Полеты на Луну, ракеты-убийцы спутников, ядерные космобуксиры. Как Россия и США разворачивают битву за космос

Конец 2020 года оказался богат на космические новости из России: это и второй (после шестилетнего перерыва) запуск тяжелой ракеты "Ангара", и начало работ над техническим проектом ракеты "Енисей", и размещение заказа на разработку проекта ядерного буксира "Нуклон", способного доставлять грузы с земной на лунную орбиту, и завершение сборки макета космического корабля "Орел" для наземных испытаний.

В этих терминах и названиях несложно запутаться, и для того, чтобы избежать этого, следует во всем разобраться по очереди. Чем мы и займемся.

"Ангара": 6 лет спустя

"Она летает, черт возьми!!!" - написал 14 декабря на своей страничке в Twitter глава "Роскосмоса" Рогозин.

"Она" - это тяжелая ракета "Ангара-А5", в тот день стартовавшая с космодрома Плесецк в Архангельской области. Полет является тестовым, и в качестве полезной нагрузки "Ангара-А5" вывела на орбиту всего лишь массо-габаритный макет реального груза. Всего было запланировано 8 тестовых запусков, после которых ракета должна пойти в серию, и тогда планируют выпускать и запускать по 6-7 ракет в год.

Запланирован уже ряд "рабочих" запусков "Ангары" для вывода на орбиту военных и гражданских спутников, ожидается использовать "Ангару" для отправки беспилотных аппаратов, которые отправятся к спутнику Марса Фобосу ("Фобос-грунт-2", 2025) и к Венере (2029).

Также ожидается, что с 2025 года "Ангара" заменит ракеты "Протон-М" в миссиях по обслуживанию Международной космической станции (если та к тому моменту еще будет существовать).

"Ангара" на стартовой площадке

Вообще "Ангара" во многом может считаться заменой "Протона-М" в качестве главного российского носителя тяжелого класса. И это уже само по себе достаточно амбициозная задача. Несмотря на свой весьма преклонный возраст (в эксплуатации с 1965 года!), "Протон-М" до сих пор остается вполне конкурентоспособным вариантом доставки грузов на околоземную орбиту.

К примеру, суперсовременный Falcon 9 от SpaceX способен вывести на низкую опорную орбиту (НОО) Земли до 23 тонн груза при стоимости запуска порядка 60 миллионов долларов.

"Протон-М" выводит на ту же НОО до 24 тонн груза при стоимости запуска около 65 миллионов - то есть, в целом сравнимые цифры (2,6 миллиона долларов за тонну у Falcon 9 против 2,7 у "Протона-М"). Причем в "Роскосмосе" утверждают, что полеты "Протона-М" можно сделать еще дешевле за счет оптимизации наземных работ. Другая американская ракета, Delta IV от Boeing, выводит на ту же орбиту до 27 тонн груза, но при этом стоимость запуска стартует с отметки в 164 миллиона долларов.

При этом "Протон-М" является одной из самых массовых тяжелых ракет в истории: в его послужном списке 377 успешных запусков. Проще говоря, речь идет о надежной рабочей лошадке, все особенности "характера" которой хорошо изучены. И хотя старый конь, как известно, борозды не портит, у "Протона-М" имеется ряд неустранимых недостатков, которые и заставили российское руководство заняться разработкой новой ракеты.

Falcon 9

Во-первых, "Протон-М" летает на высокотоксичном диметилгидразине, он же гептил. В 70-е это топливо было вполне приемлемым, но современной ракете требуется что-то более экологичное - например, наиболее распространенная на сегодняшний день пара "керосин-кислород", как в том же Falcon 9 (и других "Соколах" Илона Маска) или российских средних ракетах-носителях серии "Союз".

Вторая причина носила "околополитический" характер. Основным космодромом запуска "Протонов" является Байконур, который находится в формально дружественном России, но все-таки независимом Казахстане.

К слову, еще в советское время место для его строительства в казахских степях выбрали неспроста: сыграли роль не только соображения секретности, но и то, что Байконур находится в одном из самых южных районов бывшего СССР. А для космодрома чем южнее, тем лучше. Дело в том, что по мере приближения к экватору линейная скорость вращения Земли вокруг своей оси возрастает. Запуская ракету против направления вращения Земли, можно за счет этого как бы "подкрутить" ее, причем чем южнее (если мы говорим о северном полушарии), тем сильнее.

