На каком двигателе и с какой энергетической установкой российские космонавты доберутся до «красной планеты».

Звезды всегда манили романтиков, бросали вызов смельчакам и тревожили умы ученых мужей. Поэтому выход человека в космос был только вопросом времени. И в середине XX века мы на него ответили. Причем, дважды. Первый раз — 4 октября 1957 года, отправив на орбиту «Спутник-1», второй – 12 апреля 1961 года, когда космос покорился человеку – обаятельному и мужественному Юрию Алексеевичу Гагарину.

Но будем честны – прошло более 60 лет с выхода человечества в космос, а мы до сих пор топчемся на пороге собственного дома – планеты Земля, скованные мощностью наших ракет. Ведь для того, чтобы даже начать освоение Марса, нам необходимы принципиально иные двигатели, способные тащить на себе внушительные запасы полезного груза, и современные установки, которые должны обеспечивать энергией бортовую аппаратуру на протяжении всей длительной командировки за пределами земной орбиты. И прогресс в решении этих задач есть!

Работы по использованию ядерных реакторов в ракетных двигателях уже много десятилетий ведутся в Центре имени Келдыша, раньше он назывался Московский институт электромеханики и автоматики. В том самом, кстати, где разработали знаменитые «катюши».

Космическая программа и разработка ядерных ракетных двигателей (ЯРД) были связаны с самого начала освоения космоса. Ядерный ракетный двигатель в СССР разработали и испытывали с 1960 по 1980 годы.

Без создания ядерных реакторов и топлива трудно себе представить освоение человеком космического пространства. Дальние полеты без использования атомной энергии нереализуемы.

Для реактивных двигателей ракет всегда ищут подходящее вещество, «рабочее тело», которое можно нагреть до очень высокой температуры, и которое создаст реактивную тягу. Чем выше нагрев, тем больше удельная тяга двигателя. На обычном химическом топливе она составляет около 300 секунд. Сделать больше практически невозможно, потому что для сжигания топлива требуется кислород, который имеет большую массу. А его в космосе не так много, значит надо делать большой запас ещё на Земле.

От удельной тяги зависит масса груза, который можно вывести на орбиту. Чтобы получить высокую тягу, надо отказаться от кислорода и взять в качестве «рабочего тела» водород – самый легкий элемент. Тогда тяга будет зависеть только от температуры, до которой мы этот водород нагреем. В случае с ядерным реактором его корпус может максимально выдержать 3000 градусов. Следовательно, и водород максимально можно разогреть до тех же 3000 градусов. При таких условиях тяга вырастает уже до 900 секунд, то есть в три раза больше максимальной на обычных ракетах.

Параллельно с СССР также активно велась разработка ядерного ракетного двигателя и в США с 1959-го по 1972 годы. За основу конструкции американцы приняли гомогенный реактор с активной зоной из графита и осевым течением водорода. Программа была признана одной из наиболее успешных технических разработок самой передовой технологии США.

Ориентация советских ученых и конструкторов на гетерогенный реактор и поэлементную отработку его узлов обозначила фундаментальное различие программ создания ядерного ракетного двигателя в СССР и США, и это различие оказалось, как было позднее признано, в том числе и американскими специалистами, в пользу советской программы.

Судите сами. Одним из основных показателей ядерного двигателя является температура водорода на выходе из реактора. В США смогли обеспечить максимальную температуру 2550К (в шкале Кельвина за начало принята температура «абсолютного нуля» -273,15 градуса Цельсия – прим. Ред.), а на ИВГ.1 – 3150К! При этом, важно отметить, что американцы потратили на программу 2 миллиарда долларов, а советские ученые и конструкторы почти на порядок меньше. Такая температура водорода обеспечивала удельный импульс тяги, который оказался достаточным для осуществления пилотируемой экспедиции на Марс.

Соответствующий «ракетный» реактор у нас был сконструирован. И построен. Прототип ядерного ракетного двигателя 11Б91 был испытан на специальном байконурском полигоне.

К сожалению, в 80-х годах программы свернули, как по экономическим соображениям, так и по причине современных требований экологии, не позволяющих проводить испытаний с «открытым выхлопом» на Земле. Создание стендовых комплексов с системой закрытого выхлопа вполне реализуемо, но требует больших финансовых вложений. Тем не менее, именно использование ядерного ракетного двигателя наиболее эффективно при реализации пилотируемой экспедиции на Марс.

