Системный подход: почему лунный модуль в 15 раз дороже золота с таким же весом

Затраты на сталь, инструменты и труд рабочих меркнут перед необходимостью создания целой системы для того, чтобы провести исследования и совершить то, что еще никто не пытался сделать.

Понадобилось полвека, прежде чем на смену незамысловатому летательному аппарату Уилбура и Орвилла Райтов пришел Boeing 707. По меркам наших прадедов это довольно-таки быстрый прогресс. Но при помощи программы «Аполлон» США нацелены добиться гораздо более внушительного технического прогресса за меньший промежуток времени и пройти путь от относительно примитивной ракетной техники до пилотируемой высадки на Луну примерно за 25 лет.

Космическая программа — это продуманный сознательный шаг по соединению различных технологий в одном продукте за кратчайшее время. Чтобы этого добиться, усиленно изучаются системный анализ, проектирование и управление.

Системный анализ подразумевает глобальное восприятие процесса: он рассматривает не просто конечные продукты деятельности, но также учитывает влияние использования их на другие компоненты процесса, а также, наоборот, влияние окружающей инфраструктуры на сам продукт. Системное проектирование включает выполнение задания при учете всех условий. Системное управление — способ связать воедино выполнение всех стадий, необходимых для реализации проекта.

С похожей ситуацией столкнулись бы первые сборщики автомобилей, если бы они не только производили машины в большом количестве, но и одновременно проектировали бы системы автомагистралей и подземного транспорта, запускали бы производство нефти и подобные процессы вместо того, чтобы просто ждать, когда изменения, связанные с автомобилестроением, сами произойдут.

Целое новое измерение

Системные анализ и проектирование крайне необходимы для космических исследований. В космосе, в отличие от Земли, нельзя позволить вещам происходить просто так. Нажатие кнопки может привести в действие процессы, которые будет невозможно повернуть вспять.

Чтобы понять, как в программе «Аполлон» используют системные методы, в качестве примера можно рассмотреть лунный посадочный модуль (назовем его для краткости ЛПМ). ЛПМ сам по себе не сильно похож на транспортное средство. Он весит лишь около четырех тонн —  это меньше, чем масса многих современных грузовых машин. Высота его составляет 23 фута (7 метров), сторона — 14 футов (4,3 метра). Он сконструирован для полета двух астронавтов с Земли до Луны и пилотируемой посадки на наш спутник. После старта с Луны модуль должен состыковаться с орбитальным лунным модулем. Это первый в мире настоящий космический корабль — раньше космические аппараты работали только на орбите Земли.

Фирма Grumman Aircraft Engineering Corporation, занимающаяся строительством ЛПМ, потратит на это около $2,1 млрд из бюджета NASA. По договору за эту сумму фирма предоставит 25 лунных модулей: 15 для полетов, десять для наземных испытаний. В таком случае каждый ЛПМ будет стоить американским налогоплательщикам $84 млн. Получается где-то $20 млн за тонну. Чтобы читатель смог представить, как это дорого: средний американский автомобиль стоит меньше, чем $2000 за тонну; бомбардировщик F-111A стоит $230 000 за тонну. Даже золото по цене $42 за унцию на свободном рынке стоило бы всего $1,3 млн за тонну. Таким образом, каждый лунный модуль, который построит Grumman, будет более чем в 15 раз дороже золота с таким же весом.

Почему так? Частично из-за того, что большая часть работ выполнена не «синими воротничками», а кандидатами наук, высококвалифицированными инженерами. Другая причина состоит в том, что ЛПМ — нечто большее, чем машина. Это целая система, по крайней мере большая часть модуля.

Последняя заправка перед посадкой на Луну

С одной стороны, ЛПМ должен быть способным к самообеспечению — он не может остановиться у заправочной станции по дороге. С другой стороны, ограничения по массе накладывают ограничения на размер топливных баков, поэтому нужно высчитывать каждый килограмм. Задача лунного модуля такая необычная и сложная, что дать ответы на все вопросы не может ни одна наука; подход должен быть междисциплинарным. Если говорить вкратце, программа ЛПМ является, по сути настоящим научно-исследовательским проектом.

