Ракетные технологии, с помощью которых мы летаем сегодня в космос, достигли своего предела. Стоит ли масштабировать их, чтобы, напрягая все силы и терпя неудобства, расширять свое присутствие в космосе? Или лучше копить знания и ждать появления «новой физики», которая откроет быструю и удобную дорогу в глубокий космос, а человечество повзрослеет настолько, чтобы заниматься космосом сообща.
Полеты за счет химии и физики
Не только выход из гравитационного поля Земли, но и все перелеты к Луне, а в будущем — к ближайшим планетам осуществляются и будут осуществляться с помощью жидкостных ракетных двигателей, использующих химическую энергию топлива.
В качестве топлива в них используются такие композиции, как «кислород — керосин», «кислород — водород», «кислород — метан», азотный тетраоксид и несимметричный диметилгидразин, а также другие.
Наиболее эффективной и отработанной в России топливной парой является «жидкий кислород и керосин», обладающая высокой плотностью и необходимыми термодинамическими характеристиками, позволившими создать целую плеяду высоконадежных ракетных двигателей.
Относительно новым является использование метана в качестве ракетного горючего. Выделение энергии на единицу топлива при сгорании метана ниже, чем у кислород-водородной системы, но выше, чем при сгорании керосина. При этом энергетические характеристики ракет на метане и керосине близки по сравнению с керосином (примерно вдвое), что приводит к росту сухой массы баков ракеты.
«Мы считаем, что метановая система больше подходит для создания многоразовых двигателей благодаря упрощению межпусковой обработки внутренних полостей двигателей», — говорит генеральный директор Исследовательского центра им. М. В. Келдыша Владимир Кошлаков. По его словам, в центре разработана концепция метанового двигателя, и чертежи переданы в конструкторское бюро для изготовления прототипа.
Уже не один десяток лет для энергообеспечения спутников и пилотируемых космических кораблей используется эффективное, но при этом весьма токсичное топливо — гидразин. Он сильно ядовит, так что заправлять его приходится в защитном скафандре. Поэтому популярным направлением разработок стал поиск «зеленого» ракетного топлива на замену гидразину.
Хотя потенциал ракет на базе жидкостных двигателей выработан практически полностью, летать на них придется еще лет 20–30. Повысить их транспортную эффективность может концепция использования ресурсов на месте (ISRU, in situ resource utilization), которую продвигают NASA и Илон Маск. Предлагается заправлять ракету в один конец, а потом вырабатывать топливо на обратный путь из местных ресурсов (например, добытая вода расщепляется на кислород и водород, а водород связывается с местным углеродом в метан). Опора на местные ресурсы — еще одна причина, по которой перспективные ракеты SpaceX оснащаются метановыми двигателями.
Помимо химических, есть электроракетные двигатели (ЭРД), преобразующие электрическую энергию в кинетическую. Так, Центр Келдыша делает двигательные установки, в которых используется эффект Холла, а также ионные двигатели.
Последний тип представляет собой ускоритель частиц, в котором процессы ионизации и ускорения разделены. Рабочим телом служит инертный газ (ксенон или аргон), который ионизируется в электромагнитном поле и с высокой скоростью истекает из сопла. В 10 раз быстрее, чем истекает окисленный водород, метан или керосин.
Ионный двигатель может работать очень долго, рабочее тело расходует экономно, но удельная тяга у него слабенькая (несколько десятков миллиньютонов на киловатт прилагаемой мощности; у холловского двигателя тяга немного выше). Если химическая ракета довозит полезную нагрузку до Луны за трое суток, то ионный двигатель будет тянуть два месяца.
Зато вместо 5 тонн «химии» требуется всего 200 килограмм ксенона. Поэтому ионные и холловские двигатели используются для космических аппаратов, которым некуда спешить. Например, геостационарные спутники, живущие 15 лет, можно двигать на их конечную орбиту месяцами.
«Наш ионный двигатель ИД-200 КР, предназначенный для коррекции геостационарных орбит, — отмечает Владимир Кошлаков, — за год непрерывной работы израсходует около 70 кг ксенона». На аппарате Dawn, недавно завершившем исследование Цереры, помимо гидразиновых, стояли ионные двигатели с запасом ксенона 425 килограмм, которого хватило на 11 лет.
Электроракетные двигатели, чтобы работать маршевыми движками межпланетных кораблей, должны иметь мегаваттную мощность. Получить ее, по всей видимости, можно в сильноточных ЭРД на жидкометаллическом ракетном топливе (висмут, литий, калий, цезий).
Такие двигатели должны развивать тягу до 20–30 ньютонов и обеспечивать скорость истечения 20–30 км/с. В 1975 году подобный двигатель, работающий на калии, был испытан в СССР на спутнике «Космос–728» (его электрическая мощность составила 3 кВт, а скорость истечения — около 30 км/с). Можно ожидать, что в ближайшем будущем интерес к разработке сильноточных ЭРД возобновится. А вот интерес к космической ядерной энергетике уже возродился.
Мирный космический атом
«На мой взгляд, у ядерной энергетики в космосе альтернативы нет, — утверждает Владимир Кошлаков. — Химические двигатели работают сотни секунд; электроракетные на основе солнечных батарей эффективны вблизи Солнца. Далеко от Солнца может работать только ядерный реактор. Поэтому этой темой сейчас занимается весь мир».
Работы по использованию ядерной энергии в космосе велись во многих странах, но только в СССР ядерные энергоустановки были успешно использованы более чем на 30 космических аппаратах в 70–80-х годах ХХ века. Правда, в 1989 году на ядерные реакторы в космосе был наложен мораторий, и все работы по ним были свернуты.
Однако потребность в принципиально новых космических кораблях никуда не исчезла, и в 2009 году в России совершили новый подход к космическому атомному снаряду.
Головной организацией в координации проекта по созданию транспортно-энергетического модуля на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса стал Центр Келдыша. Эскизный проект был утвержден в 2012 году, а к 2018-му успешно завершились испытания наземного прототипа установки с использованием тепловых имитаторов ядерного реактора.
На предприятиях-партнерах был испытан ряд составных частей прототипа установки, в том числе система преобразования энергии, турбогенераторы, теплообменные аппараты, средства сброса низкопотенциального тепла в космос и электроракетные двигатели. Головной исполнитель по «атомной» части — Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники (НИКИЭТ) имени Н. А. Доллежаля — разработал компактный ядерный реактор.
В конце 2020 года российский ядерный космический проект двинулся дальше. Роскосмос подписал с КБ «Арсенал» контракт на 4,2 млрд рублей на разработку аванпроекта по созданию космического буксира — опытно-конструкторскую работу «Нуклон» (корабль назвали «Зевс»). На нем планируется летать не только на Луну, но также на Венеру и Юпитер. «Нуклон» является логичным развитием проекта транспортно-энергетического модуля и, в соответствии с принятыми решениями, наследует весь комплекс полученных научных, технологических и проектно-конструкторских результатов.
По словам научного руководителя Института космических исследований РАН Льва Зеленого, речь идет об автоматическом аппарате, который сможет облететь Солнечную систему не за 40 лет, как американский «Вояджер», а гораздо быстрее. Но сроки опять сдвинулись: следующая плановая дата запуска российского «ядерного буксира» — 2030 год.
Работы по созданию космических средств с использованием ядерной энергии ведутся в США, европейских странах и Китайской Народной Республике. Благодаря прорывным работам, Россия имеет на сегодня существенные преимущества в этой ключевой области развития космонавтики.
