13. Удешевлять, возвращать, использовать повторно

С первых дней своего существования SpaceX задавала себе очевидный вопрос: что если не выбрасывать ракету после запуска, а использовать снова?

Почти все когда-либо созданные ракеты проектировались таким образом, чтобы использоваться однократно. Шаттл был единственным многоразовым космическим аппаратом, но и он не возвращался на землю в том виде, в котором взлетал. В середине полета он отбрасывал огромный топливный бак и твердотопливные ускорители, которые затем вылавливались из океана, ремонтировались и использовались повторно. Ракеты для выведения спутников делались полностью одноразовыми. Обоснование было простым: 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, во время которого она может получить столь существенные повреждения, что это сделает ее восстановление и повторное использование бессмысленным.

Ракетостроители не считали, что имеет смысл вкладывать деньги и силы в решение этих непростых инженерных проблем, – скудный спрос на запуски не позволил бы окупить инвестиции. 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, что по крайней мере при сегодняшнем уровне развития технологий ответом будет “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 в буквальном смысле слова на землю. Что еще важнее, многоразовая эксплуатация дорогостоящего оборудования была единственным способом снизить стоимость запусков настолько, чтобы честолюбивые мечты Маска стали осуществимыми. 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 долларов, тогда как в ходе одного полета она расходовала топлива всего на 200 000 долларов. Если удастся повторно использовать хотя бы первую ступень, это позволит снизить цену запуска примерно на треть. Одноразовая ракета SpaceX уже была значительно дешевле, чем ракеты конкурентов, но достижение эксплуатационной многоразовости положило бы конец любой конкуренции.

При разработке легкой ракеты Falcon 1 инженеры SpaceX планировали, что ее первая ступень будет возвращаться на землю – точнее, приводняться в океан – с помощью парашютов. Но ракета сначала взрывалась, потом ее сняли с разработки, так что этот план так и не удалось реализовать. В случае с Falcon 9 было ясно, что никакие парашюты не смогут опустить на землю эту 20-тонную махину. Возвращение из космоса, как и выход в космос, подчинено неумолимой диктатуре законов физики. Помните, что скорость космического аппарата на орбите превышает 28 400 км/ч? Возвращаясь на Землю, он неизбежно ныряет в земную атмосферу на экстремально высоких скоростях. Он буквально спрессовывает воздух перед собой, что приводит к резкому повышению его плотности и нагреванию до колоссальных температур. Если изготовить металлические конструкции, устойчивые к динамическим нагрузкам, сравнительно легко, то обеспечить устойчивость к высоким температурам – гораздо более сложная техническая задача.

Традиционно инженеры решали эту проблему двумя способами: придавая космическим аппаратам особую форму, которая помогает защитить от тепловых нагрузок критически важные части конструкции, и используя специальные материалы, способные поглощать тепловую энергию. Космические корабли Apollo и «Союз» погружались в атмосферу плоскими днищами вперед, чтобы те приняли на себя основную тепловую нагрузку до развертывания парашютов. Шаттлы полагались на термозащитные панели, которые абсорбировали тепловую энергию, пока корабль не начинал планирование и не гасил скорость, делая несколько широких виражей. Это инженерное решение не было идеальным – стоимость восстановления челноков после полетов оказалась гораздо выше, чем ожидалось, а катастрофа Columbia наглядно продемонстрировала, насколько уязвимо это теплозащитное покрытие.

Конкуренты SpaceX ожидали, что самонадеянный выскочка пройдется по тем же граблям. «Главный инженер одного из ведущих поставщиков запусков – не буду называть его имени – безапелляционно сказал мне: “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, помимо парашютов и теплозащиты, имелся и третий способ – по крайней мере теоретический. Он назывался «торможение двигателями» и состоял в том, что ракета возвращается на землю на подушке из горячего газа, создаваемой ее тормозными двигателями. Классическая картинка из научно-фантастических романов и фильмов: ракета, приземляющаяся на другую планету двигателями вниз. Эту технологию применили на посадочном лунном модуле Apollo, но ее использование в более плотной земной атмосфере было сопряжено с более высокими рисками. Большим плюсом представлялось то, что возвращение в атмосферу с контролируемым торможением двигателями устраняло необходимость в дорогостоящем теплозащитном покрытии. К тому же SpaceX нужно было в любом случае овладеть этой технологией, если Маск хотел претворить в жизнь свою главную цель – колонизировать Марс.

«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 ровнехонько рядом друг с другом, 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 Гольдберга»: капсула с огромным теплозащитным экраном вошла в атмосферу и погасила скорость с помощью парашюта, 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 может себя повести аппарат, двигаясь на большой высоте на сверхзвуковой скорости. После того как команда SpaceX начала возвращать Falcon 9 на сверхзвуковой скорости в земную атмосферу, она поделилась своим опытом с учеными НАСА, которые планировали новые миссии на Марс и очень нуждались в таких данных.