Лунный модуль далек от изящных космических кораблей из старых комиксов про Бака Роджерса. Это чудовищное (некоторые могут назвать его милым) существо на ходулях. Позитивным моментом является отсутствие сопротивления воздуха в космосе, поэтому ЛПМ не нуждается в обтекаемых формах. По этой же причине модуль не имеет крыльев. Он будет садиться на реактивной тяге двигателя.

Миссия предполагает довольно мягкую посадку. Но высококлассный инженер Дэвид Фелд из Bell Aerosystems (подразделение компании Textron), руководящий проектом по созданию двигателя для возвращаемой части модуля, при помощи которого ЛПМ вернется на орбиту, комментирует: «Мы задаемся всеми возможными вопросами. У нас нет контрольного листа и на сто процентов надежного пути. Мы лишь должны быть уверены в том, что охватываем все необходимые области науки и производства, а также имеем достаточно людей, занятых этой проблемой».

В таком случае встает вопрос: что если экипаж ЛПМ, мчась по направлению к Луне со скоростью тысячи миль в час, по какой-либо причине решил бы отказаться от посадки? Смогли бы они вернуться к на орбиту командного модуля и произвести стыковку для возвращения на Землю? Этот вопрос приобрел большую важность в ходе выбора траектории захода на посадку.

Наиболее подходящий путь, по которому лунный модуль достаточно близко подойдет к Луне, называется «гомановской траекторией». ЛПМ, находясь на орбите вместе с командным отсеком, слегка поменяет свое положение так, чтобы после расстыковки суметь подлететь к поверхности Луны на расстояние около десяти миль. Если астронавты решат не совершать посадку, а лететь вдоль поверхности, лунный модуль сможет вернуться обратно на орбиту, по которой вращается вокруг командный отсек. Но из-за смены курса ЛПМ прибудет к месту встречи раньше командного отсека, опередив его на 300 миль. Стыковку можно будет произвести, но с трудом.

Альтернативный способ с подлетом на высокой скорости представлял бы из себя более простое решение, но все же выбор пал на гомановскую траекторию. Почему? Причина в том, что использование альтернативного подхода повышает вероятность аварийной ситуации. Более того, для посадки понадобилось бы больше топлива. Однако невозможно сделать выбор путем проб и ошибок, необходимо рассмотреть каждое решение, смоделировать его и проанализировать с помощью компьютера. Никак нельзя полагаться на случай. Этим и обусловлена важность системного подхода.

Лед или зыбучие пески?

Другой вопрос, на который должны были ответить ученые Grumman, — что представляет собой лунная поверхность? Какой будет посадка? Этот вопрос отражает принципиальную особенность системного подхода к проектированию: опора на знания в различных сферах приводит к тому, что отставание в одной из них может задержать развитие всей программы. «В начале проектирования мы даже не знали, какое сопротивление возникнет при перемещении по поверхности Луны», — отмечает руководитель программы разработки лунного модуля Томас Келли. «Данные беспилотных полетов к Луне не разрешили спор между экспертами», — утверждает Чарльз У. Ратке из Grumman, системный инженер программы ЛПМ, — после полетов «Рейнджеров» у всех экспертов была одна и та же реакция: ну да, все именно так, как я и предполагал».

Вместо того чтобы на время отложить разработку модуля, инженеры Grumman подумали о том, можно ли спроектировать посадочную конструкцию, способную выполнить свою функцию независимо от возникающей силы трения. Том Келли: «Исходя из широкого диапазона коэффициентов трения, от нулевых до бесконечно больших, мы вычислили условия, при которых летательный аппарат удачно сел даже при максимальной боковой скорости: на льду аппарат бы отлично скользил, а при столкновении с твердой поверхностью не перевернулся».