К примеру, на широте Байконура линейная скорость вращения Земли составляет 316 метров в секунду, тогда как на широте чисто российского Плесецка в Архангельской области - всего 212.

Из-за этой разницы те же "Протоны-М" в принципе не могли набрать нужную скорость при старте с Плесецка с максимальной нагрузкой. Они могли взлетать лишь с Байконура, что приводило к, скажем так, деликатным сложностям, особенно когда речь шла о выводе на орбиту секретных военных спутников.

Так и родилась идея "Ангары-А5" - тяжелой ракеты на кислород-керосиновом топливе, которая будет обладать достаточной мощностью для старта с Плесецка. Однако проще сказать, чем сделать: начавшись в 1992 году, работы по проекту "Ангара-А5" завершились первым успешным стартом лишь в 2014-м. Но и этот день не стал началом новой эры в российском ракетостроении: после первого старта, об "Ангаре" не было ничего слышно целых 6 лет.

"Ангара" идет на смену "Протону-М"

Почему проект поставили на паузу? Официальная версия гласит: керосиновый тяжеловес оказался слишком дорогим. Первый запуск "Ангары-А5" обошелся в 140 миллионов долларов при грузоподъемности в 24,5 тонны (все на ту же низкую опорную орбиту). Проще говоря, если для "Протона-М" стоимость доставки одной тонны груза на низкую опорную орбиту составляет 2,7 миллиона долларов, а для Falcon 9 - 2,6 миллиона, то для "Ангары-А5" этот показатель составляет 5,7 миллиона - почти вдвое больше, что ставило экономическую целесообразность ракеты под большой вопрос.

Собственно, по официальной версии все эти годы разработчики "Ангары" в центре Хруничева и работали над удешевлением ракеты, и небезуспешно: в 2018 году стоимость запуска снизилась примерно до 100 миллионов долларов. Но это все равно пока очень много.

Ракетчики успокаивают: дороговизна ракеты - дело временное. Мол, первые пуски "Протонов-М" стоили вдвое дороже, чем они стоят сейчас. И серийные образцы "Ангары" будут стоить примерно столько же, сколько и "Протоны", а то и дешевле.

Впрочем, как оно будет на самом деле, покажет время, и пока "Ангара-А5" остается весьма дорогим удовольствием. Хотя ее параметры и позволяют в целом заменить "Протон-М" в качестве основной тяжелой российской ракеты.

Но тяжелыми ракетами все дело не ограничивается.

С прицелом на Луну и Марс

Ракеты типа "Ангары-А5", Falcon 9 или Delta IV находятся наверху всемирно принятой ракетной классификации: их достаточно для того, чтобы вывести на орбиту Земли практически любой "повседневный" груз.

Но если говорить о более амбициозных задачах, то среди них встречаются и такие, для которых мощностей обычных тяжелых ракет недостаточно, и требуется что-то посерьезнее: ракеты так называемого сверхтяжелого класса, по общепринятой классификации способные выводить на низкую околоземную орбиту до 50 тонн полезного груза.

Впервые нужда в таких ракетах возникла во времена космической гонки: именно американские ракеты "Сатурн-5" выводили в космос корабли проекта "Аполлон". Аналогичный российский проект "Энергия" был закрыт после второго полета в 1988 году. И почти 30 лет надобности в сверхтяжелых ракетах-носителях вроде как не возникало.

Дело в том, что сверхтяжелые ракеты были крайне дороги, и это еще мягко сказано. Запуск, к примеру, "Сатурна 5" в современных ценах обошелся бы примерно в 1 миллиард (!) долларов США.

Интерес к "супертяжам" возобновился буквально в последние годы - в свете планов крупнейших космических держав снова покорить Луну и отправиться дальше - к Марсу. К примеру, именно для межпланетных миссий предназначается единственная существующая сегодня сверхтяжелая ракета - Falcon Heavy Илона Маска.

Как утверждается, эта ракета может выводить на низкую опорную орбиту до 64 тонн груза, причем стоимость запуска составляет около 150 миллионов долларов США. Это дает достаточно впечатляющую стоимость доставки 1 тонны груза - чуть более 2,3 миллионов долларов за тонну. Причем, за счет возвращаемости компонентов ракеты, стоимость старта может быть и ниже - по данным Space X, порядка 90 миллионов долларов.

