Когда до луны — рукой подать

11 августа с космодрома «Восточный» была запущена ракета-носитель «Союз 2.1б» с российской автоматической межпланетной станцией «Луна-25». Выход автоматической станции на окололунную круговую орбиту высотой 100 км намечен на 16 августа, а её мягкая посадка на поверхность естественного спутника Земли — на 21 августа вблизи от Южного полюса Луны к северу от кратера Богуславский.

Глава Роскосмоса Юрий Борисов сообщил, что в перспективе Луна станет стартовой площадкой для дальнего космоса. По его словам, «Луна-26» будет запущена в 2027 году, «Луна-27» — в 2028-м, а «Луна-28» — после 2030 года.

Полёты в дальний космос имеют, помимо прочего, огромное экономическое значение, так как открывают возможность освоения несметных богатств Пояса астероидов.

Астероиды — это первоначальный материал, оставшийся после образования Солнечной системы. То, что осталось невостребованным. Они повсюду: некоторые пролетают близко к Солнцу, другие обретаются неподалеку от орбиты Нептуна. Очень много астероидов между Юпитером и Марсом — они-то и образуют Пояс астероидов. Астероиды — настоящая космическая пещера Алладина. Многие из них содержат огромные запасы ресурсов: начиная от воды, заканчивая никелем, алюминием, золотом, платиной.

Так, три тысячи кубических километров астероида 433 Эрос, открытого 120 лет назад, содержат, как мы писали, алюминия, золота, серебра, цинка и других цветных металлов больше, чем было добыто на Земле за всю историю человечества. 

Россия на сегодняшний день серьёзно опережает все другие страны в разработке двигателей для космических кораблей, способных осваивать дальний космос.

8 декабря 2020 года на общем собрании Российской академии наук выступил член-корреспондент РАН, главный конструктор федерального проекта «Ядерная энергодвигательная установка мегаваттного класса» Юрий Драгунов с докладом об успешном завершении испытаний ядерного двигателя мегаваттного класса для космических кораблей.

Работа над созданием ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса (ЯЭДУ) была начата в 2009 году. Головным исполнителем проекта стал Исследовательский центр имени М. В. Келдыша, а по реакторной установке (РУ) — Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н. А. Доллежаля (НИКИЭТ).

Сразу после первых полетов космических ракет на химическом топливе в 50-х годах стало ясно, что далеко на них в космос не улетишь. Энергия, которую ракетные двигатели могут придать космическим ракетам, зависит от массы затрачиваемого топлива и квадрата скорости его истечения. «Химические» ракеты любых типов не могут выбрасывать горящее топливо быстрее нескольких километров в секунду. Поэтому в их стартовой массе топливо занимает не меньше 95%. Даже для полёта к Луне пришлось создавать ракеты массой в тысячи тонн. Так, сухая масса одной лишь первой ступени ракеты «Союз-2.16» — 3, 8 тонны, а стартовая, то есть вместе с горючим, — 44,4 тонны.

Более дальние полёты на таких двигателях будут просто разорительными, да и слишком долгими.

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) в этом плане во много раз перспективней. Он способен выбрасывать из сопла ионизированные частицы реактивной струи со скоростью до десятков километров в секунду. Поэтому массу топлива, выбрасываемого в такую струю, можно понизить в десятки и более раз. Однако для работы ему требуется «долгоиграющий» источник энергии. Солнечные батареи для этого не годятся, так как их мощность падает пропорционально квадрату расстояния от Солнца, и даже на марсианской орбите они очень слабы. Поэтому для полета в дальний космос годятся лишь ядерные реакторы.

У человечества фактически нет выбора: придется или запускать в космос корабли с ядерным реактором, или вообще отказаться от полетов на другие планеты Солнечной системы, потому что «химические» двигатели для этого технически непригодны. 

Вопрос стоит не в том, полетит ли к Марсу и Юпитеру корабль с ядерным реактором, а в том, когда это случится и флаг какой страны будет на его борту.

Идея создания ядерной двигательной установки для межпланетных полётов не нова. В СССР постановление правительства о создании ядерной ракетной установки (ЯРД) было подписано еще в 1958 году. Уже тогда были проведены исследования, показавшие, что, используя ядерный ракетный двигатель мощностью в несколько мегаватт, можно добраться до Плутона и обратно за два месяца. В США Лос-Аламосская лаборатория начала работу над проектом по созданию ЯРД — Nuclear Engine for Rocket Vehicle Application (NERVA), ещё раньше — в 1952 году. Были построены опытные образцы ЯРД, в СССР РД-0410, в США NERVA.