«Не было никаких оснований предполагать, что приземление на двигателях не сработает. Но и уверенности в том, что оно сработает, тоже совершенно 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, потому что она предлагала молодому поколению инженеров возможность реализовать свои самые дерзкие идеи. В SpaceX его работа состояла в том, чтобы научить Falcon 9 возвращаться на Землю.

В том же году Блэкмор начал 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 во время последнего испытательного полета он поднялся на высоту более 700 м. В 2014 году инженеры SpaceX перешли к отработке вертикальной посадки на версии v.1.1, которая представляла собой полномасштабную удлиненную первую ступень Falcon 9, оснащенную четырьмя откидывающимися посадочными ногами. Прототип поднимался на высоту более 1 км, смещался в сторону, после чего аккуратно возвращался на посадочную площадку. Во время одного из испытаний у него загорелись посадочные ноги, в результате чего взору случайных эсхатологов предстала поистине библейская картина рассекающего небо пламенного меча. Во время другого испытания из-за сбоя одного из датчиков ракета отклонилась от курса, и ее пришлось автоматически уничтожить в воздухе, чтобы предотвратить выход 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 – получить ценные знания о том, как с помощью регулировки работы двигателей задать ракете нужное положение в пространстве и скорость в зависимости от окружающих условий. Инженеры адаптировали сложное математическое ПО, разработанное учеными из Стэнфордского университета, которое научило бортовую систему управления полетом прокладывать траекторию возвращения с минимальной погрешностью – настолько малой, чтобы гарантировать мягкую посадку в пределах 20-метрового круга.

Однако все это очень сильно отличалось от реальных условий, которым подвергается ракета при возвращении из космоса в земную атмосферу. Инженерам требовалось намного больше данных – которые прагматичная команда SpaceX начала 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. Хотя ракета потеряла управление и рухнула в Тихий океан, инженеры получили много ценной информации о тонкостях управления летательным аппаратом в форме металлической сигары.

Открытый океан хорош тем, что в него можно безопасно ронять ракеты из космоса. Но SpaceX выбрала его для отработки вертикальной посадки не только из соображений безопасности. Скрупулезные расчеты показали, что, хотя идеальным вариантом было бы сажать ракету-носитель неподалеку от места запуска, физика космических полетов не всегда позволяет это делать. Ракеты взлетают в космос не вертикально вверх, 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 является более прибыльным бизнесом – 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, попытавшуюся 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 его компания делает что-то по-настоящему уникальное. Но в Blue Origin обожали патенты.

Одним из наглядных свидетельств того, что в 2010 году Blue Origin решила выйти из подполья на публичную сцену, стал поток патентных заявок, в том числе на компоненты для многоразовых ракет: поворотные сопла, технологии облегчения конструкции, системы управления, посадочное оборудование. Многоразовые ракеты были в равной степени важны как для Маска, который собирался использовать их для колонизации Марса, так и для Безоса, планировавшего 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 с последующим вертикальным приземлением с использованием посадочных двигателей на плавучую платформу. Именно это и собирался сделать Маск. Юристов SpaceX беспокоило то, что даже если он реализует эту технологию раньше Blue Origin – что было весьма вероятным, – то может столкнуться с правовыми проблемами. Чтобы предотвратить это, SpaceX опротестовала патент в суде и с помощью краткого экскурса в историю доказала, что идея возникла еще до появления Blue Origin или SpaceX. В частности, она была подробно описана в 1998 году японским инженером Ёсиюки Исидзимой.

В очередном столкновении между ракетными миллиардерами победу снова одержал Маск. В начале 2015 года судьи рассмотрели претензию SpaceX и пришли к выводу, что бо́льшая 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. Хотя это повлекло за собой отклонение ходатайства, по сути, победа была за SpaceX: «неопределенный» патент не составило бы сложности оспорить в федеральном суде, что обеспечивало SpaceX защиту от будущих споров с Blue Origin. Теперь дело оставалось за малым – претворить эту идею в жизнь.

На протяжении всего 2014 года инженеры SpaceX оттачивали искусство вертикальной посадки на воду. В ходе нескольких коммерческих миссий первая ступень после отделения второй с полезным грузом возвращалась обратно в атмосферу, достигала расчетной точки над океаном, мягко снижалась, разворачивала четыре посадочные ноги и, израсходовав топливо, падала в воду. В начале 2015 года компания добавила две новые технологии. Одной из них были решетчатые рули – четыре титановые решетки площадью в половину квадратного метра, установленные по бокам ракеты. Первоначально разработанные для военных МБР, они обеспечивали ракете маневренность за счет использования встречного потока воздуха.