Направление не закрыли окончательно, а предусмотрительно просто приостановили по нему активные работы. До поры, когда в нём вновь не появилась необходимость. И это время пришло.

В 2010 году в России стартовал новый проект по созданию транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) с атомной сердцевиной. Предприятие, входящее в госкорпорацию «Росатом» — Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Доллежаля (НИКИЭТ), было определено единственным исполнителем по созданию реакторной установки в рамках этого проекта.

Для решения задачи сотрудники НИКИЭТ создали команду, куда вошли ведущие подразделения «Росатома», институты Российской академии наук, вузы и другие предприятия. Научным руководителем проекта стал «Курчатовский институт». В результате научной и конструкторской кооперации сегодня мы имеем полную рабочую документацию на опытный образец реакторной установки, производственные комплексы и модернизированную испытательную базу, протестированные макеты составных частей реакторной установки. При этом многие разработанные в ходе выполнения проекта технологии и полученные экспериментально результаты уникальны и получили оценку «не имеющие мировых аналогов».

В перспективе на основе созданных технологий можно будет решать такие амбициозные задачи, как полет на Марс, осуществление экспедиций к дальним планетам Солнечной системы, борьба с астероидной опасностью, очистка околоземного пространства от космического мусора и другие не менее важные. Конечно же, разработанные технологии можно использовать и для решения сугубо «земных» задач. Например, для создания атомных станций малой мощности.

Опыт и достижения советских ученых и конструкторов в разработке ядерных ракетных двигателей заложили основу для еще одной технологии – создания транспортно-энергетического модуля с атомной сердцевиной. Этот проект обеспечит космические корабли электричеством и теплом на протяжении всего срока длительных экспедиций – к Луне или Марсу, позволит построить и поддерживать на них работу автоматических баз.

Ядерная энергоустановка станет прекрасной заменой громоздким солнечным батареям, у которых, при всех очевидных плюсах, есть и существенный минус — они плохо подходят для дальних космических полётов. Это на нашей, земной орбите солнечного потока для них хватает, но чем дальше мы будем удаляться в глубины космоса, тем меньше её будет. Уже ближе к Марсу площади батарей, и без того не маленькие, должны стать вдвое больше.

Немного истории. В 1970-1973 годы были созданы и впервые в мире прошли энергетические испытания восемь прототипов ядерных энергетических установок. Два опытных образца «Топаз» в 1987 и 1988 годах были испытаны в космосе в составе экспериментального космического аппарата «Плазма-А». Это были «Космос-1818» и «Космос-1867». Первый проработал на орбите 142 суток, второй — 342 суток. Продолжением стали установки «Енисей» (на Западе они известны как «Топаз-2»). Программа по их созданию завершилась полным циклом наземной отработки, включая 6 ядерных энергетических испытаний с подтверждением ресурса около 1,5 лет. После остановки испытаний и изучения «амортизации» агрегата эксперты заявили, что установка смогла бы проработать еще полтора года как минимум. А то и больше. Для летных испытаний были изготовлены два рабочих «Енисея» и несколько опытных. Однако наступили 1990-е годы, финансирование резко упало в космическую пропасть и про полёты пришлось на время забыть…

— Сегодня наша задача – вернуть ядерную энергетику в космос, — рассказала нам Исполняющий обязанности главного конструктора космических ядерных установок АО «НИКИЭТ» Елена РОМАДОВА. — Сейчас питание бортовой аппаратуры осуществляется в основном с помощью солнечных батарей. Но дальнейшее освоение космоса создает условия, когда применение солнечных энергетических установок становится затруднительным, а в ряде случаев – невозможным. К числу таких условий относятся полеты к удаленным планетам солнечной системы, пересечение радиационных поясов Земли, выход за пределы Солнечной системы. Анализ показывает, что для мощности более 150 кВт ядерная энергетика становится практически безальтернативной. Это означает, что переход на качественно новый уровень освоения человеком космического пространства и дальние полеты к другим планетам возможны только с использованием атомной энергии.

Сейчас предприятия «Росатома» приступили к разработке космических ядерных энергетических установок. Проведение их летных испытаний намечено к 2030 году. Пока основные усилия разработчиков сосредоточены на проведении наземного тестирования ключевых элементов ядерных энергоустановок.

