Одна из главных загадок программы Artemis⁠⁠

Количество дозаправок орбитального топливного хранилища для запуска посадочного корабля Starship HLS на Луну - остаётся одной из главных загадок программы Artemis. Космический журналист Стивен Кларк попытался разобраться в хитросплетениях подходов к их оценкам от SpaceX и NASA

В зависимости от того, кого вы спрашиваете, SpaceX, возможно, потребуется запустить с дюжину или более танкеров, чтобы заполнить орбитальное топливное хранилище жидким метаном и кислородом, а после этого заправить корабль Starship HLS, чтобы отправить его с низкой околоземной орбиты к Луне.

Накануне второго испытательного полёта Starship, Лиза Уотсон-Морган, руководитель программы по высадке астронавтов на Луну от NASA, заявила:

"Нам бы хотелось, чтобы второй испытательный полёт Starship прошёл идеально, но, честно говоря, даже если этого не произойдёт, это всё равно будет отличником новых данных, он даст нам прогресс в графике лётных испытаний, и тогда мы будем знать, какими областями подготовки нам нужно заняться более серьёзно".

Несмотря на различия в подходах NASA - бюрократического и консервативного правительственного агентства, и SpaceX - быстро развивающейся компании, которая любит разрабатывать, уничтожать, а затем снова запускать свои прототипы, они связаны друг с другом лунной программой Artemis:

"Starship, который мы сейчас испытываем, не похож на Starship HLS, который будет у нас в конечном итоге. Это лишь его ранняя итерация", — сказала Уотсон-Морган.

У SpaceX есть своя дорожная карта по быстрой модернизации корабля Starship, внедрению новых технологий и возможностей в ходе серии испытательных полётов, которые будут происходить в этом и следующем году. Инженеры NASA следят за всеми этапами разработки программы Starship, в которую сейчас входят модифицированная стартовая площадка, совместная работа 33-х двигателей Raptor на ускорителе SH и 6-и на корабле Starship, лётное программное обеспечение, навигация и контроль полёта, а также технология горячей расстыковки ступеней:

"Мы получаем представление обо всех инженерных решениях, на основе которых мы можем видеть развитие системы Starship. Мы ожидаем (ред. - это было сказано до полёта IFT-2), что двигатели Raptor справятся с этим испытанием лучше, чем с предыдущим. Двигатели, установленные на SH, представляют собой смесь первого и второго поколения Raptor'ов (ред. - вероятно, имеется ввиду Raptor 2 и 2.1), в отличие от более старых двигателей, установленных на SH в прошлом полёте. К моменту создания, на Starship HLS будет использоваться гораздо более позднее поколение Raptor, тем самым корабль будет использовать уже проверенные двигатели для высадки человека на Луну", - заявила Уотсон-Морган.

Но до того, как это произойдёт, есть ряд важных вопросов, на которые предстоит найти ответы.

Вопросы без ответа

Схема запуска корабля Starship HLS к Луне выглядит следующим образом: SpaceX запускают орбитальное топливное хранилище на низкую околоземную орбиту, где оно будет ожидать танкеров с метаном и жидким кислородом. Хранилище израсходует первоначальный запас топлива в 1200 т только для того, чтобы выйти на орбиту. Танкеры Starship будут способны перевозить 150 т или более на низкую околоземную орбиту, состыковываться с хранилищем, перекачивать топливо и постепенно заполнять его (этот процесс будет длиться от нескольких недель до нескольких месяцев). После этого SpaceX запустят корабль Starship HLS без людей на борту. Он состыкуется с орбитальным хранилищем, дозаправится и отправится к Луне. Звучит просто, но в этой схеме всё ещё хватает множества неизвестных.

Могут ли два корабля Starship безопасно состыковаться для дозаправки на орбите?

Ответ на этот вопрос, вероятно, да. SpaceX имеют большой опыт использования этой технологии при стыковке своих космических кораблей Dragon с МКС.

Сколько криогенного метана и жидкого кислорода выкипит на орбите?

