Валерий Борисов
Эскизных проектов будущей лунной базы более чем достаточно.
Фото ESA – AOES Medialab
Как бы нам ни было обидно, но сегодня необходимо признать, что критика состояния космической деятельности современной России в СМИ во многом справедлива. При этом стандартный набор причин этого более чем впечатляющ: здесь и коррупция, технологическая отсталость, низкий уровень зарплаты и кадровый дефицит. Вероятно, все это в той или иной мере верно, но верно также и то, что российская космонавтика сегодня переживает кризис стратегического планирования.
В качестве целей ее развития все чаще ставятся текущие тактические задачи: восстановление отраслевой системы качества и надежности, борьба с той же коррупцией, очередная структурная и кадровая перестройка. В научном сообществе и в промышленности не сложилось ясного понимания долгосрочной стратегии и целей развития космонавтики с учетом реалий сегодняшнего дня.
Триединый космос
Анализ космической деятельности и космических программ различных стран (включая Россию) позволяет выделить в их составе три крупных структурных блока.
Прежде всего это совокупность проектов и программ в области практической космонавтики, реализация которых направлена на достижение эффекта от использования их результатов в социально-экономической сфере. Соответственно при рыночно ориентированной экономике эта сфера космической деятельности должна иметь объективные стимулы и финансовые источники своего развития, не зависящие от государственных бюджетных программ. Исключение составляют задачи обороны и обеспечения безопасности страны, которые по-прежнему должны реализовываться при государственном, бюджетном финансировании.
Другое направление – космические исследования, направленные на получение фундаментальных знаний о строении космического пространства, истории и физических основах его развития. Важнейшее условие для повышения эффективности фундаментальных космических исследований – координация и сотрудничество космических агентств разных стран при планировании этих программ. Эти условия кардинальным образом определяют различия в методах планирования и реализации проектов практической космонавтики и фундаментальных космических исследований.
Программы пилотируемых космических полетов – наиболее амбициозная часть космической деятельности. Для человечества как биологического вида в целом не важно, какая нация или государство планирует и реализует эти программы. Если отбросить в сторону политические и амбициозные мотивы, то реализация этих программ не приносит в краткосрочной перспективе заметных социально-экономических дивидендов. Как правило, их влияние на экономику и производство опосредовано и осуществляется путем приспособления созданных материалов и технологий для нужд социально-экономической сферы.
Таким образом, мы видим, что практическая космонавтика, фундаментальные космические исследования и пилотируемые программы освоения космического пространства имеют различные мотивационные стимулы и условия их реализации. Это позволяет сделать вывод о целесообразности планирования и разработки трех различных подпрограмм в рамках Федеральной космической программы, каждая из которых имела бы свои приоритеты, условия финансирования и реализации.
Средства для достижения… Чего?
Каковы же особенности планирования и реализации пилотируемых проектов и программ?
Для каждого этапа освоения космического пространства (освоение околоземных орбит, полеты на Марс, освоение Луны и окололунных орбит и т.д.) необходимо решение пяти типовых задач: определение целей, условий и ограничений по реализации рассматриваемого этапа (исследовательская задача); разработка и создание технологий и средств транспортировки и перемещений объектов космической инфраструктуры (транспортная задача); разработка и создание технологий и средств обеспечения необходимой энергией объектов космической инфраструктуры (задача энергетики); разработка и создание информационных технологий и средств обеспечения связи, навигации и управления для объектов космической инфраструктуры (задача связи, навигации и управления); разработка и создание технологий и средств обеспечения жизнедеятельности человека (задача жизнедеятельности).
Если с этих позиций рассматривать современное состояние пилотируемых космических программ, то можно отметить, что первый этап продвижения человечества в космос, освоение околоземного пространства на низких орбитах искусственных спутников Земли (ОИСЗ) практически реализован.
В соответствии с опубликованным проектом «Стратегии развития космической деятельности России до 2030 года и на дальнейшую перспективу» и Федеральной космической программой России в рамках пилотируемых подпрограмм в ближайший период времени (до 2025 года) планируется продолжение этапа освоения ОИСЗ с последующим возможным переходом к освоению Луны. Для этого запланировано создание пилотируемого корабля нового поколения, новой ракеты-носителя (РН), космодрома «Восточный», пилотируемой орбитальной станции нового поколения, обслуживаемого на орбите технологического космического аппарата «ОКА-Т», исследования и разработка многоразовых РН, разработка более эффективной низкоорбитальной транспортной системы.
По существу перечисленные проекты призваны в основном обеспечить более эффективную и экономичную реализацию текущей космической деятельности России без обозначения перспективных, долгосрочных целей. То есть предусматривается лишь совершенствование средств и инфраструктуры для уже реализованного этапа освоения космического пространства. Понятно, что такие «приземленные» практические цели ближайшего развития пилотируемой космонавтики да еще и при достаточно высокой цене их реализации в глазах общественности не обладают особой привлекательностью.
Кстати, вероятно, по этой причине уже в конце 2011 года потребовалась коррекция программы и приоритетов финансирования ФКП в пользу практической космонавтики и фундаментальных космических исследований.
