А вместо сердца плазменный мотор. Как РФ и США наперегонки разрабатывают двигатели для полета на Луну и Марс

Российский Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований (ТРИНИТИ, входит в структуру корпорации "Росатом") объявил тендер на разработку методики испытаний плазменного двигателя нового поколения.

Согласно тендерной документации, речь идёт об электрическом ракетном двигателе с питанием от ядерной установки мощностью 1 мегаватт.

Судя по этому уточнению, в "Росатоме" продолжают активно работать над проектом создания так называемого транспортно-энергетического модуля (ТЭМ) – одного из наиболее амбициозных проектов как в российской, так и в мировой космонавтике, способного произвести в ней настоящую революцию, открыв новую эру в освоении космоса.

Попробуем разобраться, в чём именно состоит уникальность проекта.

Привет от Циолковского

Реактивные (и, в частности, ракетные) двигатели работают на простом принципе: если некий аппарат выбрасывает из себя некую массу с некоей скоростью, то сам он начинает двигаться в другую сторону (спасибо закону сохранения импульса).

К примеру, в ракетах и реактивных самолётах этот принцип используют, сжигая в камере сгорания определённое количество топлива. Соединяясь с окислителем (например, обычным кислородом) топливо (например, керосин) превращается в раскалённый газ, в процессе значительно увеличивающийся в объёмах. Под собственным давлением этот газ выдавливается из камеры сгорания и выбрасывается наружу через сопло. Возникает пресловутая реактивная тяга.

Такие реактивные двигатели называются химическими.

Чем больше масса выбрасываемого вещества и с чем большей скоростью оно выбрасывается, тем быстрее летит аппарат. Соответствующее соотношение ещё называют формулой Циолковского, и оно представляет собой основу основ современной космонавтики.

С инженерной точки зрения выгоднее всего наращивать именно скорость истечения вещества из сопла. Дело в том, что топливо летательный аппарат вынужден вести на своём горбу, и если вы пойдёте по пути увеличения "выбрасываемой" массы, то, чем больше вещества вы планируете "выбросить за борт" для разгона корабля, тем меньше места остаётся для полезной нагрузки. В современных ракетах-носителях, к примеру, полезная нагрузка составляет не более 5 % общей массы, и это, мягко говоря, не очень удобно.

Но проблема в том, что скорость истечения вещества в химических ракетах сильно ограничена параметрами протекания химических реакций, так что бесконечно увеличивать её практически невозможно. Именно поэтому такой проблемой являются, например, полёты к Луне или к более удалённым объектам, вроде Марса или Венеры. К примеру, американцам для полёта на Луну пришлось создать настоящего монстра – ракету "Сатурн-5" со стартовой массой в 3000 тонн. При этом полезная нагрузка в лунных миссиях составляла менее 20 тонн – то есть, около 0,5 %.

Именно поэтому программа "Аполлон" стоила целое состояние: каждый запуск обходился около 1,2 миллиарда долларов в сегодняшних ценах.

И хотя сегодня тот же Илон Маск обещает добраться до Луны и даже Марса на своих химических ракетах нового поколения, очевидно, что в своём развитии эта технология близка к пределу, заложенному естественными законами природы, изменить которые мы не в силах.

Но эти законы можно обойти, перейдя от химических ракет к электрическим.

Действительно, разгон под действием собственного давления раскалённого расширяющегося газа – не единственный способ придать скорость истекающему веществу. К примеру, того же можно добиться, используя в качестве рабочего тела заряженные частицы, разгоняемые электромагнитным полем.

Эта технология в принципе не имеет жёстких ограничений на максимальную скорость истечения вещества – ну, кроме разве фундаментального ограничения на движение быстрее света. А значит, тот же импульс космическому аппарату можно придать, затратив значительно меньшую массу выбрасываемого вещества.

То есть, нам нужно будет везти с собой куда меньше топлива (точнее, здесь правильнее будет пользоваться уже термином "рабочее тело"), что позволит нам совершать куда более дальние космические путешествия или, по крайней мере, значительно улучшить соотношение "запас топлива – полезная нагрузка", что повысит экономическую эффективность космических программ.