Правда, и грузоподъемность в результате снизится, да и к возвращаемости имеются вопросы: из трех коммерческих запусков Falcon Heavy ни в одном из них, к примеру, не удалось добиться повторного использования центрального блока ракеты. Так что об окончательных коммерческих показателях американского супертяжа пока говорить преждевременно, однако выглядят они довольно заманчиво.

Falcon Heavy

Falcon Heavy изначально разрабатывался именно с прицелом на покорение Луны и Марса, хотя сейчас Илон Маск хочет разработать для этих целей нечто еще более мощное, а Falcon Heavy придется довольствоваться ролью орбитального грузовика-тяжеловоза.

Параллельно НАСА ведет разработку собственной сверхтяжелой ракеты-носителя для лунной программы "Артемида".

Она называется SLS (от Space Launch System, "Система космических запусков").

Предположительно эта ракета должна стать самой мощной ракетой в истории, будучи способной выводить на орбиту до 130 тонн груза. Правда, стоимость одного запуска оценивается в 800 миллионов долларов, что делает стоимость доставки 1 тонны груза чудовищно высокой: свыше 6 миллионов долларов.

Ракета SLS

Собственно, высокая стоимость как разработки, так и эксплуатации SLS является одной из главных трудностей, которая встала на пути реализации проекта: многие, в том числе и президент Дональд Трамп, считают его слишком дорогим.

Эту мысль не устает муссировать и Илон Маск, недавно высказавшийся в том смысле, что каждый запуск такой ракеты будет "трагедией" (подразумевая, что "избежать трагедий" можно, воспользовавшись услугами SpaceX). Возможно поэтому изначально назначенный на 2017 год испытательный полет до сих пор не состоялся, и в настоящее время точная дата его неизвестна.

Однако у США хотя бы есть Falcon Heavy. Россия же своей сверхтяжелой ракеты вообще не имеет. А без нее о полетах на Луну и тем более на Марс и думать нечего.

Именно поэтому работы по созданию российского супертяжа ведутся - причем сразу по нескольким направлениям.

Конкуренция супертяжей

Первый проект сверхтяжелой ракеты предлагают разработчики "Ангары" - Центр Хруничева: в 2027 году они планируют запустить "усиленную" версию "Ангары-А5" - "Ангару А5В".

Формально говоря, "Ангара А5В" не может считаться сверхтяжелой ракетой: предполагается, что она будет выводить на орбиту до 38 тонн полезного груза, тогда как супертяжи, как мы говорили выше, начинаются от 50 тонн.

Однако у проекта есть существенный плюс: по сути, он на 60% будет повторять все конструктивные решения "Ангары А5", что потребует куда меньших затрат на его разработку. Идея состоит в том, чтобы заменить третью ступень "Ангары А5", работающую на керосине, на ускоритель с двигателями РД-0150, использующими в качестве топлива водород.

Водородные системы обеспечивают больший удельный импульс - проще говоря, позволяют ракете потратить на разгон до одной и той же скорости меньше топлива. Именно за счет "сэкономленной" на топливе массы "Ангара А5В" получит дополнительную грузоподъемность.

Но хватит ли этого для потребностей российской космонавтики? В "Роскосмосе" утверждают, что да.

В частности, глава "Роскосмоса" Дмитрий Рогозин убежден, что грузоподъемность "Ангары-А5В" позволит решить все задачи, стоящие перед "Роскосмосом" до 2032 года, включая сюда и лунную программу.

Помимо инновационной водородной ступени, в "Ангаре-А5В" планируется реализовать еще одну "модную фишку" - частичную возвращаемость летательного аппарата с возможностью повторного использования - короче говоря, как у SpaceX. Ну, не совсем "как": работать все это должно совершенно иначе.

Если в ракетах Маска возвращаемые ступени приземляются на реактивном "столбе", то проект "Крыло-СВ" (прежнее название - "Байкал") предполагает возвращаемость первой ступени в режиме крылатой ракеты, или, если угодно, беспилотного самолета, осуществляя посадку на взлетно-посадочные полосы с помощью шасси и тормозных парашютов.

В настоящее время над проектом "Крыло-СВ" работают в КБ Мясищева, первые полеты (пока без остальной ракеты) возвращаемые ступени должны совершить уже в 2021 году.

Так что, в отличие от взлетевшей 14 декабря "Ангары-А5", ее утяжеленная модификация может стать весьма инновационным продуктом, использующим сразу несколько новых технологий.

Первый полет "Ангары-А5В" намечен на 2027 год.

