Журнал «Компьютерра» №43 от 22 ноября 2005 года

АНАЛИЗЫ:Информационные технологии и космос

Музы математики Эллада не знала - геометрией по совместительству ведала министр астрономии Урания. Во время научной революции Нового времени космические исследования и наука о счете тоже были неразрывны. Первую попытку запуска искусственного спутника - из пушки короля Луи XIV вертикально в небо - предпринял аббат Мерсенн (Mersenne, 1588-1648), который сыграл выдающуюся роль в организации науки, написал классические работы по теории чисел и придумал термин «баллистика». Конечно, стрельба в небо была наивной, но вычислять орбиты стало возможным лишь после работ Исаака Ньютона, а баллистический маятник, дающий возможность определять дульную скорость, был изобретен Робинсом только в 1742 году.

В середине ХХ века, после первых прорывов конца 1950 - начала 1960-х годов, космические технологии вышли на довольно стабильное плато. А информационная отрасль рванула вперед такими темпами, что превратилась в фактор, определяющий развитие отрасли космической.

Величайший успехи крупнейший провал

Рождались технологии по-разному. Одни - на многомиллиардные правительственные контракты. Другие - на немногие тысячи долларов, отложенные с зарплаты. Одни - в высоченных цехах размером со стадион. Другие - в фанерных гаражиках. Национальные герои США 1980-х - корабли Space Shuttle и персональные компьютеры. Засекреченные аристократы военного и общедоступные плебеи бытового назначения. Величайший успех и крупнейший провал. Но успеха достигли отнюдь не двухтысячетонные гиганты, казалось, являвшиеся символом величия нации. Новую отрасль экономики - информационную, превратившую Соединенные Штаты в лидера глобального мироустройства, создали настольные крошки. Почему? Неужели дело в случайностях, приведших к крупнейшим катастрофам в истории освоения космоса - Challenger в 1986 году и Columbia - в 2003-м? Нет, дело, скорее всего, в непреложных законах экономики, распространяющих свою тираническую власть и на небесные выси, и на глубины овеществленной в компьютерах мысли.

Итак, начало 70-х. Успех программы Apollo-Saturn делает США безоговорочным лидером в космическом противостоянии с СССР. На орбиту с помощью носителя Saturn-V выводится обитаемая космическая лаборатория Skylab. Но дальше все уперлось в деньги. Слишком дорога стала транспортировка грузов на орбиту. Даже для американской экономики. Ведь шла война во Вьетнаме; продолжалась гонка вооружений с Советским Союзом, находившимся в зените геополитического могущества. И орбитальные экспедиции на Skylab с использованием дорогостоящих носителей Saturn-IB и кораблей Apollo оказываются вашингтонскому бюджету не по карману. Skylab забрасывается после трех экспедиций и шесть лет крутится вокруг планеты необитаемая.

Предвидя трудности, NASA еще в 1969 году заключает с четырьмя подрядчиками контракт на предпроектные исследования по ILRV - Integrated Launch and Reentry Vehicle (интегрированный аппарат для запуска и возвращения). Ключевое слово тут - «интегрированный», по образу и подобию интегральных схем, уже доказавших свою эффективность. Цель - добиться эффективности путем унификации, пусть даже конструктивно устройство и будет избыточным. Не огорчает же нас, что в матричном синтезаторе частоты радиоприемника, построенном на микропроцессоре, большая часть элементов не используется. Все равно он компактнее и надежнее гетеродина архаичных аналоговых аппаратов, построенного на одном активном и десятке пассивных элементов. Попробуем провернуть такой же трюк и в астронавтике. Пусть один аппарат и выводит на орбиту грузы, и возит пассажиров, и служит платформой для научных исследований и ремонта спутников. При этом пусть будет многоразовым (во всех своих элементах!) и вместительным - вот подлинная дорога человечества в космос!!!

Такие соображения и легли в основу программы американского многоразового космического аппарата. Стоимость орбитального рейса - вывод 29,5 т на орбиту высотой 180 км - была в 1971 году оценена в 5 млн. долларов. Но затраты на всю программу исчислялись уже десятью миллиардами в тогдашних ценах, с двухмиллиардным максимумом расходов в 1976-м и первым пуском в 1978 году.

Таких расходов не потянули даже Соединенные Штаты. Для снижения стоимости (ну очень хотелось уложиться в 4,5 гигабакса, тратя не больше миллиарда в год) пошли на компромисс - ввели в конструкцию будущего челнока одноразовые элементы - хорошо всем известный топливный бак. Расчетная стоимость пуска при этом возросла до 10-12 млн. долларов. Но это не пугало - близились выборы 1972 года, Никсону хотелось остаться в Овальном кабинете еще на один срок. И контракт в 2,6 млрд. долларов получила Rockwell International. Десятки тысяч новых рабочих мест способствовали переизбранию президента!