Описывать российское космическое будущее вовсе не так сложно, как это может показаться. Дело в том, что не так давно, всего восемь лет назад, был принят исторически-программный документ под названием «Стратегия развития космической деятельности России до 2030 года и на дальнейшую перспективу» (в 2017 году в документ были внесены некоторые корректировки). Документ прошёл все необходимые экспертизы, в том числе – в Институте космических исследований РАН, был проведён через Правительство РФ и одобрен обеими палатами нашего парламента. Конечно, за прошедшие годы и наша страна, и весь мир пережили много неожиданностей и сложностей, тем не менее, и сейчас компетентные лица и государственные организации от этой Стратегии не отказываются, а лишь предупреждают, что обозначенные в неё сроки могут слегка сдвинуться.

Итак, пробежимся по пунктам «Стратегии». Программа включает в себя три рубежа. Первый, «рубеж восстановления возможностей», относится к 2015 году, а значит нами уже пройден. Надо сказать, что основные закреплённые за ним задачи мы выполнили. Россия сохранила свои ведущие позиции в средствах выведения и в пилотируемых полётах, развернула необходимые орбитальные группировки для предоставления космических данных в интересах социально-экономической сферы, науки, обороны и безопасности страны, в частности – 27 (из 24 необходимых) спутников Глобальной навигационной системы ГлоНаСС. И главное – была введена в строй первая очередь космодрома «Восточный».

Второй «рубеж закрепления возможностей» «Стратегией» поставлен на нынешним 2020 годом. Тут есть один существенный промах. В 2012 году ожидали, что век Международной космической станции (МКС) подходит к концу, поэтому к 2020 году предполагалось окончить её эксплуатацию и подготовить к своду с орбиты и затоплению в Тихом океане. Однако позже учёные и конструкторы одумались, и уже в 2017 году прописали её работу до 2024 года с возможностью дальнейшего продления до 2028-го и 2030-го

В остальном мы подошли ко второму рубежу с заданными показателями. Дальше, в период до следующего рубежа, нам предстоит сосредоточиться на полётах автоматов к Луне, Венере и Марсу, как в собственных, так и в совместных экспедициях. Если говорить про ближайшую цель, Луну, тут уже готова национальная космическая программа, разделённая на три этапа. Первый, «Вылазка», продлится как раз до 2030 года и будет состоять из шести автоматических миссий. В 2021 году (по планам – 1 октября) к ночному светилу отправится автоматическая станция «Луна-Глоб» (Луна-25), в задачу которой будет входить отработка технологии посадки и исследование лунной поверхности в районе Южного полюса. Через три года, в ноябре 2024-го, туда же отправится «Луна-26» (Луна-Ресурс-1 ОА), которая обеспечит надёжную местную связь для следующих миссий. «Луна-27» (Луна-Ресурс-1 ПА) в августе 2025-го начнёт отрабатывать технологии создания на Луне постоянно действующей базы. «Луна-28» (Луна-Грунт) доставит в 2027 году на Землю образцы лунного грунта и кристаллов льда с потенциальной строительной площадки. «Луна-29» доставит в 2028 году на поверхность спутника тяжёлый Луноход. Который проедет 500 км, попутно пробуривая в разных местах скважины глубиной до шести метров. И, наконец, «Луна-30» в 2030-м или 2031-м году поселится на лунной орбите, чтобы «сверху видеть всё».

Третий «рубеж прорыва» намечен на 2030 год. По дате он почти совпадает с началом второго этапа лунной программы, «Форпост». Которая будет состоять из шести автоматических и (внимание!) шести пилотируемых миссий на новом космическом корабле. Собственно, это и должно стать прорывом. В 2030 году запланирована высадка на Луну экипажа из трёх космонавтов с 14-суточной миссией. В 2034 году начнётся строительство первой российской лунной базы с небольшой атомной электростанцией, на которой смогут жить 50 человек.

В 2035-м участники уже четвёртой пилотируемой экспедиции начнут рассекать по лунной поверхности на луномобилях (с возможностью стыковки) и тестировать промышленных роботов. Тогда же на Луну доставят ядерный «самоходный энергетический модуль». Предполагается, что второй этап закончится, когда база будет полностью построена, сдана в полноценную эксплуатацию и на ней закипит и жизнь, и работа. Соответственно, третий этап лунной программы будет называться «База».

И, возвращаясь к использованию МКС после 2024 года, в плане «Стратегического развития» обозначено, что ключевой задачей её российского сегмента станет «отработка промышленных технологий (материалы, технического обслуживания, ремонта, стыковки и др.) и технологий длительного пребывания человека в космосе… в целях осуществления дальних полетов на Луну и Марс».