Пилотируемая космонавтика в XXI веке

В начале 2016 года о том, нужна ли человечеству пилотируемая космонавтика, дискутируют научный журналист, модератор КНЖ Александр Сергеев и астроном, ст. науч. сотр. ГАИШ МГУ Владимир Сурдин.

Заправлены в планшеты
Космические карты,
И штурман уточняет
В последний раз маршрут…

Владимир Войнович (1957)

Александр Сергеев:

Нередко звучит мнение, что пилотируемая космонавтика не нужна, что это «всегда была политическая фаллометрия между сверхдержавами» и все задачи космических исследований могут выполнить роботы (http://j.mp/1mBEssI, http://j.mp/1TAwLxV). Хотя в определенных аспектах это суждение не лишено оснований, в общем случае оно является ошибочным.

Естественно, политическая конкуренция была основным двигателем пилотируемой космонавтики. Как результат эти технологии были созданы исторически несколько преждевременно, из-за чего оказались связаны с чрезмерными рисками и затратами. Думаю, реально востребованными они станут еще через полвека. Но раз уж технологии созданы, желательно их сохранять и совершенствовать, а не забрасывать, чтобы потом воссоздавать с нуля. В этом смысл неспешной деятельности вокруг МКС.

Единственной ключевой проблемой в освоении человеком космоса остается высокая стоимость вывода грузов на орбиту. Из-за этого слишком дорого создавать вне Земли полноценную технологическую инфраструктуру. А без нее очень высокими оказываются риски, что, в свою очередь, увеличивает затраты. Получается порочный круг. Если тем или иным способом удастся существенно удешевить доставку, развитие космонавтики резко ускорится.

Принципиально это возможно. По формуле Циолковского для разгона 1 кг до первой космической скорости с помощью химических двигателей нужно всего около 20 кг топлива, то есть порядка 10 долл. Реальная стоимость доставки груза на МКС — около 30 тыс. долл. за килограмм.

Накрутка на 3,5 порядка (!) связана с традиционными технологическими решениями и организационными процессами, а также с вынужденно завышенными требованиями к безопасности (из-за невозможности оказания технической помощи в полете). Почти наверняка эту стоимость можно снизить в десятки раз за счет масштабирования космической деятельности, создания технологической инфраструктуры на орбите и реализации оригинальных идей, вроде запусков с высотных платформ или электромагнитных катапульт.

Что же касается необходимости пилотируемой космонавтики, то задачи, которые в обозримом будущем неосуществимы для автоматов, в космосе есть. Несколько лет назад я читал на эту тему американский отчет. Главной из таких задач там называлось геологическое бурение на поверхности других небесных тел. Речь шла не о скромных экспериментах, как на «Луне-24» или на «Кьюриосити», а о полноценном разведывательном бурении на десятки и сотни метров.

Также предлагаю сравнить скорость передвижения по поверхности:

• Лунный ровер «Аполлона-17» — 36 км за 3 дня — 12 км/сутки.
• «Луноход-2» — 42 км за 4 месяца — 350 м/сутки.
• «Оппортьюнити» — 42 км за 11,5 лет — 10 м/сутки.

Как сделать космическую базу рентабельной?

Есть мнение, что даже при снижении стоимости выведения на орбиту на порядок и росте орбитального трафика на два порядка пилотируемая космонавтика не найдет коммерческого оправдания. Я полагаю, что это не совсем так. Уже сейчас есть направления, которые находятся на грани рентабельности, а если стоимость выведения снизится на порядок-полтора, то работающие бизнес-идеи просто непременно появятся.

Сейчас на МКС живет шесть человек. Если принять рост орбитального трафика в сто раз, то космическое население должно вырасти даже больше, поскольку будет значительная экономия ресурсов за счет масштабирования и синергии. Итак, на орбите работает около тысячи человек. Чем они могут там заниматься?

Более или менее понятно, что не астрономическими наблюдениями, поскольку для этого даже на земных обсерваториях присутствие человека обычно не требуется.

Уникальное торговое предложение космической базы включает длительную невесомость, высокий вакуум, впечатляющий вид Земли из космоса, возможность сборки и обслуживания космических аппаратов без сведения их с орбиты. Возможно, я что-то упустил, но эти пункты очевидны.