В качестве рабочего тела (того, что отбрасывают назад, чтобы лететь вперёд) в электрических ракетных двигателях используют плазму (ионизированный газ), разгоняемую электромагнитным полем. Технология эта известна и используется с 70-х годов прошлого века.

Такие двигатели применяются, к примеру, в космических спутниках, которые с их помощью корректируют свою орбиту. Благодаря тому, что скорость истечения плазмы в них может превышать 2000 метров в секунду, такие двигатели могут удерживать спутник на нужной орбите до 12-15 лет при сравнительно небольших запасах топлива на борту. То есть, технология сама по себе не нова. Однако речь идёт о принципиально новом способе её использования. Действительно, время от времени корректировать орбиту сравнительно небольшого спутника, и совсем другое – приводить в движение на протяжении долгого времени куда более массивный космический корабль, разгоняя его при этом до скоростей в десятки километров в секунду!

Важно понимать: в любом случае речь не идёт о создании космического аппарата, стартующего на электроракетных двигателях с Земли. Такие двигатели при высокой эффективности в плане расхода массы топлива (рабочего тела) обладают достаточно низкой тягой, а потому попросту не способны вообще оторвать нечто от поверхности Земли. Как и в случае со спутниками, предполагается, что космический аппарат будет выводить на орбиту обычная химическая ракета. И уж там-то наступит время для более продвинутых технологий.

Космический атом

Ключевой вопрос здесь – снабжение двигателей нового типа энергией. В химических ракетах её получают за счёт самого процесса сгорания топлива. В электромагнитных двигателях ничего не сгорает, и для работы им нужно внешнее электропитание. Причём – исходя из поставленных задач – источник питания должен быть достаточно мощным, компактным и не требовать для своей работы потребления значительных масс топлива.

Наиболее очевидным ответом является атомный реактор. Однако ядерный реактор, пригодный для использования в космическом пространстве должен технологически сильно отличаться от своих земных аналогов.

Одна из первых очевидных проблем – как его охлаждать? Реакторы АЭС охлаждают (чаще всего) обычной водой, а отвод тепла осуществляется путём испарения этой самой воды в башнях-градирнях.

Именно поэтому АЭС обычно строят вблизи крупных источников воды – например, рек.

Но в космосе таких источников воды нет.

Альтернативным подходом может быть охлаждение с помощью излучателей-радиаторов. Действительно, любое нагретое тело излучает инфракрасное, а при высокой температуре – и видимое световое излучение (так светится красным, оранжевым или даже белым, к примеру, раскалённый металл). Излучение уносит с собой некоторую энергию – и этот процесс может быть использован для охлаждения даже в космическом пространстве.

Проблема заключается в том, что радиаторы-охладители для космического ядерного реактора должны иметь внушительную площадь – а значит, внушительный вес. В ситуации, когда буквально каждый килограмм массы – буквально на вес золота, это не слишком удобно. Поэтому российские специалисты работали над альтернативным решением и, как утверждается, нашли его. Идея заключается в создании так называемого капельного холодильника-излучателя.

Для охлаждения используется тот же самый эффект уноса тепла излучением. Но в качестве радиатора используются не трубы или экраны, а разбитая на крошечные капли струя самой охлаждающей жидкости. Вода для этих целей, вообще говоря, не годится: в открытом космосе она попросту почти мгновенно испарится. А вот другие вещества, например, расплавленные металлы, подходят.

Раздробленная на капли охлаждающая жидкость выбрасывается в открытый космос так, чтобы потом капли попали в отверстие-приёмник, откуда жидкость снова возвращается в систему охлаждения. Получается тот же излучатель-охладитель, но без корпуса, а также с огромной излучающей площадью, равной суммарной площади множества мелких капель.

Правда, данная методика имеет свои "узкие места": например, капли охлаждающей жидкости под действием солнечного света будут ионизироваться и вступать друг с другом в электрическое взаимодействие. В результате они будут отклоняться от изначального направления полёта и могут не попадать в приёмник, теряясь в космическом пространстве.

Проблемой занимались в Московском физико-техническом институте, и им ещё в 2015 году удалось создать рабочую математическую модель капельного холодильника-излучателя. А в конце 2018 года, как утверждается, "Роскосмос" и "Центр Келдыша" провели стендовое испытание макета установки в условиях, приближенных к условиям космического пространства. Следующим шагом должно стать испытание непосредственно в космосе. Его сроки пока не называются.

