Российский ядерный планетолёт

10.12.2021

Вот уже много лет Россия является космической державой, которая относительно стабильно запускает множество ракет в космос.

Но с течением времени все отчётливее становится видно, что в разработке обычных ракет Россия отстаёт от США и уже даже от Китая. В США и Европе возобладали частные предприятия, которые, пусть и на государственные деньги, эффективно строят свои ракетные системы. Ярким подтверждением этого служат компании SpaceX и Blue Origin, которые глубоко продвинулись в создании многоразовых ракетных систем (Falcon 9, Falcon Heavy, Crew Dragon, New Shepard, а в будущем Starship и New Glenn) и на данный момент уже отправляют людей в космическое пространство. Также существует и развивается плеяда более мелких компаний: Rocket Lab, Astra Space, Firefly и т.д. Все они сосредоточились на создании максимально дешевых ракет, чтобы сделать космос наиболее доступным для людей.

Китайская Народная Республика также не стоит на месте и за последние 20 лет существенно продвинулась в деле ракетостроения. Отправив в 2003 году своего первого космонавта, Китай смог пройти путь становления космической державы и начать строительство собственной многомодульной орбитальной станции уже в 2020 году! Помимо этого Поднебесная успела отправить 2 лунохода, марсоход и собственный космический челнок в космическое пространство. Также коммунисты развивают свою орбитальную группировку, пополняя её геодезическими, топографическими, метеорологическими и военными спутниками. Чтобы всё это осуществить, Китай построил множество ракет разных классов, как лёгких, так и тяжелых (а сейчас уже строит сверхтяжелую — Чаньчжэнь-9). И даже озаботился проблемой повторного использования своих носителей, так основная ступень ракеты Чанчжэн-8 будет производить вертикальную посадку уже в ближайшие годы. Но помимо государственной программы, есть ещё и частные космические компании, которые уже опробовали реактивную посадку своих небольших детищ. Так что со времен мы вполне можем увидеть китайского Илона Маска.

Концепт китайской сверхтяжёлой ракеты Чаньчжэнь-9 на фоне далёких планет
Концепт китайской сверхтяжёлой ракеты Чаньчжэнь-9 на фоне далёких планет

Ну а Россия же за последние 20 лет смогла создать тяжелую ракету Ангара и модернизировать уже существующую ракету Союз. Да, сейчас ведется разработка ракеты Союз-5, многоразовой ракеты Амур (Союз-7) и думают создавать сверхтяжелую ракету Енисей для лунной программы. Но на фоне успехов США и КНР эти разработки блекнут, так как по сути своей не предлагают ничего нового.

Частные наработки есть, но их несоизмеримо мало по сравнению с западными странами. Так что на данный момент Россия отстаёт от ведущих космических держав в разработке ракет-носителей, а её основной лётный парк составляет советское наследие. Навряд ли в будущем ситуация кардинально сможет поменяться, достаточно лишь сравнить бюджеты космических агентств (да и стран), чтобы понять это. Тем не менее у России есть туз в рукаве. Им является ядерный буксир «Нуклон» (его уже успели переименовать в «Зевс», но так как Нуклон является фундаментом будущих ядерных буксиров, я буду применять по ходу текста именно это наименование).

1. Концепция ядерного буксира

Важный дисклеймер: вся представленная в статье информация является предварительной и скорее всего, с течением времени, устареет, так как до сих пор идут Опытно-Конструкторские Работы (ОКР).

Что есть такое ядерный буксир? Ядерный буксир - это именно что буксир для какой-либо полезной нагрузки. Используется для транспортировки космических аппаратов между космическими телами. На самом деле, его рабочее название это — Транспортно Энергетический Модуль мегаваттного класса (ТЭМ). Его выводят на радиационно-безопасную орбиту (800 км, чтобы случись что радиоактивные остатки не упали на Землю) и далее тестируют. После этого к нему, отдельной ракетой, выводится полезная нагрузка, которая стыкуется с соответствующим модулем. Следом, начинается его космическая экспедиция из точки А в точку Б. По прибытии к точке Б он избавляется от полезной нагрузки и летит к другой точке, либо обратно к Земле за новой задачей. Но на планету он никогда не сажается. На данный момент предполагается не менее 10 таких полётов в разные точки Солнечной Системы.