Красота математических построений

Вопрос с поверхностью Луны как-то надо было все-таки прояснить. Поэтому специалисты Grumman перешли от варианта со скольжением к моделированию. Билл Ратке так описывает процесс создания физической модели лунной поверхности: «Пока специалисты теряли время, споря друг с другом, мы поняли, что один из способов добиться ответа на вопрос — это оглянуться назад. Эксперты согласились, что изначально Луна была частью Земли. Мы могли вычислить лунную гравитацию с точностью до шестого или седьмого знака. И знали об условиях вакуума на поверхности. Поэтому попытались воспроизвести эти космические условия на Земле: взяли материал вулканического происхождения, подогрели его, поместили в вакуумную камеру и затем обстреляли частицами на высокой скорости».

Чаще применяют не физическую модель, а математическую: она дешевле и позволяет быстро менять условия. Арнольд Уиттэкер из Grumman работал над расчетами для миссии: «Чтобы убедиться в том, что мы ничего не упустили, мы выбрали конкретный день, что-то вроде «Запуск 19 мая 1969 года в 16:00», и выработали план с точностью до секунды: что именно нужно сделать, где можно попасть в неприятности и как мы могли бы изменить конструкцию оборудования, чтобы снизить нагрузку на человека.

Затем мы задумались: насколько все могло бы измениться, если бы мы назначили старт на другой день или из другой точки запуска? Эти изменения повлияли бы на расстояние до Луны, траекторию полета и многое другое. Мы рассчитывали завершить миссию независимо от проблем».

В космическом пространстве любая возможная ошибка должна каким-либо образом компенсироваться. Уиттэкер приводит пример: «Если ты на поверхности Луны и обнаружил утечку в двигателе, которая требует взлета в течение трех часов, а планируемое время до равно пяти часам, то как поступить? Да, ты взлетишь, но при этом ты окажешься на орбите не в том месте, где запланирована стыковка командным отсеком. Придется совершать орбитальные маневры, чтобы с ним встретиться, и на это уйдет девять часов. Поэтому мне нужно сконструировать такую систему, чтобы можно было продержаться на орбите лишние девять часов. Нужно учесть, что на протяжении этого времени экипажу потребуется кислород, вода и т. д.». В этом особенность лунного модуля: едва ли найдется изменение, которое не повлечет последствий; самая незначительная мелочь нарушает баланс и требует подстройки сценария.

Решение проблем в проектировании лунного модуля иногда требует высокотехнологичных решений, а иногда — элементарных. Вопрос об окнах оказался довольно-таки простым. «Астронавту захочется иметь полный обзор», — объясняет Билл Ратке. По этой причине первые модели имели широкие стеклянные окна. Но, как говорит Ратке, «такое стекло «стоит» около 70 фунтов на квадратный фут [квадратный метр такого стекла весит 350 кг. — Forbes], в отличие от примерно семи фунтов за квадратный фунт металлической конструкции (в десять раз меньше!)». Отметим, что в разговорах о затратах создатели ЛПМ чаще имеют в виду вес или время, а не деньги. Ратке добавляет: «Мы пришли к выводу, что вместо того, чтобы делать подобие вертолета, надо просто придвинуть стекло ближе к глазам астронавта, и он сможет увидеть столько же». Таким образом, дельтовидные окна лунного модуля имеют длину стороны в 18 дюймов (46 см), а расстояние от стекла до лица астронавта равно всего шести дюймам (15 см).

Покрасьте в сине-зеленый

Вес снова был причиной для выбора Bell Aerosystems титана вместо алюминия для создания баков с окислителем. Все шло отлично, когда команда испытывала взаимодействие титана с окислителем красного цвета при различных температурных условиях, под разным давлением и под действием вибрационных нагрузок.

Но когда в середине 1965 года одновременно совместили воздействие трех факторов, что же произошло? Бак взорвался. В течение нескольких последующих недель еще какое-то количество емкостей взорвалось во время испытаний. Это был тяжелейший кризис, так как возвращение к более тяжелым алюминиевым бакам требовало масштабного изменения конструкции ракеты.