И это далеко не единственная проблема, с которой должны неизбежно столкнуться конструкторы при создании космического реактора. Если мы говорим о реакторе с охлаждением с помощью расплавленного металла, то очевидно, что речь должна идти о куда более высоких "рабочих" температурах реактора (по имеющимся данным, около 1500 градусов против около 300 в реакторах АЭС).

А это, в свою очередь, задает принципиально иные требования к используемым материалам: например, молибденовых сплавов или даже изготовление отдельных элементов из монокристаллов молибдена.

В научных статьях, которые время от времени публикуются в России с 2015 года, приводятся зачастую достаточно подробные описания технологических решений, которые будут использованы в реакторе. Однако вопрос о том, на каком этапе находится реализация этих решений, пока во многом остаётся открытым.

Сила плазмы

Двигатели будущего космического аппарата – не меньшая интрига. Хотя общий принцип работы (разгон плазмы электромагнитным полем) в целом ясен, способов реализации этого принципа существует множество, и какой из них будет реализован в российском "атомном космолёте" пока неясно – в том числе, судя по ряду признаков, и самим разработчикам.

Одним из вариантов был так называемый стационарный плазменный двигатель (СПД), он же двигатель Холла (холловский двигатель). Разработкой таких двигателей с 70-х годов прошлого века занимается, например, российское КБ "Факел". За основу предполагается взять, к примеру, двигатель СПД-290 с тягой в 1,5 ньютона и мощностью в 30 киловатт при массе в 23 килограмма.

Цех ОКБ "Факел"

Последние научные работы, посвящённые разработке СПД в рамках проекта, которые удалось найти автору этих строк, датированы 2017 годом.

Иной проект, судя по всему, являвшийся наиболее актуальным до последнего времени – ионный двигатель, который разрабатывали в Исследовательском центре им. М. В. Келдыша. С двигателем, получившим название ИД-200, был связан один из наиболее свежих скандалов вокруг проекта "атомного корабля": в апреле 2020 года стало известно, что "Роскосмос" разорвал контракт с Центром Келдыша по причине неготовности стендово-испытательной базы, что многие (и в особенности скептики) сочли провалом проекта в целом.

Однако уже 2 июня глава "Роскосмоса" Дмитрий Рогозин сообщил, что работы по проекту продолжаются, а 20 июня пресс-служба Роскосмоса сообщила об успешных огневых испытаниях двигателя.

ИД-200 должен выглядеть примерно так

Сообщается, что ИД-200 будет иметь мощность до 3 киловатт и тягу в 0,75 ньютона, то есть, будет менее мощным, чем двигатели СПД. Но зато удельная тяга (тяга на единицу выброшенного в космос "топлива") существенно выше: 4500 против 3300.

Что же касается установки, новость об испытаниях которой подтолкнула к написанию этой статьи, то здесь речь идёт о третьем типе двигателей – так называемых электромагнитных ускорителях с изменяемым удельным импульсом (Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket; VASIMR).

Особенность этого двигателя состоит в том, что он сможет работать в различных режимах: как с большой (относительно) тягой при малой (опять же, относительно) скорости истечения топлива, так и наоборот. К примеру, в тендерной документации к проекту, о котором говорилось в начале статьи, речь идёт о тяге в диапазоне от 1 до 100 ньютонов и средней тяге в 10 ньютонов.

Следует подчеркнуть – двигатель типа VASIMR разрабатывает не "Роскосмос", как, к примеру, ИД-200, а "Росатом". Причём, судя по всему, разработка происходит параллельно с проектом ИД-200, так что, похоже, мы наблюдаем не только конкуренцию технологических концепций, но и конкуренцию структур, занимающихся их реализацией. Увы, наблюдать за процессом приходится вот по таким вот отрывочным публикациям.

Пока известно лишь, что первые полёты космический корабль нового поколения должен начать в 2030-м году.

Что в итоге?

