Взлететь-то ты, пожалуй, взлетишь,
но удастся ли тебе оттуда выбраться?
Р. Э. Распе «Приключение барона Мюнхгаузена», гл. «Верхом на ядре».

11 декабря 2020 года между Государственной корпорацией «Роскосмос» и Акционерным обществом «Конструкторское бюро «Арсенал» имени М. В. Фрунзе» был заключен контракт на разработку межпланетного буксира «НУКЛОН» с ядерной силовой установкой для осуществления полётов в дальний космос. На разработку аванпроекта космического комплекса с транспортно-энергетический модулем и модулем полезной нагрузки было отведено 4,174 миллиард рублей. Заявление о создании магнитоплазменного двигателя и космического ядерного реактора мегаватного класса стало сенсацией, взбудоражившей воображение профессионалов космической индустрии и представителей общественности ожившими картинами киновселенной Джоржа Лукаса «Звёздные войны. В перспективе инновационный проект призван встать в авангарде российских космических пилотируемых программ, составив конкуренцию планам Илона Маска и его аэрокосмической компании SpaceX по колонизации Марса, и обещает вывести буксир на околоземную орбиту к 2030 году. 

Я совершу попытку анализа проектов по осуществлению идеи межпланетных путешествий и попробуем дать ответ на вопрос о том, действительно ли революционный буксир «Роскосмоса» не имеет мировых аналогов?

Часть I. Назад в Будущее

Идеи использования ядерных технологий в межпланетных путешествиях начали появляться задолго до запуска первого спутника. Технологических решений использования ядерного деления в космических нуждах предлагалось множество — от проектирования питания электрореактивных двигателей до создания ядерно-импульсных взрыволётов. Последние, по задумке конструкторов буквально летели «на гребне волны», выбрасывая под себя небольшие ядерные заряды. 

Однако серьезные проекты в данной области двигателестроения стали популярны ближе к миссиям «Апполонов» в рамках лунно-марсианской программы NASA. Тогда был дан старт американскому проекту NERVA (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application) — совместной программе Комиссии по атомной энергии США и NASA по созданию ядерного ракетного двигателя в 1961-1972 гг. Проект преследовал цели достижения Марса к 1978 году, наличия постоянной лунной базы к 1981 году и зондирование Венеры, Юпитера и Сатурна, а также высадку на астероиды. Новые тепловые ядерные ракетные двигатели NERVA предполагалось использовать в качестве двигательной установки как основного компонента Космической транспортной системы (Space Transportation System — IPP, NASA), а также в роли разгонного блока с ядерной установкой для ракет-носителей семейства «Saturn» в рамках программы Apollo (NASA, 1961 -1972) и за её пределами (с 1969 года).

Для справки: Ознакомимся с основными принципами работы классического теплового ядерного ракетного двигателя (ЯРД). Для большей эффективности работы любого реактивного двигателя, то есть минимизации его удельного импульса, необходимо добиться как можно более высокой скорости истечения рабочего тела, газов. В таком случае необходимый запас топлива снижается в разы. В свою очередь, скорость истечения рабочего тела зависит от молярной массы продуктов горения: чем она меньше, тем выше скорость газа. Вместе с тем, желательно максимально увеличить температуру рабочего тела. В лучших образцах современных жидкостных ракетных двигателей (ЖРД), использующих топливную пару «водород-кислород», таких как российский РД-0120 и американский RS-25, удельный импульс не поднимается выше 4500 м/с. В тепловых ядерных ракетных двигателях вместо обычного горения вещества предполагается нагрев рабочего тела. Так, при разогреве водорода до температурной отметки 3000K при молярной массе 2 г/моль скорость истечения газа приблизится к 9 км/с. Причем данный показатель достигается при условии относительно большой тяги, составляющей десятки кН. Ограничение температуры нагрева в 3000K объясняется угрозой расплавления элементов конструкции. Сам же процесс очень быстрого нагрева водорода осуществляется с помощью продувки газа через активную зону ядерного реактора. Конечно, по меркам ЖРД значения достаточно скромные, но отметим, что двигательные установки, обгоняющее химические ракетные двигатели по удельному импульсу, чаще всего имеют тягу не более нескольких ньютонов, поэтому в земных условиях они не способны поднять даже собственный вес, и использование подобного рода двигателей возможно исключительно в космосе, в условиях вакуума и невесомости. 

Гарри Фингер, первый директор SNPO (Space Nuclear Propulsion Office, USA) — Управления космических ядерных двигателей, созданного в 1961 году под эгидой NASA в целях изучения возможности использования ядерных тепловых ракет, доверил разработку ядерного ракетного двигателя NERVA фирмам «Aerojet» и «Westinghouse Electric Company LLC». SNPO зависело от LANL (Los Alamos National Laboratory) — Лос-Аламосской лаборатории, одной из шестнадцати Национальных лабораторий Министерства энергетики США, основанной в 1943 году для разработки ядерного оружия в рамках Манхэттенского проекта (1939–1946), и находящейся в ведомстве управления Службы Национальной безопасности (Triad National Security, USA). В свою очередь, LANL поставляла технологии для NERVA, как части проекта Rover (Project Rover) по разработке ядерной тепловой ракеты (1955–1973). Однако после успешного запуска первого спутника СССР в 1957 году, в 1958 году проект был передан NASA и вошел в NERVA как начальный, переориентированный на исследования в области конструкции ядерных ракетных реакторов, тогда как целями NERVA были общая разработка и развертывание ядерных ракетных двигателей и планирование долгосрочных космических миссий. 