То есть это своего рода паром между двумя берегами, а водное пространство — это космос.

Встаёт логичный вопрос, а за счёт чего будет осуществляется такое количество полётов? В классической космонавтике полёт проходит за счёт жидкостного ракетного двигателя (ЖРД), который за счёт сжигания химического топлива двигает ракету вперед.

На Нуклоне же скорее всего будут применяться двигатели на других принципах — ионные. Суть их работы заключается в том, что тяжелый газ (ксенон) пропускается через электромагнитную дугу. Путем ионизации он превращается в плазму, которая и создаёт тягу, толкая корабль вперёд. Помимо ионных двигателей есть варианты поставить плазменные или роторные магнито-плазменные двигатели. Но давайте брать за основу ионный вариант, как наиболее испытанный.

Ионные двигатели Нуклона
Ионные двигатели Нуклона

Давайте сравним эти две системы. Для этого используем несколько показателей: удельный импульс и тягу двигательной установки. Если жидкостные двигатели имеют запредельные показатели тяги, но низкую эффективность (удельный импульс — отношение тяги к секундному расходу топлива), то с ионными двигателями дело стоит ровно противоположно. Их эффективность зашкаливает, но они не способны выдавать высокую тягу. Более того, лучше ионные двигатели на данный момент не могут поднять даже 1 килограмм в условиях Земли — настолько малы они по мощности. Так зачем же они нужны? Дело в том, что в космосе такие установки могут работать часами, днями и даже годами. И каждую секунду выдавать такой пусть и не большой, но все же импульс. Тем самым, могут разогнать космический корабль до скоростей, неподвластных химическим ракетам.

Что же нужно для работы таких двигателей? Ответ прост — газ и электричество, если с газом всё понятно (используется ксенон, как самый эффективный вариант), то вопрос электричества решили радикально — воспользовались мирным атомом.

На Нуклоне будет стоять ядерный реактор. Его мощность будет составлять от 300 до 1000 киловатт электроэнергии. Такого колоссального количества энергии будет хватать на долгосрочную работу ионных двигателей и на снабжение энергией всей системы буксира.

Всё же, я предлагаю сравнить химические и ионные двигатели на нескольких дистанциях: ближней (Луна), средней (Марс) и дальней (Юпитер). В качестве объектов сравнения возьмём наш ядерный буксир Нуклон и американскую ракету Starship. Чтобы попасть к естественному спутнику Земли ракете нужно меньше недели а нашему ядерному буксиру понадобятся чудовищные 200 дней (100 дней разгона, 100 дней торможения). В то же время на средней, марсианской дистанции, время полёта практически сравнивается со Старшипом и занимает около одного года против 4-9 месяцев. Но есть один нюанс, Нуклон может за такой же промежуток вернуться обратно на Землю, а вот все экспедиции Старшипа на Марс — это пока билет в один конец, так как детище SpaceX израсходует всё топливо во время полёта, а по итогу совершит мягкую посадку на поверхность Красной планеты. Далее берём Юпитер, до него нашему ракете-носителю лететь не менее 3 лёт, в то же время Нуклон справляется в 2 раза быстрее, добираясь до газового гиганта за 1.5 года. И чем дальше от Земли, тем очевиднее это выгода по времени становится.

В итоге можно охарактеризовать концепцию ядерного буксира старинной русской поговоркой: «Тише едешь — дальше будешь».

2. Как устроен ядерный планетолёт?

Вот он, в разобранном состоянии. КТМ — конструкторско-технологический макет. ОНФ — отсек несущих ферм (правый верхний угол). ЭБ — энергоблок (по центру). БОС — блок обеспечивающих систем (правее ЭБ).
Вот он, в разобранном состоянии. КТМ — конструкторско-технологический макет. ОНФ — отсек несущих ферм (правый верхний угол). ЭБ — энергоблок (по центру). БОС — блок обеспечивающих систем (правее ЭБ).