Как планировать
Может показаться, что ключевой вопрос сегодня – выбор следующего этапа освоения человеком космического пространства и связанного с ним направления дальнейшего развития космической инфраструктуры пилотируемых программ. При этом естественным кажется выбор из двух альтернатив: заняться освоением Луны и окололунного пространства либо ориентироваться на осуществление пилотируемых полетов на Марс. Именно по этим двум альтернативам сегодня проходит водораздел и идет спор в российском и международном научном сообществах.
Однако существующая сегодня точка зрения, что выбор из этих альтернатив может быть однозначно определен в результате сравнительного анализа значимости научных задач и ожидаемых практических результатов этих двух программ, – иллюзия. В такой постановке строгих методов решения этой проблемы не существует. В любом случае выбор будет неким компромиссом между мнениями группы (или групп) экспертов.
Более точным прогнозам и оценкам поддается сравнение технико-экономических характеристик конкретных проектов осуществления марсианской или лунной программ. Но и в этом случае сравнимый масштаб финансовых затрат и научно-технических проблем по реализации каждой из альтернатив не позволяет примирить сторонников каждого из этих двух направлений. Вероятно, в основе этого лежат опасения, что выбор одного из вариантов надолго, если не навсегда (в обозримом будущем!), поставит крест на реализации второй альтернативы. И эти опасения действительно имеют место при практической реализации дорогостоящих космических программ.
Более современным представляется планирование на большую длительность и глубину прогноза, чем сроки создания и реализации отдельно взятого проекта. При этом выбор и создание этих технологий становятся определяющим звеном такого планирования. То есть планирование освоения космического пространства на длительную перспективу должно предусматривать как стратегическую цель отбор и разработку таких технологий и технических решений, которые являются наиболее эффективными при реализации совокупности проектов нескольких программ (или последовательных этапов) освоения космического пространства.
Какова же наша технологическая готовность к планированию и реализации следующего этапа освоения космического пространства?
Луна: за и против
В качестве такого этапа сегодня рассматривается несколько возможных проектов: создание долговременных обитаемых баз-станций на поверхности Луны и/или на ее орбите; осуществление пилотируемых экспедиций на Марс; пилотируемые экспедиции и исследование астероидов Солнечной системы.
Наибольшей готовностью и наличием потребных технологий обладает вариант освоения Луны и окололунного пространства. Транспортировка грузов и экипажа между Землей и Луной может быть решена с помощью ракет-носителей и разгонных блоков, использующих технологию жидкостно-реактивных двигателей (ЖРД). Необходимая для функционирования лунных пилотируемых баз электроэнергия может быть получена с помощью хорошо освоенной технологии преобразования солнечной энергии. Для организации управления и обмена информацией между Землей и объектами лунных баз может быть использована наземная инфраструктура и система спутников-ретрансляторов. Система обеспечения жизнедеятельности экипажа может быть построена на уже отработанных на околоземных долговременных орбитальных станциях принципах частичной регенерации воды и кислорода, а также организации периодической доставки расходуемых материалов с помощью грузовых транспортных кораблей. По мере реализации проекта возможно использование для этих целей и лунных ресурсов.
Относительно новая проблема – обеспечение радиационной защиты от протонного излучения во время мощных солнечных вспышек. Ведь Луна не обладает магнитным полем, аналогичным магнитному полю Земли, защищающему экипаж орбитальных станций на низких околоземных орбитах.
Таким образом, в случае принятия решения об освоении Луны осуществление этого проекта сегодня было бы возможно без необходимости разработки новых космических технологий, что существенно снижает суммарные риски его реализации. Так что же тогда мешает безоговорочно согласиться с таким решением?
Безусловно, прежде всего это высокая стоимость и далеко не очевидная в настоящее время практическая направленность пилотируемых исследований и освоения Луны. При этом существует риск, что стремление снизить затраты на реализацию проекта не будет способствовать созданию и развитию новых, перспективных технологий и технических средств дальнейшего освоения космического пространства.
 Фактически мобильный марсианский поселок, а не просто марсоход. Фото РКК «Энергия» |
Марс: есть варианты
Кажется, что большей научной привлекательностью и амбициозностью обладают проекты осуществления пилотируемых полетов и освоения Марса. Возможность осуществления пилотируемой экспедиции на Марс достаточно серьезно и подробно рассматривалась в целом ряде исследований и проектов начиная с шестидесятых годов прошлого столетия.
В отличие от лунной программы полет человека к Марсу потребует создания новых или совершенствования имеющихся сегодня технологий и средств решения вышеперечисленных типовых задач освоения космического пространства. Определяющее влияние на возможность реализации пилотируемой экспедиции и характеристики марсианского экспедиционного комплекса (МЭК) оказывает выбор энергодвигательной установки, именно она определяет стартовую массу МЭК на ОИСЗ и общую длительность экспедиции.