Однако наряду с "Ангарой-А5В" "Роскосмос" разрабатывает и "настоящий" супертяж - ракету "Енисей". Контракт на разработку технического проекта на нее подписан 17 декабря с ракетно-космическим центром "Прогресс".

Проект обойдется в полтора миллиарда рублей (20 миллионов долларов США) и должен быть готов к ноябрю 2021 года.

Впервые о "Енисее" заговорили в 2017 году. Тогда предполагалось использовать керосиновые двигатели (6 РД-171МВ для первой ступени и РД-180 на второй; кстати, об огневых испытаниях РД-171МВ "Роскосмос" отчитался 18 декабря) в сочетании с водородным двигателем РД-0146 в разгонном блоке - по сути, схема, сходная с "Ангарой-А5В".

Предполагалось, что в такой компоновке "Енисей" сможет выводить на низкую опорную орбиту до 150 тонн полезного груза, переплюнув тем самым даже SLS.

Впрочем, в декабре 2020 появилась информация об изменении подхода к компоновке ракеты: вместо керосиновых двигателей в ней якобы применят метановые, обладающие меньшим удельным импульсом, нежели водородные, но большим, чем керосиновые.

По другой версии, метановые двигатели будут соседствовать с керосиновыми: последние останутся в качестве боковых ускорителей.

Будет ли в "Енисее" использоваться водородный разгонный блок, как это планировалось изначально, неясно. Под вопросом остаются также эксплуатационные характеристики ракеты: останутся ли они такими же, как в проекте 2017 года? Короче, вопросов пока больше чем ответов.

Таким может быть "Енисей"

Зато известно, что первую (и, возможно, вторую) ступень ракеты также сделают многоразовой.

Правда, в отличие от "Крыла-СВ" приземляться она будет не на шасси в "самолетном" режиме, а на струе реактивного двигателя на специальные опоры-штанги - как у SpaceX.

Начало полетов ракеты запланировано на 2028 год.

Наконец, есть и третий проект российского супертяжа: разработанная Государственным ракетным центром имени В. П. Макеева ракета "Лидер".

Но она пока существует лишь на уровне концепции, предполагающей сочетание водородных и керосиновых (в боковых ускорителях) двигателей. Получит ли идея ГРЦ им. Макеева развитие в условиях, когда у "Роскосмоса" есть два других проекта - неясно.

Несмотря на наличие амбициозных планов по строительству новых ракет-носителей, можно констатировать, что в сфере ракетостроения у России наметилось некоторое отставание: "Ангару-А5" сложно назвать прорывным проектом на общемировом уровне, а по-настоящему инновационные проекты должны стать реальностью не раньше 2027 года.

Для сравнения, США в рамках программы "Артемида" планируют совершить первый пилотируемый полет на Луну уже в 2024, а SpaceX Илона Маска к тому моменту планирует уже побывать на Марсе.

Кроме того, на тот же 2028 год запланировано завершение работ по китайской сверхтяжелой ракете "Чжанчжен-9". Иными словами, даже благополучная реализация всех ракетных проектов России в положенные сроки позволит в лучшем случае догнать, но не перегнать конкурентов.

Впрочем, есть в арсенале "Роскосмоса" кое-что действительно прорывное, способное снова вывести Россию в лидеры по освоению космоса. Речь идет о проекте знаменитого трансорбитального буксира "Нуклон".

Дверь в атомный век космонавтики

О планах России перейти на новое поколение космических аппаратов, использующих не химическое топливо, а атомную тягу, мы уже писали.

О проекте так называемого "транспортно-энергетического модуля", приводимого в действие электроракетными (плазменными или ионными) двигателями, питающимися от компактного ядерного реактора, говорят как минимум с 2009 года. Однако конкретные черты проект стал приобретать лишь в 2017-2018.

10 декабря 2020-го "Роскосмос" заключил с КБ "Арсенал" контракт на разработку проекта космического комплекса "Нуклон", включая сам буксир, модуль полезной нагрузки (грубо говоря, "баржу" для размещения груза, которую будет тащить буксир), комплекс управления и транспортные средства для доставки. Согласно техническому заданию на разработку, "Нуклон" должен позволять доставлять с орбиты Земли на орбиту Луны 10 тонн полезного груза, причем перелет должен занимать 200 суток.

Мощность реактора должна составить 500 киловатт, причем 450 из них буксир должен при необходимости передавать вовне, функционируя таким образом в режиме мобильной ядерной электростанции.