Рабочая конструкция NERVA была основана на KIWI. Выбор пал на дающую около 34 тонн тяги опытную конструкцию ЯРД KIWI-B4, как основу будущей экспериментальной ядерной ракеты NERVA NRX (Nuclear Rocket Experimental). С началом работ и в течение 1960-х гг. научные исследования, работы по проектированию и изготовлению прототипов NERVA в ходе двух последующих фаз проекта Phoebus и Pewee, производились непосредственно в LANL, как отчасти и апробирование двигателей KIWI и Phoebus. 

Основные тестовые испытания проводились на территории ядерного полигона в Неваде (Nevada Proving Ground — NTS, USA). Отметим, что сроки для проверки работоспособности NERVA NRX / EST (Engine System Test) затянулись до 1966 года. Все задачи, поставленные перед NERVA NRX, были успешно выполнены. Первый эксплуатационный образец стабильно работал около двух часов, из которых в течение 28 минут на полную мощность, что почти в два раза больше, чем время работы KIWI. В ходе испытательной части на стендах Pewee и Pewee-2, уступающих в размерах KIWI, вошедшей в программу пилотируемых космических полетов Apollo, показатели мощности системы достигли 4 ГВт. 

Последующий модифицированный двигатель NERVA XE разрабатывался с целью приблизиться к реальным условиям космического полета вплоть до использования турбонасосного агрегата. Двигатель испытывался в отсеке пониженного давления, частично имитирующем работу в вакууме, что обеспечивало более оптимальный режим работы для сопла ЯРД. Дело в том, что при давлении на срезе сопла меньшем, чем давление среды вокруг ракеты-носителя, начинается перерасширение, которое в отдельных случаях может увеличить удельный импульс, но приводит к возникновению автоколебаний, угрожающих работе двигателя. Также была добавлена радиационная защита для внешних компонентов. Время тестирования составило 1 час 55 минут, за которые были произведены 28 пусков. В ходе экспериментов серии XE Prime было осуществлено 24 пуска реактора, который работал на полной мощности в течение 28 минут. В совместном заявлении NASA и SNPO утверждалось, что ЯРД NERVA XE в состоянии работать с удельным импульсом, вдвое превышающим скорость истечения химических ракетных двигателей, и пригоден для применения в космической технике, в частности для осуществления планов NASA в отношении Луны и Марса.

Технически, ракетный двигатель с пригодной для подъема с поверхности Земли тягой и удельным импульсом в 10 км/с способен решить задачи по освоению ближнего и дальнего космоса. Условный «космолёт» с подобным двигателем в конструкции сможет не только самостоятельно выйти на орбиту Земли, но и осуществить посадку на Луну, мало того, вернуться обратно. И характеристики твердофазных ЯРД NERVA были близки к подобным значениям! Программа NERVA продемонстрировала 17 часов работы ядерных двигателей, шесть из которых при температуре выше 2000 К. Не смотря на то, что сам двигатель, турбины и бак для жидкого водорода, используемого в качестве рабочего тела, никогда не собирались в единую и готовую к полету конструкцию, NERVA считался инновационным для своего времени двигательным устройством, предназначенным для третьих ступеней сверхтяжелых ракет-носителей и межпланетных ядерных «буксиров». Однако после запусков убыточных «Saturn V» Конгресс США резко сократил финансирование долгосрочных космических программ, а планы NASA по отправке людей на Луну и Марс были отложены на неопределённый срок, что четырьмя годами позже повторилось по другую сторону океана — в СССР. Следующим достижением американской космонавтики было успешное осуществление Государственной программы по созданию и эксплуатированию многоразовых транспортных космических кораблей-челноков Space Shuttle (Space Transportation System, USA, 1969 -2011), частично «благодаря» которой развитие пилотируемой космонавтики остановилось на земной орбите. В СССР же предназначенный для лунной программы «Союз» был использован под «земные» нужды — обслуживание отечественных орбитальных станций. NERVA же, как и многие революционные проекты 1960-ых, был вынужден отправиться на «задворки истории», так и не осуществив своего долгожданного и столь эпичного рывка к звездам.

Концепции создания ядерных ракетных двигателей не ушли в абсолютное забвение. Идеи жидкофазных ракетных двигателей Роберта Зубрина и газофазных звездолетов в дальнейшем помогут человечеству исследовать космос. Но всё же, «Святым Граалем» ракетостроения по праву считается удельный импульс, потому параллельно с NERVA умами ученых овладели идеи по созданию электрореактивных двигателей (ЭРД) для межпланетных аппаратов. Это направление получило широкое развитие в СССР, а затем и в России. 

