Луна-Венера-Юпитер: РФ и США сошлись в гонке космических буксиров

«Роскосмос» потратит 4,2 млрд. рублей на разработку космического ядерного буксира для полетов к другим планетам Солнечной системы. Об этом 12 октября сообщило РИА «Новости» со ссылкой на материалы госзакупок.

Как уточняет агентство, госкорпорация в рамках опытно-конструкторской работы «Нуклон» намерена разработать аванпроект по созданию космического комплекса с транспортно-энергетическим модулем на основе ядерной энергетической установки.

Ранее, в сентябре, исполнительный директор «Роскосмоса» по перспективным программам и науке Александр Блошенко рассказал, что атомный космобуксир «Нуклон» в 2030 году будет запущен к одному из спутников Юпитера.

На первом этапе миссии буксир состыкуется в космосе с модулем полезной нагрузки и отправится к Луне, где проведёт ее зондирование и оставит на ее орбите научно-исследовательский спутник. На втором этапе связка космического буксира и модуля полезной нагрузки полетит к Венере, причем на пути к планете возможно проведение испытаний по дозаправке буксира топливом (газом ксенон). У самой Венеры от модуля полезной нагрузки также отделится исследовательский спутник, а сам буксир с оставшейся научной аппаратурой совершит гравитационный маневр и перейдет к осуществлению третьего этапа миссии по перелету к конечной точке — спутнику Юпитера и его исследованию.

Конструктивно буксир будет представлять собой транспортно-энергетический модуль с открытой архитектурой. Его главные особенности — способность автономно вырабатывать энергию за счет ядерного реактора мегаваттного класса в течение длительного времени и возможность перевозить различные полезные нагрузки. Охлаждение реактора будет осуществляться холодильником-излучателем капельного типа. Корабль будет оснащен ионным маршевым двигателем ИД-500 мощностью 32−35 кВт и маневровыми двигателями.

Напомним, разработки ядерной энергетической установки для создания межорбитального буксира велись с 1970-х годов РКК «Энергией» совместно с рядом предприятий. В 2009-м работы активизировались под патронатом Дмитрия Медведева, в 2019-м макет космического буксира впервые показали на Международном авиакосмическом салоне (МАКС).

Причем, Россия не единственная, кто ведет разработки в этом направлении. В сентябре 2020 года в Америке объявили о планах создать ядерную двигательную установку для полетов в ближнем космосе. Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) выделило $14 млн. компании Gryphon Technologies на создание демонстрационной ракеты. Новая ракета позволит американским военным оперировать космическими аппаратами в пространстве, которое простирается до орбиты Луны.

Кроме того, месяц назад компания General Atomics Electromagnetic Systems анонсировала аналогичный проект ракеты с ядерной двигательной установкой для подготовки пилотируемого полета на Марс.

Что стоит за гонкой космических буксиров, выиграет ли ее Россия?

— В СССР разработки космических ядерных энергетических установок в 1970-е уже точно велись, хотя не уверен, что страна на тот момент была лидером в этих разработках, — отмечает научный сотрудник НИИЯФ МГУ, заместитель главного конструктора комплекса научной аппаратуры Василий Петров. — Замечу, в СССР и России такие разработки были закрытыми — до сих пор информации по ним мало. Но США рассекретили часть материалов, из которых видно: американцы испытывали в космосе работу различных ядерных установок.

Проблема в подобных испытаниях, кстати, только одна. Если запускать аппараты с ядерными установками поближе, чтобы легче было отрабатывать конструкцию, всегда есть риск их падения на Землю. Понятно, это не самый приятный сценарий.

Главный плюс ядерных космических установок — они дают приличную энергетику на орбите. В этом случае не нужны километровые солнечные панели. Минус — такие установки сильно греются, и их надо охлаждать.

Если речь идет о чем-то более-менее стационарном, можно развесить большие радиаторы и ждать, что реактор потихоньку охладится. Но если конструкция должна двигаться — как в случае с буксиром — возникает множество технологических проблем.

В космосе, понятно, нет сопротивления атмосферы, но солнечный ветер там все-таки дует. Если площадь радиаторов охлаждения будет составлять несколько сотен квадратных метров, солнечный ветер может дать «сдувающий» момент. Плюс, инерцию никто не отменял — а инерция массивных радиаторов может быть существенной. Подозреваю, именно с такими проблемами наши инженеры и столкнулись, когда проектировали эту штуку.

Подчеркну, с ядерной установкой, скорее всего, проблем нет. У нас уровень технологий по этой тематике, пожалуй, ведущий в мире. Но остальные системы космического буксира — сложная задача. Наверняка инженеры справятся, вопрос только в том, сколько им потребуется на это времени и сил.

«СП»: — Зачем вообще нужен межорбитальный буксир?