Создание космического корабля с электроракетными двигателями, питающимися от ядерного реактора, существенно расширит возможности человека в космосе. К примеру, ракета-носитель "Протон-М" со стоимостью запуска в 32 миллиона долларов, способна вывести на низкую опорную орбиту (высота около 200 километров) до 23 тонн груза. Однако если речь идёт о выводе на более высокую орбиту, скажем, геостационарную (около 36 тысяч километров), на которой вращаются, к примеру, навигационные спутники, то масса груза сокращается до 3,7 тонны, а значит, стоимость доставки 1 тонны груза увеличивается более чем в 6 раз!

Транспортно-энергетический модуль, визуализация; на носу – ядерный реактор, в середине – четыре капельных холодильника-излучателя; двигатели установлены на крестообразных фермах в задней части корабля

Но представим себе, что на низкой опорной орбите груз "подхватывает" ядерный "космический буксир", который, используя свои ионные двигатели, доставляет его туда, где ему и должно быть? Очевидно, что стоимость вывода спутников на высокие орбиты существенно уменьшится!

Да и вообще с созданием такого корабля необходимость экономить каждый грамм топлива (который после подъёма на орбиту становится буквально на вес золота!) отпадёт, и откроется широкое поле для выполнения других задач – например, утилизация космического мусора, которым оказалось буквально переполнено околоземное пространство за 50 лет космической эры.

Полёт на орбиту Луны для такого корабля станет достаточно тривиальной задачей, причём доставляться туда могут как спутники или автоматические устройства, так и аппараты, способные доставить на поверхность Луны людей, а также материалы для обустройства лунной базы. Правда, необходимость такой лунной базы в результате окажется под вопросом: если сегодня её создание обсуждают в качестве "космодрома подскока" для путешествий на Марс, то атомный космолёт (по крайней мере, в теории) сможет осуществлять такие путешествия без подобных "костылей".

Да что там Марс! Связка "ядерный реактор – электромагнитный двигатель", не страдая ограничениями, связанными с необходимостью везти на борту значительные запасы топлива, в теории может доставить людей и грузы и к более удалённым планетам Солнечной системы.

Конкуренты

Но если ядерный космический корабль даёт столь много возможностей, то им должны заниматься и другие страны, претендующие на лидерство в космической сфере. И они занимаются.

К примеру, китайская China Aerospace Science and Technology Corporation планирует, судя по "дорожной карте", опубликованной в 2017 году, создать корабль с ядерным двигателем к 2040-му.

В США аналогичные исследования велись и ведутся до сих пор.

Одним из проектов было создание беспилотного корабля JIMO (Jupiter Icy Moons Orbiter) для полёта к лунам Юпитера. Приводиться корабль должен был в действие с помощью ионного двигателя HiPEP.  Проект был отменён в 2005 году – в том числе и потому, что в приоритете у НАСА оказалось финансирование разработок SpaceX.

JIMO

Однако позже, в 2009 году, НАСА всё-таки вернулось к проектам электромагнитных двигателей, заключив контракт с Ad Astra Rocket Company, которая обязалась разработать и поставить для лётных испытаний на Международной космической станции (МКС) двигатель типа VASIMR.

Прототип двигателя, получивший название VX-200, должен был быть испытан уже в 2016 году, и компания утверждает, что устройство в целом готово: при весе примерно в 300 килограммов двигатель при стендовых испытаниях выдавал около 5 ньютонов тяги при мощности в 200 киловатт.

VX-200 на испытательном стенде

Однако испытания двигателя в условиях космоса пока откладываются: на МКС отсутствует источник питания, достаточно мощный для того, чтобы поддерживать работу двигателя.

И это, похоже, основная проблема американской "ядерно-космической" программы: если с двигателями у них, по всей видимости, всё обстоит довольно неплохо, то вот в вопросе источников питания они существенно отстают. Как уже говорилось выше, для космического корабля подходит лишь "горячий" ядерный реактор на быстрых нейтронах, а их американцы строить не умеют.

Действующие реакторы на быстрых нейтронах имеются лишь у России (БН-600 и БН-800 на Белоярской АЭС), кое-какие наработки и опыт (неудачный) строительства таких реакторов имеются у Франции, Германии и Японии, в настоящее время активно работают в этом направлении Индия и Китай.

Вполне возможно, что совместно российско-американская программа строительства ядерного космолёта позволила бы сделать шаг в будущее освоения космоса существенно быстрее. Увы, с учётом сложившейся международной обстановки надеяться на это не приходится.