Первая остановка - на Апофисе, далее везде

Когда человек вырвется за пределы Солнечной системы и отправится путешествовать к другим галактикам? Ученые говорят: не в XXI веке. И даже не потому, что научно-технический прогресс «не дорос» до решения этой глобальной задачи. Просто путешествовать по дальнему космосу ради самого путешествия — слишком затратная и экономически нецелесообразная затея.

Но есть задача, которая может стимулировать создание новой транспортной системы, предназначенной для межпланетных полетов. Задача эта — предотвращение глобальной катастрофы, которая может произойти в апреле 2036 года в результате столкновения астероида Апофис с нашей планетой.

С заботой о судьбе земной цивилизации

Если астероид массой 27 млн тонн и диаметром 325 м пересечет орбиту Луны и полетит к нам со скоростью 45 тыс. км/ч, его соударение с планетой высвободит энергию, соизмеримую с 65 тысячами хиросимских бомб. Этого хватит, чтобы стереть с лица земли небольшую страну или вызвать апокалиптическое по разрушающей силе цунами высотой в несколько сотен метров.

Чтобы предотвратить катастрофу планетарного масштаба, требуется на первом этапе уточнить траекторию движения космического странника, а на втором — силой ядерного взрыва на его поверхности или около нее изменить траекторию движения Апофиса.

Для реализации первого этапа требуется ядерный буксировщик с электрореактивным двигателем, скорость которого сопоставима со скоростью астероида. С его помощью на Апофис забрасывается специальный аппарат — приемоответчик. В сравнительно короткий интервал времени с его помощью определяется траектория полета астероида с точностью до 50 км (сейчас погрешность в расчетах составляет несколько тысяч километров!), и в зависимости от полученных данных принимается решение: менять траекторию движения астероида (что само по себе тоже чревато непредсказуемыми последствиями) или нет.

В Научно-производственном объединении имени С.А.Лавочкина рассчитали энергетические характеристики полета к астероиду в период с 2014 по 2021 год. Конструкторы предлагали выбрать для старта одну из наиболее «удобных» с точки зрения баллистики дат: 14 апреля 2014 года, 6 октября 2018-го, 5 мая 2020-го и 17 апреля 2021-го. После 2021 года лететь якобы будет уже поздно. Впрочем, этот вердикт не окончательный.

12 октября 2020 года российские информагентства сообщили, что госкорпорация «Роскосмос» работает над созданием транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергетической установки и электрореактивного двигателя мегаваттного класса. Технический комплекс для обслуживания модуля намечено построить на космодроме Восточный до 2030 года. Тогда же планируется начать летные испытания ядерного буксира.

Обо всем этом сообщили СМИ со ссылкой на презентацию, представленную в начале 2020 года первым заместителем генерального директора Роскосмоса Юрием Урличичем на XLIV Академических чтениях по космонавтике, которые называют еще Королёвскими чтениями.

Дистанция огромного размера

В 1902 году Константин Циолковский впервые высказал мысль об использовании в открытом космосе электрических ракетных двигателей (ЭРД). Первый в мире действующий ЭРД был создан и испытан академиком Валентином Глушко в 1929–1933 годах.

Еще до первого полета человека вокруг земного шара Сергей Королев предложил программу пилотируемой экспедиции на Марс. Она должна была стартовать с Байконура 8 июня 1971 года. Королев хотел использовать для марсианского проекта жидкостный ракетный двигатель, если до намеченного старта не удастся создать электрореактивный, работающий от солнечных или ядерных источников энергии.

После смерти великого конструктора его мечта осталась нереализованной. Ее отложили почти на 50 лет в самый долгий ящик и вспомнили только в 2009 году, когда наша страна вновь оказалась на экономическом подъеме благодаря импорту нефти и газа.

В рамках президентской программы модернизации и технологического развития экономики России три крупнейших научных центра страны приступили к реализации проекта создания транспортного космического модуля — межорбитального буксира на базе ядерной энергетической установки (ЯЭУ) с электрореактивной двигательной установкой (ЭРДУ). В совокупности с другими решениями речь идет о принципиально новой транспортной системе двойного назначения. Она может использоваться как для научных исследований дальнего космоса, так и в системе глобальной космической обороны.

Работу порулили «триаде», призванной обеспечить нашей стране беспрецедентный космический прорыв. Научно-исследовательский и конструкторский институт энерготехники имени Н.А.Доллежаля (НИКИЭТ) отвечает за создание ЯЭУ. Исследовательский центр имени М.В.Келдыша (Центр Келдыша) — за ЭРД на базе ядерных технологий. Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П.Королева (РКК «Энергия») должна увязать все решения в единое целое.

В 2010 году началось экспертное проектирование. С трибуны XXXIV Академических чтений по космонавтике в январе 2010 года было заявлено: первый буксир появится в 2018 году. При этом подчеркивалось, что планы одобрены высшим политическим руководством страны.

