Когда машина уходит в музей

История Space Shuttle о том, почему цивилизация может сохранить чертежи, двигатель и даже сам корабль, но потерять дорогу к его созданию

21 июля 2011 года во Флориде ещё не рассвело, когда «Атлантис» вышел к посадочной полосе Космического центра Кеннеди. Он возвращался после тринадцатидневного полёта STS-135, последней миссии программы Space Shuttle.

На этом участке полёта шаттл уже мало походил на ракету. После схода с орбиты он входил в атмосферу и дальше летел как тяжёлый планер, расходуя запас высоты и скорости. Маршевые двигатели здесь помочь уже не могли, а топлива и возможности для обычного ухода на второй круг у корабля не было. Посадку требовалось выполнить с первого захода.

Основные стойки шасси коснулись полосы 15, затем опустилось носовое колесо. В 5 часов 57 минут утра «Атлантис» остановился. Из центра управления пришло короткое подтверждение: Wheels stop.

В этой фразе не было никакой торжественности. Обычная команда, которую слышали после посадок шаттлов десятилетиями. Только на этот раз следующего полёта уже не планировалось.

«Атлантис» завершил тридцать третью миссию. Программа Space Shuttle, начавшаяся полётом «Колумбии» в 1981 году, закончилась после 135 запусков.

Через некоторое время корабль отбуксировали с полосы в ангар, где прежде шаттлы готовили к новым миссиям. Теперь его готовили уже к другой дороге.

Сегодня «Атлантис» стоит в музейном комплексе Космического центра Кеннеди. От программы Shuttle осталось на удивление много. Сохранились сами орбитальные корабли, двигатели, техническая документация, результаты испытаний, программные материалы, чертежи и тысячи отчётов. Живы многие инженеры, техники и астронавты, которые работали с этой системой.

Поэтому говорить, что Америка «забыла, как строить шаттлы», неверно. Устройство корабля известно прекрасно. Физические принципы никуда не исчезли, архивы тоже.

И всё же построить сегодня ещё один Space Shuttle по старой документации так, как строили их сорок лет назад, уже не получится. Чтобы понять почему, надо посмотреть не только на корабль, но и на всё, что требовалось для одного его полёта.

Корабль размером со страну

Космический корабль удобно воспринимать как отдельную машину. На фотографии всё именно так и выглядит: чёрный нос, белый фюзеляж, треугольное крыло, огромный оранжевый бак за спиной. Кажется, что Space Shuttle и есть этот орбитальный самолёт, стоящий сегодня в музее.

В действительности шаттл существовал только как часть огромной системы. Во время старта три маршевых двигателя орбитера, SSME, работали на жидком водороде и кислороде из внешнего бака. Два твердотопливных ускорителя давали основную тягу в первые минуты полёта, затем отделялись и падали в Атлантику, откуда их поднимали суда, разбирали, проверяли и готовили к следующему использованию. Внешний бак после отделения входил в атмосферу и разрушался. На Землю возвращался только орбитер.

Однако и это описание охватывает лишь ту часть программы, которую можно увидеть на стартовой фотографии. За каждым полётом стояла промышленная инфраструктура размером с небольшой город. В Vehicle Assembly Building собирали ракетно-космическую систему. Огромный гусеничный транспортёр медленно вёз её к стартовой площадке. В Новом Орлеане производили внешние баки. В других штатах изготавливали и обслуживали твердотопливные ускорители, двигатели, клапаны, электронику, герметики, теплозащитные материалы и тысячи менее заметных деталей, отсутствие одной из которых вполне способно оставить многомиллиардный корабль на земле.

После возвращения начиналась подготовка к следующему полёту: проверяли двигатели, осматривали теплозащиту, обслуживали узлы, разбирали телеметрию. Для этого требовались собственная инфраструктура и тысячи специалистов.

Space Shuttle был не столько отдельным кораблём, сколько вершиной производственной системы, растянутой по всей стране.