Прежде всего, там создается отель. Даже сейчас, когда туристический билет на МКС стоит более 20 млн долл., туда стоит очередь желающих. И на жалкий суборбитальный прыжок за 200 тыс. — тоже. Думаю, что многие захотят за пару миллионов провести отпуск в орбитальном отеле на огромной космической станции с населением в сотни человек, перепробовать там кучу аттракционов (от спортивных игр в невесомости до выхода в открытый космос), познакомиться с работой различных коммерческих, технологических и научных команд.

Далее строится киностудия для съемок в невесомости. Понятно, что и сейчас в Голливуде умудряются создать впечатление невесомости в различных космических фильмах. Но для таких эффектов есть много ограничений, а сопутствующая компьютерная поддержка стоит дорого. Когда бюджеты фильмов исчисляются сотнями миллионов, может оказаться вполне оправданным за 20 млн отправить на орбиту съемочную команду с актерами.

Не забываем о рекламном потенциале «города на орбите». Компании будут платить за размещение своих логотипов на станции, поставку на нее своих продуктов, съемку там своих рекламных роликов, отправку победителей промо-лотерей. Наверняка появятся и новые неожиданные идеи вроде недавнего предложения устраивать по заказу искусственные метеорные дожди над городами, сбрасывая с орбиты специальные капсулы.

Ремонтный док в космосе

Следующее естественное направление — ремонтный док для спутников. Сейчас большинство спутников строится в расчете на полную автономию. Это заставляет делать все системы сверхнадежными, а значит, дорогими. Ошибки выведения, как правило, делают спутники бесполезными. Страховки покрывают стоимость аппаратов, но не упущенную выгоду. Наконец, многие спутники за время эксплуатации устаревают морально.

Пример телескопа «Хаббл» показывает, что обслуживание спутника может значительно продлить его активную жизнь. Буксир с ионным двигателем может приводить в док для обслуживания спутники, выведенные на нерасчетные орбиты, вышедшие из строя, нуждающиеся в модернизации или дозаправке. Кстати, работа многих комических обсерваторий ограничена запасами жидкого гелия на борту. В доке их можно было бы пополнять.

Развитием идеи ремонтного дока будет строительная верфь для крупных спутников и космических кораблей. Сейчас сложность исследовательских спутников и межпланетных станций ограничивается грузоподъемностью и габаритами ракет-носителей. А также тем, что космический аппарат должен безупречно работать сразу после стрессовых условий ракетного старта.

При снижении стоимости выведения и наличии орбитальной сборочной верфи многие ограничения на конструкцию крупных космических аппаратов были бы сняты. Также перестали бы быть столь проблематичными вопросы пилотируемых полетов к другим планетам. В частности, удалось бы снять самую трудную проблему радиационной безопасности экипажа, поскольку масса радиационной защиты больше не была бы сдерживающим фактором.

Исследовательская база в космосе

Следующий шаг — создание космической базы для систематического сбора, доставки и изучения образцов с различных тел Солнечной системы. Нет необходимости при полете за каждым таким образцом сначала выбираться из гравитационно-атмосферного колодца Земли, а потом возвращаться в него. Зонды с ионными двигателями могут стартовать прямо с космической станции и возвращаться на нее. На ней же может проводиться весь цикл исследований, за исключением самых экзотических.

Что касается исследований, то, полагаю, основной упор должен быть сделан на медицину и биологию в условиях нулевой или пониженной гравитации. Также не исключено появление новых материалов, которые оправданно производить в условиях невесомости.

Космический город

И наконец, не будем забывать, что человеческие поселения существуют не только для того, чтобы что-то куда-то поставлять. В них еще просто живут люди, которые занимаются самыми разными делами. Вполне естественно, что по мере роста космической базы часть людей станет просто ее жителями. Вероятно, поначалу жить там будет дорого и это смогут позволить себе лишь очень состоятельные люди. Но ведь их кто-то должен будет обслуживать. И цены этого обслуживания будут учитывать «орбитальную наценку». Так что все эти люди сформируют свой рынок.

Наконец, пойдут исследования по оптимизации жизни на самой орбитальной станции. Скажем, может оказаться, что снабжать станцию кислородом выгоднее не с Земли, а с Луны — в составе реголита. И из него же можно добывать алюминий для собственных конструкционных нужд.