Как я уже писал выше, на Нуклоне стоит ядерный реактор. Он — центральная часть всей системы ядерного буксира. От него зависит не только работа двигателей, но и работа всего остального оборудования, включая блок полезной нагрузки. Казалось бы, зачем использовать реактор, если есть старые добрые солнечные батареи?

Проблема в том, что самые мощные солнечные панели, находящиеся в космосе, могут вырабатывать лишь порядка 150 киловатт энергии. Эти батареи — на МКС. Почему бы их не поставить на Нуклон? Во-первых, для питания 4 маршевых и 4 маневренных двигателей ИД-500, каждый из которых потребляет по 35 киловатт энергии, этого явно не будет достаточно. Во-вторых, мощность излучения солнца с расстоянием снижается. Поэтому при дальних перелётах выработка энергии будет существенно сокращаться (у Нептуна лучи в 900 раз слабее чем у Земли). Именно в силу этих факторов было принято решение разместить на буксире ядерный реактор.

Но и у этого решения есть определенные технические сложности. Во-первых, проблема охлаждения реактора. Казалось бы, космос и так холодный, в чем проблема? А проблема заключается в том, что в отличии от Земли, в космосе нет воздуха, молекулы которого могут забрать излишки тепла. Поэтому он крайне слабо может поглощать тепло. То есть нельзя разместить голый ядерный реактор, он попросту сгорит. Поэтому на буксире размещены огромные панели, которые принимают на себя всё тепло (оно будет передаваться через теплоносители, собственно, панели это они и есть) из реактора и рассеивают его в космическом пространстве.

Панели охлаждения. Покрытие отражающее, то есть солнечный свет не будет их нагревать. Эта система работает только «на выход».
Панели охлаждения. Покрытие отражающее, то есть солнечный свет не будет их нагревать. Эта система работает только «на выход».

Во-вторых, проблема его конструкции. Первое — его радиация не должна причинять вреда полезной нагрузке. Второе — он должен быть гораздо скромнее своих земных аналогов. Первую проблему решили, что называется, «отодвинув» реактор от полезной нагрузки, то вторую проблему решили благодаря многолетнему опыту отечественных инженеров в построении подобных систем. В советское время было построено не менее 3 серий ядерных энергетических установок, которые были успешно запущены в космос. Пользуясь этими наработками, российские инженеры в 2009 году начали работу над созданием ядерной энергетической установки мегаваттного класса (ЯЭДУ). ЯЭДУ — это обычный атомный реактор, который собирается для космических полётов. Его мощность на несколько порядков меньше, чем у земных электростанций. Но и его габариты гораздо скромнее и приспособлены под тяжелую ракету Ангара-А5В, как и, собственно, вся система.

Кстати, о габаритах и характеристиках всего буксира. Общая его масса будет составлять больше 20 тонн, из которых на ядерный реактор приходится 7, на топливо 1 тонна. Масса полезной нагрузки — 10 тонн. Если сравнивать с грузами, доставляемыми на околоземную орбиту это значения покажется довольно скромным, но вот если идти дальше…

Массы зондов, которые были когда-либо отправлены на Марс, составляют порядка 1-2 тонны. Вес аппаратов, отправляемых к Юпитеру и Сатурну, как ни странно, чуть больше 2-3 тонны. Но чтобы доставить эти смешные, по меркам околоземной орбиты, нагрузки, необходимо использовать ракеты, выводящие на НОО все 15 тонн. То есть чем дальше мы летим от Земли — тем меньше мы можем отправить груза. Но не в случае Нуклона. Эти 10 тонн будут сохраняться и в случае Луны и в случае Нептуна. Разница лишь будет состоять во времени полёта к этим небесным телам, которая по сравнению с сегодняшними зондами будет огромна.

