Трансформация космодрома, или Как распахнуть ворота в космос

Космическое будущее надвигается растущей волной запусков. Стартовые площадки становятся тесными для грандиозных планов космических игроков. Чтобы не застрять на Земле в узком месте, необходимо расширить проход в космос – именно так переводится с греческого слово «космодром». Это, однако, требует принципиально нового мышления. Как распахнуть ворота в космос – в нашем материале. Восточный полигон и его имена. На атлантическом побережье Флориды, посередине полуострова, находится самый большой американский космодром. Он расположен большей частью на мысе Канаверал, но привычное название «мыс Канаверал» расплывчато. Начинался космодром с первых пусков в 1950 году как полигон для испытаний баллистических ракет и с тех пор много раз менял название и статус. На нем испытывали ракеты самого разного назначения, которые запускали с полусотни стартовых площадок. Зенитные и метеорологические, крылатые межконтинентальные, ракеты подводных лодок, баллистические разной дальности и базирования. Кроме того, из прилегающей акватории произвели свыше тысячи пусков баллистических ракет с подводных лодок, а воздушное пространство использовали для старта крылатых ракет-носителей. Поэтому космодром и сегодня остается прежде всего Восточным ракетным полигоном (Eastern Range), крупнейшим в США.

Десятки стартовых площадок полигона на мысе Канаверал, протянувшиеся вдоль атлантического побережья Флориды, в 1960х годах получили знаменитое название “ракетный ряд” (Missile Row). Снимок от 13.11.1964. Фото: en.wikipedia.org

С ростом числа космических запусков мыс Канаверал все больше воспринимался как космодром – в том числе с него проводили все американские пилотируемые полеты в космос. В начале 1960-х NASA приобрело территории на соседнем с мысом Канаверал (через речку Банана) острове Меррит, где построили Космический центр имени Кеннеди для космической программы высадки человека на Луну. Стартовыми площадками мыса Канаверал с самого начала управляли военные, они входили в базу ВВС Мыс Канаверал, недавно переименованную в Станцию космических сил Мыс Канаверал.

Космический центр имени Кеннеди остается гражданским объектом NASA, и оба стартовых кластера продолжают входить в Восточный полигон. Количество пусков с него не всегда было самым большим в Америке – наберется не менее десятка лет, в которые первенство по запускам держал Западный полигон на базе ВВС Ванденберг в Калифорнии. В мировом сравнении флоридский космодром занимал обычно второе и третье места по количеству запусков в год после Плесецка и Байконура.

Времена меняются. Последние пять лет космодром занимает первое место в мире по числу пусков в год. При этом в полный рост встала стратегическая задача перевода космодрома в более интенсивный режим, приближающийся к режиму работы аэропорта. Для этого потребуются новые подходы к ограничениям и разрешениям на полеты ракет, новый формат работы космодрома.

В 20 километрах южнее стартовых площадок мыса Канаверал, на берегу океана, раскинулась база Космических сил (недавняя база ВВС) имени генерала Патрика. На ней не только расположена штаб-квартира базы Мыс Канаверал, но и 45-е космическое крыло, всесторонне отвечающее за все запуски с Восточного полигона. В его состав входит и 45-я погодная эскадрилья (45th Weather Squadron). Она ведет огромную работу по контролю окружающей полигон обстановки, и именно она выдает рекомендации по запускам, в том числе запрещающие, играя ключевую роль в решении «быть или не быть» пуску.

Специалисты этого подразделения предоставляют метеорологические данные для обеспечения запусков со всего Восточного полигона. На основании своих наблюдений 45-я погодная эскадрилья дает прогнозы погоды, рекомендации по дате старта, оценивает возможную грозовую активность. И выдает предупреждения о границах приемлемых погодных условий для того или иного типа ракеты, которая планируется к запуску. Эти ограничения опираются на так называемые погодные критерии запуска NASA и рассчитываются для каждого типа ракеты-носителя.

За прошедший год в 45-ю эскадрилью поступило 297 запросов на запуск, из которых 225 одобрили, 55 дошли до предстартового отсчета и завершились 32 запусками. Самой частой причиной отбоя запуска была погода.

