Innovations in management of space technologies development in the United States: analysis of the NASA experience

Yanik Andrey Aleksandrovich PhD in Technical Science Leading Research Associate, Institute for Demographic Research of the Federal Center of Theoretical and Applied Sociology of the Russian Academy of Sciences 119333, Russia, g. Moscow, ul. Fotievoi, 6, korp.1, of. 1 cpi_2002_1@yahoo.co.uk Other publications by this author

На протяжении нескольких последних десятилетий США целенаправленно формировали институциональные условия, необходимые для опережающего развития науки и инноваций, в том числе в сфере космических технологий. Одновременно методом проб и ошибок происходило совершенствование механизмов государственного управления национальной инновационной системой в целом и отдельными секторами в частности.

В период с конца 1980-х гг. и по настоящее время научно-технологическая и инновационная политика США претерпела несколько волн изменений. Среди внешних факторов, оказывавших влияние на смену стратегии и тактики управления развитием науки и инноваций в США, можно назвать такие обстоятельства, как изменения в общеполитической линии в связи с приходом к власти различных президентских администраций, геополитические перемены (распад СССР, образование Европейского Союза, рост экономической мощи Китая и др. стран), события 11 сентября 2001 г., финансовый кризис 2007-2008 гг. и мн. другие ^[1]. Однако, несмотря на то, что в конкретные моменты времени дизайн научной политики мог существенно меняться, общие тренды и перечень ключевых задач в целом сохранялись. Среди них: поиск методов оптимизации бюджетных расходов на науку, расширение участников национальной инновационной системы (НИС), прежде всего, за счет компаний частного сектора, постепенная переориентация научных исследований на решение актуальных проблем, с которыми сталкивается современное американское общество.

Период президентства Дж. Буша-ст. (1989-1993) запомнился беспрецедентным ростом бюджетных расходов на исследования в сфере обороны и безопасности, финансированием мегапроектов при фактическом отказе от технологической поддержки развития бизнеса. Наука, служившая главным инструментом противостояния в «холодной войне», была в этот период закрыта от критики и отличалась низкой степенью подотчетности. Прекращение противостояния сверхдержав в результате распада СССР сделало проблемы американской науки частью открытого политического дискурса.

В период Б. Клинтона (1993-2001) начался процесс снижения роли государства в поддержке науки в пользу бизнеса. Кроме того, была создана новая система научно-технических приоритетов развития, в которой главную роль стали играть общественно-политические и ценностные факторы. Магистральными направлениями, получившими максимальную поддержку, становятся комплекс наук о жизни, вопросы экологии и энергетики. Вследствие смены приоритетов этот период оказался наиболее депрессивным для космической отрасли, что привело не только к снижению активности НАСА, но и свертыванию амбициозных проектов прошлого периода (например, программ Стратегической оборонной инициативы, полетов на Марс и Луну).

В период президентского правления Дж. Буша-мл. (2001-2009) произошло определенное возвращение к приоритетам научно-технологической политики времен его отца Дж. Буша-ст., когда основное внимание уделялось обороне и национальной безопасности. Так, например, в 2005-2006 гг. военный бюджет США на исследования и разработки превысил (в постоянных долларах США) показатели периода конца «холодной войны» ^[2]. Однако попытки экстенсивного роста расходов на научные исследования довольно быстро натолкнулись на структурные и бюджетные ограничения, которые были усугублены глобальным финансовым кризисом. При этом поддержка гражданских космических исследований по-прежнему сохранялась на низком уровне, хотя перед НАСА была вновь поставлена задача разработки автоматических аппаратов для исследования Луны и расширения исследований с использованием искусственных спутников Земли. Главным побудительным мотивом для этого стали, скорее, внешние причины, в частности, принятие в 2006 г. Госсоветом КНР решения о создании национальной инновационной системы нового типа, где космическая деятельность рассматривалась как один из главных драйверов будущего технологического прорыва^[3].

На этом фоне постепенно складывались более гибкие механизмы управления развитием науки, позволяющие преодолеть структурные и бюджетные ограничения путем использования косвенных экономических методов, прежде всего, различных налоговых льгот, для стимулирования инноваций в частном секторе и создания соответствующей институциональной среды.