Так плазменно-ионные двигатели (ПИД) имеют средний удельный импульс 100 км/с. Последний из новейших прототипов ракетных двигателей VASIMR (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket), ионизирующий рабочее тело с помощью микроволн и разгоняющий полученную плазму в электромагнитном поле, дает удельный импульс свыше 300 км/с! Идея данного двигателя, предназначенного для реактивного ускорения летательных аппаратов в открытом космосе, была предложена американским физиком и астронавтом NASA Франклином Чанг-Диазом ещё в 1979 году и является разработкой частной аэрокосмической компании Ad Astra Rocket Company (USA). Однако старт с Земли на подобных аппаратах невозможен по причине малых значений тяги. В лучшем случае она будет достигать 500 грамм. 

Как же использовать такой двигатель? Идея проста. Учитывая высокий ресурс работы ракетного двигателя, существует возможность разгона космических аппаратов в течение длительного времени, что вкупе с высокой эффективностью позволяет достичь скоростей, которые превышают значения химических ракетных систем в разы. Подобный тип ракетных двигателей может производить многократные перезапуски, что является весомым аргументом в сравнении с жидкостными двигательными установками. Проблемой ионных двигателей является относительно быстрое разрушение электродов. Разработки в области смены рабочего тела на водород являются одним из решений в деле усовершенствования конструкции двигателей, что позволяет повысить их удельный импульс. 

Между тем, актуальным становится вопрос об энергопотреблении. Где брать мегаватты энергии для таких «маленьких» игроков? В реалии предполагаемая конструкция обещает быть слишком массивной, что вызовет проблемы с её развертыванием на орбите. И здесь, как ни странно, предвосхищая в проекте «НУКЛОН» завтрашний день, мы вновь обращаемся к прошлому.

По существу, новейший межпланетный буксир Роскосмоса имеет длинную предысторию, уходящую корнями во времена Лунной гонки, в которой СССР потерпел поражение. Основные надежды возлагались на ракету-носитель Н-1, которая должна была не только вывести на орбиту Земли 95-тонный лунный исследовательский комплекс, но и «тяжёлый межпланетный корабль» (ТМК), предназначенный совершить перелет к Марсу или Венере и обратно с помощью обычных химических двигателей ориентировочно за два года (1972-1974 гг.). В этой связи происходила отработка некоторых узлов аппарата, потому просится вывод, что ещё на заре космонавтики на орбите Земли мог функционировать многоступенчатый крейсер с солнечным концентратором! «Лебединой песне» Королева не удалось прозвучать: проекту была уготована трагическая участь.

Отсутствие должного финансирования со стороны заказчика вынуждало советских инженеров работать на износ, что с кончиной С. П. Королева 14 января 1966 года стало причиной краха советской лунной программы Н1-Л3. Четыре серийных изделия претерпели разрушения в процессе полетных испытаний на этапе работы первой ступени, на которой стояло 30 двигателей типа НК-15. Учитывая уровень развития вычислительной техники второй половины 1960-х годов, синхронизировать работу тридцати жидкостных ракетных двигателей не представлялось возможным, из-за чего возникали сбои в работе системы контроля реактивных двигателей. Спонтанные отключения двигательных установок, низкочастотные автоколебания, разрушающие топливопроводы, резонанс в работе двигателей, гидродинамические удары, эффект колебаний типа Пого, то есть самовозбуждающейся вибрации в жидкостных ракетных двигателях, вызванной нестабильностью горения, смещение момента импульса, акустические вибрации, непредсказуемые эффекты в газовой струе первой ступени, отсутствие стендовых испытаний первой ступени — то, что на момент испытаний не поддавалось точному анализу расчетной части проекта. 

Однако главной причиной можно считать ненадежность самих двигателей, спроектированных по самолетной схеме в ПКБ Н. Д. Кузнецова (ОКБ-276), причиной чему послужили разногласия между С. П. Королевым и В. П. Глушко на предмет топливной пары для РН Н-1: С. П. Королев предложил использование двухкомпонентной смеси «керосин + кислород» в альтернативу варианта В. П. Глушко — азотному тетраоксиду (N2O4), являющемуся самовоспламеняющимся токсичным высококипящим веществом. В мае 1974 года было принято решение об утилизации двух оставшихся готовых изделий, снабженных кузнецовскими многоразовыми двигателями. Вся документация по проекту Н-1 подлежала уничтожению. По иронии судьбы «близнецы» были закреплены на стартовых столах и устремлены в небо… В 1976 году все работы по Н-1 были закрыты.