В случае использования для МЭК уже освоенной технологии ЖРД пилотируемая экспедиция на Марс с коротким пребыванием экипажа на его поверхности (около 30 суток) практически не реализуема даже в лучшие синодические периоды противостояний Земли и Марса, которые повторяются с периодичностью около 18 лет (ближайший в 2017–2018 годах). Для ее осуществления требуется стартовая масса МЭК на ОИСЗ значительно выше 1000 тонн. Возможно снижение потребной стартовой массы МЭК до 600–700 тонн. Однако при этом длительность пребывания экипажа на поверхности Марса и ожидания оптимальной даты отлета МЭК от Марса составит 1–1,5 года, а суммарная длительность экспедиции превысит 900 суток.
Несколько лучше обстоит дело при использовании технологии ядерных ракетных двигателей (ЯРД), которые обеспечивают в два раза более высокую скорость истечения продуктов сгорания, чем ЖРД. В случае создания и отработки этой технологии до уровня прогнозируемых характеристик возможно осуществление короткой пилотируемой экспедиции на Марс в лучший синодический период при стартовой массе МЭК около 700 тонн и суммарной длительности экспедиции около 450 суток.
Организация экспедиции на Марс с использованием технологии электрореактивных двигателей (ЭРД) требует включения в состав МЭК мощной энергетической установки. Это дает возможность значительно увеличить скорость истечения рабочего тела и снизить его суммарный массовый расход на экспедицию по сравнению с химическими двигателями (ЖРД). В целом использование солнечной электрореактивной двигательной установки (СЭРДУ) позволяет реализовать марсианскую экспедицию при стартовой массе МЭК 350–450 тонн и суммарной длительности около 1000 суток.
Применение ядерной электрореактивной двигательной установки (ЯЭРДУ) требует создания МЭК стартовой массой 500–600 тонн при суммарной длительности экспедиции 650–750 суток. При этом в отличие от использования ЖРД возможен возврат МЭК на ОИСЗ с последующим повторным использованием.
Гонка за мегаваттами
Что же мешает активному использованию этой эффективной технологии межпланетных перелетов в реальной космической деятельности? Особенно если учесть, что первые образцы ионных и плазменных ЭРД были созданы почти 50 лет назад. Пока наибольшее практическое применение ЭРД нашли только в системах ориентации и стабилизации КА, прежде всего геостационарных связных спутников. Применение же ЭРД в качестве маршевых двигательных установок для межорбитальных перелетов (особенно для КА большой массы) невозможно без создания энергетических установок большой мощности.
Так, для марсианской пилотируемой экспедиции необходима энергетическая установка мощностью 15–30 МВт. Для доставки к Юпитеру или к его спутнику Европе полезного груза массой 5–10 тонн потребуется установка мощностью около 200 кВт при стартовой массе КА на ОИСЗ около 20 тонн. В любом случае это значительно лучше, чем при использовании технологии ЖРД, которая в аналогичных условиях позволяет доставить к Юпитеру лишь около 2 тонн полезного груза при относительно большем времени перелета.
Таким образом, для эффективного использования технологии ЭРД при межпланетных перелетах необходимо создание мощных энергетических установок: для автоматических КА – в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен кВт; для пилотируемых программ освоения Марса и/или Луны – в диапазоне от единиц до 2–3 десятков МВт.
Другая проблема – необходимость разработки ЭРД большой электрической мощности (десятки кВт и более) с длительным ресурсом работы (до 10 000 час.). Вообще наработка на ресурс ЭРД большой мощности требует создания дорогостоящей наземной экспериментальной базы. Сегодня создать маршевый ЭРД мощностью около 100 кВт или выше на Земле невозможно. Для этого требуется создание вакуумных камер, уникальных по объему и скорости откачки продуктов сгорания.
Еще одной проблемой создания и использования технологии ЭРД при межпланетных перелетах является выбор рабочего тела. Наиболее подходящий для этих целей и используемый сегодня ксенон слишком дорог. В принципе для использования в ЭРД подходит практически любой химический элемент, обладающий низким порогом ионизации и достаточно высокой массой, например: аргон, криптон, йод, литий, висмут и другие. Однако эффективность их применения, характеристики ЭРД и влияние выхлопа на конструкцию и аппаратуру КА нуждаются в исследовании.
Доступ к телам Солнечной системы
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что при выборе и планировании следующего этапа освоения космического пространства, будь то лунная или марсианская программы, технология использования ЭРДУ должна стать аналогом технологии ЖРД, используемой при решении транспортных задач этапа освоения ОИСЗ и эффективной в условиях высокой гравитации. При этом для решения энергетической задачи этого этапа необходимо развивать технологию ядерной космической энергетики.
Фактическое начало этого процесса уже состоялось в 2010 году при принятии в рамках президентской инициативы инновационного проекта создания транспортного энергетического модуля мегаваттного уровня. Практическая реализация и использование технологий ЯЭРДУ в перспективе позволят создать целый ряд технических средств межорбитальной доставки и возвращения на ОИСЗ полезной нагрузки различной размерности и назначения с возможностью многоразового использования некоторых из них. Это могло бы обеспечить нашей стране возможность остаться и в XXI веке конкурентоспособной в решении задачи обеспечения доступа к космическим телам Солнечной системы.
Константин Ремчуков 