Старты в оковах ограничений, или Что не дает взлететь ракете

Флорида лежит в субтропической зоне, поэтому насыщенный влагой и тепловой энергией воздух всегда несет погодные сюрпризы. В ясном небе за час возникают одиночные кучевые облака, еще через час превращающиеся в грозовые тучи, незамедлительно извергающие тропические ливни с резкими и сильными шквалами. Автору не раз доводилось наблюдать недалеко от космодрома черные колонны дождя, у земли расходящиеся раструбом из-за разлета в стороны мощного нисходящего потока. Эти дождевые колонны с порождающим их мощным кучевым облаком видны за несколько километров. Они спонтанно возникают внутри воздушной массы, перемещаются на местности и могут подходить к стартовым площадкам на критически близкое расстояние. Так бурлит флоридская субтропическая тропосфера, щедро накачиваемая энергией солнца, стоящего летними полуднями практически в зените.

Главная опасность грозовых облаков для ракеты – молнии. На космическом берегу Флориды они возникают чаще, чем на любом другом космодроме США.

Взлетающая ракета – длинный вертикальный проводник, быстро поднимающийся все ближе к электрическому заряду облака. Плюс к этому за ней тянется колонна выхлопа, сохраняющая частичную ионизацию и электрическую проводимость. К облакам взлетает готовый молниеотвод, тянущий за собой кабель выхлопа. Ракеты с проводящими поверхностями и ионизированными выхлопными газами способны искажать электрические поля в облаках, вызывая удар молнии, который без нее мог бы не произойти. Молнии в стартующую ракету били не раз – и это заканчивалось по-разному.

14 ноября 1969 года при запуске «Аполлона-12» с экипажем (вторая высадка на Луну) обстановка над Космическим центром имени Кеннеди была грозовой и крайне неблагоприятной. Порывы ветра у земли достигали 26 метров в секунду, шел сильный дождь. Директор старта Уолт Каприян, впервые занимавший эту должность, дал разрешение на старт за 13 минут до нулевой секунды.

Взлет начался в расчетное время. При отрыве от стартовой платформы дождь усилился (в том числе за счет акустического поля двигателей сверхтяжелого «Сатурна-5», достигавшего 220 децибел – самый громкий постоянный звук, создававшийся изделиями человека), через 15 секунд ракета ушла в облака. На 37-й секунде полета в нее ударила молния, пройдя через носитель, реактивную струю двигателей, выхлопной след и стартовую башню до земли.

Попадание молнии 14 ноября 1969 года через взлетающую ракету «Сатурн-5» с кораблем «Аполлон-12» в стартовую башню обслуживания на площадке 39А в Космическом центре имени Кеннеди. Фото: NASA

Это вызвало аварию бортовой электросети с отключением трех топливных элементов служебного отсека «Аполлона-12». В командном отсеке «Аполлона» погас свет, отказало большинство измерительных приборов и зажглась гирлянда аварийных сигналов. Командир экипажа Чарльз Конрад переключил ракету на аварийную систему управления.

На 53-й секунде полета в носитель попала вторая молния. Отказала гиростабилизированная платформа «Аполлона-12», ожидался автоматический сброс отсека с экипажем. Но пилот лунного модуля Алан Бин по командам с Земли смог включить топливные элементы. Ракета прошла грозовые облака, верхняя ступень с «Аполлоном-12» вышла на опорную орбиту, гироскопы корабля удалось привести в рабочее положение, и полетный комплекс перешел на траекторию к Луне. Запуски в такие грозы больше никогда не проводили, а ограничения по метеоусловиям пуска пересмотрели.

В ракету «Атлас-Центавр», стартовавшую со спутником связи ВМС США в марте 1987 года, через 49 секунд после начала полета попала молния. «Атлас-Центавру», известному как AC-67, повезло меньше. Молния вызвала отказ системы управления и наведения. Бортовой компьютер выдал ошибочную команду двигателям, резко повернувшим носитель в другом направлении, что привело к разрушению ракеты.

Не так давно, 27 мaя 2019 гoдa, молния ударила в российскую ракету «Coюз-2.1b» при зaпуcкe нaвигaциoннoгo cпутникa «Глoнacc-M» с космодрома Плесецк. Старт в итоге прошел успешно, информации о повреждениях не было.