Рассматривались несколько вариантов ЭРД — ионный, холловский и плазменный. В первых двух плазма разделяется на ионы и электроны, и создается разреженный высокоскоростной поток плазмы. В плазменных двигателях ионы и электроны разгоняются вместе. Претендовать на использование в буксире могли бы два двигателя — немецкого ученого Хайнца Меккера (Heinz Maecker) и российского Юрия Кубарева.

Институт Доллежаля успешно справился со своей задачей, использовав 30-летний опыт создания ядерных ракетных двигателей. Но РКК «Энергия» оказалось нечего увязывать. Дело в том, что Центр Келдыша тоже обратился к опыту, но не к своему, а чужому, который ранее успел завести в тупик ученых США и Германии.

Цена ошибки

Выполнение задания российского президента о создании межорбитального буксира затормозилось, можно сказать, на старте. Об этом шла речь в сентябре 2011 года на заседании Проблемного совета №5А Научно-технического совета Роскосмоса (тогда — Федерального агентства) по двигательным установкам ракетно-космической техники. Участники совещания отметили, что в России «наметилось отставание от ведущих космических держав в разработке и применении как мощных холловских электрореактивных двигателей, так и ЭРД других схем, что сдерживает развитие отечественных аппаратов после 2015–2020 годов». Перед учеными была поставлена конкретная задача: для транспортно-энергетических модулей мощностью свыше 1 МВт «создать двигатели новых схем, использующие нетрадиционные способы ускорения плазмы и обеспечивающие высокое значение плотности тяги, удельного импульса и ресурса».

Причиной отставания, по мнению вице-президента Академии инженерных наук имени А.М.Прохорова, доктора физико-математических наук, профессора Юрия Кубарева, является ошибка в выборе направления исследований. Основной упор Центр Келдыша сделал на разработку стационарного плазменного двигателя и ионного двигателя, который по ряду причин нереализуем. Между тем с 60-х годов прошлого века в том же Центре Келдыша разрабатывались магнитоплазмодинамические ускоритель и двигатель. Но о них просто забыли, а продолжали работать с «ионником».

В 2009 году руководство Центра Келдыша заявило, что аванпроект нового ионного двигателя опробован в лабораторных условиях, «неразрешимых технических проблем не осталось». Однако два года спустя на X Международном авиакосмическом салоне МАКС посетители увидели только плакаты транспортно-энергетического модуля с ионным двигателем. Оказалось, что нет не только двигателя, но даже его концепции.

В конце концов, Центр Келдыша разработал проект ионного двигателя мощностью всего 35 кВт вместо 1 МВт. Более того, в качестве рабочего тела он предложил редко встречающийся в природе и поэтому очень дорогой ксенон вместо дешевого аргона. Это было повторением старых ошибок: двигатели на ксеноне испытывали раньше, но потом от них отказались. И вот теперь их как бы заново «открыли» в Центре Келдыша.

Вместо впечатляющего прогресса в научной работе — впечатляющий размах официально продекларированной начальной суммы финансирования проекта: 17 млрд рублей на 2010–2018 годы.

Для сравнения приведу тендеры, объявленные Роскосмосом. В апреле 2020 года на сайте «Ростендер» была размещена карточка КБ химавтоматики (Воронеж) о создании по гособоронзаказу ракетных двигателей нового поколения и базовых элементов маршевых двигательных установок перспективных средств выведения в части работ 2020–2025 годов с начальной ценой около 6,3 млн рублей.

В августе на сайте госзакупок Роскосмос разместил материалы, согласно которым на изготовление первой модернизированной ракеты-носителя тяжелого класса «Ангара-А5М» в 2023–2024 годах планируется потратить 6,1 млрд рублей, а второй, в 2023–2025 годах, — 6,2 млрд рублей. Выводы об аппетитах Центра Келдыша читатель может сделать сам.

Несмотря на прямо-таки богатое финансирование, Центр Келдыша не справился с поставленной задачей и весной 2019 года был оштрафован на 154,9 млн рублей за просрочку в рамках госконтракта по созданию транспортно-энергетического модуля. А летом того же года технологии, методики и схемы применения ЯЭДУ были отданы из Центра Келдыша на проработку в КБ «Арсенал». Об этом сообщило основное отраслевое издание госкорпорации «Роскосмос».

Так из-за одной ошибки в выборе направления исследований оказалась на грани срыва беспрецедентная по масштабу и значению программа, которая может вернуть России мировой статус космической державы №1, как это было после запуска Советским Союзом первого спутника Земли и первого полета человека в космос.

Обнадеживает то, что программа не закрыта, просто срок ее завершения отодвинут с 2020 на 2030 год.

Плазменные двигатели существуют!

