Почему так тяжело вернуться на Луну?

В первой половине 20 века человечество совершило невероятный рывок технического прогресса. Первый полет самолета произошел в 1903 году, а уже в 1969 году первый человек гулял на Луне (миссии Аполлон). Прошло еще столько же времени и человечество, похоже, утратило эти технологии. Несмотря на наличие современных материалов, сверхбыстрых компьютеров и лучшего понимания физики и химии, программа НАСА Артемида для возвращения человека на Луну сталкивается с проблемами, с которыми никогда не сталкивались миссии Аполлон.

Когда астронавты «Аполлона-17» вернулись с Луны в 1972 году, они не могли знать, что они будут последними людьми, находящимися вне орбиты Земли.

Только в последние годы NASA заявило о подготовке миссий для отправки людей обратно на Луну с помощью рейса Artemis II. Старт этой ракеты намечен на осень 2025 года.

Эта новая миссия действительно не вернет людей на Луну, а лишь станет шагом к этому. Она будет похожа на полет «Аполлона-8» 1968 года, когда три человека облетели Луну, не приземлившись, а затем вернулись на Землю. NASA Artemis II отправит четырех астронавтов в 10-дневное путешествие вокруг Луны во время первого испытания экипажем новой ракеты Space Launch System (SLS) и космической капсулы Orion.

Казалось бы, современные технологии и возможности сделают эту миссию простой. Но на самом деле сегодня достичь Луны может быть даже сложнее, чем это было полвека назад.

Почему возвращение на Луну тяжелее, чем в 1960-х?

Программа НАСА «Артемида» страдает от длительных задержек, перерасходов и неожиданных проблем. Она имеет общие черты со многими наземными программами, такими как модернизация метро и строительство шоссе, которые, кажется, занимают гораздо больше времени, а часто и стоят гораздо больше, чем раньше.

Неужели сейчас труднее строить великие вещи? И когда дело доходит до Луны, почему повторение дела, совершенного более полувека назад, должно продолжаться так долго?

Следующим шагом Artemis является, по сути, повторение миссии Apollo 8, но программа имеет большие амбиции, которые выходят за пределы Луны.

«В конце концов, наша заявленная цель – Марс», – говорит Мэтью Ремси, руководитель миссии Artemis II. «Это очень тяжело – попасть на Марс и жить на Марсе, – поэтому мы берем это маленькими кусочками».

Первая миссия программы Артемида I отправила космический корабль без экипажа вокруг Луны и обратно в 2022 году. После «Артемиды II» в третьем и шестом этапах будут размещены люди на нашем естественном спутнике, а затем установлены части орбитальной космической станции Lunar Gateway. Более поздние миссии также будут сосредоточены на создании населенных лагерей на поверхности Луны.

едва стартовавшая программа «Артемида» уже испытала длительные задержки, и программа сталкивается со значительными проблемами, изложенными во время недавнего аудита офиса генерального инспектора NASA.

Во-первых, к 2025 году она поглотит 93 миллиарда долларов, что на миллиарды больше, чем ожидалось. Во-вторых, согласно аудиту, приключение Artemis I обнаружило «критические проблемы, которые необходимо решить перед отправкой экипажа в миссию Artemis II». Тепловой щит капсулы Orion, например, разрушался не так, как предполагали инженеры, по причинам, которые они пока не понимают. Болты на космическом корабле столкнулись с неожиданным плавлением и эрозией. И система питания испытала аномалии, которые могли оставить будущий экипаж без необходимой энергии и, возможно, без двигателя или давления.

Согласно отчету, эти «аномалии» — термин, используемый для обозначения больших проблем, создают значительные риски для безопасности экипажа. И они вышли на вершину других проблем аппаратного обеспечения, данных и коммуникаций. Кроме того, генеральный инспектор обнаружил, что первоначальный запуск нанес непредвиденный ущерб системе, что привело к ремонту на сумму более 26 миллионов долларов, что является гораздо большим счетом, чем команда планировала в бюджете. Это много проблем и много денег, особенно для миссии, которая не достигнет многих этапов, которых инженеры добились еще в 1960-х годах.

Недостаточно мотивации для возвращения на Луну

Может показаться странным, что сегодня возвращение на Луну так сложно, учитывая, что люди делали это раньше. Но обстоятельства не те же, говорит Скотт Пэйс, директор Института космической политики Университета Джорджа Вашингтона. «Мировая среда очень разная, — говорит он. США больше не участвуют в космической гонке — экзистенциальном сражении за то, чтобы опередить коммунистов и первыми сделать что-нибудь за пределами Земли. Тогда действовала динамика холодной войны, и новые независимые страны решали, какую систему правления соблюдать – решение, на которое (теоретически) могла повлиять способность демократической нации исследовать космос.