Именно здесь и возникает популярный миф о «потерянных чертежах».

Чертёж — это ещё не производство

Утверждение, что NASA потеряла чертежи шаттла, звучит эффектно и к реальности отношения почти не имеет. 

Проблема начинается в тот момент, когда вместо изучения документации возникает задача построить новый корабль.

Последний внешний бак, предназначенный для полёта, ET-138 покинул сборочную линию предприятия Michoud летом 2010 года. После завершения Shuttle эта производственная программа закончилась. Одни поставщики сменили профиль, другие исчезли, оборудование использовали для новых проектов, часть оснастки демонтировали. Люди, десятилетиями занимавшиеся шаттлами, разошлись по другим программам, вышли на пенсию или покинули отрасль.

Если сегодня поставить задачу изготовить ещё один «Атлантис», старые чертежи станут лишь отправной точкой. Придётся выяснять, какие материалы и комплектующие всё ещё производятся, искать замену тем, что исчезли с рынка, восстанавливать технологическую оснастку, заново квалифицировать процессы и обучать персонал. Даже точное воспроизведение старой детали потребует доказать, что новый завод, новый станок и новый рабочий изготовляют её с теми же характеристиками.

В сложном производстве часть знания передаётся только через практику. Опытный инженер знает, какой узел после формально завершённой проверки стоит осмотреть ещё раз. Техник по изменившемуся звуку насоса замечает проблему раньше, чем прибор покажет выход параметра за пределы допуска. Такие навыки рождаются из тысяч повторений, ремонтов и ошибок, и полностью перенести их на бумагу почти невозможно. Иногда всё знание о конкретной особенности процесса умещается в одной фразе старшего специалиста: «Вот здесь всегда проверь ещё раз».

Через двадцать лет инструкция останется. Человека, который понимал происхождение этой дополнительной проверки, рядом уже может не оказаться.

Поэтому ещё во время сворачивания Shuttle американские контрольные органы обращали внимание на риск потери поставщиков и инженерных компетенций. NASA приходилось решать, какие навыки и элементы промышленной базы необходимо сохранить для следующих программ.

Построить новый крылатый орбитальный корабль США способны. Но восстановление именно Shuttle потребовало бы заново создавать значительную часть производства и фактически превратилось бы в новую космическую программу.

Двигатель, который пережил собственный корабль

Судьбу технологий Shuttle особенно хорошо видно на примере его маршевого двигателя. Space Shuttle Main Engine, позднее получивший обозначение RS-25, был одним из самых сложных жидкостных ракетных двигателей своего времени. Три таких двигателя стояли в корме каждого орбитера и во время старта получали жидкий водород и кислород из внешнего бака.

Контраст температур внутри этой системы сам по себе даёт представление о задаче конструкторов. Жидкий водород поступал при температуре около минус 253 градусов Цельсия, а температура продуктов сгорания в камере доходила примерно до 3300 градусов. При этом двигатель создавался не для единственного старта. После возвращения орбитера его осматривали, обслуживали и снова готовили к полёту.

Когда программа Shuttle закончилась, двигатели не исчезли вместе с ней. NASA сохранило шестнадцать лётных экземпляров RS-25, и спустя несколько лет именно они стали одним из наиболее заметных технических мостов между старой программой и новой лунной ракетой SLS.

Отсюда и возникло популярное представление, что Space Launch System представляет собой шаттл, разобранный на детали и собранный в другой форме. Основание у этой версии есть, однако реальное наследование устроено сложнее.

На Shuttle работали три RS-25, на центральной ступени SLS их четыре. Первые ракеты действительно получили сохранившиеся двигатели шаттловской эпохи, но использовать их без изменений оказалось невозможно. Изменились нагрузки, режим работы, система управления и расположение самого двигателя в ракетном комплексе. Shuttle возвращал свои SSME на Землю вместе с орбитером, тогда как двигатель SLS заканчивает жизнь вместе с центральной ступенью. Перед первым запуском NASA провело отдельную программу испытаний и адаптации, а вновь производимые RS-25 уже получают изменения конструкции и технологии изготовления.