Однако природу не обманешь. И выражается это в экономических показателях! Полетел «Спейс Шаттл» лишь в 1981-м, опоздав на три года. Бюджет в ценах 1971 года был превышен на треть. Стоимость изготовления каждой орбитальной ступени возросла восьмикратно - с 250 млн. аж до 2 млрд. долларов. Перезарядить твердым топливом «многоразовые» ускорители обходится в 25 млн., а стоимость орбитального полета даже по первым двадцати стартам в 1981-85 гг. составила 257 млн. долларов. Частота запусков не превышала девяти в год, а реально, даже перед последней катастрофой «Колумбии», летали пять-шесть раз…

Результаты же ИТ-отрасли прямо противоположны. Несмотря на инфляцию, цены падают, а объемы продаж и прибыль растет. Говорить же о стоимости вычислительных операций просто неприлично - до того она низка.

Почему? Ведь фейерверк технологических новаций, примененных в челноках, впечатляет!

Несомненно, все дело в экономике. Основа ИТ-процветания - использование цифровых схем, выполняющих массовые вычислительные операции и производимых массово - везде и для всего.

А пять орбитальных ступеней-шаттлов, с одной стороны, слишком специализированы и производятся индивидуально, из-за чего невероятно дороги. С другой же - требуют опять-таки индивидуального и очень дорогого обслуживания.

Да и рынок сбыта очень узок. Правительство США пыталось поддерживать его, субсидируя полеты наполовину. Но слишком уж дорого возить спутники многоразовым кораблем. И обслуживать на орбите их, как оказалось, не приходится (за исключением уникального телескопа Хаббла). И вот тут-то свою роль играют ИТ-заказчики.

Цифровая связь и цифровое вещание резко повысило реальную, то есть коммерческую пропускную способность космических линий связи. Массогабаритные характеристики спутниковых транспондеров улучшаются, надежность растет. То же - с системами питания коммуникационных космических аппаратов.

Кроме того, планету опутали волоконно-оптические кабели. Все большая и большая часть информационного трафика шла через них, а не через космический эфир. Это снизило потребность в спутниках связи. После 11 сентября 2001 года найти точные цифры о соотношении кабельного и космического трафика невозможно, однако снижение спроса на запуск орбитальных грузов налицо. (Хотя надо отметить, что спутниковая линия куда лучше защищена от террористических атак, чем кабель. Ведь даже в случае вывода из строя наземных станций самая дорогая часть системы остается в безопасности на орбите.)

Так что развитие ИТ оказывает на ракетчиков примерно то же воздействие, что и на продавцов музыки на старых носителях. Только те верещат и шумно рекламируют свою законотворческую деятельность, а космическая отрасль страдает молча. Тихой сапой (в традициях военных ведомств) лоббируя где-то в кулуарах.

Решить проблемы челнока попробовали экономически. Единый подрядчик - созданный в 1996-м United Space Alliance - сберегал американской казне три четверти миллиарда в год. Но стоимость запуска все равно была 400 млн. долларов, а после недавних катастроф и проблем даже существование Международной космической станции зависит от российских носителей Р-7 полувековой давности. Технологии, по отдельности восходящие к 1930-м годам; гениальная конструкция С. П. Королева. Но главное, изделия сии производятся на конвейере, как сосиски (гипербола принадлежит Н. С. Хрущеву), и в силу понятных причин имеют неплохие экономические показатели даже после краха создавшей их сверхдержавы. Международная космическая станция летает ныне в пилотируемом режиме только потому, что серийность выпуска делает старые российские ракеты самыми надежными в мире. Без этого МКС была бы заброшена, как некогда Skylab. Это диктуется не физикой - экономикой! Универсальной дисциплиной.

То есть неукоснительное следование законам экономики (а по-другому крошки стартапы просто не могли! - низкая устойчивость обеспечила высокую динамику!) переселяет ИТ-фирмы из гаражей в роскошные офисы и просторные кампусы; очкастых чудаков-отшельников превращает в мультимиллиардеров.

Зависящая же от правительства - его конкретных, тактических, предвыборных задач - отрасль космическая, подрастеряв достижения лунной гонки 1960-х, похоже, оказывается отнюдь не на уровне единственной мегадержавы. Во всяком случае, в некогда престижной программе Space Shuttle…

А безукоризненное следование законам экономики (серийное всегда эффективнее штучного) сохранило эффективность созданной для поточного (по ракетным меркам!) производства Р-7, только что потащившей к Венере европейский зонд, - даже после исчезновения автаркичной, замкнутой на саму себя советской технологической системы.