Одним из важных этапов на этом пути стало принятие так называемого Закона о конкурентоспособности 2007 г. (America Creating Opportunities to Meaningfully Promote Excellence in Technology, Educationand Science Act – America COMPETES Act) ^[4-5]. Основная идея этого акта заключалась в придании национальной системе инноваций таких характеристик, которые могли бы, по мысли его создателей, обеспечить безусловное лидерство американской экономики, прежде всего, в новых технологических укладах. Важное значение придавалось также созданию эффекта масштаба, когда высокая концентрация и рациональность расходования ресурсов позволяли бы повышать наукоемкость американской экономики таким образом, чтобы гарантированно (в несколько раз) сохранять ее отрыв от ближайших конкурентов ^[6].

Именно в этот период произошла стабилизация соотношений расходов государства (примерно на уровне 30%) и частного сектора в общем объеме финансирования исследований и разработок. Однако повышение роли бизнеса в управлении развитием науки и усложнение институциональной структуры НИС США привели к нежелательным последствиям, когда перспективные (но, как правило, высокорисковые) технологии оказались принесены в жертву более прибыльным, но менее значимым решениям, что грозило потерей стратегического лидерства для страны, в том числе в космической деятельности.

Стала очевидна необходимость новой модификации принципов и инструментов управления развитием национальной инновационной системы. К этой работе приступила администрация президента Б. Обамы (2009-2017), которая, в частности, сделала ставку на развитие космической политики и космических программ как одного из драйверов инновационной экономики ^[7-9].

Кроме того, в 2010 г. был принят обновленный Закон о конкурентоспособности (America COMPETETS Reauthorization Act of 2010, подписан президентом США 4 января 2011 г.) ^[10], который более эффективно перераспределил полномочия между организациями и структурами НИС и создал условия для роста инвестиций в фундаментальные исследования и развитие инновационной инфраструктуры.

Новации существенно изменили содержание государственной научной политики и способствовали формированию ее современного инструментария. Важнейшей задачей стал поиск, отбор и развитие, прежде всего, прорывных (disruptive) технологий, способных обеспечить долгосрочное лидерство. В результате традиционная широкая поддержка научных исследований «по всему фронту» уступила место процедурам выявления и стимулирования возможных «точек роста» новой технологической революции. Переход к новой модели предполагалось начать с «перезагрузки» традиционного инструментария венчурного финансирования. В частности, законом о конкурентоспособности было предусмотрено создание гражданского аналога Агентства передовых оборонных исследовательских проектов Министерства обороны США DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) в Министерстве энергетики США (проект ARPA-E). К 2015 г. общая сумма вложенного капитала в инновационные стартапы превысила 59 млрд. долларов США, достигнув самого высокого уровня с 2000 года ^[11].

К настоящему времени национальная инновационная система США имеет развитую сетевую структуру, связывающую через механизмы государственно-частного партнерства разнообразные и многочисленные группы проектов и инициатив и позволяющую (в идеале) реализовывать «полный инновационный цикл»: от проведения научных исследования до формирования соответствующего рынка. Элементы этой системы находятся в постоянном развитии и совершенствовании с учетом реалий и вызовов быстро меняющегося мира. Одним из таких элементов, требующих постоянной «тонкой настройки», является процесс выработки научно-технологических приоритетов. Существующие на сегодняшний день экспертный и политический способы, когда консультативные структуры и лоббисты действуют «снизу», а администрация президента США и Конгресс – «сверху», все еще недостаточно чувствительны к сигналам из сферы науки и технологий. Однако общий уровень технологического развития США и нестандартность принимаемых решений в целом достаточно высоки, чтобы обеспечить необходимые условия для нового технологического развития страны.