Чтобы ощутить плотность погодных ограничений, можно взглянуть на требования к метеоусловиям на стартовой площадке для ракеты Falcon 9, растущее число пусков которой все чаще упирается в жесткость допустимых ограничений. Ее старт отменяется, если:

- на высоте 49 метров над стартовой площадкой дует устойчивый ветер со скоростью более 56 километров в час;
- наблюдается сдвиг ветра в верхних слоях тропосферы (он может вызвать проблемы с управлением ракетой-носителем);
- при полете ракете предстоит пройти облачный слой толщиной более 1400 метров, который распространяется в зону отрицательных температур;
- менее чем в 19 километрах от площадки есть кучевые облака с вершинами, простирающимися до зоны отрицательных температур;
- менее чем в 19 километрах от площадки находится край грозы, в которой наблюдалась молния в течение 30 минут после предыдущей молнии;
- менее чем в 19 километрах от площадки есть грозовое облако-наковальня (мощное кучевое облако с вершиной, расплющившейся об тропопаузу, нижнюю границу стратосферы);
- менее чем в 9,3 километра от площадки есть облака плохой погоды, распространяющиеся до зоны отрицательных температур и содержащие умеренное или большее количество осадков;
- менее чем в 5,6 километра от площадки есть остатки распавшегося грозового облака;
- ракете предстоит пролет сквозь кучевые облака, образовавшиеся в результате или непосредственно связанные с дымовым шлейфом.

Также запуск должен быть задержан:
- на 15 минут, если показания прибора измерения напряженности электрического поля в пределах 9,3 километра от стартовой площадки превышают +/- 1500 вольт на метр;
- на 30 минут, если в пределах 19 километров от стартовой площадки или траектории полета наблюдалась молния.

Кроме стартовой площадки, метеоусловия должны быть приемлемыми и в районе посадки первой ступени. Это еще сильнее сужает стартовые окна. При запуске пилотируемых миссий требования по метеоусловиям выдвигаются и к нескольким возможным районам аварийного приземления корабля с экипажем в океане, которые раскинулись от Флориды до Гренландии.

Старт Falcon 9 ограничивается не только метеоусловиями. Использование переохлажденных топливных компонентов требует начала заправки за 35 минут до пуска, чтобы топливные компоненты не успели нагреться. Если старт переносят на два часа, то придется слить нагревающиеся компоненты и за 35 минут до нового момента старта заново заправить баки переохлажденным топливом.

Необходимость новой заправки ракеты сокращает стартовое окно иногда всего до одной секунды.

И если пуск в эту единственную и тесную отведенную секунду не состоялся, следующее стартовое окно может открыться не скоро. Это зависит от полетной задачи и нужной орбитальной баллистики. «Большая проблема заключается в том, что при многих запусках вы должны запускаться в эту одну конкретную секунду, – отметил Ханс Кенигсманн (Hans Koenigsmann), старший советник и бывший вице-президент SpaceX по надежности сборки и полета. – У вас здесь нет большой гибкости, и даже небольшой перенос может дать не самое подходящее время. Пять минут спустя погода может быть хорошей, но это не то, что вам нужно для конкретной орбиты».

Большой курултай поднимает знамена

Все это ведет к невозможности в сегодняшних раскладах повышения частоты пусков в разы. Растущая же пусковая активность, наоборот, требует многократного наращивания возможности проводить запуски. Для разрешения этой коллизии назрела необходимость глубокого и радикального пересмотра комплекса ограничений по стартам, новых подходов к выдаче разрешений и проведению запусков.

Выражением этой необходимости стал прошедший в конце февраля 47-й саммит космодрома, ранее известный как Космический конгресс. Он собрал для обсуждения главных лиц и управленческие команды Космической станции мыса Канаверал, Космического центра имени Кеннеди, 45-е космическое крыло и космическое подразделение Федерального управления гражданской авиации (FAA). Участники представили обзор и обновленную информацию о состоянии космодрома Флориды и о том, как готовиться к еще более загруженному графику по сравнению с 2021 годом. Главные действующие лица – опытные, хорошо знающие специфику Восточного полигона люди, либо проводившие с него много запусков и лично командовавшие им, либо сами несколько раз отправлявшиеся с него в космические полеты.