Ответ на этот вопрос не так просто узнать, пока SpaceX не соберут данные о поведении этих жидкостей на орбите после недельного или даже месячного пребывания в космосе. В течение этого времени орбитальное топливное хранилище будет подвергаться резким перепадам температуры, поскольку оно будет летать между дневной и ночной стороной Земли. Даже небольшие колебания температуры внутри резервуаров могут привести к выкипанию метана и жидкого кислорода или переходу из жидкости в газ и их потере.

Насколько эффективно SpaceX могут перекачивать топливо в условиях микрогравитации?

Чтобы ответить на эти вопросы, нужны лётные испытания и демонстрации перекачки на орбите: "Инженеры NASA и SpaceX работают рука об руку, чтобы проанализировать такие вещи, как незаполненный объём баков, повреждения резервуара, то, как жидкости должны перетекать с одного корабля на другой, навигацию и управление, чтобы два корабля были надёжно пристыкованы друг к другу и т.п. Такого ещё никогда не проделывалось в подобных масштабах. Наши эксперты проводят независимый анализ, который мы предоставляем SpaceX. Нас очень интересуют данные, которые появятся в следующем году, когда мы ожидаем демонстрацию перекачки топлива между двумя кораблями Starship. Именно тогда мы начнём модернизацию системы Starship, и Starship HLS станет по-настоящему реальным".

Только после этого SpaceX и NASA смогут узнать ответ на вопрос, как много танкеров понадобится SpaceX для того, чтобы наполнить орбитальное хранилище, заправить посадочный лендер Starship HLS и отправить его на Луну.

4-8-16-20

"У нас есть некоторые идеи на этот счёт, но я не хочу говорить о точных цифрах, потому что SpaceX всё ещё разрабатывают систему Starship. Нам нужно провести демонстрацию перекачки топлива на орбите в следующем году, и это поможет ответить на этот вопрос. После этого мы сможем увидеть, как много топлива теряется, сколько времени потребуется для перекачки и т.п.", - сказала Уотсон-Морган.

Она также предположила, что диапазон количества запусков танкеров Starship для отправки Starship HLS к Луне может варьироваться от "высоких однозначных до низких двузначных цифр".

SpaceX также рассматривают возможность удлинения топливных баков Starship, это может помочь сократить количество запусков танкеров к орбитальному хранилищу. Илон Маск заявил, что переход на технологию горячей расстыковки ступеней также увеличит полезную нагрузку корабля. Однако Уотсон-Морган заявила, что не всё из этого повлияет на программу HLS:

"Наш анализ и прогнозы показывают, что горячая расстыковка не должна повлиять на количество танкеров или нашу концепцию операций в рамках Starship HLS".

Заместитель помощника директора программ NASA по Луне и Марсу, Лакиша Хокинс, заявила о другом предполагаемом количестве танкеров, на заседании комитета Консультативного совета NASA по исследованиям и пилотируемым космическим полётам, она предположила, что SpaceX потребуется количество полётов, равное "старшему подростковому возрасту", причем эти миссии будут поочередно стартовать с площадок компании в Техасе и Флориде примерно раз в шесть дней.

(ред. - В СМИ можно встретить информацию о 20 полётах, однако ни Хокинс, ни Уотсон-Морган не озвучивали конкретные числа необходимых запусков танкеров).

За всё время, лишь в отчёте Счётной палаты (GAO) от 2021 года называлось число в 16 полётов. Тогда же Илон Маск написал на это, что такое большое число маловероятно. Он предположил, что необходимо "максимум 8 полётов танкеров, а возможно, и 4".

"Всё зависит от удлинения размера баков танкера, а также от того, как долго им придётся находиться в космосе. Чтобы иметь возможность соблюдать требуемый график, будет необходимо быстро запускать танкеры. Это сложный и ответственный подход. Сейчас мы сосредотачиваемся на том, чтобы выйти на орбиту и осуществить демонстрационную перекачку криогенных жидкостей на орбите, что будет потрясающим инженерным достижением. В зависимости от того, как всё пройдёт, мы определим наши дальнейшие шаги. SpaceX и NASA планируют запустить Starship HLS на Луну для беспилотной демонстрации посадки, прежде чем взять на себя обязательство по использованию его для высадки экипажа на Луну в рамках миссии Artemis III", - заявила чиновник агентства.

