На этом слайде из презентации Ли Файнберга, инженера Центра космических полётов имени Годдарда НАСА, показаны концепции космического телескопа, помещающегося в объёмах ракеты SpaceX Starship и ракеты Blue Origin New Glenn.

Ведущие американские астрономы сходятся во мнении, что следующая волна великих обсерваторий НАСА должна использовать преимущества новых гигантских ракет, таких как Starship компании SpaceX.

Например, запуск на Starship преемника космического телескопа Джеймса Уэбба может освободить миссию от обременительных ограничений по массе и объёму, которые обычно приводят к увеличению сложности и стоимости, заявила недавно группа из трёх астрономов в Комитете по астрономии и астрофизике Национальной академии наук США.

«Доступность больших возможностей по массе и объёму при меньших затратах расширяет пространство проектирования, — сказал Чарльз Лоуренс, главный научный сотрудник по астрономии и физике Лаборатории реактивного движения НАСА. — Мы хотим воспользоваться этим преимуществом».

Презентация Лоуренса была посвящена влиянию новых больших ракет-носителей на будущие астрономические миссии. Доклад был сделан вместе с Мартином Элвисом, астрономом из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, и Сарой Сигер, астрофизиком и планетологом из Массачусетского технологического института. В начале этого года Лоуренс, Элвис и Сигер стали авторами статьи в журнале Physics Today, посвящённой этой теме.

Способность звездолёта поднимать в космос более 100 тонн при меньшей стоимости килограмма, чем у существующих ракет, изменит всю космическую отрасль. Диаметр звездолёта составляет 9 м (8 м из этого диаметра можно будет использовать для полезной нагрузки), что почти вдвое больше ширины полезного объёма любой существующей ракеты.

Однако астрономы уже всерьёз планируют, что ракеты, подобные Starship или New Glenn компании Blue Origin с чуть меньшим 7-метровым обтекателем, будут использоваться для доставки следующего поколения больших космических телескопов.

Большие телескопы на больших ракетах-носителях

В 2021 году Национальная академия наук США опубликовала проводимый раз в десятилетие обзор основных приоритетов научного сообщества США в области астрономии и астрофизики. В этом обзоре, известном под сокращённым названием Astro2020, группа видных учёных предложила NASA провести большую часть 2020-х годов в разработке технологий и проектов следующей серии «больших обсерваторий», которые последуют за такими аппаратами, как «Хаббл», «Чандра», «Джеймс Уэбб» и Римским космическим телескопом, запуск которого запланирован на 2027 год.

Политика NASA заключается в том, чтобы по возможности следовать рекомендациям научного сообщества. По идее, примерно к концу десятилетия НАСА должно официально приступить к разработке новых телескопов. Первым должен стать крупный телескоп под названием Habitable Worlds Observatory, сопоставимый по размерам с Уэббом, с основным зеркалом диаметром около 6 м и коронографом или звёздной шторкой для подавления звёздного света, что позволит проводить прямые наблюдения планет вокруг других звёзд, или экзопланет. Эта возможность недоступна для Уэбба.

Habitable Worlds Observatory, чувствительная к свету в инфракрасном, видимом и ультрафиолетовом диапазонах волн, должна будет наблюдать за экзопланетами, похожими на Землю, в поисках миров, обладающих свойствами, необходимыми для поддержания жизни. В дальнейшем NASA должно запустить столь же амбициозные телескопы для изучения формирования звёзд, чёрных дыр и галактик в дальнем инфракрасном и рентгеновском диапазонах, рекомендуют учёные в 2021 году.

Обсерватория Habitable Worlds будет меньше, чем 15-метровая обсерватория LUVOIR, показанная на иллюстрации художника.

Эти новые крупные многомиллиардные миссии начнут запускаться не ранее 2040-х годов. «Это запредельные сроки, — пишут Элвис и его коллеги в своей работе, опубликованной в начале этого года. — К моменту запуска даже первой обсерватории новоиспечённому доктору наук останется всего десять лет до выхода на пенсию».