Такая «мягкая сила», по мнению, могла бы показать, что американский путь является лучшим путем, в то же время используя ракетоподобные ракеты страны, чтобы предусмотреть жесткое военное доминирование. Учитывая эти ставки, правительство США было готово выбросить огромные суммы денег на программу Аполлон за короткое время.

Артемида стоит дорого, но программа Аполлон была непомерной. По данным Planetary Society, программа «Аполлон» стоила около 290 миллиардов долларов в сегодняшних долларах по сравнению с 93 миллиардами долларов для «Артемиды».

В те годы НАСА часто получало 4 процента национального бюджета США. Сегодня удалось получить около 1 процента с дополнительным бременем финансирования многих других космических аппаратов, телескопов и исследовательских проектов, кроме полетов человека в космос.

По словам Джона Логсдона, почётного профессора Университета Джорджа Вашингтона и основателя Института космической политики, такое сокращение бюджета имеет смысл. «Нет причин тратить деньги так, будто это была война», — говорит он. «На самом деле на данный момент нет ни одного национального или политического интереса, который создал бы основу для такой мобилизации».

Такая свободная динамика сокращает пачку доступных денег и ставит планировку космических миссий на более извилистый путь. В 1960-х годах Кеннеди заявил, что страна улетит на Луну в этом десятилетии, и это так и было. В настоящее время планы космических полетов, созданные одним президентом, часто упраздняются другим, чтобы потом возродиться в другой форме. В результате траектория к Луне идет по зигзагам.

Мировой порядок также изменился, и космические миссии теперь, как правило, глобальная кооперация, отмечает Пейс. Программа Artemis является общим проектом с участием Японии, Канады, Объединенных Арабских Эмиратов и Европейского космического агентства. Это международное участие в действительности является значительной частью программы.

«Артемида имеет научные цели – вернуться на Луну и все такое», – говорит Пейс. «Но это также способ формирования международной среды для космоса».

Это формирование гораздо важнее, чем это было в 1960-х годах, когда люди меньше полагались на наземную инфраструктуру. Сегодня орбитальные космические корабли позволяют использовать все: от возможностей GPS до предупреждения ракет и банковских операций. Убеждая другие страны рассматривать космос и относиться к нему как ценный ресурс, сотрудничая с ними и устанавливая нормы поведения, мы помогаем нам сохранять космос безопасным, а игроков там – ответственными. «Правила создают появляющиеся люди», — говорит Пейс.

Это более туманная цель, чем победа в гонке. «Если бы были хорошие, четко определенные мотивы, все было бы гораздо проще», – говорит Логсдон. Но работа с другими странами, некоторые из которых разрабатывают аппаратное обеспечение для Artemis, занимает больше времени, чем работа поодиночке, так же как выполнение группового проекта может быть более полезным, чем просто соло, которое длится всю ночь. По словам генерального инспектора NASA, глобальный характер программы также увеличивает затраты, и у NASA нет общей стратегии работы со всеми привлекшими оно партнерами.

Проблема в том, что мы остановились

Однако, по мнению Пейса, ни один из этих факторов не является главным камнем преткновения на лунной траектории. Самая большая проблема, несмотря на то, что США уже были на Луне, в том, что мы не были на Луне в последнее время.

«Мы остановились, а потом забыли», — говорит он. Тот факт, что вы пробежали олимпийский марафон 50 лет назад, продолжает он, не означает, что вы можете сделать это снова завтра.

В случае с Artemis марафон также предусматривает новую, более сложную технологию. Основы ракетной стороны уравнения не сильно изменились: крупные ракеты, по сути, являются бомбами, поднимающими вещи в космос.

И многие игроки одинаковы. Boeing работал над ракетой Saturn V, отправлявшей миссии Apollo вверх. Для Artemis компания спроектировала и построила основную сцену SLS, массивную машину высотой 70 метров и около 10 метров в поперечнике. Этот компонент обеспечивает горючие двигатели, которые поднимают SLS с земли и направляют его в полет в правильном направлении с помощью созданной Boeing системой авионики, которая также находится на борту. Компания, охваченная сейчас проблемами контроля качества своих самолетов, а также неисправного космического корабля, застрявшего на Международной космической станции, также отвечает за ступени ракеты для следующих миссий Artemis.