Bell, NASA и North American срочно собрали единую группу из экспертов по металлургии, химии и строительству ракет со всей страны. «Allison (подразделение General Motors), North American, Aerojet-General и NASA принимали в этом участие, — комментирует Дэвид Фелд из Bell. — Вся существующая в стране информация об этой проблеме сконцентрировалась в одном месте».

Из-за экстренности ситуации испытатели отказались от обычного метода, когда одна группа ведет проверку каждого возможного объяснения шаг за шагом. Вместо этого одна группа исследователей начинала работать над теорией, в то время как другая работала на следующем логическом этапе проекта, который надо было бы реализовать, если теоретики добьются успеха.

Группа ученых-химиков во главе с Генри Гейбушем, главным химиком-инженером компании Bell, начала изучение особенностей окислителя, в то время как эксперты в области металлургии под руководством Эдмунда Кинга стали работать над титановым сплавом. Химики заинтересовались, почему некоторые партии окислителей были не обычного красного цвета, а сине-зеленого. В большинстве случаев сине-зеленый окислитель отправлялся обратно производителю, так как содержал примесь оксидов азота. Однако в нескольких случаях в испытаниях титановых баков все-таки использовался сине-зеленый окислитель и в них не было замечено отрицательных результатов.

К этому моменту Кинг со своими подчиненными, учеными-металлургами, окрестили хлор «главным подозреваемым». Они обнаружили, что при высоком давлении титан легко разъедался под воздействием хлора, связанного с кислородом. Таким образом, задача состояла в том, чтобы убрать либо хлор, либо кислород. Оказалось, что для того, чтобы убрать кислород, нужно добавить окись азота — тот самый ненужный компонент, из-за которого окислитель приобретал сине-зеленый цвет! После этого химики Bell потребовали от поставщиков прислать сине-зеленый окислитесь вместо того, чтобы отсылать его обратно.

Пока работа не закончилась

Не все проблемы в работе с системами были чисто технологическими. NASA работает под нажимом правительства, выполняя по сути политическую цель — к 1970 году человек должен попасть на Луну. Это создало некоторые проблемы для менеджеров системы, связанные с планированием. Но аэрокосмические исследователи отнюдь не думают, что это плохо. Билл Ратке из Grumman отмечает: «Для любой масштабной комплексной программы вроде этой самый дешевый способ все создать — сделать это как можно быстрее. Если бы у нас не было временных ограничений, наверное, мы стали бы теоретизировать до тошноты. Скорее всего, у нас было бы все еще 7000 человек за работой и мы лишь занимались бы разработкой подсистем». Джон О’Брайен, заместитель директора по созданию ЛПМ и руководитель отдела контрактов Grumman, комментирует: «Необходимость выполнять план вынуждает принимать решения. Тенденция, которая прослеживается у большинства людей, — они прокрастинируют, когда в чем-то не уверены».

Однако повышение скорости работы приводит к увеличению затрат и большему давлению на руководство. Один из способов, который используют работники, чтобы не отставать от графика, — делать одновременно то, что в других условиях выполнялось бы последовательно. «Это значит, — утверждает Сэмуел Холт, менеджер по космической связи в подразделении по военным телекоммуникациям RCA, — что компании NASA придется организовать нашу работу по развитию подсистемы связи параллельно с разработкой самого лунного модуля».

Дороже = дешевле

Бригада ученых United Aircraft’s Hamilton Standard должна была разработать закрывающий клапан в скафандре космонавта на случай, если «Аполлон» загорится. Цель — изолировать каждого астронавта при появлении утечки воздуха в любом из скафандров. Компания выпустила клапан через шесть месяцев — работа, «на которую в нормальных условиях ушел бы год или больше», по словам Энтони Мирти, менеджера отдела космических систем. Как же это удалось? «Мы сразу, после ограниченного количества испытаний, стали их проверять на техническую применимость», — отвечает он. Но что если бы во время испытаний обнаружился дефект? Тогда было бы необходимо прекратить производство клапанов и произвести требуемые корректировки.

