Поки інженери NASA вже втретє намагаються заправити надважку ракету-носій SLS, а менеджери NASA відводять очі коли чують запитання про її вартість, давайте згадаємо, звідки вона така взялась, навіщо її взагалі розробляли і як вона дійшла до такого життя.

Витоки

28 січня 1986 році на мисі Канаверал сталася найбільша на той час катастрофа в історії космонавтики: космічний шатл Челенджер вибухнув під час зльоту, забравши життя 7 членів екіпажу. За її наслідками космічний центр ім. Маршалла того ж року запропонував для виведення вантажів замість пілотованої STS (Space Transportation System — так формально називалася зв’язка з шатлу, баку і двох твердопаливних прискорювачів) зробити більш традиційну ракету-носій на технології STS, прибравши сам шатл, перенесши основні двигуни на дно баку і додавши зверху зону розміщення корисного навантаження. Ця пропозиція в той час не була підтримана.

Аналогічна конфігурація планувалася і для радянської надважкої ракети-носія “Енергія” у нереалізованому вантажному варіанті “Буран-Т”. Перший вантажний пуск “Енергії” відбувся наступного року, проте верхній ступінь, передбачений за проєктом “Буран-Т”, так і не був реалізований і корисне навантаження (КА “Полюс”) було розміщене збоку від центрального блоку аналогічно до пілотованого варіанту (аналогічне розташування корисного навантаження планувалося у нереалізованому американському проєкті “Shuttle-C”).

Були і більш ранні пропозиції створення важкої вантажної ракети-носія на базі технології шатлу. На фото показано таку пропозицію від Morton Thiokol (зараз входить до Northrop Grumman), яка з’явилася ще у 1978 році, за 3 роки до першого польоту шатлу.

У 1991 році Білий дім та NASA провели 10-місячне дослідження щодо створення National Launch System, яка також передбачала, поміж іншого, створення носія такої самої конфігурації на базі технології шаттлів з використанням значно спрощеної версії двигуна RS-25. Ця програма була закрита, але в її рамках були закладені підвалини для програми Evolved Expendable Launch Vehicle (EELV), яка розпочалася 1994 року, в рамках якої на базі RS-25 був розроблений двигун RS-68 та сімейство ракет-носіїв Delta IV, які його використовували.

Всі ці розробки, однак, були призначені для навколоземних орбіт. Навіть перед закінченням Холодної війни, у 1989 році, підготовлений адміністрацією Джорджа Буша-старшого проєкт Space Exploration Initiative, який передбачав створення орбітальної станції Freedom, побудову постійної бази на Місяці до 2010 року і відправку астронавтів на Марс, був відхилений Конгресом через його захмарну вартість у 450 мільярдів доларів у цінах 1990 року. Із закінченням Холодної війни закінчилося і щедре фінансування космосу. На початку 1990-х NASA витрачала шалені кошти на підтримку польотів шатлів, будівництво орбітальної станції Freedom (яка стала основою МКС) та розробку повністю багаторазових космічних літаків DC-X та X-33. У цій непростій фінансовій ситуації в планах NASA просто не було місця для дальнього космосу і розроблення нового надважкого носія.

Mars Direct

У 1991 році інженери компанії Martin Marietta (зараз входить до Lockheed Martin) Роберт Зубрін, Девід Бейкер та Гвен Овен опублікували статтю “Mars direct – A simple, robust, and cost effective architecture for the Space Exploration Initiative”. На базі цієї статті Зубрін написав у 1996 році широко відому у навколокосмічних колах книгу “The Case for Mars”. Ці роботи стали основою для серії проєктів марсіанських місій NASA, які отримали загальну назву Design Reference Mission і замінили собою початкові плани Space Exploration Initiative.

Основна ідея Зубріна та його колег полягала в тому, що замість надзвичайно складної програми Space Exploration Initiative, яка передбачала розроблення ядерних ракетних двигунів, збирання міжпланетних космічних кораблів в космосі і т.ін., на їхню думку можна було обійтися значно простішими технічними рішеннями на базі існуючих на той час технологій, тим самим кардинально зменшивши вартість програми.

