Начать придется издалека, с самой простой теории.
Наша планета Земля – удобное место для жизни, но и столь же неудобное для начала космической экспансии. Дело в том, что среди планет земной группы Земля имеет самое высокое ускорение свободного падения. С одной стороны, это позволяет нашей планете удерживать возле себя плотную атмосферу, но с другой – создает неудобный гравитационный «колодец», выход из которого на орбиту стоит немалых усилий.
Из-за наличия такого колодца, того самого притяжения Земли, для стартовых ракетных двигателей очень важным становится параметр отношения реактивной тяги двигателей к массе всей ракеты. Именно поэтому для стартов с поверхности Земли мы до сих пор используем ракеты на химическом топливе. Да, неэффективно, но зато тяги получается вполне достаточно, чтобы вытолкнуть космический аппарат на орбиту, за пределы атмосферы Земли. А вот масса очень интересных двигателей – ионных, плазменных, солнечных парусов, которые имеют очень хорошие характеристики для работы в открытом космосе, совсем не годятся для старта с планеты. Они просто не могут вытащить нас из земного гравитационного колодца. Тяга их слишком слаба для того, чтобы поднять корабль на орбиту.
Поэтому большинство современных или гипотетических двигательных систем для космических кораблей делятся на две большие категории: либо экономичные и слабосильные – для космоса, либо мощные и прожорливые – для старта. В мире космических ракет экономичный и эффективный двигатель означает высокое значение удельного импульса и высокую скорость истечения реактивной массы. И это – ключевое понятие для понимания всей проблематики создания новых космических двигателей, на новых физических принципах.
Магия удельного импульса
Удельный импульс двигателя – это, можно сказать, «святой Грааль» космического двигателестроения. Измеряется удельный импульс в метрах в секунду, и его физический смысл прост – это скорость истечения рабочего тела. От чего, в свою очередь, прямо зависит и скорость космического корабля. Фраза о «рабочем теле» вместо «продуктов сгорания» химического двигателя взялась неслучайно – во многих космических двигателях ничего не горит, а кинетическая энергия и импульс «закачиваются» в рабочее тело иными способами. Например, в ионном или плазменном двигателе рабочее тело разгоняется в электромагнитном поле. А в солнечном парусе импульс и вовсе передается в обратную сторону – от фотонов солнечного ветра на конструкции паруса, закрепленного на космическом корабле.
Чем выше удельный импульс двигателя – тем большее приращение скорости можно получить за счет эквивалентного количества рабочего тела. А рабочее тело, напомним, нам надо каким-то образом еще вывести на околоземную орбиту вместе с космическим кораблем. Ну или добыть на какой-нибудь негостеприимной Луне, Марсе или астероидах, тоже с немалыми затратами. Приращение космических скоростей обозначают символом Dv и считают в его балансе как ускорения, так и торможения – ведь на каждое из таких действий в космосе требуется расходы рабочего тела.
Удельный импульс лучших кислородно-водородных жидкостных ракетных двигателей, которые пригодны для старта с Земли, составляет около 4500 м/с. Кажущаяся громадной цифра скорости истечения (без малого 4,5 километра в секунду) оказывается предельно скромной для обеспечения выхода из гравитационного колодца Земли – ракета буквально «выползает» на орбиту, да еще и сбрасывая ступени. Напомним, огромная американская лунная ракета «Сатурн-5» при стартовой массе 3000 тонн выводила на орбиту всего лишь 140 тонн полезной нагрузки, менее 5% от своего общего веса. А к Луне получалось отправить и того меньше – всего около 65 тонн.
Еще печальнее становилась ситуация, если на химических двигателях просчитывали полет куда-то дальше, чем Луна, например, к Марсу. Когда американцы в 1960-х годах посчитали стоимость полета на Марс на химическом топливе, они ужаснулись. Получалось, что от Земли надо стартовать кораблем массой 4000 тонн, для вывода которого на околоземную орбиту потребуется минимум 40 ракет, эквивалентных «Сатурну-5».
