SpaceX: построить три ракеты по цене одной и всех победить
Сколько мог бы стоить билет на самолет, если бы после каждого полета авиакомпании разбивали воздушное судно? Илон Маск долго задавался этим вопросом и придумал серию ракет-носителей Falcon. Репортер новостной онлайн-платформы Quartz Тим Фернхольц в своей книге «Новая космическая гонка. Как Илон Маск, Джефф Безос и Ричард Брэнсон соревнуются за первенство в космосе» рассказывает о становлении частной космонавтики на фоне интриг, ошибок и бюрократии. История выйдет в издательстве Альпина Паблишер в 2019 году. Inc. публикует отрывок с сокращениями.
Слетать много раз
С первых дней своего существования SpaceX задавала себе логичный вопрос: что если ракету использовать неоднократно?
Почти все когда-либо созданные ракеты проектировались с расчетом на разовое использование. Единственным многоразовым космическим аппаратом был Шаттл, но и он не возвращался на землю в первоначальном виде. В середине полета он отбрасывал огромный топливный бак и твердотопливные ускорители, которые затем нужно было выловить в океане и отремонтировать для повторного использования. Ракеты для выведения спутников были одноразовыми. Это объяснялось просто: выход на орбиту уже сопряжен с минимальными допустимыми пределами ошибки. Помните, что у большинства космических аппаратов 85% массы приходится на топливо? Любое увеличение прочности и добавление компонентов, обеспечивающих многоразовое использование, делают массу ракеты больше, снижают массу полезного груза и к тому же уменьшают допустимые пределы ошибки. Возвращение в земную атмосферу — суровое испытание для ракеты: она может получить столь существенные повреждения, что восстановление будет невозможно.
Ракетостроители считали бессмысленным вкладывать деньги и силы в решение этих непростых инженерных проблем — при скудном спросе на запуски инвестиции не окупились бы. Когда вы летаете несколько раз в год, гораздо дешевле и проще производить одноразовые ракеты, чем пытаться создать многоразовую.
В 2015 году Джордж Соуэрс, в то время вице-президент по пилотируемым полетам в United Launch Alliance, был заинтригован идеей SpaceX и попытался выяснить, не наткнулись ли конкуренты на что-то действительно стоящее. Но действия SpaceX его не убедили.
«Может ли возвращение и восстановление ракеты стоить дешевле, чем строительство новой? — задал мне Соуэрс риторический вопрос. — Я провел тщательный анализ и пришел к выводу: по крайней мере, при сегодняшнем уровне развития технологий — нет». Другие ведущие ракетостроители считали так же.
Но Маск с самого начала думал иначе. Ракета со всеми ее двигателями и системами стоит целое состояние, и предприниматель не собирался бросать эти деньги на ветер. Что еще важнее, только многоразовая эксплуатация позволяла снизить стоимость запусков, чтобы осуществить честолюбивые мечты Маска. Он проводил простую аналогию: стоимость его ракеты сопоставима со стоимостью Boeing 737 — представьте, сколько бы стоил билет на самолет, если б после каждого рейса его сдавали в утиль. Производство ракеты Falcon 9 обходилось примерно в $54 млн, а в одном полете она расходовала топлива всего на $200 тыс. Повторное использование хотя бы первой ступени позволило бы снизить цену запуска примерно на треть. Одноразовая ракета SpaceX была значительно дешевле, чем ракеты конкурентов, но возможность многоразовой эксплуатации положила бы конец любой конкуренции.
Диктатура физики
Планировалось, что первая ступень легкой ракеты Falcon 1 будет возвращаться на землю — точнее, приводняться в океан — с помощью парашютов. Но ракета взрывалась, и ее сняли с разработки, так что этот план так и не удалось реализовать. Никакие парашюты не смогли бы опустить на землю 20-тонную махину Falcon 9. Выход в космос и возвращение подчинены законам физики. Помните, что скорость космического аппарата на орбите превышает 28,4 тыс. км/ч? Возвращаясь на Землю, он неизбежно ныряет в земную атмосферу на экстремально высоких скоростях и буквально спрессовывает перед собой воздух, резко повышая его плотность и нагревая до колоссальных температур. Если сравнительно легко изготовить металлические конструкции, устойчивые к динамическим нагрузкам, то обеспечить устойчивость к высоким температурам — гораздо более сложная техническая задача.