Изменения в государственной научной и инновационной политике США привели к завершению периода длительного застоя в деятельности НАСА, когда была поставлена задача восстановления его глобального технологического лидерства и начала нового этапа освоения космоса. С этой целью в 2010 г. был принят специальный закон, который не только резко увеличивал финансирование программ НАСА (58 млрд. долларов США в течение 2011-2013 гг.), но и ставил перед организацией задачу принять все возможные усилия по ускорению освоения космического пространства, в частности, путем создания государственной программы поддержания и развития системы передовых космических технологий ^[12]. С этого времени общий бюджет НАСА сохраняется примерно на одном уровне, что же касается приоритетов и конкретных программ, то они в значительной степени зависят от текущего представления о важности тех или иных технологических решений для достижения заявленных целей.

Координатором деятельности в области стратегий технологического развития исследований и освоения космического пространства выступает независимая Комиссия НАСА по разработке технологических дорожных карт (Steering Committee for NASA Technology Roadmaps), а сами работы обеспечиваются управлением Главного технолога НАСА. Эти дорожные карты выступают основополагающим элементом Стратегического плана инвестиций в космические технологии (Strategic Space Technology Investment Plan - SSTIP), который определяет стратегию и механизмы развития наиболее приоритетных космических технологий (делятся на базовые, обеспечивающие и дополнительные) на долгосрочную перспективу (горизонт 20 лет, уточнение плана каждые два года).

Проекты 14 дорожных карт такого типа впервые были подготовлены в 2010 г. в рамках перехода к новой политике государственного управления инновационными процессами и обновлены в 2012 г. ^[13]. С этого момента НАСА продолжает работу по их систематическому уточнению и совершенствованию в сотрудничестве с Национальными академиями наук, инженерии и медицины США (The U.S. National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine). Национальные академии, действуя в статусе некоммерческих организаций, обеспечивают в рамках своих советов, комитетов и отделений проведение независимого анализа актуальных проблем и вырабатывают рекомендации для формирования государственной политики развития в соответствующих областях. В частности, по контракту с НАСА работает Совет по аэронавтике и авиационно-космической технике (Aeronautics and Space Engineering Board – ASEB), который представляет Национальный исследовательский совет (National Research Council) академий США.

Уточненный набор технологических дорожных карт (ТДК) был опубликован НАСА в 2015 г. Ключевым аспектом обновления ТДК стала попытка впервые оценить степень важности и значимости каждой технологии с точки зрения возможности ее включения в специальный перечень (listing) технологий для эталонной модели миссии НАСА (design reference mission – DRM). НАСА приступила к систематической разработке DRM в период после 2012 г. Всего разработано 8 эталонных моделей для пилотируемых полетов и 38 эталонных моделей – для научных миссий. Эталонная модель - это структурированное и достаточно детализированное описание миссии, которое включает ее назначение, возможные угрозы и риски, основные способы реализации и их текущую стоимость ^[14]. Собранный вместе пакет эталонных моделей НАСА, с одной стороны, позволяет проводить стратегические прогнозы, что облегчает управление развитием ситуаций, а с другой стороны, дает возможность агентству значительно сокращать операционные расходы, снижать риски реализации, а также ускорять процессы оптимизации самих эталонных моделей за счет использования наиболее эффективных технологических решений. Помимо четырнадцати ТДК 2010 в ТДК 2015 была добавлена пятнадцатая технологическая дорожная карта по аэронавтике. Академиями совместно с НАСА также были установлены приоритеты космических технологий в ТДК 2015, что отсутствовало в ТДК 2010. Наконец, еще одним результатом стало создание методологии проведения независимой оценки будущих обновлений ТДК, которую рекомендовано проводить каждые четыре года ^[15].

Структура ТДК включает четыре уровня описания (предметная область, смежные области, ключевые технологии, решаемые задачи). Выделены следующие основные предметные области (technology area – TA):

- TA1: Системы запуска (Launch Propulsion Systems);

- TA2: Технологии перемещения в космическом пространстве (In-Space Propulsion Technologies);

- TA3: Космические системы производства и хранения энергии (Space Power and Energy Storage);

- TA4: Роботы и автономные системы управления (Robotics and Autonomous Systems);

- TA5: Системы связи, навигации, отслеживания и сортировки космического мусора (Communication, Navigation, and Orbital Debris Tracking and Characterization Systems);