Однако все проекты по созданию ядерных космических двигателей, как советские, так и американские, не увенчались успехом.

Серьезный интерес к созданию ЯЭДУ, но уже для дальних космических исследований, возродился в России в конце 2000-х годов в связи с появлением поколения мощных плазменных электрореактивных двигателей.

ЯЭДУ состоит из трех частей: реакторной установки с рабочим телом (гелий-ксеноновая смесь) и вспомогательными устройствами (теплообменник и турбогенератор), электроракетной двигательной установки и холодильника-излучателя. ЯЭДУ иногда путают с ядерным ракетным двигателем, но ядерный реактор в ЯЭДУ используется только для выработки электроэнергии, которая используется для запуска и питания электроракетного двигателя (ЭРД), а также обеспечивает электропитание бортовых систем космического аппарата.

Рабочее тело, циркулирующее в реакторе, нагревается до температуры 1500 градусов по Кельвину и вращает турбогенератор, который вырабатывает электричество для ЭРД, имеющего удельный импульс примерно в 20 раз выше, чем традиционные реактивные двигатели. Немаловажно, что энергоблок работает по замкнутому циклу — радиоактивные вещества не попадают в окружающее пространство.

Особенность проекта ЯЭДУ, разработанной под руководством Юрия Драгунова, заключается в применении специального теплоносителя — гелий-ксеноновой смеси, использовании высокотемпературного газоохлаждаемого реактора на быстрых нейтронах, а также в том, что части реактора выполнены из труб, изготовленных из уникального молибденового сплава ТСМ-7, который способен обеспечить работу реактора на протяжении более чем 100 тысяч часов. За это время космический аппарат сможет достичь границы Солнечной системы.

Юрий Драгунов подробно рассказал обо всех этапах создания ЯЭДУ для межпланетных полетов в дальний космос. В завершение работ в федеральном ядерном центре в Сарове на специальном разгонном стенде был проведён контрольный физический пуск ЯЭДУ с комплексом необходимых измерений. 

США довольно серьёзно отстают от России в создании ядерного двигателя для полётов в дальний космос. С российской ЯЭДУ до Марса можно будет долететь за полтора месяца, с американским движком — за три.

Американская компания Ultra Safe Nuclear Technologies (USNC-Tech) из Сиэтла разработала ядерный двигатель для полетов на Марс и в конце октября 2020 года передала её НАСА для тестирования.

Такой двигатель может, заявляет компания, сократить время полёта Земля-Марс до трёх месяцев. Однако, судя по заявлениям главного инженера USNC-Tech Майкла Идса, американский ядерный двигатель в десять раз уступает российскому по ключевому показателю — удельному импульсу. Но одного ядерного движка мало для полета в дальний космос. Нужен соответствующий корабль. И такой корабль в России уже создается.

11 декабря 2020 года Роскосмос заключил контракт стоимостью 4,2 миллиарда рублей на разработку аванпроекта космического ядерного буксира «Нуклон» для полётов к Луне, Юпитеру и Венере.

Аванпроект — это научное исследование, которое обосновывает выполнение качественно новой разработки, а ядерный буксир — это межпланетный корабль, который будет выводиться на промежуточную орбиту за первым радиационным поясом Земли, то есть на высоту более 13 тыс. км.

Ядерный буксир будет использоваться для транспортировки космических аппаратов между космическими телами. Его рабочее название — транспортно-энергетический модуль мегаваттного класса (ТЭМ). Его выводят на промежуточную орбиту, после чего к нему отдельной ракетой выводится и стыкуется полезная нагрузка. Далее начинается его космическая одиссея, скажем, от Земли до Марса, Юпитера или к драгоценному Поясу астероидов для выполнения необходимых работ. Ни на какую планету ядерный буксир никогда не садится. 

С запуском «Луны-25» к естественному спутнику Земли, созданием ядерного космического двигателя и началом разработки космического ядерного буксира отечественная космонавтика вступила в новую космическую эру.

Наконец, сбудется мечта советских первопроходцев космоса: и «на Марсе будут яблони цвести».