Но даже при необходимости переделки клапана, NASA не остановило бы работу по его включению в систему. Мирти отмечает: «Наша часть работы могла обойтись дороже в связи с одновременной работой над этими процессами, но так как в итоге срок выполнения проекта сокращается, то финансово NASA выигрывает».

Из-за того, что отставание в работе над пятидолларовой деталью может повлечь огромные убытки, необходим жесткий учет. Один из видов учета вице-президент Grumman Джозеф Гэвин называет «родословной частью».

«Нам хочется знать всю родословную выполненной работы, — комментирует он, — какие использовались материалы, какой обработке они подвергались, какие эксперименты проведены, чтобы в случае неполадки мы смогли определить, в чем причина и где она может еще проявиться».

Он приводит пример: «Перед предыдущим запуском в январе (По программе «Аполлон» до посадки на Луну было несколько экспериментальных стартов с выходом на орбиту Земли и Луны. — Forbes) мы обнаружили неполадку в части оборудования, которое казалось копией оборудования лунного модуля. К счастью, проверив обе «родословные», мы смогли прийти к выводу, что оборудование ЛПМ подходило для запуска. Нам не пришлось задерживать старт, чтобы заменить его».

Обратно на Землю?

Могут ли системные методы применяться в других областях, не связанных с космосом или военной сферой? На эту тему уже многое написано и сказано. Многое из этого — чистой воды пропаганда, направленная на обоснование роли космических исследований, чтобы таким образом аэрокосмическая компания смогла завоевать место в бизнесе, не связанном с космосом. Еще в январе, например, в статье журнала Fortune можно было найти такую фразу: «Методы планирования при создании космических ракет могут использоваться для эффективной атаки на города». Встречный аргумент состоял в том, что системный подход может применяться для решения таких земных проблем, как плохая транспортируемость товаров, чудовищная безработица, загрязнение воды и воздуха.

Но действительно ли это возможно? Этот вопрос вызывает серьезные сомнения. Исследование космоса сопряжено в первую очередь с решением проблем, связанных со свойствами окружающего мира и поиском необходимых технологий, но они не подвластны человеческому фактору. Земные же проблемы в основном связаны с взаимоотношениями между людьми. Технологически у нас уже есть решение многих проблем, но мы не знаем, как уговорить людей принять наш подход к устранению проблемы или распределению расходов. В Нью-Йорке, например, проблему пробок можно решить в одночасье, если просто запретить въезд для частных машин с Манхэттенского полуострова и значительно усовершенствовать сети метро и наземного транспорта. В целом это обойдется дешевле и будет более эффективно, чем использование частных автомобилей. Но как заставить автовладельцев отказаться от своих автомобилей, которыми они так дорожат? Как справиться с противниками, влиятельными представителями автомобильного сектора? Откуда взять миллиарды долларов на финансирование замены частного транспорта общественным, работающим, как часы? Возможно, это получится сделать, но системное проектирование пока не нашло ответа на эти вопросы.

Два года назад в докладе авторитетной Национальной комиссии по вопросам технологий, автоматизации и экономического прогресса был комментарий: «Системный подход не является ни новой технологией, как некоторые могут подумать, ни методологией, скрытой от остальных ограниченным кругом ученых и инженеров из аэрокосмической индустрии… В большинстве случаев он сводится к чуть большему, чем обычно, применение здравого смысла, что, в свою очередь, не является особенностью какой-либо отдельной группы общества».

Словом, системное проектирование есть не что иное, как планируемое, организованное осуществление необычайно крупных и сложных инженерных проектов. Многое можно вынести из этого. Возлагать на него неоправданно высокие надежды, обещать некую магию, как многое из уже переоцененных внедрений в космическую программу, — значит оказывать плохую услугу базовым ценностям исследований космоса.

Перевод Марии Клименко

Читайте также: Освоение Луны: от фантастических сценариев к реальным проектам

Читайте также: Космические масштабы. Бывший замминистра финансов хочет заняться межпланетными грузоперевозками