В советских проектах марсианских экспедиций 1960-1970 гг. предполагалось применение ядерных реакторов мощностью до 15 МВт и численностью экипажа от 4 до 6 человек. В проекте 1969 года фигурировал экспедиционный комплекс, в состав которого входил орбитальный корабль и посадочный модуль типа «Фара» сегментально-конической формы. Электро-ракетный двигатель (ЭРД) запитывался от термоэмиссионной ядерной энергетической установки. Аппарат представлял собой форму удлиненной иглы с вынесенным в целях радиационной безопасности реактором и коническим тепловым радиатором.Новым витком развития отечественной космонавтики стало создание сверхтяжелой ракеты-носителя «Энергия» (НПО «Энергия», 1976-1988), предназначенной для вывода на орбиту космоплана «Буран», при создании которой был учтён опыт РН Н-1. В разработке комплекса «Энергия-Буран» участвовало 1206 предприятий и организаций, около 100 министерств и ведомств, были задействованы крупнейшие научные, технологические и производственные центры Советского союза. «Энергия» считается самой мощной из советских ракет-носителей и одной из самых мощных в мире, наряду с «Saturn V» и «Space Shuttle» (NASA, USA), единственной используемой в мире в классе сверхтяжелых РН «Falcon Heavy» (SpaceX) и разрабатываемых «Space Launch System» (SLS, «Artemis 1» — NASA, USA), направленной на реализацию концепта беспилотного облёта Луны космическим кораблем «Орион» (запуск планируется в феврале 2022 года) и «Starship» (SpaceX), позволяющей доставить 150 тонн полезного груза в любую точку Солнечной Системы. В перспективе заказчиком планировалось создание многоразовых модификаций «Энергии», включая её сверхтяжёлую версию «Вулкан» («Геркулес») с полезной нагрузкой 170 тонн.

В 1987 году тип спускаемого аппарата «Фара» был заменен на «Несущий корпус», что являлось своеобразной отсылкой к проектам систем космического назначения «Спираль» и «Бор» (ОКБ им. А. И. Микояна, 1964-1978). Система включала орбитальный самолет, который выводился в космос посредством гиперзвукового разгонного воздушного судна, а затем ракетной ступенью непосредственно на орбиту. Сам посадочный аппарат крепился «по центру» комплекса. Мощность термоэмисионной ЯЭУ была снижена в два раза — до 7,5 МВт. Заметной особенностью являлось использование двух независимых автономных ядерных энергодвигательных установок, суммарная мощность которых составила 15 МВт. Это никак не сказалось на начальной массе и стоимости по сравнению с одним ЯЭРДУ мощностью 15 МВт, но зато была увеличена безопасность и надёжность межпланетного перелета: даже при одной работающем двигателе экипаж мог быть возвращен на Землю из любой точки траектории полета.

Существенное коррекция проекта произошла в 1988 году, когда взамен ядерной энергодвигательной установки в конструкции экспедиционного комплекса было предложено использовать схему с пленочными солнечными батареями на линейных разворачивающихся фермах, отработанных на орбитальных станциях «Салют-7» и «Мир». Причиной тому было стремление сделать проект более экологичным, что существенно облегчало бы этапы наземной и орбитальной подготовки, в том числе исключило бы воздействие радиационного излучения реактора. Масса комплекса составила 350 тонн. Время полета к Марсу определялось двумя годами, экипаж численностью 4 человека, двоим из которых предстояло осуществить высадку на поверхность Красной планеты. Плановая длительность работы на поверхности Марса составляла неделю — 7 дней, что несоизмеримо мало по сравнению с аналогичными западными проектами, такими как «Mars Direct» (с 1990 г., NASA). Большую часть времени экипаж должен был находиться на марсианской орбите, что уменьшало риск миссии, так как ЯЭРДУ не требовала дозаправки комического аппарата непосредственно на поверхности Красной планеты в отличие от химических ракетных двигателей, как в том же «Mars Direct» или «Starship» (SpaceX). Однако возрастало время воздействия космических радиационных излучений на экипаж.

Следующие десять лет будут отмечены «чёрной полосой» в проектировании межпланетных полетов. За год до начала нового тысячелетия, в 1999 году, началось зарождение новых идей, положивших начало проекту «НУКЛОН». Солнечные батареи стали модульными, а количество спускаемых аппаратов увеличилось до двух. Изменился и сам тип посадочного модуля — от аппарата с несущим корпусом к «диску», например, конструкция спускаемого аппарата «Бигль-2» (European Space Agency, 2003). Экипаж увеличился до 6 человек.

В течение пятидесяти лет с начала космической эры концепты межпланетных перелетов, основанные на использовании технологий ядерных ракетных двигателей, претерпевали существенные изменения, в том числе в концепции использования ядерных силовых установок и орбитальных манипуляторов. Инновационные решения отрабатывались ходе наземных испытаний и при полетах орбитальных станций. К 2015 году в РКК «Энергия» им. С. П. Королева был сформирован детальный облик универсальной транспортной системы «Межпланетный Экспедиционный комплекс» (МЭК), позволяющей в отдаленном будущем достичь как Луны, так и Марса.

В целях высокой надежности и низкой себестоимости проекта в качестве двигательной установки был выбран электрореактивный двигатель. Конструкторское решение включало два варианта энергетических силовых установок — ядерную и солнечную, удельные энергомассовые характеристики которых в условиях околоземного пространства были примерно одинаковы. На орбиту Земли планировалось выводить одновременно орбитальный корабль и взлетно-посадочный модуль. Проект был ориентирован на доставку к Марсу экспедиции из шести человек с длительностью миссии в два года. Защита экипажа от радиационного излучения создавалась посредством контурной оболочки из баков рабочего тела вокруг жилых модулей. В состав комплекса входила центрифуга короткого радиуса, создающая искусственную гравитацию.