Традиционно инженеры решали эту проблему двумя способами: с помощью особой формы космических аппаратов, защищающей от тепловых нагрузок критически важные части конструкции, и специальных материалов, поглощающих тепловую энергию. Космические корабли Apollo и «Союз» погружались в атмосферу плоскими днищами, принимающими основную тепловую нагрузку до развертывания парашютов. На Шаттлах термозащитные панели абсорбировали тепловую энергию, пока корабль планировал широкими виражами и гасил скорость. Но стоимость восстановления челноков оказалась гораздо выше ожидаемой, а катастрофа Columbia наглядно продемонстрировала уязвимость теплозащитного покрытия.
Конкуренты SpaceX ожидали, что самонадеянный выскочка наступит на те же грабли.
«Главный инженер одного из ведущих поставщиков запусков — не буду называть его имя — безапелляционно заявил: “Вернуть первую ступень на землю невозможно”, — говорит Мартин Холливелл, директор по технологиям европейского спутникового оператора SES. — Даже если ее приземлить, она будет непригодна для повторного использования».
Но имелся (хотя бы в теории) третий способ — торможение двигателями: ракета спускается на подушке из горячего газа. Классическая картинка из научно-фантастических романов и фильмов: ракета садится на планету двигателями вниз. Эту технологию применили для посадки лунного модуля Apollo, использовать ее в более плотной земной атмосфере было рискованно. Но контролируемое торможение двигателями позволяло обойтись без дорогостоящего теплозащитного покрытия. К тому же SpaceX нужно было в любом случае овладеть этой технологией, если Маск хотел претворить в жизнь свою главную цель — колонизировать Марс.
Прагматичная команда
«Если вы собираетесь поселить людей на Марсе, вам придется доставлять туда модули размером с двухэтажный дом, — говорит Бобби Браун, бывший главный технолог НАСА, в настоящее время декан инженерного факультета Колорадского университета. — Причем эти модули нужно приземлять точнехонько рядом один с другим, чтобы они могли сообщаться. Вам также нужно доставлять туда тонны топлива, продовольствия, воды и всего остального, что требуется людям для выживания». Как показывает опыт НАСА, доставка тяжелых объектов на другие планеты — чрезвычайно сложная задача. На сегодняшний день рекорд остается за марсоходом Curiosity весом около 900 кг, доставленным на Красную планету в 2012 году. Чтобы безопасно посадить аппарат, инженеры НАСА придумали хитроумное приспособление в духе машины Руба Голдберга (именем американского карикатуриста называют механическое приспособление, выполняющее некое простое действие чрезвычайно сложным способом. — Прим. перев.). Капсула с огромным теплозащитным экраном вошла в атмосферу и погасила скорость парашютом, после чего специальный «небесный кран» включил ракетные двигатели и мягко опустил марсоход на поверхность планеты. НАСА побоялось использовать ракетные двигатели на более раннем этапе посадки, не зная, как поведет себя аппарат на большой высоте и сверхзвуковой скорости. Команда SpaceX начала возвращать Falcon 9 на сверхзвуковой скорости в земную атмосферу и поделилась своим опытом с учеными НАСА: они планировали новые миссии на Марс и очень нуждались в таких данных.
«Не было никаких оснований предполагать, что приземление на двигателях не сработает. Но и полной уверенности в том, что оно сработает, тоже не было, — сказал мне Мигель Сан-Мартен, один из исследователей НАСА. — В соответствии с культурой НАСА, мы запланировали масштабную программу по разработке концепции. Маск же просто взял и попробовал. И это сработало».