- TA6: Здоровье человека, системы жизнеобеспечения и пребывания (Human Health, Life Support, and Habitation Systems);

- TA7: Системы обеспечения постоянного пребывания человека в отдаленных пунктах назначения как на Земле, так и за ее пределами (Human Exploration Destination Systems);

- TA8: Научные инструменты, обсерватории и системы датчиков (Science Instruments, Observatories, and Sensor Systems);

- TA9: Системы входа, спуска и посадки (Entry, Descent, and Landing Systems);

- TA10: Нанотехнологии (Nanotechnology);

- TA11: Построение и анализ компьютерных моделей и технологии обработки данных (Modeling, Simulation, and Information Technology and Processing);

- TA12: Материалы, конструкции, механические системы и их производство (Materials, Structures, Mechanical Systems, and Manufacturing);

- TA13: Системы обеспечения запуска (Ground and Launch Systems);

- TA14: Системы терморегулирования (Thermal Management Systems);

- TA15: Авиационные исследования (Aeronautics).

Всего в перечень ТДК 2015 вошло 340 технологий; по результатам сравнения дорожных карт ТДК 2010, ТДК 2012 и ТДК 2015 42 технологии были признаны новыми. Больше всего новых технологий было связано, в частности, с предметными областями: ТА1 (11 технологий, в частности, в области твердотопливных и аэростатных систем), ТА4 (11 технологий, в частности, в области обеспечения автономности, мобильности и взаимодействия с человеком) и ТА11 (8 технологий, в частности, компьютерные инструменты дизайна миссий, использование эксафлопсных систем и недетерминированных алгоритмов). Из 42 новых технологий пять были признаны обладающими высоким приоритетом. Среди них:

- ТА4: Технологии захвата, закрепления или взаимодействия с большими объектами произвольной формы, которые могут свободно перемещаться в пространстве или на поверхности (Grappling), а также технологии удаленного управления автономными системами и роботами (Remote Interaction);

- ТА9: Технологии использования специализированных датчиков определения положения и скорости по отношению к поверхности (Terrain-Relative Sensing and Characterization) и технологии принятия автономных управляющих решений по наведению на основе сенсорных данных (Autonomous Targeting);

- ТА14: Технологии компьютерного моделирования систем тепловой защиты (Thermal Protection System Modeling and Simulation).

Важность разработок технологий захвата (Grappling) объясняется не только возможностями транспортировки астероидов и их обломков на лунную орбиту, утилизации космического мусора и строительства на орбите Земли больших космических кораблей, но также коммерческими перспективами, связанными со сбором мелких астероидов для переработки или разработки других космических объектов. Правовые рамки для такого рода деятельности установил принятый в США в 2015 г. Закон о коммерциализации деятельности в космосе (Spurring Private Aerospace Competitiveness and Entrepreneurship Act – SPACE Act of 2015). Закон, в частности, регулирует вопросы деятельности частных компаний на орбите Земли, организации частных проектов за пределами орбиты Земли, а также разрешает гражданам США свободно заниматься разработкой планет и астероидов, владеть и распоряжаться полученными ресурсами, в том числе, водой и минералами (но не живыми объектами) ^[16].

Приоритет разработки технологий удаленного управления (Remote Interaction) объясняется необходимостью развития процедур управления поведением роботов с использованием семантических конструкций, а не многочисленных команд низкого уровня. По мнению экспертов, в этой области возможны открытия, полностью меняющие правила игры (game changing science) ^[17], что может принципиально изменить подходы к организации миссий с использованием автоматических аппаратов.

Технологии применения специализированных датчиков для навигации космических аппаратов (Terrain-Relative Sensing and Characterization) также относятся к открытиям, меняющим правила игры, поскольку обеспечивают высокоскоростные и точные измерения для алгоритмов, гарантирующих безопасность и точность приземления космических аппаратов в зонах дислокации ресурсов или областей высокого научного интереса. Использование подобных устройств гарантированно окажет влияние (impact) на все аэрокосмическое сообщество, особенно в части коммерческих и военных беспилотных кораблей.