У НАСА нет бюджета, чтобы запустить их раньше, да и телескопы требуют инноваций в оптике, детекторах и материалах, чтобы сделать их осуществимыми.

По мнению учёных, появление новых больших ракет может снять некоторые из этих технологических барьеров. В конечном счёте, это может привести к упрощению конструкции, снижению затрат и, возможно, сокращению времени, необходимого для разработки и строительства следующих великих обсерваторий. Возможно, им не придётся ждать запуска до 2040-х годов. Это важные факторы, поскольку, по первоначальным оценкам Национальной академии наук США, стоимость обсерватории Habitable Worlds составит около $11 млрд.

«Конструкции сильно ограничены ракетами-носителями, объёмом и массой, доступными для вывода на нужную орбиту, а это неизбежно ведёт к усложнению и увеличению стоимости», — сказал Элвис.

По словам Элвиса, инженеры, работающие над предварительными проектами этих новых телескопов, должны в ближайшие несколько лет пересмотреть свои предположения о том, какие ракеты будут доступны для запуска этих миссий в космос.

«Мы предлагаем изучить все три флагмана Astro2020, их полезную нагрузку и космические аппараты в новой парадигме звездолёта или любой другой парадигмы крупной ракеты-носителя, чтобы использовать открывшееся пространство для проектирования, — сказал Элвис на прошлой неделе. — Главный вопрос заключается в том, действительно ли можно добиться значительной экономии средств, о которой мы рассказали, и, как следствие, можно ли ускорить реализацию проекта Astro2020».

Тирания ракеты

Чтобы проиллюстрировать ограничения, накладываемые возможностями ракеты, обратимся к космическому телескопу Джеймса Уэбба. Уэбб должен был поместиться в обтекатель полезной нагрузки ракеты Ariane 5 диаметром около 5 м, которая на момент начала проектирования имела самый большой объём полезной нагрузки среди всех существующих ракет-носителей. Это означало, что 18 отдельных сегментов первичного зеркала телескопа должны были складываться, а для блокировки солнечного тепла и света от телескопа конструкторы разработали пятислойный солнцезащитный козырёк размером с теннисный корт, изготовленный из хлипкой, но эффективной изоляции. Всё это нужно было сложить, чтобы при запуске в 2021 году Уэбб смог уместиться в пределах своей ракеты.

При использовании более крупной ракеты, такой как Starship или New Glenn, будущий телескоп мог бы использовать монолитное зеркало, отбросив необходимость в сегментированных зеркалах. Есть научные аргументы в пользу того, что сегментные зеркала могут быть лучше для некоторых применений, но это ещё не решённый вопрос. Кроме того, вместо сложного раскладывающегося солнцезащитного козырька, который может быть подвержен поломкам, инженеры могли бы прикрутить более крупный жёсткий солнцезащитный козырёк, охватывающий весь телескоп.

Космический телескоп Уэбба в течение нескольких недель разворачивался по принципу оригами, превращаясь из стартовой конфигурации в полностью развёрнутую обсерваторию.

По словам учёных, при запуске на огромной ракете типа Starship зеркала телескопа могут быть толще и тяжелее, а значит, их будет легче изготовить и отполировать. Более тяжёлая ракета позволит конструкторам космических аппаратов установить более крупные солнечные батареи для получения дополнительной энергии. По словам Элвиса, дополнительная мощность позволит использовать на космическом аппарате более дешёвую электронику с большим количеством резервов.

«Один из самых больших уроков, извлечённых из проекта Уэбб, — это важность предварительного и детального понимания ракет, — сказал Ли Фейнберг, менеджер по оптике проекта Уэбб и сопредседатель группы технической оценки Habitable Worlds Observatory. — Одним из ключевых моментов здесь является то, что нам нужна гибкость. До реализации миссии пройдёт ещё лет 20».