Короче, если численность населения станет достаточно большой, на станции не сразу, но постепенно запустится своя экономика, и проект начнет сам искать себе заработок — туризм, реклама, эксклюзивные апартаменты, обслуживание космической техники, эксперименты, съемки и развлечения в невесомости и в открытом космическом пространстве. В общем, нормальная человеческая жизнь. Только для ее запуска нужно, чтобы стоимость выведения на орбиту снизилась на порядок, а лучше на два. А вот что нужно для этого, пока еще до конца не ясно.

Необходимо менять стратегию

Владимир Сурдин:

Рождение пилотируемой космонавтики в 1960-е было естественным этапом технического прогресса. В нем были заинтересованы все — инженеры, врачи, идеологи. Появление человека на околоземной орбите и далее на Луне сильно изменило мировоззрение просвещенной части землян, стимулировало прогресс науки.

Но в последние десятилетия в пилотируемой космонавтике застой. Ее развитие практически остановилось в середине 1980-х. Стало ясно, что на околоземной орбите человеку опасно оставаться более года, а вдали от Земли — более полугода. Что все оборонные и хозяйственные задачи (мониторинг Земли, связь, навигация и проч.) эффективнее решаются беспилотными аппаратами. Человек в космосе остается элементом государственного престижа, но с годами эффективность и этой его роли снижается.

Сейчас космонавты присутствуют только на МКС и в основном занимаются поддержанием работоспособности станции. Надежды на разработку новых технологий в невесомости (идеальные кристаллы, чистые лекарства), очевидно, не оправдываются. Научные эксперименты на МКС проводятся. Но если не принимать во внимание меркантильные соображения (т. е. финансирование), то ученые не горят желанием размещать свои приборы на МКС, предпочитая непилотируемые аппараты. Отправляя научную установку на МКС, ее всё равно приходится делать максимально автоматизированной и снабжать дополнительными устройствами, нейтрализующими вредное влияние (вибрацию и т. п.) космонавтов и систем их жизнеобеспечения.

Насколько я знаю, пилотируемая космонавтика съедает более трети бюджета гражданских космических агентств, не принося сколько-нибудь значительных научных и технических результатов, в отличие от беспилотных орбитальных аппаратов и межпланетных зондов.

Тем не менее по закону Паркинсона штат любого ведомства со временем только возрастает. Чиновники от пилотируемой космонавтики декларируют для нее новые амбициозные цели (полеты к астероидам, к Марсу), не делая в этом направлении реальных шагов. Даже моделируя на Земле длительные полеты (например, «Марс-500»), они не создают условий, по возможности близких к космическим, — я имею в виду радиацию.

Разумеется, было бы недальновидно на основании сказанного запретить пилотируемые полеты и в результате потерять наработанные технологии. Но менять стратегию необходимо. Технологии пребывания человека в космосе уже используются частными фирмами, развивающими космический туризм, поэтому они не пропадут. А государственные деньги желательно тратить на решение фундаментальных задач.

Предыдущее поколение людей вошло в историю цивилизации первыми шагами в космос. А чем ответит нынешнее поколение? Если переориентировать приоритеты большой космонавтики на создание новых межпланетных зондов и космических телескопов, то наше поколение могло бы стать первым обнаружившим жизнь вне Земли. По-моему, это достойная задача, решив которую мы откроем новые перспективы для человечества.

Александр Сергеев:

Я полностью согласен, что при неизменности технологий выведения на орбиту обозначенная Владимиром Георгиевичем смена стратегии оправданна и даже необходима. Однако мне была интересна ситуация, когда стоимость выведения удастся радикально снизить. В этом случае можно обеспечить в космосе защиту от радиации (это лишь вопрос массы экранов), избавить экипажи от постоянного воздействия невесомости (за счет закрутки больших станций) и значительно снизить психологические издержки (за счет увеличения численности экипажей и уровня безопасности полетов). Таким образом, радикальной космической экспансии препятствует лишь высокая стоимость вывода на орбиту. Технически осуществимые альтернативы ракетным технологиям уже придуманы. Тому, кто реализует их на практике, будет принадлежать космос. А до тех пор, да, только роботы и космонавты престижа.