Немного улучшить ситуацию могли ядерные ракетные двигатели (ЯРД). Разработки, проведенные в СССР и США в 1960-х годах, показали, что ЯРД могут иметь удельный импульс в пределе 8500-9500 м/с – вдвое больше, чем у лучших ЖРД. Но даже уникальный ЯРД не обеспечивал настоящего освоения Марса – на орбите Земли пришлось бы все равно собирать громадного «марсианского монстра» весом больше 1200 тонн, а результатом бы была двухлетняя экспедиция на Марс трех космонавтов, причем на Марсе они бы провели всего 30 суток.
Так что, всё, Марс недостижим? Нет, не так. Ведь ЯРД – отнюдь не рекордсмен в части величины удельного импульса, а разгонятся к Марсу или другим планетам можно медленно и не спеша. Но в итоге получить впечатляющую скорость перелета и прилететь даже быстрее корабля с ЯРД.
Первое крыло – высокий удельный импульс
Несмотря на то, что скорость истечения рабочего тела у ЯРД всего лишь вдвое превосходила лучшие ЖРД, поднять ее выше уже было практически невозможно. Все дело в том, что и в ЖРД, и в ЯРД скорость истечения задается температурой рабочего тела, а обеспечить дополнительный нагрев внутри корпуса ЯРД было нереально – разрушался сам реактор, который не мог нагреваться выше 3000 градусов К.
Разумным решением, которое напрашивалось для совершенствования ЯРД, стало разделение процессов получения энергии и последующего нагрева рабочего тела. Вместо прямого теплообмена с нагретыми конструкциями реактора рабочее тело решили греть с использованием промежуточного носителя энергии – электричества. В силу этого, уже начиная с начала 1970-х годов, усилия конструкторов пошли по двум независимым направлениям. С одной стороны, началось конструирование максимально эффективных, высокоимпульсных космических двигателей. С другой стороны, стартовала разработка столь же компактных и мощных источников электрической энергии на борту космического корабля.
Наиболее доведенными высокоимпульсными космическими двигателями пока что являются ионные. Им сегодня принадлежит рекорд ускорения космических аппаратов в открытом космосе: еще в 1998 году ионные двигатели смогли ускорить аппарат Deep Space-1 массой 374 килограмма на Dv, равную 4,3 км/c, потратив на эту операцию всего лишь 74 килограмма ксенона. Аналогичное приращение Dv, если бы его пришлось обеспечивать за счет химического топлива, потребовало бы разгонного блока весом в добрую тонну.
Однако у ионных двигателей есть и неустранимое слабое место – электроды двигателя находятся внутри потока высокотемпературной плазмы, что ограничивает его ресурс. Сегодня лучшие образцы ионных двигателей работали в космосе не более трех лет и не более пяти лет на земных стендах. Кроме того, конструкция с погруженными в плазму электродами ограничивает скорость истечения рабочего тела в пределе 20-40 км/c. Увеличить ее затруднительно по тем же причинам – электроды разрушатся еще быстрее. Самый совершенный ионный двигатель NEXT в арсенале НАСА на сегодняшний день имеет удельный импульс, равный 41,9 км/c. Но за такие рекордные параметры ионным двигателям приходится платить малой тягой – NEXT обеспечивает лишь 327 мН (32,7 грамма тяги) при потребляемой мощности в 7,7 кВт.
Справедливые надежды возлагаются на еще одну разработку – двигатель VASIMR, магнитоплазменный двигатель с изменяющимся удельным импульсом.
Внутри VASIMR плазму, которая выступает в качестве рабочего тела, помещают в магнитную ловушку, которая не позволяет плазме соприкасаться с конструкциями двигателя и разрушать их за счет высокой температуры.
Разработки VASIMR ведутся в США уже более 20 лет и за это время были достигнуты впечатляющие успехи. В августе 2019 года очередной прототип VX-200SS продемонстрировал тягу в 5,4 Н (540 граммов тяги) на мощности 200 кВт и при удельном импульсе в диапазоне от 50 до 300 км/c, на порядок больше ионных двигателей. Такой импульс в идеале позволит с помощью VASIMR добраться до Марса всего лишь за 39 дней вместо 250 суток, как в случае использования ЖРД или ЯРД.