В принципе, в один рейс ядерного буксира можно загрузить все экспедиции НАСА к внешней Солнечной системе за последние лет 30. Судите сами. Юнона — 2 тонны (Юпитер), Кассини — 3 тонны (Сатурн), Галилео — 3 тонны (Юпитер), Новые Горизонты — 0.5 тонны (Плутон). А на оставшиеся 1.5 тонны можно догрузить ксенона, чтобы ускорить процесс разведения спутников. И это всё вместо запуска 4 ракет!

Разобравшись с сердцем ядерного планетолёта перейдем к его двигательной системе. Она будет состоять из 8 ионных двигателей ИД-500, мощность каждого из которых 35 кВт. При включении 6 двигателей потребление будет составлять 210 кВт, что составляет больше половины выработки энергии ядерного реактора на буксире.

На картинке выше также представлен вариант с магнитоплазменным двигателем, который расположен прямо там, где и реактор, в раструбе слева. И эта итерация будет двигаться «задом наперед» относительно варианта с ионными двигателями. Но мы продолжим рассматривать ионный вариант.

А это двигательный блок, так сказать, в металле
А это двигательный блок, так сказать, в металле

До какой же скорости двигательная система разгоняет весь буксир? Теоретически — до 70 км/c, что в 4 раза быстрее, чем скорость зонда Вояджер-1 — 17 км/c (самый быстрый рукотворный объект). На практике же скорость будет варьироваться от 5 км/c до 10 км/c, что, безусловно, очень хорошие показатели.

Ну и финальный вопрос, как всё это прекрасное будет доставляться на орбиту и запускаться? Есть два варианта. Первый — это доставка Нуклона на орбиту с помощью сверхтяжелой ракеты Енисей. Скорее всего он не будет реализован по причине отсутствия оной к нужному сроку (2030-2033 годам), так что здесь вступает в ход более реалистичный — второй вариант. Использование ракет семейства Ангара по двухпусковой схеме (А5В+ А5/А5М)Первый старт — выводится непосредственно ядерный буксир. Второй старт — полезная нагрузка и топливо к нему.

Пока вторая Ангара будет лететь к Нуклону он будет постепенно разворачиваться во всю свою мощь. Первым откроются солнечные батареи, которые всё таки будут на буксире. Причина их появления проста — для запуска ядерного реактора нужна энергия. Ну и в конце-концов запасной источник питания никогда не бывает лишним. После солнечных панелей идёт развертывание фермы во всю свою длину. Следом раскрывается и встаёт на свои места система охлаждения ядерного реактора. Далее — раскрытие панели охлаждения обеспечивающих систем. И наконец — пуск атомного реактора.

А уже после прибытия Ангары с топливом и модулем полезной нагрузки начинается первое путешествие нашего орбитального буксира. Поехали!

3. Первый полёт Нуклона и дальнейшие планы его применения

В 2030 году, после всех испытаний и доставки модуля полезной нагрузки наш ядерный буксир отправится в свою первую экспедицию длительность в 50 месяцев — к Юпитеру. Почему так долго? Дело в том, что газовый гигант это конечная цель миссии, а по пути к ней Нуклон посетит ещё несколько небесных тел, а именно Луну и Венеру.

Всё это время корабль будет разгоняться, как за счёт двигателей, так и за счёт гравитационного манёвра. Суть манёвра состоит в использовании гравитации небесного тела, под воздействием которого аппарат разгоняется и частично меняет траекторию своего полёта (экономия на топливе!).

На Луне ядерный буксир оставит часть свой полезной нагрузки в виде небольшого исследовательского зонда и направится на дозаправку к Земле. Получив дополнительное топливо буксир направляется к Венере и сбрасывает небольшой космический аппарат на её орбиту. После идёт самая долгая часть перелёта, с ускорением у Земли и полётом к газовому гиганту. Там он посетит 3 Галилеевых спутника (Ио, Европа, Каллисто) и оставит у каждого из них свою основную полезную нагрузку. На данный момент мы знаем, что будет делать только лунный зонд:

  • картографирование поверхности с определением уклонов и высоты неровностей;

  • картографирование верхнего покрова глубиной до нескольких километров;

  • идентификация районов с подповерхностными пустотами, оценка их размеров, объема и глубины залегания;

  • разведка полезных ископаемых Луны, в том числе криолитосферных ресурсов;

  • определение электрофизических свойств грунта, идентификация районов с аномальной проводимостью, теплоемкостью, плотностью в целях обеспечения связи на поверхности Луны.