Признаем, что одной из основных проблем отечественной пилотируемой космонавтики является отсутствие у «Роскосмоса» сверхтяжелой ракеты-носителя. Безусловно, что восстановление ракет-носителей времён СССР экономически нецелесообразно, новейшие же имеют статус «В разработке». Так, первый запуск ракетно-космической системы «Енисей», бюджет которой составил порядка одного триллиона рублей, запланирован на 2028 год с космодрома «Восточный». Двухступенчатая ракета-носитель среднего класса предназначена для вывода на низкую околоземную орбиту до 170 тонн полезного груза. При создании гиганта применяется опыт «Энергии» и тяжёлой ракеты-носителя «Иртыш» («Союз-5»), которую планируется использовать для запусков как с космодрома «Байконур», так и с плавучего космодрома «Морской старт». На первой ступени РН «Иртыш» планируется установить один четырехкамерный жидкостный ракетный двигатель РД-171МВ с тягой 800 тс, что больше тяги легендарного ЖРД F-1, пятёрка которых была установлена на «Сатурн 5», отправившей американские «Аполлоны» в 1969-ом к Луне. Согласно некоторым концептам, возможно использование РД-171МВ и на первой ступени «Енисей». В проекте 015 года предполагалось использование РН «Ангара-7» из линейки модульных ракет-носителей «Ангара» (отменена). Грузоподъёмность такой модификации считается равной 35-40 т. 

По схеме экспедиции, восемь тяжёлых ракет-носителей осуществляли вывод на сверхвысокую орбиту высотой 200000 км энергодвигательный комплекс МЭК с ядерной силовой установкой (ЯСУ) мощностью 500 кВт. Следующим этапом космический корабль с экипажем на борту с помощью разгонного блока «вытягивает» свою орбиту и стыкуется с комплексом. Далее происходит разгон до второй космической скорости, перелет, торможение и выход на низкую околомарсианскую орбиту высотой 400 км. Взлетно-посадочный корабль, находящийся в специальном аэродинамическом контейнере, отстыковывается от МЭК, входит в атмосферу Марса и совершает посадку. Космонавты проводят на поверхности Марса около месяца – от 10 до 30 суток (проект предполагал создание марсианской базы с пилотируемым марсоходом). Затем, по схеме «Апполона», аппарат стартует с поверхности Красной планеты, совершает стыковку с орбитальным блоком, экипаж переходит в жилые отсеки и корабль начинает постепенно «вытягивать» орбиту по траектории раскручивающейся спирали. Обратный перелет и выход на сверхвысокую околоземную орбиту; экипаж переходит в корабль снабжения и отстыковывается от комплекса. По завершению спуска корабля на низкую околоземную орбиту запускается тормозной импульс, отделяется двигательный отсек и спускаемый аппарат входит в атмосферу Голубой планеты. Фактически, Межпланетный Орбитальный корабль должен был являться аналогом служебного модуля «Звезда», который находится в российском сегменте Международной космической станции с 2000 года.

К размышлению: удельный импульс ЭРДУ варьировался от 20 до 40 км/с, что является несколько заурядным значением по сравнению с эффективностью ионных двигателей. Предполагалось, что в проекте МЭК будет разработан ряд ядерных энергетических установок (ЯЭУ) с турбомашинным преобразованием энергии и электрической мощностью равной 1-1,5 МВт, 5-6 МВт и 20-24 МВт соответственно. Так, 6-мегаваттная ЯСУ могла быть выполнена на базе четырех установок мощностью 1,5 МВт, а 24-мегаваттная – на базе четырех ЯЭУ в 6 МВт соответственно. Такой объем стендовой отработки позволил бы охватить весь диапазон задач для электроракетных космических буксиров для полетов от низкой околоземной орбиты до границ Солнечной системы. Отметим, что МЭК с ядерной силовой установкой имеет ряд преимуществ перед МЭК с солнечной энергетической установкой (СЭУ). В частности, независимость энергоустановки от тени и ориентации в пространстве, а также расстояния до Солнца, которое увеличивается с приближением комплекса к Марсу.Основным достоинством проекта МЭК можно считать его многоразовость и аккумулирование множества технологий. Для 2015 года данный проект был достаточно передовым и являл собой своеобразный временной мост в прошлое — к советским марсианским проектам 30-летней давности, что еще раз говорит нам о том, что все современные решения являются всего лишь поправками «с улучшенной электроникой» к замороженным революционным проектам СССР, что явилось рычагом торможения развития отечественной космонавтики в 70-ые годы ХХ столетия.

Однако, отдадим должное срокам: если бы Роскосмос продолжил работу над проектом МЭК, то первые результаты можно было бы ожидать к 2027-2030 гг. Если же говорить о русских базах на Луне и Марсе, то не ранее 2040-2050 гг. Работы по созданию Российского Марсианского экспедиционного комплекса были остановлены из-за недостатка финансирования. Примем как вывод, что технологии для полета на Марс были отработаны уже в прошлом веке, потому банальной причиной того, что мы «крепко обосновались» на орбите Земли, являются, увы, деньги.