— Чтобы активно двигать космический аппарат в космосе, всегда нужно тратить топливо. Доставлять его на орбиту сложно и дорого. Поэтому для спутников с длительным сроком существования, которым необходимо корректировать свою позицию — для спутников связи на геостационарной орбите — используются так называемые плазменные двигатели.

В таких двигателях затраты топлива на создание удельного импульса — собственно, момента движения, — очень низкие. Топливом служат тяжелые газы типа ксенона. Газ сильно ионизируется и разгоняется в электрическом поле. Из-за этого плазменные двигатели требуют очень-очень много электричества.

У геостационарного спутника проблем с энергией нет. Ему двигатели не нужны постоянно, у него основной потребитель — это передающая радиоаппаратура, питающаяся от солнечных батарей. Если спутнику нужно подвинуться — аппаратура выключается и включается плазменный двигатель, только и всего.

Но если нужно нудно и долго куда-то пыхтеть — например, к Луне или к Марсу, — нужно как-то обеспечивать двигатель электричеством. К тому же, если мы регулярно летаем на Луну и назад — эффективность солнечных батарей примерно одинакова. Но если мы летим к Марсу — от Солнца удаляемся — эффективность батарей падает.

Поэтому для дальних межпланетных миссий всегда используют ядерные установки. Скажем, так сделано на американских межпланетных станциях Pioneer и Voyager.

Проблема в том, что ядерный реактор — очень тяжелая штука. У него всегда есть защита и система охлаждения. Стало быть, речь сразу идет о громоздком и тяжелом космическом аппарате. Такой аппарат удобно использовать для перетаскивания с орбиты одной планеты на орбиту другой каких-то полезных грузов.

Подчеркну: чтобы оправдать такой буксир экономически, нужны регулярные тяжелые объекты, которые буксир будет таскать туда-сюда.

«СП»: — Что это могут быть за объекты?

— Здесь можно лишь обратиться к научной фантастике. Скажем, если бы мы добывали на Луне полезные ископаемые, буксир мог бы обеспечить доставку грузов с окололунной орбиты на околоземную — и наоборот. Естественно, без посадки — тяжелый буксир на планету не посадишь.

Есть ли у нашей космической отрасли подобные планы, не знаю. Но по логике, я не вижу подобных задач. Разве что постройка лунной базы — но и это одноразовая, по сути, операция.

Тем более, буксир непригоден для доставки людей из-за радиации. Не знаю, какого уровня защиту от собственного излучения реактора удалось добиться нашим инженерам, но подозреваю, что фон будет значительным.

«СП»: — Но вот американцы заговорили о пилотируемом полете на Марс на корабле с ядерной установкой…

— По идее, в этом случае реактор нужно отодвинуть на сотни метров от жилого модуля, что делает конструкцию еще более громоздкой. Я не в курсе американских программ. Те научные задачи, которые сейчас более-менее реально обсуждаются, — связанные с Марсом и более дальними планетами, — не требуют выведения в космос десятков тонн грузов, тем более, не требуют регулярного грузооборота.

«СП»: — «Роскосмос» на пилотируемые полеты не замахивается, он говорит о маршруте Луна-Венера-Юпитер. Это оправданно?

— Луна все-таки представляется наиболее разумным проектом под нужды буксира. Скажем, если речь о строительстве целого лунного города на десятки и сотни человек, в рамках широкого международного сотрудничества. Замечу, база на обратной стороне Луны — с точки зрения науки — безумно интересна. Луна в этом случае экранирует оборудование от всего земного излучения. Для исследования дальнего космоса — это просто идеальное место. Но опять же, я не слышал о серьезных предложениях на эту тему.

На счет Венеры — честно говоря, тяжелый ядерный буксир в качестве средства доставки сомнителен. Большую часть реальных задач по изучению Венеры можно решить аппаратами весом в несколько тонн. Конечно, их можно туда доставить и буксиром, но это попахивает микроскопом, которым заколачивают гвозди.

«Роскосмос», насколько я понимаю, предлагает в 2030-м использовать буксир как космическую «маршрутку»: доставить аппараты на Луну, Венеру и спутник Юпитера за один рейс. Возможно, это более целесообразно экономически, но здесь возникают другие сложности.

Все-таки пока любая космическая миссия — это уникальная разовая задача, к которой подходят индивидуально. В случае с буксиром я не уверен, что получится организационно увязать несколько масштабных и сложных проектов — задачу освоения Луны, исследования Венеры, исследования «внешней» планеты Солнечной системы. Боюсь, само увязывание таких проектов в один космический рейс — огромная проблема, по сравнению с которой создание буксира покажется цветочками.

«СП»: — Получается, космический буксир не нужен?

— Вовсе нет. Если Россия сделает и запустит такой буксир — это будет очень продуктивно. Одно только создание эффективной системы охлаждения, способной отводить большое количества тепла в космосе, или решение задачи защиты от радиации — даже только эти решения будут чрезвычайно полезны для освоения космоса. Именно поэтому я не считаю траты на космический буксир бессмысленными.