В 2011 году, когда Falcon 9 начала летать в космос, SpaceX наняла IT-специалиста Ларса Блэкмора из лаборатории реактивного движения НАСА. Выпускник Массачусетского технологического института, Блэкмор считался экспертом по разработке программного обеспечения для навигации автономных аппаратов в экстремальных условиях; его дипломной работой была бортовая навигационная программа для глубоководного робота, а в лаборатории НАСА он написал ключевой алгоритм для системы навигации планетоходов на Марсе. Как сказал мне его научный руководитель, сам бывший сотрудник НАСА, из Блэкмора мог бы выйти блестящий ученый, но тот предпочел должность в SpaceX, где молодое поколение инженеров могло реализовать свои самые дерзкие идеи. В SpaceX он должен был научить Falcon 9 возвращаться на Землю.
В том же году Блэкмор стал работать на испытательном комплексе SpaceX в Техасе над проектом Grasshopper («Кузнечик»). Это был небольшой прототип ракеты, который мог подниматься на заданную высоту, смещаться в сторону и приземляться в заданной точке. Версия v.1.0 состояла из укороченной опорной конструкции, одного двигателя Merlin и четырех стальных посадочных ног. В сентябре 2012 года этот прототип совершил свой первый «прыжок»; год спустя в последнем испытательном полете он поднялся на высоту более 700 м. В 2014 году инженеры SpaceX перешли к отработке вертикальной посадки на версии v.1.1: это была полномасштабная удлиненная первая ступень Falcon 9 с четырьмя откидывающимися посадочными ногами. Прототип поднимался на высоту более 1 км, смещался в сторону, после чего аккуратно возвращался на посадочную площадку. Однажды у него загорелись посадочные ноги, и случайные эсхатологи могли наблюдать поистине библейскую картину: небо рассекал пламенный меч. В другой раз из-за сбоя датчика ракета отклонилась от курса и была автоматически уничтожена в воздухе, чтобы не вышла за пределы испытательного полигона. Взрыв вызвал волну разнообразных слухов среди местных жителей и резкую критику в прессе, но не обескуражил инженеров.
Эти эксперименты позволили им — и управляющим алгоритмам — понять, как задать ракете нужное положение в пространстве и скорость в зависимости от окружающих условий, регулируя работу двигателей. Инженеры адаптировали сложное математическое ПО, разработанное учеными из Стэнфордского университета, которое научило бортовую систему управления полетом прокладывать траекторию возвращения с минимальной погрешностью — чтобы гарантировать мягкую посадку в пределах 20-метрового круга.
Однако все это очень сильно отличалось от реальных условий, в которых ракета возвращается из космоса в земную атмосферу. Инженерам требовалось намного больше данных — прагматичная команда SpaceX начала их собирать с первых же орбитальных миссий. В 2013 году, после выведения на орбиту первого коммерческого спутника, стартовая ступень Falcon 9 должна была выполнить еще одну задачу — произвести имитацию мягкой посадки на воду. Ракета потеряла управление и рухнула в Тихий океан, но инженеры получили много ценной информации об управлении сигарообразным летательным аппаратом. Ракеты из космоса могут безопасно падать в открытый океан, однако SpaceX выбрала его для отработки вертикальной посадки не только по этой причине. Скрупулезные расчеты показали: идеально было бы сажать ракету-носитель неподалеку от места запуска, но физика космических полетов не всегда это позволяет. Ракеты взлетают в космос не вертикально, а по наклонной траектории. При полете на низкую околоземную орбиту, где находится Международная космическая станция, ракете вполне может хватить топлива, чтобы вернуться к месту старта. Но при выведении спутников на более высокие, в том числе геопереходные орбиты — что более прибыльно — ракета расходует почти все топливо, и единственный способ вернуть ее на землю — посадить где-нибудь в океане, например на плавучей платформе.
Вот почему в 2014 году SpaceX подала в суд на Blue Origin, пытавшуюся застолбить за собой эту идею. SpaceX не стремилась патентовать свои изобретения, считая, что вряд ли защитит таким образом свою интеллектуальную собственность. Маск рассматривал патенты главным образом как способ показать конкурентам — особенно за пределами Соединенных Штатов, — что разработки его компании по-настоящему уникальны. Но в Blue Origin обожали патенты.