Второй были два автономных беспилотных корабля-космопорта – огромные баржи, которые могли функционировать без человеческого экипажа и должны были служить плавающими посадочными площадками для ракет. Компания разместила по одной барже в двух океанах – одну 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 были взяты из любимого научно-фантастического романа Маска, в котором повествуется о звездных путешествиях космических аппаратов с искусственным сверхинтеллектом.

В ходе пятой миссии к МКС, которая была выполнена 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, отрикошетила и взорвалась над водой. В апреле после очередной успешной миссии ракета достаточно мягко приземлилась на платформу, но из-за залипания дроссельного клапана один из двигателей отключился слишком поздно – нерасчетный импульс привел к опрокидыванию ракеты и ее взрыву. В своем посте в Twitter Маск назвал результат посадки «быстрой незапланированной разборкой» (БНР) – это классический эвфемизм ракетостроителей для обозначения взрыва.

Видеоролики с эпичными взрывами пытающихся приземлиться на морской платформе ракет пользовались огромной популярностью среди фанатов SpaceX. Решение компании транслировать свои запуски в прямом эфире было очень необычным для аэрокосмической отрасли. Кроме того, в качестве комментаторов в них выступали настоящие инженеры, которые подробно объясняли каждую операцию. Это была эффективная стратегия взаимодействия с общественностью, которая позволяла наглядно продемонстрировать всему миру, как компания раздвигает границы возможного, пусть даже это давало недоброжелателям хорошие поводы для злословия.

Blue Origin придерживалась противоположного подхода к публичности, предпочитая испытывать свои ракеты в обстановке полной секретности. В апреле 2015 года, через несколько недель после падения ракеты SpaceX в океан, команда Безоса наконец-то получила результаты, достойные того, чтобы ими поделиться. Компания сообщила, что впервые осуществила успешный запуск ракеты New Shepard, над которой фактически работала с 2003 года. Короткая 15-метровая ракета с нарисованным на ней огромным пером и логотипом Blue Origin поднялась на высоту почти 100 км и отправила пустую капсулу по баллистической траектории к границе космоса, после чего капсула развернула три парашюта и безопасно приземлилась в пустыне, а ракета рухнула на землю.

Безос, который наблюдал за запуском из центра управления полетами, заявил на сайте компании, что это испытание можно было бы назвать безупречным – если бы они строили одноразовую ракету. «Мы не сумели вернуть двигательный модуль из-за потери давления в гидравлической системе в ходе спуска», – написал он, что было просто корректным способом сказать, что они уронили New Shepard на землю. Похожие причины неудачных посадок Falcon 9 и New Shepard свидетельствовали о том, что участники космической гонки движутся близкими курсами – и дышат друг другу в затылок.

Тем не менее разница в масштабности подходов была очевидна. Безусловно, New Shepard представляла собой чудо техники, но по мощности она уступала даже Falcon 1, которую SpaceX запускала еще семь лет назад, и не имела второй ступени для выведения полезного груза на орбиту. New Shepard достигала в полете трехкратной скорости звука; Falcon 9 – шестикратной и больше. «Настоящий полет в космос – это когда для возвращения вам тоже нужна ракета», – заметил в одном интервью историк освоения космоса Дэвид Вудс. Ракета Blue Origin не испытывала тех колоссальных нагрузок, которым подвергалась более массивная и мощная ракета SpaceX с 1 млн фунтов тяговой силы, проталкивавшей ее через атмосферу. По всем параметрам New Shepard была гораздо более скромным техническим достижением, чем Falcon. Возможно, именно по этой причине Безос не преминул подчеркнуть, что его команда собирается использовать наработанный благодаря New Shepard опыт для создания следующей ракеты с более мощными двигателями, которые компания в настоящее время разрабатывает для United Launch Alliance.

Но разница в масштабности подходов SpaceX и Blue Origin отчасти была преднамеренной и весьма показательной. В отличие от Маска, Безос не хотел связывать будущее своей компании с обслуживанием уже существующих рынков, таких как выведение спутников. Благодаря огромному богатству своего основателя Blue Origin могла нацелиться на создание совершенно нового рынка – космического туризма. В 2015 году компания начала рекламную рассылку, предлагая заинтересованным подписчикам получить «опыт космических полетов». New Shepard идеально подходила для этой цели: небольшая ракета, способная доставлять на суборбитальную высоту пассажирскую капсулу, треть поверхности которой будет покрыта огромными иллюминаторами, – идея вполне в духе неустанной сосредоточенности на клиентах, которой Безос требовал в Amazon. Чтобы начать освоение нового рынка, Blue Origin не хватало двух вещей: сделать ракету многоразовой, чтобы снизить цену билетов до приемлемого уровня, и безупречно надежной, чтобы убедить людей отправиться на ней в космос. А космические полеты, как показали последние события, были весьма взрывоопасным делом.