Но для этого, конечно, тяга плазменных двигателей должна измеряться сотнями килограммов, а не сотнями граммов. Впечатляющим должен быть и источник электричества на борту такого гипотетического марсианского корабля – он должен иметь мощность около 200 МВт.
Второе крыло – энергетическая установка
Немалые электрические «аппетиты» ионных и особенно плазменных двигателей наглядно можно показать на примере VASIMR. Достаточно небольшой плазменный двигатель VX-200SS давно хотят отправить для испытаний на МКС. Если установить его на станцию, то можно радикально сократить расходы на постоянные усилия по поддержанию орбиты МКС. Ведь плазменный двигатель нуждается лишь в 1-2% рабочего тела по сравнению с ЖРД, что сегодня используют для подъема орбиты МКС.
Но установить VASIMR на МКС оказалось отнюдь не просто. Вся доступная электрическая мощность на МКС меньше 200 кВт, хотя станция сегодня обладает самой внушительной площадью солнечных батарей и является самым энергетически мощным объектом человечества в космосе. Поэтому в проект МКС-VASIMR включили еще целую дополнительную систему солнечных батарей, которая будет часами накапливать энергию на 15-минутные циклы включений плазменного двигателя.
Следующий, напрашивающийся шаг после испытаний на МКС – это использование VASIMR для целей орбитального буксира. Например, если мы хотели бы достичь Луны за короткий промежуток времени, сопоставимый с временем полета миссии «Аполлон» к Луне, то такой космический буксир требовал бы пять двигателей VХ-200, потребляющих уже около 1,5 МВт электроэнергии. Чтобы проделать такую же работу, как третья ступень «Сатурна-5», сжигавшая 60 тонн кислорода и водорода на пути к Луне, такой буксир потратил бы только 8 тонн аргона. Однако получить 1,5 МВт электроэнергии за счет солнечных батарей – это пока что очень сложная задача. Для получения 1,5 МВт электроэнергии буксиру надо иметь около 5000 м² солнечных панелей, что составляет квадрат со стороной 71 метр, гораздо больше любых существующих конструкций, включая МКС.
И вот здесь как раз и может сыграть роль опыт России в создании космических ядерных энергетических установок. Еще в 2009 году Роскосмосом была начата программа создания транспортно-энергетического модуля, ядерная энергодвигательная установка (ЯЭДУ) которого должна была обеспечивать около 1 МВт электрической мощности, чего бы хватило не только для околоземного, но и в перспективе – для лунного буксира. За прошедший период времени был выполнен значительный объем уникальных работ по конструкции космического ядерного реактора. Были созданы уникальные ионные двигатели ИД-500, чьи параметры оказались не хуже разработок НАСА.
При мощности 32-35 кВт российские двигатели ИД-500 обеспечили тягу в 375-750 мН и удельный импульс в 71 км/с.
К сожалению, в конце апреля 2020 года Роскосмос заявил, что приостанавливает создание космического буксира с ядерным двигателем из-за недостроенного стенда для его испытаний. Формально виноватым был назначен ГНЦ ФГУП «Центр Келдыша», который не смог обеспечить постройку испытательного стенда, где можно было бы проверить работоспособность действующего макета ЯЭДУ в условиях вакуума. Пока что дальнейшая судьба уникальных российских разработок неизвестна, хотя еще в январе 2020 года транспортно-энергетический модуль с ЯЭДУ фигурировал в презентации первого заместителя генерального директора Роскосмоса Юрия Урличича. Представленный на Королевских чтениях доклад сообщал о планах запустить в 2030 году на орбиту космический ядерный буксир для проведения его летных испытаний.
Насколько декларации Урличича и Блошенко соотносятся с реальными действиями представляемого ими Роскосмоса – вопрос открытый. Да, человечеству нужна новая космическая скорость. Да, у России есть уникальные наработки. И только от руководителей космической отрасли России зависит, насколько быстро все эти разработки воплотятся в новую реальность. В ту самую «птицу феникс», которая домчит людей и до Луны, и до Марса, и даже дальше.