Не зупиняючись на марсіанській стороні питання, поговоримо про ракету-носій Ares, яку Зубрін і його колеги запропонували для цієї програми. У початковій версії ракета Ares мала мати розміри, співмірні з ракетою Saturn V, і складатися з 2 штатних 4-сегментних твердопаливних прискорювачів шатлу, модифікованого баку шатлу з 4 двигунами RS-25 (в оригінальній статті 1991 року вони мали розміщуватися на невеликому літальному апараті для повернення і повторного використання), а також нового кисень-водневого кріогенного верхнього ступеню з двигуном RL-10. Вона мала виводити 121 т корисного навантаження на низьку навколоземну орбіту (для порівняння, Saturn V виводив 140 т). Після перерахунку проєкту інженерами NASA виявилося, що для реалізації планів Зубріна маса корисного навантаження для цієї ракети має перевищувати 200 т.

Програма Constellation

У 2004 році Джордж Буш-молодший вирішив продовжити справу свого батька і оголосив нову програму Vision for Space Exploration, яка ставила за мету повернення на Місяць, а також виведення з експлуатації шатлів до 2010 року (програму було оголошено невдовзі після катастрофи шатлу Колумбія, що забрала життя 7 астронавтів) і фактично була ідеологічним нащадком Space Exploration Initiative з більш реалістичними цілями. Її ракетна частина називалася Constellation Program і включала дві ракети-носія Ares I та Ares V — відсилка одночасно до Saturn IB та Saturn V і до запропонованої ракети Ares Зубріна. Дійсно, функціонально ці дві ракети мали відповідати двом відповідним версіям Saturn, а технологічно вони мали стати нащадками шатлів згідно ідей Зубріна.

Корисним навантаженням для Ares I мав стати корабель Orion, а для Ares V — місячний посадковий модуль Altair та верхній ступінь EDS (Earth Departure Stage).

Ares I в якості першого ступеня мала використовувати 5-сегментний твердопаливний прискорювач (на шатлах використовували 4-сегментні), а в якості другого — кріогенний ступінь, отриманий шляхом зменшення баку шатлу до розмірів ступеня S-IVB (третій на Saturn V і другий на Saturn IB) з двигуном J-2X, який планувалося переробити з двигуна J-2, встановленого на ступені S-IVB. Однак, через постійно зростаючу масу корабля Orion, характеристики J-2 виявилися замалими і двигун J-2X довелося розробляти з нуля.

Ares V, початково відомий як CaLV (cargo launch vehicle), планувалася з двома ступенями в діаметрі баку шатлу (8,4 м) з 5 двигунами RS-25 на першому ступені і 1 двигуном J-2X на другому ступені, а також двома 5-сегментними твердопаливними прискорювачами. Вона мала виводити 125 т на низьку навколоземну орбіту.

По мірі зростання потрібної маси корисного навантаження (посадкового модуля Altair зі ступенем EDS), у конструкцію вносили зміни. Спочатку RS-25 замінили на більш потужні, але менш ефективні RS-68 (які у свою чергу є спрощеними версіями RS-25). Це призвело також до збільшення об’єму баків і діаметр першого ступеню виріс до 10 м, а прискорювачі отримали ще по пів-сегменту. Але маса Altair продовжувала зростати і другий ступінь теж довелося збільшити до 10 м, що викликало потребу у додаванні шостого RS-68 на перший ступінь. В результаті, ракета вже мала виводити 188 т на низьку орбіту, мала висоту 116 м і важила 3705 тон на старті. Крім того, велика кількість щільно напакованих двигунів ускладнювало їхнє охолодження, а збільшений діаметр ступенів унеможливлював використання обладнання для виготовлення шатлів. Спеціально утворена для цього комісія Августина (ні, не блаженного) запропонувала розробникам зменшити розмір ракети (Ares V Lite, який би також замінив Ares I), але вони до цієї поради не дослухалися і Ares V продовжував збільшуватися у розмірах і ціні. Остання версія проєкту перед остаточним закриттям програми Constellation у 2011 році передбачала 6- або навіть 6,5-сегментні прискорювачі обабіч центрального блоку з 7 форсованими RS-68B і коштувала 9 мільярдів доларів.