Победить в гонке
В 2010 году Blue Origin решила выйти из подполья на публику. Свидетельством стал поток патентных заявок, в том числе на компоненты для многоразовых ракет: поворотные сопла, технологии облегчения конструкции, системы управления, посадочное оборудование. Многоразовые ракеты были одинаково важны для Маска — он хотел их использовать для колонизации Марса, — и для Безоса (тот планировал переместить в космос сначала промышленность, а затем и все человечество). Безос имел массу патентов, связанных с рынком и подписными услугами Amazon, но единственный патент Blue Origin, на котором стояло его имя, назывался «Морская посадка космических ракет-носителей и связанные с этим системы и технологии».
В патенте описывались принципы запуска многоразовой ракеты-носителя со стартовой площадки на берегу и вертикального приземления на плавучую платформу с использованием посадочных двигателей. Именно это и собирался сделать Маск. Юристы беспокоились, что SpaceX может столкнуться с правовыми проблемами, реализуя эту технологию раньше Blue Origin (это было весьма вероятно). Поэтому SpaceX опротестовала патент в суде и кратким экскурсом в историю доказала, что идея возникла до появления Blue Origin или SpaceX. В частности, в 1998 году ее подробно описал японский инженер Ёсиюки Исидзима.
В очередном столкновении между ракетными миллиардерами победу снова одержал Маск. В начале 2015 года судьи рассмотрели претензию SpaceX и пришли к выводу, что большая часть пунктов патентной формулы Blue Origin носит слишком общий характер, чтобы подпадать под патентное право.
Судьи отказались от рассмотрения оставшихся двух пунктов, признав содержащиеся в них описания «слишком неопределенными» для вынесения решения по иску SpaceX. Отклонение ходатайства, по сути, было победой SpaceX: «неопределенный» патент не составило бы сложности оспорить в федеральном суде, что обеспечивало SpaceX защиту от будущих споров с Blue Origin.
Дело оставалось за малым — претворить идею в жизнь. На протяжении всего 2014 года инженеры SpaceX оттачивали искусство вертикальной посадки на воду. В ходе нескольких коммерческих миссий, после отделения второй ступени с полезным грузом, первая ступень возвращалась в атмосферу, достигала расчетной точки над океаном, мягко снижалась, разворачивала четыре посадочные ноги и падала в воду, израсходовав топливо. В начале 2015 года компания добавила 2 новые технологии: решетчатые рули (4 титановые решетки площадью 0,5 кв. м по бокам ракеты были разработаны для военных МБР и обеспечивали маневренность за счет встречного потока воздуха) и автономные беспилотные корабли-космопорты (2 огромные баржи без экипажа функционировали как плавающие посадочные площадки для ракет).
Компания разместила баржу под названием «Просто прочитай инструкцию» (Just Read the Instructions) в Тихом океане, рядом с базой Ванденберг, вторую — «Конечно, я все еще люблю тебя» (Of Course I Still Love You) — в Атлантике, у мыса Канаверал. Оба названия — из любимого научно-фантастического романа Маска о звездных путешествиях космических аппаратов с искусственным сверхинтеллектом (Иэн Бэнкс. «Игрок», М.: Эксмо; СПб.: Домино, 2011).
В ходе 5 миссии к МКС (прошла без сучка без задоринки) SpaceX впервые попыталась посадить ракету на платформу «Конечно, я все еще люблю тебя». Маск предупредил журналистов, что это всего лишь эксперимент и компания не рассчитывает на успех, — и оказался прав. Из-за многочисленных корректировок курса в системе управления решетчатыми рулями закончилась гидравлическая жидкость. В результате ракета не сумела выровняться, снизилась под углом к платформе, ударилась о ее край, срикошетила и взорвалась над водой. В апреле после очередной успешной миссии ракета достаточно мягко приземлилась на платформу, но залип дроссельный клапан и один из двигателей отключился слишком поздно, — нерасчетный импульс привел к опрокидыванию ракеты, она взорвалась. В своем посте в Twitter Маск назвал результат посадки «быстрой незапланированной разборкой» (БНР) 142 — это классический эвфемизм ракетостроителей для обозначения взрыва.