В частности, к директору Космического центра имени Кеннеди Бобу Кабане (Bob Cabana, бывший астронавт NASA, участник четырех космических полетов на «шаттле») присоединились директор Восточного полигона и командир 45-го космического крыла бригадный генерал Стивен Дж. Парди-младший (Stephen G. Purdy Jr.) и Уэйн Монтейт (Wayne Monteith), заместитель администратора FAA по коммерческому космическому транспорту (бригадный генерал ВВС в отставке, в прошлом – сам командир 45-го космического крыла и директор Восточного полигона).

Роберт Дональд Кабана (Robert Donald Cabana), директор Космического центра имени Кеннеди. Каково летать в космос, знает не понаслышке. Астронавт NASA, выполнил в 90-х четыре полета на «Шаттлах», стартовавших из Космического центра имени Кеннеди, который он сейчас возглавляет. Фото: www.nasa.gov

Уэйн Р. Монтейт, заместитель администратора FAA по коммерческому космическому транспорту. Бригадный генерал ВВС в отставке, бывший командир 45-го космического крыла и директор этого самого Восточного полигона. Фото: commons.wikimedia.org

Эти джентльмены обсудили текущие дела и будущее космодрома Флориды и сошлись на том, что Восточный полигон в ближайшем будущем рассчитывает на 60 запусков в год (что, однако, не превышает рекордные 70 запусков из Плесецка в 1977 году). А к 2030-му активность возрастет до сотни запусков в год и больше. В свете этих прогнозов мистер Кабана, мистер Парди и мистер Монтейт обсудили поворот к более похожей на аэропорт модели поддержки запусков, способной поддерживать один-два старта в день.

Это соответствует и цели SpaceX по повторному запуску одного носителя в течение суток. Как сказал Кенигсманн: «Успех определяется для нас как переход от запуска каждые две недели к еженедельному запуску, а затем к ежедневному запуску при безопасном повторном использовании той же матчасти. Это сложная задача. Думаю, мы на полпути к ее решению».

Стивен Г. Парди-младший (Stephen G. Purdy Jr.), бригадный генерал, командир 45-го крыла Космических сил. Фото: en.wikipedia.org

Командир 45-го Космического крыла Стивен Парди заверил, что Космические силы хотят иметь возможность одобрять все запросы на запуск с Восточного полигона, предоставляя компаниям услуги, более похожие на работу аэропорта, а не обычных государственных космодромов. По его словам, для этого нужны новый менталитет и мышление. Его подчиненные изучают все элементы инфраструктуры поддержки запуска – от транспорта до электричества, связи, безопасности, топлива и газов под высоким давлением, – «чтобы выяснить, как преодолеть любые препятствия, ограничивающие нас в достижении запусков по первому запросу». Похожим образом аэропорты дают разрешение на вылет самолетов.

Из чего будет складываться трансформация

Смягчение погодных ограничений. Погоду над Флоридой не изменишь. Теплая, как вода в ванне, Атлантика в этих краях всегда обеспечит плотную грозовую активность. Чтобы реализовать планируемый поток запусков, необходимо ослабить ограничения по погоде, прежде всего по молниям. Но реальный и практический аварийный опыт не дает это сделать просто так. Нужно повысить устойчивость ракет к молниям. Это, в свою очередь, потребует дополнений в конструкции и оборудовании ракет, означающих увеличение их массы как минимум на центнеры. Но поиск решений в этом направлении, очевидно, неизбежен.

Динамическое планирование. 45-е Космическое крыло прорабатывает возможность перехода на автоматическое планирование работы Восточного полигона, чтобы обрабатывать больше запросов от производителей запусков. Каждый запрос на полигоне требует сегодня многих часов координации со службами безопасности, погоды и другими группами, включая Федеральное управление гражданской авиации, которое должно организовать очистку воздушного пространства над местом запуска.

Динамическое планирование, которое распределяет пуски по итогам предварительной подготовки к ним, даст возможность заранее построить нераспределенную сетку запусков и заранее проводить к ним все предварительные работы и согласования, а затем быстро составлять конкретное расписание, когда операторы пусков обратятся с запросами на них. При этом можно оперативно менять и перекраивать расписание стартов конкретного оператора, используя свободные и пока нераспределенные «заготовки» пусков.

Автоматическое прекращение полета. Парди отметил, что Восточный полигон сможет делать больше запусков с внедрением автоматизированных систем прекращения полета. Необходимо летающее на ракетах оборудование, способное автономно определять, отклоняется ли носитель от заранее запланированной траектории сверх допустимых значений.