Технологии принятия самостоятельных управляющих решений по наведению (AutonomousTargeting), по мнению экспертов, относятся к потенциально прорывным технологиям, поскольку позволят увеличить число межпланетарных перелетов, подобно тому, как это предусмотрено программой НАСА «Новые рубежи» (New Frontiers Program) ^[18]. Кроме того, даже в случае пилотируемого полета, такие технологии критически важны при чрезвычайных ситуациях.

Отнесение технологий моделирования систем тепловой защиты (Thermal Protection System Modeling and Simulation) к высокоприоритетным объясняется тем обстоятельствам, что они могут помочь сократить неопределенности при моделировании тепловых потоков сильных ударных волн, которые сегодня являются главным ограничителем при конструировании эффективных тепловых экранов при высокоскоростном входе космических аппаратов в атмосферу Земли, Марса и других тел с газовой оболочкой. Комплексное физико-математическое моделирование ударных волн и теплового излучения с учетом экстремальных свойств веществ позволит сэкономить время и ресурсы как за счет снижения числа натурных испытаний, так и повышения надежности конструкторских решений. По мнению экспертов НАСА, уровень неопределенности для пилотируемого полета на Марс и обратно в настоящее время достигает 80%, в то время как усовершенствование методов моделирования тепловой защиты позволит обеспечивать уровень неопределенности ниже 25% для всех планетарных миссий ^[19].

При разработке ТДК 2012 впервые была сделана попытка выделить технологии с максимальным приоритетом с точки зрения способности достижения трех ключевых целей:

- Цель А. Освоения человеком космического пространства (Human Space Exploration): расширение и поддержания человеческой деятельности за пределами околоземной орбиты;

- Цель Б. Изучение планет (In Situ Planetary Science): исследование эволюции Солнечной системы и потенциала для жизни повсюду;

- Цель В. Дистанционные измерения (Remote Measurements): расширение представлений о Земле и Вселенной.

В процессе анализа ТДК 2012 было выделено 16 технологий, обладающих максимальным приоритетом. По результатам оценки ТДК 2015 к технологиям с максимальным приоритетом были также отнесены указанные в предыдущем разделе следующие высокоприоритетные технологии: использование датчиков для навигации космических аппаратов, принятия автономных управляющих решений и захвата и удерживания объектов. По итогам ранжирования, проведенного в 2016 г., американские эксперты выделили 17 индивидуальных технологий и групп технологий, обладающих максимальным приоритетом (см. Tаб. 1).

Таблица 1. Ключевые космические технологии НАСА

Источник: NASA Space Technology Roadmaps and Priorities Revisited. The National Academies Press, 2016. P. 49-52.

По состоянию на конец 2015 г. общий портфель технологий НАСА достиг 1400 единиц, ежегодные расходы на которые превышают 1 млрд. долларов США. В этих условиях служба внутреннего аудита агентства приняла решение ускорить работы по обновлению ТДК (в том числе, чтобы исключить дублирование с другими правительственными агентствами, промышленностью и академическим сообществом), уделить первоочередное внимание выявлению технологий с высоким приоритетом и оптимизировать на этой основе процедуры внесения изменений в Программу капиталовложений в стратегические космические технологии SSTIP ^[20].

В последние десятилетия произошли существенные изменения внешних условий, которые необходимо учитывать при формировании государственной космической политики в целом и разработке стратегии управления развитием космических технологий в частности.

В период после финансового кризиса 2007-2008 гг. и нескольких лет устойчивого роста мировая космическая индустрия оказалась на пике нового этапа развития, который характеризуется быстрым расширением технологических возможностей и числа потенциальных участников. Фактически, происходит взрывное формирование глобальной сети многочисленных сервисов и услуг, в которой государственные структуры уже не играют определяющей роли. Частные компании и стартапы успешно экспериментируют с новыми подходами по развертыванию группировок специализированных космических аппаратов и средств, способных обеспечивать достижение ранее казавшихся фантастическими целей (например, изготовление по запросу планетарных модулей «на месте» методами 3-D печати).