Существуют большие отличия между старинной работой Боинга над Сатурном V и его современным двоюродным братом. В этот раз они построили ступени ракеты, используя автоматизированные станки, а также технологию сварки трением, которая не плавит и не деформирует металл. Компания также использует компьютеры для анализа состояния ракетных степеней и мониторинга их поведения в режиме реального времени.

Тем временем, компания Northrop Grumman обслуживает ракетные ускорители, которые прикреплены по бокам основной степени. Они дают SLS более чем 75 процентов мощности на момент запуска. Значительная часть техники ускорителей происходит от программы космических шаттлов, и в некоторых случаях части их аппаратного обеспечения действительно использовались в миссиях шаттлов. Эти ускорители, как и ракеты, используют жесткое ракетное топливо, а не жидкое.

«Вы хотите как можно быстрее уйти от гравитации Земли и выйти из толщи атмосферы, где сопротивление высокое», — говорит Марк Тобиас, заместитель инженера ускорителя SLS. «И это то, что действительно делает твердотопливный двигатель. Это сырые лошадиные силы».

Но план использования аппаратного обеспечения из предыдущих космических программ несколько скручен. Space Launch System, например, первоначально была разработана для программы Constellation для завершения строительства Международной космической станции и возобновления присутствия человека на Луне. Обама отменил Constellation в 2010 году, а в 2017 году Трамп объявил о программе Artemis с целью наконец-то отправить людей обратно на Луну и проложить путь для исследования Марса.

Новый план требовал, чтобы NASA использовало некоторые технологии, разработанные для Constellation, что, в свою очередь, предполагало перепрофилирование старой технологии космического шаттла. Эти требования были выдвинуты чиновниками регионов, где располагались производственные центры для частей челноков.

Но перенос и преобразование этих технологий оказались сложными. Согласно отчету генерального инспектора НАСА, перевод частей ракеты в современную эпоху – например, замена асбестовых частей – и модернизация их для новой ракетной системы стоит гораздо больше, чем ожидалось.

Аэрокосмическая компания Aerojet Rocketdyne строит двигатели, и, как и в случае с ракетными ускорителями, заставить старые двигатели шаттлов работать для Artemis было тяжело и дорого. SLS является гораздо более высокой ракетой, чем космический челнок. Большие размеры потребовали замены двигателей, чтобы работать с кислородом под высоким давлением. Двигатели также расположены ближе к ускорителям, чем на шаттле. «Среда чрезвычайно нагрета», — говорит Майк Лауэр, директор программы двигателей, поэтому она требует чрезвычайной изоляции.

Двигатели Artemis также испытывают более облученную среду во время путешествия на Луну (а позже на Марс), чем на орбите шаттла. Работа с этим изменением предполагала корректировку компьютера, живущего на каждом двигателе, который Лауэр называет «мозгом» двигателя. Эти мозги также нуждались в модернизации, поскольку современные компьютеры значительно отличаются от тех в 1990-х. Новые усовершенствованные мозги могут следить за двигателями, в том числе при крушении.

«Можно что-то сделать, чтобы исправить или сохранить миссию, а в худшем случае – выключить двигатель, прежде чем он взорвется», – говорит Лауэр. Во время Apollo инженеры не могли знать о проблемах достаточно быстро, чтобы их решить. Сегодня, по его словам, хотя астронавты в основном ездят на бомбе, «за этой бомбой наблюдают очень внимательно».

Однако модернизация была сложной, и требовало поиска новых поставщиков, поскольку многие из тех, кто работал над космическим шаттлом, больше не производили соответствующих деталей.

В конце концов суть заключается в следующем: иногда легче спроектировать и построить с нуля, чем модифицировать существующее.

«Мы понимаем гораздо больше», чем инженеры времен Apollo, говорит Браун. И все же возникает неожиданное, как испорченный тепловой щит Ориона, в котором, несмотря на все причудливые компьютерные симуляции, не хватало кусков после его первого входа. Даже с современной вычислительной мощностью нет гарантии безупречных результатов. «Аполлон», очевидно, работал без этого анализа. Но как только такие возможности предсказания станут доступными, инженеры почти обязаны нравственно использовать их, чтобы понять, почему именно они подвергнут астронавтам.

Отношение общества к риску изменилось после космической гонки, говорит биоэтик Джеффри Кан из Университета Джона Хопкинса. Он участвовал в комиссиях, занимавшихся независимым анализом этики жизни астронавтов для Национальной академии наук, в частности того, какие опасности вообще достойны этой поездки.