Сроки

На данный момент запуск облётной пилотируемой миссии Artemis II запланирован на конец 2024 года или, что более вероятно, 2025 год. Artemis III всё ещё запланирована на конец 2025 года, но несомненно, эта дата будет отложена, вероятно, на несколько лет (ред. - согласно новому отчёту Счётной палаты, высадка возможна только в 2027 году. Космический журналист Эрик Бергер называет 2028 год).

Готовность Starship HLS является одним из основных факторов, определяющих дату полёта миссии Artemis III, но есть и другие проблемы. Компания Axiom Space разрабатывает новые скафандры для астронавтов, а космический корабль Orion впервые полетит со стыковочным портом. Хотя ракета SLS уже совершила свой первый полёт, производитель её первой ступени, компания Boeing, не доказала, что может поставить её NASA вовремя:

"Да, посадочный модуль очень важен для программы. Без этого мы никуда не полетим. Но мы также никуда не отправимся без скафандров", — сказал Джим Фри, заместитель директора NASA и куратор программы Starship HLS.

(Интересно, что NASA не очень хочет останавливаться и на ещё одном интересном аспекте, что, как только Starship HLS достигнет лунной орбиты, ему придется ждать прибытия астронавтов, летящих с Земли на ракете SLS и корабле Orion, которая известна своими многочисленными переносами не меньше ракет SpaceX).

Для многих показалось странным, что NASA в мае этого года, после череды судебных тяжб всё-таки поручили Blue Origin разработку второго посадочного лендера для будущих "устойчивых" миссий программы Artemis. На SpaceX это никак не влияет , компания уже имеет контракты на миссии Artemis III и Artemis IV, а Blue Origin теперь на Artemis V. При этом две компании могут конкурировать за контракты на последующие миссии Artemis. Иронично, что концепция Blue Origin также требует нескольких запусков для доставки посадочного модуля на Луну и дозаправки его топливом на орбите, хотя и не так много, как более крупного корабля Starship HLS (ред. - Blue Origin после этого даже убрали с сайта схему с хейтом количества дозаправок Starship...).

Может показаться, что в таком странном шаге NASA нет необходимости, учитывая, что NASA в своё время запустило лунный посадочный модуль Apollo на той же ракете Saturn V, что и командный модуль с экипажем, однако агентство знает свои слабые стороны. И главная из них - SLS, одноразовая ракета, которая имеет крайне высокую стоимость и при этом сможет отправить на Луну почти столько же полезной нагрузки, сколько и Saturn V. Только производство одной ракеты SLS Block 1B, дебют которой запланирован на конец 2020-х годов, будет стоить не менее $2,5 млрд (ред - а стоимость каждой миссии может доходить до $6 млрд). Полагаться на эту ракету и дальше в рамках лунной программы - значит нанести ущерб всей программе NASA по исследованию космоса.

Лунный модуль Apollo ни разу не оставался на лунной поверхности с экипажем более трёх суток. Ожидается, что в рамках миссии Artemis III Starship HLS пробудет на Луне шесть с половиной дней, в последующих миссиях эта продолжительность будет расти. Чтобы сделать больше, чем просто повторить программу Apollo, NASA и его подрядчикам необходимы новые подходы к подобным миссиям:

"Это не будет Apollo 2.0. Мы стремимся двигаться настолько быстро, насколько это возможно, но мы также создаём новую экосистему для Луны, и, следовательно, не только имеем более сложный подход к самой высадке, но и ко всем элементам программы. Мы определенно стараемся не проявлять близорукости в этом вопросе", - уверяет агентство.

Общая же стратегия NASA по-прежнему направлена на отправку людей на Марс. Миссии на Луну — это своего рода "закуска", дающая возможность попрактиковаться и развить новые технологии. Однако планы NASA на Марс ещё более туманны, чем на Луну. Тем не менее, агентство рассматривает лунные миссии всего лишь ступенькой для будущих миссий человечества на Марс (ред. - и это, пожалуй, одна из немногих идей, в чём NASA похожи со SpaceX).

What NASA wants to see from SpaceX’s second Starship test flight by Stephen Clark for Ars Technica

Перевод