В случае критического отклонения от курса бортовая автоматическая система прекращения полета выдаст команду на прерывание запуска. Исполнением станет подрыв нескольких взрывчатых зарядов в разных местах ракеты, оптимально размещенных для ее быстрого разрушения.

SpaceX использует такую автоматизированную систему безопасности во всех своих запусках. Космические силы заявляют, что и все другие пользователи полигона должны перейти на эту новую технологию к 2025 году. Традиционные системы прекращения полета с участием человека в контуре требуют, чтобы сотрудник по безопасности полигона следил за траекторией ракеты с земли, а затем вручную подал команду на уничтожение ракеты в случае необходимости.

Двойное планирование пуска. Для защиты от задержек из-за погодных условий рассматривают стратегии подготовки сразу к двум разным окнам запуска в конкретный день, если это позволяет баллистическая обстановка. Та же SpaceX запускает по 60 спутников Starlink в одну орбитальную плоскость. Вся группировка Starlink содержит 72 таких орбитальных плоскости – и все они требуют насыщения новыми спутниками. Компания Илона Маска может иметь два разных плана полета для одного запуска, и менеджеры пуска вправе выбрать вариант с лучшей погодой. Пропустив запуск в одну орбитальную плоскость, нужно лишь подождать, пока Земля повернется для попадания задержанного пуска в другую орбитальную плоскость. С учетом новой заправки переохлажденными топливными компонентами, разумеется.

Время не ждет – оно приходит

Почему в примерах выше упомянута SpaceX? На сегодня она самая активная по числу запусков компания на Восточном полигоне. Ее планы по организации потоков запусков выступают драйвером преобразований космодрома, о которых идет речь. SpaceX нажимает на ключевые организации, и уже происходят первые конфликты – как недавние войнушки с FAA, связанные с разрешениями на испытательные полеты прототипов Starship.

Хотя это пока другая история, не связанная с Флоридским космодромом, она характерна и показывает, как SpaceX уже начала упираться в старые действующие рамки, предусматривающие нечастые полеты и сложную выдачу лицензий на запуски. Вскоре эти проблемы, усилившись на порядки, вырастут на Восточном полигоне – и все это хорошо понимают.

Запуск ракеты Falcon 9 из Космического центра им. Кеннеди 4 марта 2016. Фото: ru.wikipedia.org

Но не только SpaceX подталкивает к преобразованиям космодрома. Скотт Хендерсон (Scott Henderson), вице-президент компании Blue Origin по пусковым операциям во Флориде, тоже говорит о динамическом планировании и автоматической системе прерывания полета. Их ракета New Glenn планируется к запускам со стартовой площадки LС36 на мысе Канаверал. И темп полетов достаточно насыщенный.

Компания Firefly Aerospace полным ходом разрабатывает две своих ракеты, Firefly Alpha и Firefly Beta, и тоже собирается запускать их с Восточного полигона. Эти намерения подкреплены полученными от NASA контрактами, в том числе на доставку грузов на Луну.

В спину Blue Origin дышит – а может, и обгоняет ее – калифорнийская Relativity Space, создающая свои ракеты: одноразовую Terran 1 и многоразовую Terran R. Компания не только заключила много контрактов на запуски, но и выиграла в 2019 году конкурсный тендер от американских ВВС на переоборудование и эксплуатацию стартового комплекса LC16 на мысе Канаверал, в давние времена использовавшегося для запусков баллистических ракет «Титан» и «Першинг». Помимо этих компаний, на космическую сцену рвутся все новые и новые игроки, часть из которых дойдет до запусков с Восточного полигона.

Наивно полагать, что прорыв к широкому доступу в космос заключается только в создании ракет. Это слишком однобокий подход, чтобы быть верным. Широкий выход в космос – множественные полеты. Это организация потока разрешений на запуски, автоматизация многих процессов, динамическое планирование потока стартов, новый подход к планированию конкретного запуска, пересмотр ряда метеоограничений. Здесь невозможно вырваться вперед в одном, завязнув в другом.

Только комплексное решение массива задач во всех ключевых сегментах позволит принципиально шире раскрыть ворота в космос, распахнуть их настежь. Космодрому во Флориде предстоит развернуться в такое будущее – и, судя по всему, трансформация начинается.