Також розглядався варіант ракети Ares IV з першим ступенем і прискорювачами від Ares V і другим ступенем від Ares I.

DIRECT Jupiter

Паралельно з програмою Constellation в ініціативному порядку були розроблені проєкти ракет-носіїв Jupiter в рамках концепції прямого запозичення елементів шатлів. Найбільш реальними з них були варіанти 2009 року:

Jupiter-130 — один ступінь, бак від шатлу з 3 RS-25 і 2 4-секційними прискорювачами. Міг вивести від 60 до 70 тон корисного навантаження на низьку орбіту або корабль Оріон і ще 25 т вантажу. Така конфігурація могла би здійснювати постачання МКС.

Jupiter-246 — два ступені, на першому бак від шатлу з 4 RS-25 і 2 4-секційними прискорювачами, на другому — новий бак, розроблений на основі верхнього ступеня Centaur у діаметрі 8,4 м, з 6 RL-10B-2. Така конфігурація могла би використовуватися для польотів на Місяць (два запуски зі стиковкою на орбіті Землі, дещо подібно до старого радянського місячного проєкту “Союз 7К-9К-11К”).

Дещо подібну до Jupiter-130 ідею розглядали на ранньому етапі програми Constellation: пілотований варіант називався LV-24, а вантажний — LV-25.

Програма SLS

Програма SLS стала результатом об’єднання усіх попередніх програм. Вона безпосередньо базувалася на використанні елементів програми STS, як декларувала концепція DIRECT, а також використовувала збільшені прискорювачі, розроблені в рамках програми Constellation. Ракета у поточному вигляді складається з 2 ступенів: перший з модифікованим баком шатлу, 2 5-секційними прискорювачами і 4 RS-25 і другий зі збільшеним баком другого ступенем Delta IV (який, у свою чергу, запозичений у японської ракети H-IIA) і одним двигуном RL-10B-2. За виключенням кількості сегментів бокових прискорювачів, цей проєкт повністю співпадає з ракетою Ares з книги Роберта Зубріна 1996 року, але при цьому вона виводитиме на низьку навколоземну орбіту “всього” 95 тон, тобто майже на 30 тон менше. Її корисним навантаженням є корабль Orion з проєкту Constellation.

У майбутньому вона отримає новий другий ступінь, форсовані двигуни і покращені прискорювачі. Її порівняння з іншими надважкими ракетами наведено у таблиці.

Щоправда, є одне міркування чому не можна напряму порівнювати характеристики SLS з попередніми надважкими ракетами. Воно полягає у принципово іншій балістиці запуску. Якщо попередні ракети літали цілком собі традиційно, тобто прискорювачі і центральний блок першого ступеню розганяли ракету, десь в кінці атмосферної ділянки відділявся перший ступінь і далі працював другий, тобто перший ступінь працював як бустер, то у SLS розгін першого ступеня досягається майже виключно прискорювачами, а центральний блок працює на атмосферній ділянці траєкторії як састейнер, тобто лише підтримує швидкість, набрану при розгоні, зате працює значно довше, і прискорює ракету здебільшого вже у вакуумі. Після завершення роботи перший ступінь SLS виводить повністю заправлений 2 ступінь з корисним навантаженням на високу суборбітальну траєкторію з апогеєм 1800 км, тобто в цій схемі виведення балістики пожертвували можливістю виведення вантажів на низькі орбіти заради кращих характеристик на відльотних траєкторіях.