«Атлас» и компьютер

Приведем один древний, но в силу этого хорошо документированный пример позитивного воздействия развития компьютеров на космические программы.

Ракета «Атлас» была первой межконтинентальной баллистической ракетой ВВС США. Разрабатывали ее с 1951 года, по самым передовым на тот момент технологиям. Кислородно-керосиновые двигатели. Топливные баки, путем чудес металлургии и электрохимической металлообработки истонченные до одной десятой миллиметра. Радиоинерциальная система наведения, уже с цифровой машиной.

На вооружение ракета принята была в 1959 году, но в космос выводила грузы с 1958-го.

И первого американского астронавта, Джона Гленна, 20 февраля 1962 года доставила на орбиту система Mercury-Atlas. Но при запуске автоматических спутников даже с разгонной ступенью «Аджена» (Agena) - 1,6 т на пятисоткилометровую орбиту - «Атлас» изрядно не дотягивал до своих советских современников. И вот при очередной модификации было решено повысить эффективность за счет большей «разумности» ракеты. Для этого, кроме криогенного кислородно-водородного разгонного блока «Центавр», на нее был установлен и новый компьютер.

С 1973 года ступень «Атлас-1А» оснащалась бортовым компьютером фирмы Teledyne. Построенный на новой элементной базе, этот компьютер при вдвое меньшем объеме имел в пять раз большую оперативную память, благодаря чему с первой ступени удалось снять электромеханический автопилот, систему радиотраекторных измерений и программ-механизм, сильно смахивающий на таковой в стиральной машине. Тем самым удалось повысить надежность корабля, уменьшить стоимость его эксплуатации, а главное - появилась возможность доставлять на орбиту межпланетных перелетов грузы до 1,2 т. Многие геостационарные коммуникационные аппараты тоже были выведены в космос этой системой.

Крылатый конь и боевая колесница в космосе

А вот подход к созданию космической системы, тесно связанный с типичной для ИТ-отрасли идеологией свободного рынка.

В 1982 году бывший сотрудник NASA Дэвид Томпсон, окончивший под влиянием рыночных ветров «рейганомики» Гарвардскую школу бизнеса, основывает фирму Orbital Science. Начальный капитал - 300 тысяч долларов. Компьютерные стартапы начинали и с меньшего, но для космической отрасли, осыпанной золотым дождем правительственных средств, сумма смешная. В начале «орбитальные ученые» взялись за разработку твердотопливного «буксира» для челноков. Но гибель «Челленджера» убила этот рынок.

Томпсон нашел выход в коммерчески привлекательном проекте «Пегас» - крылатой ракете-носителе, стартующей с борта самолета, которая могла доставить 400 кг груза на экваториальную орбиту высотой 450 км. Разработка велась с весны 1987 года, первый старт состоялся 5 апреля 1990 года. На высоту 12 км ракету доставляет стратегический бомбардировщик B-52. Восемнадцатитонный «Пегас» интересен как тем, что создан исключительно на средства компании-разработчика, так и ролью, которую в нем сыграли компьютерные технологии.

Забавный факт - бортовой компьютер «Пегаса» разработан фирмой Aitech на базе баллистического компьютера, серийно производимого для основного боевого танка Армии обороны Израиля «Меркава» (на иврите - «боевая колесница»). Хорошо сочетается с крылатым конем - Пегасом. Да и то, что танк хоть по частям, но попадает на орбиту, довольно весело. (В 1930-40 гг. для нужд десанта проектировались крылатые танки, с навесными крыльями, - это абсурд, но не шутка!)

В начале прошлого века даже крепежные детали авиационных двигателей было легко отличить от применяемых в общем машиностроении по изящным, предельно облегченным формам. Современные бортовые ЭВМ так легки и компактны, что сфера их применения почти не ограничена. Впрочем, советские разработчики автоматических межпланетных станций подбирали для своих аппаратов арматуру, выпускаемую массово - пусть даже в автомобильной промышленности. Именно за счет гигантских объемов производства и предельной отлаженности технологий обеспечивалась уникальная живучесть «Венер», первыми сорвавших покров тайны с Утренней звезды.