Часть II. В погоне за настоящим

Пять лет назад, в 2016 году появились первые подробности совместного проекта Госкорпораций «Роскосмос» и «Росатом», направленным на создание ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса для межпланетных кораблей с дальность полета до 1000 миллиард километров. Проект был призван вывести Россию в лидеры по созданию высокоэффективных энергетических космических комплексов.ЯЭДУ проектировался для аппарата, получившего название Транспортно-Энергетический модуль (ТЭМ). В качестве теплоносителя выступала гелий-ксеноновая смесь. Охлаждение производилось посредством излучения. Показатель максимальной температуры рабочего тела электрореактивного двигателя, нагреваемого реактором, составлял 1500K, что фактически в два раза меньше, чем в тепловых ЯРД. Это упрощает сложность конструкции, и, соответственно, снижает себестоимость продукта: рабочее тело вращает турбину – генератор вырабатывает электроэнергию для ЭРД. Топливом для установки должен был служить диоксид-, либо карбонитрид урана. При этом обогащение урана изотопом U235 более 20%, что выше, чем в тепловыделяющих элементах обычных АЭС. Поскольку топливо должно иметь температуру в значительных показателях (в среднем в тысячу градусов), возникала необходимость в материалах, способных выдерживать высокотемпературные воздействия, но в тоже время передавать энергию теплоносителю. Реактор предполагалось закрыть лишь со стороны расположения полезной нагрузки: радиационное излучение было направлено в открытый космос за исключением защищённой зоны, что позволяло снизить вес конструкции.

Интересной деталью проекта являлось расположение электроракетных двигателей, которые предполагалось разместить на перекрестии балок длиной 21,6 м, в центре которого должен был быть расположен переходной отсек с относительно небольшими солнечными батареями и модулем полезной нагрузки («тянущая» схема). Вдоль «мачты» планировалось расположить теплоотводящие радиаторы, на «макушке» – ядерная силовая установка электрической мощностью 1 МВТ с 3,8 МВт тепловой мощности.

Двигательная установка состоит из ионных двигателей повышенной мощности ЭРД ИД-500 (ГНЦ «Центр Келдыша»), удельный импульс каждого из которых составил 70 км/с при тяге 375-750 мН. Первичные испытания данного вида двигателей состоялись в 2014 году, по состоянию на 2019 год ЭРД ИД-500 прошёл полный цикл наземной отработки, в том числе испытания продолжительностью 2000 часов. Общий ресурс работы комплекса – чуть более двух лет. 

Для проведения летных испытаний установку планировалось вывести на высокие орбиты (800-1000 км). По словам директора ГЦН «Центр Келдыша» Анатолия Коротеева, в случае аварии, в том числе падении самых крупных, прошедших через плотные слои атмосферы, элементов установки на Землю, они не представляли бы опасности для экосистемы планеты. С течением времени проект ТЭМ уступил место ядерному буксиру «Зевс», задачи которого стали более специализированными. В частности, аппарат предназначался для доставки груза к Луне. С последующей модификацией проект вошел в программу «НУКЛОН», в задачах которой стоит создание комплекса из модуля доставки полезной нагрузки, средства выведения на орбиту и, непосредственно, самого буксира. Предполагается, что к ядерному космическому «локомотиву» будет стыковаться модуль с полезной нагрузкой, после чего происходит перемещение связки по межпланетной траектории в дальний космос.

Согласно настоящим характеристикам, электрическая мощность буксира по сравнению с ТЭМ 2016 года упала с мегаватта более чем в два раза – до 400 кВт. Масса же увеличилась в 1,75 раза – с 20,29 тонн до 35 тонн, что в частности влечёт за собой ухудшение тяговооруженности аппарата, а также уменьшение его характеристической скорости, что означает увеличение объемов топлива и снижение массы полезной нагрузки. 

В части конструкции отличие проекта составляет отсутствие перекрестия для крепления стыковочного порта и ЭРД. Варианты двигательной системы для транспортного модуля предполагают наличие ионных (по концепту 2016 года) или магнитоплазменных двигателей.

К сведению: сегодня «Центр Келдыша» планирует испытание капельного холодильника-излучателя на МКС. В этой связи целесообразно будет упомянуть эксперимент «Капля 2», целью которого было исследование гидродинамики и теплоотдачи монодисперсных капельных потоков в условиях микрогравитации и глубокого вакуума применительно к холодильникам-излучателям. По сравнению с традиционными панельными холодильниками-излучателями, капельные дают возможность существенно улучшить массогабаритные характеристики систем теплового сброса космического аппарата и тем самым увеличить мощность ядерных реакторов до сотен киловатт и более. Эксперимент проводился М. В. Тюриным, членом экспедиции МКС-38. При монтаже аппаратуры и сборке схем испытаний в исследовании принимал участие космонавт С. Н. Рязанский, член основной миссии МКС-37. В ходе эксперимента был реализован замкнутый рабочий процесс в капельном холодильнике-излучателе при наличии участка контура с условиями вакуума высокого качества и микро-гравитации (проведена симуляция условий глубокого космоса). Из-за внезапной остановки вращения ротора акт забора капель был преждевременно завершён, но, несмотря на это, учёным удалось получить необходимые данные.