И кто знает, какие ракеты вообще будут летать в 2040-х годах? Для запуска космического телескопа Нэнси Роман, который должен состояться через несколько лет, сотрудники НАСА предполагали, что у них будет выбор между несколькими ракетами. Оказалось, что новые ракеты, такие как Vulcan компании United Launch Alliance и New Glenn компании Blue Origin, не были готовы к тому моменту, когда НАСА нужно было выбирать подрядчика для запуска. По умолчанию контракт достался компании SpaceX, которая должна была осуществить запуск на тяжёлой ракете Falcon Heavy.

«Это подчёркивает важность гибкого выбора ракет», — сказал Файнберг, инженер из Центра космических полётов НАСА имени Годдарда. Недавно он встречался с представителями компаний SpaceX и Blue Origin. «Мы считаем, что и New Glenn, и Starship выглядят многообещающе», — сказал он.

Есть и другие новые ракеты. SLS НАСА слишком дорога, чтобы даже рассматривать её. «Обтекатель у новой ракеты Vulcan от ULA незначительно больше, поэтому мы даже не думали о нём», — сказал Элвис.

Станет ли Starship решением проблемы?

Исследования показали, что звездолёт, имея больший диаметр, может вместить в себя различные конструкции телескопов, например, те, которые рассматриваются для обсерватории Habitable Worlds. Starship может запускать обсерваторию с её примерно 6-метровым главным зеркалом в сложенном или развёрнутом виде, на боку или направленным вверх.

«Мы пришли к выводу, что Starship действительно обладает большой гибкостью», — сказал Файнберг на заседании комитета Национальной академии наук на прошлой неделе.

Конечно, Starship и New Glenn ещё не долетели до орбиты, и им ещё предстоит много полётов, чтобы получить право на запуск флагманской миссии НАСА. Но у SpaceX и Blue Origin есть ещё несколько десятилетий, чтобы доказать надёжность своих новых ракет, прежде чем НАСА установит на борт одну из своих новых великих обсерваторий для запуска.

«К тому времени, когда будет запущена наша первая великая обсерватория, Starship, предположительно, будет запущен уже много-много раз и будет иметь послужной список, по которому можно будет судить о нём», — сказал Сигер.

Ракета-носитель Super Heavy и разгонный блок Starship во время второго испытательного полёта новой огромной ракеты компании SpaceX.

Неясно также, какова будет цена запуска Starship или New Glenn в 2030-2040-х годах, но, скорее всего, она составит лишь малую часть от общей стоимости многомиллиардной обсерватории.

Для того чтобы отправить любой из этих телескопов в дальний космос к точке Лагранжа L2, где они будут наблюдать Вселенную вдали от помех с Земли, Starship необходимо будет дозаправить на орбите. По словам Фейнберга, у экспертов NASA по оптике есть вопросы относительно того, может ли процесс дозаправки загрязнить чувствительные зеркала телескопа. Кроме того, телескоп, находящийся на низкой околоземной орбите в ожидании заправки своего транспортного корабля Starship, может подвергаться резким перепадам температур, что может привести к его повреждению.

«Все эти соображения нам предстоит разобрать в ближайшие годы, — сказал Фейнберг. — Когда мы обращаемся к SpaceX за подробностями, то получаем ответ, что они расскажут нам об этом по мере выяснения обстоятельств, но сейчас они не могут рассказать нам об этом. Что касается New Glenn, то это совсем другое дело: то, что они планируют запустить (во время своего первого полёта), потенциально может доставить нас в точку L2, так что они очень близки».

В конечном счёте, если НАСА захочет увеличить размеры своих космических телескопов следующего поколения, то, по словам Файнберга, Starship сможет разместить сложенное зеркало шириной от 10 до 12 м. Для New Glenn верхний предел, вероятно, составляет порядка 8 метров. Большие зеркала увеличивают площадь собирающей поверхности телескопа, что позволяет ему получать более высокое разрешение для наблюдения более мелких и слабых объектов.

«Я думаю, что наша ситуация поменялась, — сказал Элвис. — Эти ракеты-носители действительно меняют то, что мы можем делать в космосе и затраты на эти разработки. Они полностью меняют подход к разработке миссии».