Масса самого буксира должна составлять не более 35 тонн. Срок службы - не менее трех лет.

Хотя прямо в документе об этом ничего не говорится, "Нуклон", вероятно, будет беспилотным космическим кораблем: по всей видимости, инженерам так и не удалось обеспечить приемлемый уровень радиационной защиты при данных массах корабля.

Согласно техзаданию, предусматривается допустимый уровень облучения в 20 тысяч рад за 100 тысяч часов работы реактора, или 0,2 рад (0,002 зиверта) в час. За 4800 часов полета к Луне экипаж буксира получил бы около 10 зивертов притом, что при дозе в 4,5 зиверта умирает 50% облученных (т.н. полулетальная доза).

"Нуклон". Трехплоскостная конструкция в центре - радиаторы системы охлаждения

Начало полетов "Нуклона" планируют на 2030 год. Помимо полетов к Луне, запланированы также полеты к Марсу, Венере и даже Юпитеру.

Стоит добавить, что вывод "Нуклона" в космос будет возможен как с помощью "Енисея", так и посредством "Ангары-5В" - вероятно, говоря о том, что грузоподъемности последней хватит для решения всех задач на ближайшее время, Рогозин имел в виду и это.

Правда следует признать, что итоговый проект российского ядерного буксира выглядит менее впечатляющим, чем то, что о нем говорили изначально: вдвое менее мощный реактор (изначально говорилось об установке мощностью в 1 мегаватт, или 1000 киловатт) и куда меньшие скорости (судя по тому, что полет до Луны займет более полугода, о полете на Марс за 1,5 месяца, как обещали ив "Роскосмосе" еще пару лет назад, речи пока не идет).

Тем не менее, значение проекта сложно переоценить: "Нуклон" претендует на то, чтобы стать первым представителем космических кораблей принципиально нового поколения - прорыв, сравнимый с выводом на орбиту первого искусственного спутника Земли.

И даже если Россия не будет первой во второй волне полетов к Луне (что с учетом вышеизложенного ракетного отставания - весьма вероятно), успешная реализация проекта "Нуклон" даст РФ принципиально более широкие возможности для освоения спутника Земли.

Действительно, та же американская SLS сможет доставлять на лунную орбиту до 45 тонн груза, что с учетом стоимости запуска одного корабля в 800 миллионов долларов дает стоимость доставки к Луне 1 тонны груза в по крайней мере 18 миллионов долларов. А то и больше, ведь в полезную нагрузку ракеты-носителя также считают вес космического корабля! Это делает доставку груза на Луну (например, для создания лунной орбитальной или наземной базы) крайне недешевым удовольствием.

Наличие же у России "Нуклона" позволит ей решать ту же задачу принципиально иначе: на околоземную орбиту груз доставляется обычными ракетами (хоть теми же "Ангарами"), здесь уже груз подбирает "Нуклон" и доставляет к месту назначения. При этом на дорогу к Луне "Нуклон" не будет тратить тяжелое химическое топливо, которое также пришлось бы доставить на орбиту с Земли.

Ну а для доставки на Луну людей придется, вероятно, использовать более классический космический корабль "Орел" (летные испытания должны начаться в 2023-м, высадка космонавтов на Луну - в 2031-м).

Конфликт как стимул прогресса

Как бы там ни было, можно с уверенностью констатировать: вторая половина и особенно конец 10-х годов XXI века стала временем существенной активизации космических инициатив по всему миру. И тот факт, что происходит это на фоне существенного осложнения мировой геополитической обстановки, вряд ли является простым совпадением.

Как и то, что среди космических новостей из России есть и новость об испытании ракетного комплекса "Нудоль", предназначенного для уничтожения космических целей с поверхности Земли.

Да и, к слову сказать, те же самые сверхтяжелые ракеты нужны не только для покорения Луна и Марса, но и для вывода на орбиту новых поколений военных спутников, которые становятся все тяжелее.

С другой стороны, ничего удивительного в этом нет: международные конфликты неоднократно являлись двигателями прогресса. В конце концов, именно противостояние сверхдержав во второй половине XX века позволило Человечеству начать активное освоение космоса и впервые ступить на Луну, тогда как окончание Холодной войны сопровождалось очевидным спадом интереса к покорению новых космических горизонтов.

И - кто знает - возможно именно нынешнее обострение международной обстановки позволит людям вернуться на Луну и пойти дальше?