Итак, то, что мы представляли себе на протяжении десятков лет как межпланетный буксир массой в несколько сотен тонн, представляет собой относительно небольшую «легковушку» для исследования Луны, вывод которой на околоземную орбиту способна осуществить тяжёлая ракета-носитель «Ангара». Считается, что цена вывода полезной нагрузки на орбиту Луны снизится в два раза: аппарат должен транспортировать до 10 т полезного груза, длительность полета составит 200 суток, пилотируемый вариант не планируется. Бесспорно, что проект является передовым, однако изменить судьбу отечественной космонавтики ему не по силу. Сроки его реализации слишком отдалённые – начало 2030 года. Пилотируемый перелет же к Марсу на аппаратах, использующих проектируемые на сегодня ЯЭДУ, в ближайшие 20 лет не состоится. 

Однако, есть одно «но»: презентация в том же 2016 году Илоном Маском проекта ITS, известного сегодня как SpaceX Starship, – предвестника, если не главной движущей силы революционного момента в истории человеческой цивилизации. Корабль Маска представляет собой сверхтяжелую полностью многоразовую ракету стартовой массой 5000 т. Модуль предназначен для доставки 150 т полезной нагрузки фактически в любую точку Солнечной системы с возможностью достаточно дешевой дозаправки на низкой околоземной орбите. Отметим, что проект обещает быть пилотируемым.

Предполагается размещение на борту аппарата до 100 человек, при этом объем жилого помещения составит около 1100 м³, что приблизительно равно объему МКС. Тем самым, для каждого человека будет выделено 11 м³, что больше герметичного объема Crew Dragon, который по первоначальным планам должны были пилотировать от четырех до семи человек. Напомним, что речь идет о пилотируемом полёте к Марсу, потому существующий объем подходит для сотни пассажиров на борту. При этом корабль Маска, использующий традиционные химические двигатели, должен быть пригодным к повторному использованию спустя час, что позволит совершать регулярные перелеты одного аппарата до трех раз в сутки! Согласно планам SpaceX, плавучие космодромы для данной сверхтяжелой ракеты-носителя будут расположены по всему миру.

До сих пор мы представляли базу на Марсе, как некое сооружение площадью в несколько сотен квадратных метров, содержание которой обойдется землянам в миллиарды американских долларов, а активно поддерживаемое в СМИ в духе первооткрывателей колонизация Красной планеты скорее будет походить на выживание, чем на осуществление «американской мечты» с билетом в один конец – история имеет свойство цикличности. Увы, но именно такой невеселый сценарий уготован для космического буксира «Зевс» и программы «Нуклон». 

Однако многоразовость – повторное использование, как главный козырь проекта Starship, открывает возможность создания реальных межпланетных поселений с населением в миллион человек. Так, стоимость одного пуска Starship составит $2 млн, что несоизмеримо мало по сравнению с ценой пуска SLS, проигрывающей Starship по всем параметрам. Даже обычный «Falcon 9», снизивший запуск килограмма груза на низкую околоземную орбиту до двух-трёх тысяч долларов, кажется нерентабельным в сравнении со Starship. К 2026 году SpaceX планирует размещение на орбите Земли космических дозаправочных станций, функционально заменяющих собой МКС: чем не базы StarTrek в реальности? Хочется верить, что пост-следующее поколение будет жить в мире «Экспансии», вполне естественно воспринимая весьма реальные очертания гигантских межпланетных кораблей над головами. 

Получается, что к планируемому на 2030 год выводу «Зевса» на орбиту на Марсе уже будут зачатки базы «Альфа». Как вышло, что новейший аппарат, аккумулирующий в себе передовые технологии, фактически стал ненужным, ограничив не только дальность полета, но и саму технологию использования ЯСДУ? Ответ банален – роль сыграло стечение обстоятельств, а именно:

• Никто не ожидал, что SpaceX пройдет путь от первой орбитальной сверхлегкой ракеты-носителя до межпланетных кораблей за достаточно короткий срок;
• Традиционные ЖРД, применяемые в проекте Starship, оказались куда более действенными в сравнении со сложными и малоизученными технологиями ядерных энергетических установок и электрореактивных двигателей, планируемые в проекте ТЭМ и его модификации «Зевс» («Нуклон»); 
• Недостаток финансирования, как основная и, пожалуй, главная брешь российского космопрома, который перестал быть приоритетной областью отечественного машиностроения.
• Основным отягчающим обстоятельством является использование на ядерном буксире ионных двигателей, главным образом по причине их сверхвысокого удельного импульса. 

Движение космических аппаратов не происходит по прямой линии. Для максимально точного и эффективного разгона до второй космической скорости (или удлинения орбиты) необходим импульс в самой близкой к центру Земли точке орбиты – перигее, однако невозможно мгновенно изменить скорость тела в какой-либо точке. 

Безусловно, что в погоне за увеличением скорости на некую произвольную величину химическим двигателям понадобиться намного больше топлива, чем электрореактивным, но при этом они произведут аналогичный импульс за несколько минут благодаря большой тяге. Ионным двигателям для отдачи импульса понадобится, напротив, минимальное количество топлива, но при этом разгон корабль будет осуществлять значительно медленнее, и аппарат рискует миновать перигей. Возникнет необходимость последующего пролёта корабля в перигее, чтобы именно в заданной точке включить двигатели. Иной способ – удлинять апогей на протяжении всего витка, изменяя вектор тяги двигателя. Представьте, сколько времени потребуется для какого-либо значимого изменения скорости аппарата массой 35 тонн и оснащённого двигателями с тягой 5,4 Н? 