В свое время российского ученого Юрия Кубарева всячески заманивали в Китай, присвоили ему звание почетного профессора Шанхайской аэрокосмической академии, обещали лабораторию, домик у моря, прислугу — одним словом, все условия для продолжения работ по созданию в Поднебесной плазмодинамического ускорителя (МПДУ) с управляемыми вектором тяги и удельным импульсом. Не поехал. Последние годы проводил опыты с МПДУ в Воронеже, в КБ химавтоматики.

Что ж, в Китае обошлись без него. Ученые Уханьского университета науки и технологии (Wuhan University of Science and Technology) проводят эксперименты с лабораторной моделью электрореактивного самолетного двигателя (можно использовать в крылатых ракетах) на основе ионизации атмосферного воздуха.

Воздух под давлением подается компрессором в кварцевую трубу. В ней создается магнитное поле. На конце трубы размещен магнетрон мощностью 1 кВт с рабочей частотой 2,45 ГГц. Сила микроволнового излучения такова, что происходит ионизация потока воздуха, возникает факел плазмы, который вырывается из трубки и создает тягу.

По просочившимся в тайский журнал New Atlas сведениям, удельная тяга лабораторного прототипа воздушно-реактивного микроволнового плазменного двигателя составила 28 Н/кВт. Это примерно столько же, сколько у современных керосиновых авиационных двигателей. Если взять батарею электромобиля Tesla Model S мощностью 310 кВт, то тяга гипотетического плазменного двигателя может достигать 8500 Н. Для сравнения, винтовой электросамолет Airbus E-Fan использует два электропривода мощностью 30 кВт, которые в совокупности производят 1500 Н тяги. Нетрудно посчитать, что эффективность электросамолета Airbus E-Fan составляет 25 Н/кВт, что ниже, чем у китайской разработки.

А в России ученые создали межконтинентальную крылатую ракету глобальной дальности с ядерной энергетической установкой. Выступая с Посланием Федеральному Собранию РФ 1 марта 2018 года Владимир Путин сказал: «Поскольку дальность не ограничена, она может как угодно долго маневрировать». Из этих слов можно заключить, что движущей силой является истекающая из сопла струя плазмы, а топливом, или, применяя терминологию конструкторов, рабочим телом, — воздух. Иначе как объяснить, что топлива хватает на неограниченную дальность? Только если сам воздух является этим топливом.

И в том, и в другом случае речь идет о плазменном двигателе. Жаль, что и в России тоже обошлись без Кубарева…

Хотя это не совсем так. Свою лепту в разработку плазменных двигателей Кубарев все-таки внёс. В плазменных образованиях, созданных МПДУ, были испытаны антенны «Салюта-5» и других орбитальных космических станций. Ускоритель много раз использовался в научных экспериментах на полигоне Капустин Яр, на Земле Франца-Иосифа, у берегов Западной Африки и Южной Америки. С помощью МПДУ создавали плазменные образования в земной атмосфере. Более сорока лет назад мы стали первыми и по сей день остаемся единственными, кто с помощью МПДУ смог управлять в космосе величиной и знаком электростатического заряда.

Сегодня миниатюрные плазменные двигатели стоят в качестве подруливающих устройств на космических аппаратах. В будущем маршевые двигатели космических ракет, несомненно, тоже станут плазменными. А с ними уже можно будет отправиться в дальние космические путешествия — и не только к Марсу, о чем мечтал Сергей Королев.

Космос как предчувствие

Космос — это прежде всего бесконечность во времени и пространстве. Быть может, в силу этой его особенности сроки реализации идеи космических полетов отступают от нас, как миражи в пустыне.

В первой в России монографии о межпланетных сообщениях «Свободное пространство» Константин Циолковский писал: «Снаряд для путешествия в свободном пространстве, который я сейчас опишу, будет служить для передвижения человека и различных предметов в абсолютной пустоте без пути, то есть без неподвижной опоры и по желаемому направлению». Так все и случилось через 78 лет — 12 апреля 1961 года.

Научно-фантастическая повесть «На Луне» Константина Циолковского была опубликована в приложении к журналу «Вокруг света» в 1893 году. А человек впервые ступил на поверхность естественного спутника Земли через 76 лет — 20 июля 1969 года.

В 1978 году вышла в свет первая книга научно-фантастической дилогии «Лунная радуга» несправедливо забытого в наше время писателя Сергея Павлова. Она — о практическом использовании ресурсов близких к Земле планет и начале осуществления первых пилотируемых разведывательных полетов к дальним планетам Солнечной системы. Если следовать алгоритму реализации фантастических идей с интервалом 76–78 лет, то фантастика Сергея Павлова станет реальностью после 2054 года.

Во второй половине XXI века путешествие к Марсу на космических кораблях с ЭРД займет не девять, как сейчас, а всего четыре месяца. Это будет первый шаг к освоению Красной планеты и закономерный этап развития земной цивилизации.

Константин Циолковский написал, что человеку на Земле станет тесно. С наукой он пройдет в другие миры. Земля — колыбель человечества, но человек не может жить в колыбели всю жизнь.