Часть моей серии статей об опровержении заблуждений в космической журналистике.

В моем предыдущем посте серии «Непопулярные мнения о космосе» я писал, что, несмотря на дороговизну, разработка более крупной ракеты часто в итоге оказывается более дешевым и простым решением многих серьёзных задач при освоении космоса. Тут я развиваю эту тему, пытаясь оценить конструкционные ограничения при проектировании космических станций.

C 1960-х люди запустили 16 космических станций, из которых 10 были достаточно работоспособными и существовали достаточно долго, чтобы принять хотя бы один экипаж. После отмены лунной ракеты Н-1 Советский Союз разработал и запустил серию космических станций для гражданских и военных целей, используя свою ракету‑носитель среднего класса «Протон». Эти станции весили примерно по 20 тонн и имели герметичный объем около 100 м3, что сопоставимо с размером средней (американской — прим. пер) гостиной.

В конце 1970-х «Салют-6» и «Салют-7» стали первыми станциями модульной конструкции, при которой несколько частей станции запускаются отдельно и собираются уже на орбите. Дополнительные модули позволяли складировать больше еды, воды и кислорода, позволяя увеличить продолжительность миссий. За «Салютом-7» последовал «Мир», который был построен за четыре запуска в течение четырех лет (1986–1990). Примерно через 10 лет в рамках программы «Шаттл‑Мир», были добавлены три дополнительных небольших модуля, и к моменту свода «Мира» с орбиты в 2001 в его 350 кубометрах герметичного объема побывали 125 астронавтов и космонавтов.

Сопоставимой по размеру и стоимости (~$2 млрд) была станция «Скайлэб», запущенная на последней ракете «Сатурн-5» в 1973 году. Поскольку «Сатурн-5» был значительно мощнее «Протона», «Скайлэб» был запущен за один пуск; за время службы станция приняла 3 экипажа с суммарной продолжительностью работы в 171 день.

В 1980-е на сцену вышел «Шаттл» с его огромным грузовым отсеком и многоразовостью, который в числе прочего предназначался для строительства космической станции «Фридом». Но к тому времени, когда наследник «Фридома», Международная космическая станция (МКС), получила финансирование, проект «Шаттл» уже близился к концу. Кроме того, к 1998 году стало совершенно очевидно, что «Шаттл» никогда не приблизится к изначально запланированной частоте полётов и стоимости (изначально планировалось по 50 пусков в год с себестоимостью на уровне $100 за килограмм нагрузки). Реальные цифры оказались ближе к $60 тыс за кг при максимум четырёх пусках в год.

В итоге МКС была построена за 33 специализированных запуска в течение 13 лет, со стоимостью более $150 млрд, и обеспечила чуть более 900 м3 герметичного объема, из которых около 350 не было занято оборудованием. То есть, за почти 100-кратные затраты денег и 20-кратные — времени, МКС предлагает всего в 2,5 раза больший объём, чем разработанный ещё в 1960-х «Скайлэб». Это непохоже на прогресс.

Почему так получается? Модульные космические станции — это довольно элегантное решение сложной проблемы. Как построить станцию больших размеров, чем может вывести имеющаяся ракета? Просто разнести компоненты по модулям, создать набор общих интерфейсов и собрать всё вместе, как LEGO.

Но опыт МКС показывает, что эта модульность в реальности быстро достигает границ масштабирования, или не масштабируется вовсе. Например, «Сатурн-5» можно было бы построить заново за 1/20 стоимости МКС и за 1/4 времени на постройку станции, а 4 состыкованных вместе «Скайлэба» дали бы намного больше герметичного объёма. Или более современный пример: SpaceX Starship (находящийся в разработке) имеет более 2400 кубометров внутреннего объема (включая баки), и ориентировочную стоимость запуска всего $5 млн (тут Кейси упускает стоимость постройки самого корабля — прим. пер.).

Конечно, объём в 900 м3 это не какая‑то магическая цифра. Просто это предельная вместимость станции, запускаемой на «Шаттлах». Если бы у проектировщиков МКС был доступ к Starship, мы могли бы получить огромный «Стэнфордский тор» с искусственной гравитацией. Вполне возможно, хотя и маловероятно, что при превышении определенного размера космические станции волшебным образом становятся в целом прибыльными.

Или вот другая крайность, Rocketlab Electron — отличная ракета, но если бы Новая Зеландия захотела свою собственную космическую станцию, я очень сомневаюсь, что они пытались бы собрать её из тысячи кусочков по 200 кг!

Если требуется новая станция определенной массы, то проектирование хорошо бы начать с инвентаризации доступных ракет‑носителей, способных выводить много массы на орбиту ежегодно. Интересно: хотя каждый год происходит больше запусков лёгких полезных нагрузок (до ~5Т), этот пик смещается вверх (до ~20Т) при нормализации по общей массе (это было верно для 2019, но сейчас Falcon-9 всех обходит и по числу пусков тоже — прим. пер.). Дальше логично взять массу модуля на пределе самой мощной доступной ракеты‑носителя, на сегодня таковой (для Запада — прим. пер.) является Falcon Heavy. Но если станции требуется более четырех таких модулей, то, вероятно, будет экономичнее по времени и деньгам разработать новую ракету!