Як же так сталося, що ракета, концепцію якої придумали ще на початку 1990-х, з вже існуючих компонентів, вийшла такою дорогою (по 4,1 млрд. доларів за кожний з перших 4 пусків, з яких 2,2 млрд. припадають на саму ракету) і фіговою? Перефразуючи відомий анекдот, що би центр Маршалла не розробляв, у нього виходить Saturn V. Взагалі ідея зі старих компонентів зібрати щось сучасне, як показує досвід російської та української космонавтики, до добра не доводить. Так само погано закінчується бажання зекономити на дослідженнях і розробках і тупо масштабувати старі рішення. Складається таке враження, що “ефективні менеджери” Boeing, яка за традицією є головним розробником SLS, позвільняли усіх толкових конструкторів не лише з літакобудування, а й з ракетобудування, бо їм же платити треба, ще й розповідають постійно, що це неправильно і те погано, і тепер компенсують нестачу креативу карго-культом і “діди запускали”. Або і зовсім процес став переважати над результатом, головне — отримати гроші і красиво відзвітуватися. В будь-якому разі, це дуже сумні новини для світової космонавтики. Ті сегменти ринку, де є можливість заробити, просто перейдуть до приватних компаній, а що робити з тими, де такої можливості немає?

Повертаючись трохи ближче до теми, я би сказав, що десятки мільярдів доларів були злиті в унітаз через постійну зміну стратегічних цілей. Спочатку йшлося лише про заміну шатлів на низькій орбіті. Потім з’явилася робота Зубріна та ін., які критикували програму Буша-старшого з польотом на Марс, яка, скоріше за все, виносилася не для того, щоби реально її виконувати, а щоби затягти СРСР у коштовні перегони ще й у далекому космосі і економічно зламати йому хребта (в той самий час з тією ж самою метою висувалася Стратегічна оборонна ініціатива).

Потім за часів Клінтона був тривалий етап суто паперової розробки, аж допоки Буш-молодший у 2004 році не вирішив зробити нову програму Apollo, і ось вже треба летіти не на Марс, а на Місяць. При цьому дістаються з полиці пропозиції Зубріна та ін. 15-річної давнини, які писалися в абсолютно інших умовах для абсолютно іншої мети. Згодом прийшов Обама і прикрив цю лавочку, отримавши схвалення від Ілона Маска і Базза Олдріна і критику від Зубріна, а також Ніла Армстронга, Джима Ловелла і Юджина Сернана. Але прикрив не повністю, залишивши абсолютно жахливий проєкт корабля Orion, щоби зменшити залежність від російських Союзів, і ініціював розробку з нуля власне SLS, яка нічим принципово не відрізнялася від Ares V Lite (що була майже тотожна SLS Block 1B з поправкою на іншу циклограму пуску), запропонованої комісією Августина. Цей маневр коштував NASA і американським платникам податків 20 років і 30 млрд. доларів. Трамп же по суті відновив програму Constellation, перейменувавши її у Artemis. На щастя, цього разу вимоги до носія вже не змінювалися, що і дозволило довести його до втілення у металі.

І те, що вийшло в результаті, підозріло схоже на початкову пропозицію Зубріна та ін. з першої половини 1990-х.

Альтернативи SLS в рамках програми Artemis

Єдиними іншими надважкими ракетами-носіями, які наразі існують у металі, є Falcon Heavy і Starship/Super Heavy від SpaceX. Всі інші проєкти знаходяться на занадто ранній стадії розробки, щоби брати їх до уваги. Маса корисного навантаження Falcon Heavy недостатня для пілотованих польотів на Місяць, крім того SpaceX не планує сертифікувати його для пілотованих польотів. Залишається Starship/Super Heavy. Фактично, програма Artemis планує їхнє використання, оскільки SLS просто нездатна забезпечити висадку астронавтів на Місяць. Поточний план наступний: носій Super Heavy виводить спеціально модифікований для висадки на Місяць Starship з порожніми баками. Далі декілька Super Heavy виводять баки з компонентами палива, якими заправляють Starship HLS на навколоземній орбіті (привіт, Союз 7К-9К-11К). Потім Starship HLS у безпілотному режимі летить до Місяця. Там до нього переходить екіпаж, доставлений кораблем Orion на SLS до навколомісячної станції, і вже на ньому висаджується на Місяць. А згодом повертається з Місяця і переходить назад до корабля Orion, в якому повертається на Землю.

У зв’язку з цим виникає питання: чому не можна вивести до навколомісячної станції легший Orion тим самим Super Heavy? Відповідь на нього, вочевидь, лежить не у сфері техніки чи економіки.