В 1960-х годах это уравнение издержек и выгод привело к разным расчетам. Потенциальная большая награда в виде победы в космической гонке против коммунистов считалась большим вознаграждением. Сегодня мотивы для миссии туманнее, ставки ниже, а соответствующие вознаграждения не оправдывают столько риска.

Тогда власти также не знали некоторых рисков, которые мы знаем сейчас, поскольку космос был новым местом в то время. Сегодня все больше людей отправляется в космос по большему количеству причин. «Космонавты – это не какой-то отдельный вид», – говорит Пейс. Возможно, тогда мы ценим их жизнь больше, чем свою собственную.

Если бы что-то пошло не так, реакция на гипотетическую аварию, пожалуй, была бы острее, чем тогда, когда, например, три астронавта погибли во время пожара Аполлона I в 1967 году. После этой трагедии был минимальный призыв к отмене или даже значительной задержке. Теперь, говорит Логсдон, программа Artemis может не пережить роковой случай. Следовательно, Артемис II и последующие миссии должны быть максимально безопасны, чтобы вообще оставаться таковыми.

Полет на Луну отражает общественные проблемы

Возвращение на Луну — не единственная проблема современности, сопровождаемая задержками и бюджетом. Многие масштабные начинания со временем становились более тяжелыми и дороже.

Система метро Нью-Йорка, например, первоначально была построена чуть более четырех лет и имела 28 остановок; Новая линия метро в городе с тремя остановками, завершенная в 2017 году, заняла 17 лет.

В 1940-х годах ученые с нуля разработали ядерное оружие за три года, что обошлось примерно в 35 миллиардов долларов в современных деньгах. Нынешняя программа модернизации ядерного оружия займет не менее 30 лет и обойдется более чем в 1,5 триллиона долларов.

В конце Второй мировой войны США выпускали авианосец через месяц. Строительство последнего длилось более десяти лет.

Задержки и большие затраты – специализация Лии Брукс, профессора Школы государственной политики и государственного управления Трахтенбергского университета Джорджа Вашингтона. Ее исследование показало, что запрос граждан по участию в проектах — требование многих крупных государственных предприятий в наши дни — одна из важных причин проблем. Эти данные часто являются частью экологической экспертизы, необходимой перед началом проекта.

Учет «голоса граждан», как это называет Брукс, может привести к более дорогим маршрутам, которые оказывают меньшее негативное влияние на окружающую среду или менее разрушительны для жизни граждан, но также могут потребовать дополнительной смягчающей инфраструктуры, например звуковых барьеров.

В прошлом власти не нужно было спрашивать мнение каждого или особенно заботиться об окружающей среде. Возьмем Управление долины Теннесси, говорит Брукс, организацию, основанную в 1930-х годах по строительству дамб для уменьшения наводнений и производства электроэнергии. «Они ни с кем не советуются», — говорит она. «Они просто строят это».

Выводы Брукс могут быть применены к любым начинаниям, включающим заявление о влиянии на окружающую среду – документ, излагающий последствия для природной среды и требующий открытого периода общественного обсуждения. Один такой документ существует для предыдущей программы Constellation; он был повторно использован для «программы полета человека в космос после шаттлов» НАСА.

Однако, по мнению Брукса, самая большая разница между прошлым и настоящим может заключаться в том, что мы строим вещи лучше сейчас, что дорого и занимает больше времени. Возможно, это не касается, скажем, бытовой техники, но это верно в отношении тех звуковых барьеров на магистралях и, возможно, космических кораблей.
Для Artemis иметь более надежную ракетную систему, спрашивать людей, что они думают, поддерживать людей в безопасности и сотрудничать с глобальными партнерами, вероятно лучше для этого мира, даже если они не приведут к пользе за пределами мира.

Такое отсутствие целесообразности может быть даже хорошим. Сегодня, говорит Логсдон, не так многие выступают против программы Artemis. Напротив, Аполлон на самом деле не был популярен среди публики. В 1961 году больше людей выступали против путешествий людей на Луну, которые финансируются правительством, чем были. В 1965 году большинство было против таких путешествий, а в 1967 году разрыв между «за» и «против» вырос почти до 20 процентных пунктов, согласно исследованию историка космоса Роджера Лауниуса.

Новый способ полета в космос в конечном счете приведет к созданию более безопасной и понятной системы, которая может встретить большее одобрение общественности — дома и за рубежом. И кроме того, всегда было правдой то, что мы решаем делать это, потому что это трудно — что если это будет труднее? А чего спешить? Это не гонка.

По материалам: Scientific American