Конечно, у модулей есть свои плюсы. Их разработку и производство можно распределять между несколькими подрядчиками, позволяя в некоторой степени параллелизовать эти процессы. Модули легче транспортировать, и с ними можно на 100% использовать все преимущества существующих ракет‑носителей. Строить огромные новые пусковые системы увлекательно, но если их не запускать регулярно, знания по их производству и эксплуатации будут деградировать со временем.

С другой стороны, у модулей также есть и ряд недостатков. Механически модули соединяются между собой стыковочными адаптерами — тяжелыми двойными затворами, которые по факту используются только один раз, а после этого оказываются точками концентрации напряжения при движении станции. А далее усталость металла конструкций модулей МКС определяет предел долговечности станции. Оказывается, даже занятия астронавтов на тренажёрах вызывают достаточно сильную вибрацию, которая со временем приводит к появлению усталостных трещин.

Преимущества по графику в реальности оказываются не так уж и велики. Все модульные станции в истории строились со средним темпом не более одного основного компонента в год. Если целью программы станции является бесконечное строительство, то это ок, но если нам нужно ввести в эксплуатацию какой‑то четко определенный проект, то меньшее количество модулей позволит программе завершиться быстрее. В теории возможно массовое производство идентичных модулей, но станции обычно проектируются не просто для максимизации внутреннего объема: каждый модуль имеет уникальное назначение и содержит много специального оборудования. При этом, проектировщик должен убедиться, что никакое из этого оборудования не повредит работе других систем, в т.ч. в других модулях, в т.ч. которые еще не построены; также ничто из оборудования не должно ломаться, поскольку запуск блоков для замены космически дорог. Все эти факторы увеличивают затраты и замедляют темпы производства.

Но у модулей есть также и принципиальный недостаток. В теории модули существуют сами по себе, как кубики LEGO, и могут быть переконфигурированы огромным числом способов. Но на практике это тщательно спроектированные агрегаты с перекрывающимися наборами требований. В результате каждый дополнительный модуль увеличивает сложность системных взаимодействий и снижает универсальность комплекса в целом.

Этот аспект тесно связанных сложных систем хорошо известен проектировщикам атомных электростанций или больших реактивных самолетов. Вкратце: в тесно связанных сложных системах сбои могут возникать и распространяться слишком быстро, чтобы операторы‑люди могли их обнаружить, понять и компенсировать, что значительно увеличивает риск катастрофы. МКС из‑за большого количества модулей проблематична на архитектурном уровне, и никакое тщательное проектирование и избыточность не могут полностью решить эту проблему.

Существует и другая принципиальная проблема. Закон Конвея гласит: системы всегда отражают структуру коммуникаций организации, которая их проектирует. При разделении космической станции на множество различных частей оказывается, что множество необходимых интерфейсов создают новые барьеры для коммуникации, увеличивая сложность и стоимость интеграции. Относительно немногие подсистемы или процессы можно чётко ограничить одним модулем, поэтому на практике все сложные системы, такие как жизнеобеспечение или энергоснабжение, должны либо дублироваться, либо распределяться между несколькими модулями, что резко увеличивает число потенциальных проблем и усложняет анализ.

По отдельности небольшие конструкционные компромиссы не являются большой проблемой. Однако в совокупности они подвергают и так перегруженную систему неоправданной функциональной деградации. Доставка грузов на орбиту и поддержание их работоспособности и так уже достаточно сложны!

Вот почему, я думаю, МКС производит меньше человеко‑часов (в месяц) исследований, чем выдавали «Скайлэб» или «Салют», несмотря на то, что нынешняя станция весит в 20 раз больше и имеет почти в 10 раз больший внутренний объем. Из 6 астронавтов, летающих на МКС, в любой момент времени, около 5,5 заняты обслуживанием станции.

Строительство космической станции — это лишь одна из областей, где создание более крупной ракеты является самым дешевым и быстрым решением. Действительно, даже разработка SLS оказывается более дешевой и быстрой, чем строительство МКС.

Что касается целей NASA по исследованию человеком Луны или Марса: мне не ясно, может ли космическая станция ответить тут на какие‑либо важные вопросы. Была бы станция, построенная на Луне или Марсе, лучше расположена для исследований? Определенно! Помогла бы еще одна станция, построенная на низкой околоземной орбите за огромные деньги, добраться до Луны? В прошлый раз NASA как‑то без неё обошлось!

Этот блог не место для пересмотра архитектурных решений МКС, которые были приняты задолго до моего рождения. Идея модульной конструкции, очевидно, была достаточно убедительной, чтобы попробовать. Реальный вопрос в 2019 году заключается в том, извлечем ли мы уроки из наших ошибок. Будут ли наши будущие космические станции более чётко сфокусированными машинами, спроектированными для выполнения четко определенной миссии?

Вся конструкция космической станции должна отражать цель её создания. Нам не нужно перестраивать МКС с нуля, чтобы заново осознать вред неуместной модульности.