Похожая история произошла с твердотопливными ускорителями. На Shuttle каждый ускоритель состоял из четырёх основных топливных сегментов, после работы отделялся, спускался на парашютах в океан, а затем его поднимали и возвращали в производственный цикл. У SLS ускоритель стал пятисегментным и одноразовым. Система получила другую авионику, изменённую изоляцию, иной профиль заряда и ряд новых производственных решений.

Даже стартовая инфраструктура показывает тот же принцип. VAB, транспортёры и площадки Космического центра Кеннеди пережили программу Shuttle и получили новые задачи, однако из знакомых элементов сложили уже другую систему.

Поэтому SLS точнее считать не шаттлом, собранным заново, а его технологическим наследником. Она получила RS-25, опыт создания твердотопливных ускорителей и часть наземной инфраструктуры, однако всё это пришлось приспосабливать к другой ракете, другим режимам работы и другим требованиям. Технология Shuttle не исчезла целиком: часть её продолжила жизнь внутри новой системы.

Многоразовость, которая так и не стала авиацией

В начале истории Shuttle обещание выглядело почти очевидным. Если космический аппарат возвращается на Землю, зачем каждый раз строить новый? Орбитер садится на полосу, проходит обслуживание, получает очередной груз и снова отправляется в космос. Именно к такой модели стремились создатели программы: космонавтика должна была хотя бы немного приблизиться к привычной авиационной эксплуатации.

Возвращение корабля действительно удалось сделать обычной частью системы: одни и те же орбитеры десятки раз снова уходили в космос.

А вот с простотой возникли проблемы.

После посадки корабль отправлялся на длительный цикл проверки, ремонта и подготовки к следующему старту. Специалисты осматривали теплозащитные плитки и панели, проверяли маршевые двигатели, гидравлику, авионику, створки грузового отсека, шасси и системы жизнеобеспечения. Изношенные элементы меняли, подозрительные разбирали и исследовали. Твердотопливные ускорители после падения в Атлантику вытаскивали из воды, доставляли обратно, разбирали, очищали и восстанавливали. Внешний бак для каждого старта требовался новый.

Повторно использовались орбитер и твердотопливные ускорители, но перед каждым новым стартом огромная наземная и производственная система снова проходила весь цикл подготовки.

Реальная частота оказалась далека от первоначальных ожиданий: в среднем около четырёх с половиной запусков в год.

С ценой ситуация сложнее. GAO в 2008 году приводило данные NASA: около трёх миллиардов долларов ежегодных расходов программы оставались практически постоянными независимо от числа запусков, тогда как дополнительный отдельный полёт оценивался примерно в 150–200 миллионов. Если же весь бюджет программы распределять между реально состоявшимися стартами, стоимость миссии получается значительно выше. Основные деньги уходили на постоянное содержание инфраструктуры, персонала, заводов, стендов и ремонтных мощностей.

Именно Shuttle очень наглядно показал, что многоразовость и дешевизна — разные инженерные задачи. Вернуть дорогой аппарат на Землю удалось. Добиться того, чтобы между двумя полётами он требовал обслуживания, сравнимого с пассажирским самолётом, оказалось куда сложнее.

Семьдесят три секунды

У этой сложности была и другая цена.

28 января 1986 года «Челленджер» стартовал с мыса Канаверал в необычно холодную для Флориды погоду. Через 73 секунды полёт закончился катастрофой. Погибли семь членов экипажа.

Комиссия Роджерса установила непосредственную техническую причину: разрушение герметизации стыка правого твердотопливного ускорителя. Резиновые уплотнительные кольца O-ring при низкой температуре теряли эластичность и медленнее занимали рабочее положение, а горячие газы получили возможность прорваться наружу.