В случае же разгона к Марсу ситуация представляется чуть лучше: после развития аппаратом второй космической скорости длина траектории перелета будет составлять десятки миллионов километров, что оставляет больше шансов на процесс торможения. 

В случае с Луной сложнее: аппарат не может разогнаться до второй космической скорости, поскольку он рискует пройти мимо объекта, так и не успев затормозить. Попробуем ответить на вопрос, как можно сбавить скорость многотонного аппарата с ионными двигателями с 12 до 1,68 км/с, если разгон с первой космической для Земли (8 км/с) до 12 км/с продолжался месяцами? Единственный выход – создание вытянутой эллиптической орбиты вокруг Земли с попыткой быть захваченным гравитационным полем Луны. При этом необходимо начать торможение в апогее, но вовремя, иначе возникнет риск «свалится» в атмосферу Земли под острым углом. 

Как результат этакого «прицеливания» в «лунный сыр», наш герой «Зевс» должен совершать перелёт к Луне не более чем за 200 суток, в то время как «Апполоны» на химических двигателях долетали до Луны за трое суток. Потому проект «Нуклон», претерпевая изменения в поиске своего перигея, очередной раз сходит с орбиты, теряя рентабельность, и в лучшем случае может использоваться только как экспериментальный демонстратор технологий.

Итак, большинство отечественных проектов, породивших фантазию о некой линейке масштабных изделий, которым было предначертано стать флагманами российского космофлота, уготована судьба «мертворожденных». По-сути, это лишь попытка перекинуть мост из прошлого в будущее: от советской к новой российской межпланетной, а если смотреть в корень, то к той же лунно-марсианской программе. Яркий пример тому — 30-летний период реинкарнации модельного ряда семейства «Ангара», в линейке которого на сегодня остались только две ракеты-носителя, а также проекта ТЭМ, уходящего в МЭК, и претерпевающего постоянный процесс реновации. По факту, причиной краха этих программ стал «естественный отбор».

В западных аналогах можно привести подобный пример «долгоиграющего» проекта Space Launch System (SLS) – ракеты, основанной на технологиях шаттлов. Его технологии разрабатывались и постоянно модифицировались столь длительно, что к первому пуску SLS оказалась просто не нужна. По словам научного блогера, автора подкаста «Теория большой бороды» А. Позднякова, SLS подобна рыцарю, который много лет оттачивал свой меч, готовился к схватке, и был убит от уже изобретённого огнестрела. Поэтому основной ошибкой таких проектов является как раз работа на опережение. 

Целесообразность же использования ионных и плазменных двигателей по сравнению с химическими ЖРД скорее вызывает мысль о взаимном дополнении данных технологий в космосе: химические двигатели эффективны для вывода аппарата с поверхности на орбиту, ионные — для межпланетных перелётов.

В идеале условный Starship должен стартовать с Земли и состыковаться с межпланетным буксиром, оснащенным ионными двигателями, затем «локомотив и вагончик» совершают путешествие к любой точке Солнечной системы. «Транспортник» можно собрать посредством тех же Starship-ов за считанные дни, при этом полезная нагрузка комплекса будет исчисляться сотнями тонн. Далее по классической схеме «Аполлонов» – Starship отстыковывается, входит в атмосферу искомой планеты и совершает посадку. 

Создание таких буксиров может быть не таким уж дорогим удовольствием: многоразовость системы позволяет снизить себестоимость пусков до значений, близких к отметкам сверхлегких ракет-носителей. Как вариант, допускается возможность использования твердофазного теплового ЯРД (в виду тяги). Так, пуск одного «Иртыша» будет в три раза дороже, чем того же Starship-а с превышающей в девять раз полезной нагрузкой.Средством выхода из кризиса должен стать отлаженный механизм создания подобных многофункциональных «шаттлов». В противном случае Роскосмосу, как и NASA, просто не останется места на рынке космических услуг. По большому же счету, давно назревшее в мировом космическом сообществе желание объединить усилия в деле освоения дальнего космоса требует своего разрешения и при удачном стечении обстоятельств создание описанного выше «мегабуксира» не представится уж чем-то фантастическим в ближайшие 5-7 лет, а обретет черты реально действенного международного орбитального проекта. Думаю, в различных космических агентствах это не только прекрасно понимают и рассматривают как один из вариантов перспективного развития мировой космонавтики. Иначе мы обречены вновь вернуться Назад – во времена великой космической гонки, чтобы извлечь уроки Прошлого и узреть-таки Будущее, чтобы наконец понять свое место и предназначение в Настоящем.

Автор: Давид Губанов
Редакторы и эксперты: Илья Брус и Стас Ворчун

• Космос как ощущение
• Почему вокруг спускаемого аппарата Орион облако плазмы
• Электричество. Впервые на войне
• Синдром Такоцубо
• Сохранение гигантов: генетика в экологии