Но в «Пегасе» было и принципиальное новшество, порожденное computer science. Фронтиром высоких технологий тридцатых годов была аэродинамика. Лучшие кадры работали в советском ЦАГИ и американском Лэнгли. Развивалась теория - вспомним хотя бы классические исследования флаттера, выполненные Мстиславом Всеволодовичем Келдышем. Но главенствующая роль принадлежала эксперименту. Гигантские, поглощающие энергию целого завода аэродинамические трубы. Объемистые атласы профилей.

С крылатой ракетой «Пегас» началась новая эпоха. Развитие как компьютерных мощностей, так и теории имитационного моделирования позволило специалистам из Центра Эймса рассчитать полет ракеты с качеством, достаточным для того, чтобы обойтись без продувок в аэродинамических трубах. «Цифра» дала возможность воспроизвести сложнейшие условия гиперзвукового полета.

Выдающийся физик Ричард Фейнман называл проблему турбулентности, рвано-вихревых движений в сплошных средах, одной из ключевых в современной физике. Компьютерное моделирование позволило решить эту проблему на практике уже в конце 1980-х. Вычислительные модели обеспечили превосходное совпадение с реальностью для скоростей носителя, идущего с аэродинамическим качеством, от 0,8 М до 8 М (М - число Маха, отношение скорости аппарата к скорости звука, более информативное в аэродинамике, нежели абсолютная скорость).

Еще один интересный штрих. Наземные средства радионавигации - гиперболические (разностно-дальномерные, использовавшие фазовый или импульсно-фазовый метод измерения разности расстояний до наземных станций) системы, вроде некогда популярной «Лоран», - вытеснены спутниковой GPS. А B-52, доставляющий «Пегас» на стартовую высоту, пользуется радионавигационной системой - почти как пионерские V-2 и первые «Атласы». Это необходимо для точного совпадения вектора скорости самолета с плоскостью запуска носителя. При этом заметно улучшаются динамические характеристики системы.

Правда, рожденный ползать - как любят говорить десантники - летать не может. Во всяком случае - долго. И при модификации носителя до уровня «Пегас-XL» компьютер с танка был заменен вдвое более легким (4,5 кг) продуктом фирмы Oettle amp; Reicher, в значительной степени созданным на базе элементов общего назначения. Надежность современных стандартных электрорадиоэлементов такова, что они подходят и для войны, и для космоса. И на стартовую высоту «Пегас-XL» затаскивается уже не бомбовозом, а сугубо гражданским лайнером фирмы Lockheed, модель «Тристар». Так дешевле! Но все равно вывод нагрузки «Пегасом» обходится в 20-25 млн. долларов.

«Соколы» из ИТ-отрасли

Удивительная динамичность рыночной экономики не возникает из ничего. Она, в точном соответствии с теорией управления, оплачивается устойчивостью фирм, работающих в условиях рынка. Не исключение и Orbital Science. Ее подпирает еще более новая и еще «более рыночная» компания - Space Exploration Technologies - SpaceX, которую основал в 2002 году известный веб-дизайнер и миллиардер Элон Маск (Elon Musk), создатель электронной платежной системы PayPal. Задачей SpaceX является разработка ракет Falcon. Менее дорогие, чем «Пегасы», «Соколы» должны вытеснить Orbital Science с рынка коммерческих орбитальных нагрузок - цена пуска «птицы» планируется в половину цены рейса «крылатого коня».

Интересно, что в отрасли космической применяются методы организации, типичные для ИТ-отрасли. Новости «КТ» пестрят сообщениями о переманивании высокопоставленных специалистов из корпорации в корпорацию. Таким путем пошел и Маск. Вместо того чтобы раздавать подряды аэрокосмическим фирмам, магнат нанял целый ряд ведущих специалистов отрасли. В том числе и главного инженера своей потенциальной «жертвы» Orbital Science. Так, по мнению Маска, дешевле.

Систематические задержки орбитальных стартов «Сокола» (то из-за желания ВВС США оградить свои носители Titan-IV от конкуренции, то из-за неполадок в кислородно-керосиновом двигателе Merlin) не смущают Маска. Напомним: прежде чем платежная система PayPal стала рентабельной, в нее было вложено четверть миллиарда долларов… Так что какова на самом деле рентабельность стартов Falcon с тропического парадиза (а попутно и ракетного полигона) - атолла Кваджалейн - покажет лишь время.

В завершение отметим, что самый коммерчески удачный, самый рыночный космический проект SpaceShipOne - тоже родом из ИТ-отрасли. Во всяком случае, по происхождению денег главного спонсора, сооснователя Microsoft Пола Гарднера Аллена.

Автор статьи и редактор благодарны генеральному директору АЦЭУ «Аэро-Космос» Дмитрию Пайсону, за консультации.