На этом техническая часть объяснения в сущности заканчивалась. Самая тяжёлая часть отчёта начиналась дальше.

Проблемы с уплотнениями возникали и прежде. Инженеры обнаруживали эрозию колец и следы воздействия горячих газов, обсуждали опасность конструкции, собирали данные. Однако предыдущие полёты завершались успешно, и само отсутствие катастрофы постепенно стало восприниматься как доказательство достаточной надёжности.

Опасное отклонение постепенно становилось привычным: каждый предыдущий успешный полёт снижал ощущение риска следующего. Позднее социолог Дайан Вон назвала этот механизм normalization of deviance — нормализацией отклонения. Термин появился уже в последующем академическом анализе катастрофы, но точно описывает проблему: повторение опасного явления без немедленных последствий постепенно превращает его в допустимую часть эксплуатации.

Через семнадцать лет похожий механизм обнаружили в истории «Колумбии».

Кусок теплоизоляции

16 января 2003 года «Колумбия» стартовала в миссию STS-107. Через 81,7 секунды после отрыва от площадки кусок теплоизоляционной пены внешнего бака ударил в переднюю кромку левого крыла.

Подобные отделения пены встречались раньше, поэтому само событие не привело к немедленному прекращению миссии. «Колумбия» вышла на орбиту, экипаж выполнил программу полёта.

1 февраля корабль начал возвращение.

Повреждение передней кромки крыла открыло путь внутрь конструкции плазме и раскалённым газам во время входа в атмосферу. Температура разрушала алюминиевые элементы крыла, повреждения распространялись, и в конце концов орбитер потерял управление и распался. Семь членов экипажа погибли.

Columbia Accident Investigation Board пришлось исследовать не только повреждение крыла, но и работу самой организации. Комиссия разбирала давление графика, проблемы обмена информацией, ресурсные ограничения и отношения между инженерами и руководством.

Отделения теплоизоляции наблюдались и раньше и постепенно стали восприниматься как неприятная, но знакомая особенность эксплуатации. Предыдущие случаи обходились без катастрофы, поэтому успешный исход снова начал подменять собой доказательство безопасности.

Технические причины Challenger и Columbia были совершенно разными. В одном случае подвело уплотнение ускорителя, в другом повреждение крыла. Общим оказалось отношение к известному отклонению, которое слишком долго сходило системе с рук.

Почему Shuttle всё-таки ушёл

Катастрофы сильно повлияли на судьбу программы, но объяснять ими завершение Shuttle было бы слишком просто.

После гибели «Колумбии» полёты возобновились. Первый новый старт состоялся в июле 2005 года, а затем шаттлы проработали ещё шесть лет. Основной задачей этого периода стало завершение американского сегмента и общей сборки Международной космической станции.

К тому времени роль Shuttle в американской космонавтике изменилась. Машина создавалась как универсальный орбитальный транспорт и действительно успела поработать грузовиком, лабораторией, мастерской и средством сборки МКС. Особенно ярко возможности такой архитектуры показали миссии обслуживания «Хаббла», когда астронавты меняли приборы, электронику и гироскопы телескопа непосредственно на орбите.

Но универсальность имела цену. Для доставки нескольких человек и ограниченного груза требовалось выводить многотонный крылатый корабль с огромным грузовым отсеком, маршевыми двигателями, шасси, аэродинамическими поверхностями и сложной теплозащитой.

К началу XXI века к высокой стоимости и сложности эксплуатации добавились старение флота и последствия двух катастроф. При этом основная задача, оправдывавшая существование такой системы, подходила к завершению: сборка Международной космической станции. В 2004 году американская космическая стратегия закрепила завершение Shuttle после выполнения основных работ на станции. Поэтому STS-135 стал концом не внезапно утраченной технологии, а программы, для которой США больше не собирались содержать прежнюю огромную инфраструктуру.