Первый испытательный полет двухступенчатого «Старшипа» // «Троицкий вариант» №12(406), 4 июня 2024 года.

16. Хохлов А. Важнейшие события в космонавтике 2023 года // «Троицкий вариант» №26(394), 26 декабря 2023 года.

17. Третий полет Starship: итоги. «Космическая лента», 14 февраля 2024 года.

18. SpaceX Starship: четвертый испытательный пуск и стыковка Starliner к МКС. YouTube-канал Открытый космос Зеленого кота.

19. Пост в Telegram-канале «Юра, прости».

20. Angara 1.2.

21. Хохлов А.Казус Роскосмоса // «Троицкий вариант» № 5(299), 10 марта 2020 года.

22. Кожевников В. Первый полет нового российского космического корабля «Орел» намечен на 2028 г. Интерфакс, 15 августа 2023.

23. Разгонные блоки. Энергия.

24. «Роскосмос» назвал выполненной задачу первого пуска «Ангары» с Восточного. РБК, 11 апреля 2024 года.

25. Наблюдения. СОНИКС.

26. Пост в Telegram-канале «Юра, прости».

27. Коршунов А. «Предложен вариант многоразового использования ракет-носителей «Ангара» // Известия, 26 апреля 2024.

28. Алексей Варочко: выходим на серийное производство ракет «Ангара» // Роскосмос, 23 апреля 2024 года.

29. Список космических запусков России в 2024 году. Wikipedia.org.