Технологии становятся не только драйвером прогресса космической деятельности, но и сами по себе выступают трендом развития. По мнению участников, Всемирного экономического форума в Давосе 2016 г., нынешняя, четвертая по счету, индустриальная революция трансформирует сложившиеся основы производства, потребления и распределения, что, возможно, приведет к изменению самой человеческой природы ^[21].

Благодаря развитию технологий «цена входа» в сферу космической деятельности резко снизилась, что привело к взрывному росту числа участников и используемых ими ресурсов. Например, за последние 40 лет число государств-участников этого рынка возросло почти в семь раз и достигло 80. При этом, новые игроки больше не придерживаются традиционно сложившихся в рамках мирового сообщества правил и стратегий космического сотрудничества, а преследуют свои собственные интересы: если одни «новички» развивают амбициозные проекты с неочевидными перспективами, то другие пытаются максимально быстро заполнить недостаток собственной базы знаний и данных в области космической деятельности, для чего активно развивают взаимодействие с участниками традиционных национальных и международных программ.

Одним из важных следствий перемен становится размывание границ между военными, коммерческими и гражданскими проектами, что выводит на передний план проблему их глобального мониторинга и, соответственно, необходимость формирования соответствующих систем и структур.

Характерно, что новые участники зачастую отказываются от традиционного опыта стран-лидеров в освоении космоса. С экономической точки зрения это проявляется в нововведениях, направленных, прежде всего, на контроль затрат, а не повышение эффективности. При этом, новые бизнесы часто позиционируют себя не как аэрокосмические, а ИТ- или медиа-компании, чтобы закрепить за собой определенное место в возникающих глобальных цепочках стоимости.

Интернет-революция и возникновение новых социальных практик привели к взрывному спросу на данные космических наблюдений и сервисы на их основе (например, контроль перемещения грузов, картирование, навигация в месте пребывания), используемые как хозяйственными структурами, так и массовыми потребителями. Объемы рынка космических услуг увеличиваются на десятки миллиардов долларов в год ^[22]. Более того, правительства начинают все чаще приобретать космические услуги, а не создавать технологии их производства. Резкий рост числа участников и видов и форм космической деятельности ведет к физической перегрузке существующих систем контроля. В результате многократно возрастает сложность процессов управления космической деятельностью на национальном и глобальном уровне, что становится дополнительным фактором углубления противоречий между глобальным характером рынков и попытками защитить национальные интересы протекционистскими методами ^[23].

В связи с резким ростом новых рынков космической деятельности в силу бюджетных ограничений объективно сокращается роль государства как основного участника «космической гонки». По прогнозам экспертов, общий бюджет космической деятельности в США увеличится с 332 млрд. долларов в 2015 г. до 600 млрд. долларов в 2025 г.; причем за эти годы доля федерального бюджета сократится с 14% до 5%, а доля расходов на коммерческую инфраструктуру (включая производство космических аппаратов, средств выведения и орбитальных платформ), продукты и услуги, соответственно, возрастет с 76% до 86% ^[24].

Сталкиваясь с новыми вызовами, государственные космические агентства (или их преемники) вынуждены оперативно трансформировать свою традиционно сложившуюся институциональную среду, чтобы сохранить лидерство и продемонстрировать способность предлагать эффективные решения по приемлемым ценам ^[25]. В государственной космической политике на смену директивным программам все больше приходят методы стратегического планирования, регулирования, надзора и проактивного выявления будущих «точек роста». В этих условиях критическое значение приобретает качество институциональной среды и степень подотчетности всех основных игроков, без чего невозможно оперативно обнаруживать ловушки развития и эффективно управлять имеющимися бюджетными ресурсами.

Опыт США показывает, что современная космическая политика становится не только более многофакторной, комплексной и многоуровневой (policy mix), но и по-настоящему наукоемкой, основанной, в частности, на использовании объективных научных доказательств успешности тех или иных решений (evidence-basedpolicy). Анализ деятельности НАСА по формированию научно-технологических приоритетов и систематической «тонкой настройке» технологических дорожных карт показывает эффективность гибких децентрализованных решений для управления технологическим развитием в условиях быстро меняющихся вызовов.