В принципе на основании этого списка мы можем предположить, чем будут заниматься другие зонды. Замените в тексте Луну на Венеру/Ио/Европу и ничего кардинально не поменяется.

Ещё есть возможность использовать буксир как мусоровоз. Находить отработавшие аппараты и отправлять их на орбиту захоронения, где они никому не могут навредить.

РБО — около 800 км. ГСО — 35 786 км. ОЗ = ГСО + 200 км.
РБО — около 800 км. ГСО — 35 786 км. ОЗ = ГСО + 200 км.

Следующим вариантом у нас идёт применение планетолёта в лунной экспедиции. А именно: его использование для доставки полезных грузов на лунную базу. Лично мне кажется такое использование ТЭМа нерациональным, по причине слишком долгого полёта к естественному спутнику (шутка ли, 200 дней) и малой полезной нагрузке в 10 тонн. Лучше отправить более скоростную Ангару с 15 тоннами.

А дальше мы наблюдаем действительно интересную концепцию по доставке на Марс ядерного реактора. После отделения от ТЭМа он должен безопасно войти в атмосферу, раскрыть парашют и произвести мягкое касание при помощи реактивных двигателей! Ну а далее он должен в автоматическом режиме раскрыться и заработать, запитав марсианскую базу. Эта смелая идея, которую в принципе можно реализовать в будущем, но очень далеком — лет через 20-30.

Есть ещё один вариант использование Нуклона — в качестве ретранслятора с Марса. Почему это актуально? На аппаратах находящихся на поверхности Марса стоят довольно слабые передатчики, которые не позволяют отправлять большие объемы информации за один раз. Чем это вызвано? Во-первых, это огромные расстояния между планетами. Во-вторых — влияние атмосфер Марса и Земли на радио-сигнал. Имея мощный ретранслятор в виде ТЭМа (положим, старого, уже отработавшего свой ресурс) можно отправлять большие объёмы информации не пренебрегая её качеством.

Такой ретранслятор должен быть расположен в точке L1 Лангранжа. Что это за точка?

Любая система из двух массивных объектов в космосе, таких как Земля (в нашем случае имеем Марс — прим. автора) и Солнце, имеет пять точек стабильности где гравитационное притяжение обоих тел отменяет друг друга. В этих точках возникает небольшая область, где можно расположить спутник и сохранять его статичное положение с минимальными усилиями. Например, вы можете "припарковать" космический телескоп или орбитальную колонию, и вам потребуется совсем немного или даже нулевая энергия, чтобы сохранить их в фиксированном положении относительно Земли. Расположенный в точке либрации спутник не станет привычно кружить вокруг планеты, а вместо этого буквально замрет в одной точке относительно Земли, пойманный в гравитационную "оттяжку".

Также не забудем рассмотреть вариант применения ядерного планетолёта в качестве орбитальной станции для долгосрочных перелетов. На представленной графике мы видим скорее станцию на этапе строительства, то есть к ней ещё будут стыковаться и стыковаться дополнительные модули. Так как в таком формате лететь человеку куда-то дальше Луны просто физически невозможно.

По итогу можно сказать, что у ядерного буксира — огромный потенциал. Это огромная мобильная электростанция, которая может за небольшой промежуток времени доставлять огромные полезные нагрузки к самым дальним уголкам Солнечной системы. Также за счёт большой генерации энергии на буксире можно расположить самые прожорливые научные приборы для исследования космического пространства или передачи информации на Земле, т.к. благодаря высокой мощности ретрансляторов и высокой орбите возможно устойчивое покрытие большой площади Земли одновременно, а также для запитывания орбитальных станций, как на одном из проектов Мир-2.

По сравнению с разработками США и Китая, где делается ставка на большие ракеты, — это действительно прорывной проект. Я бы даже сказал, что это вариант интенсивного развития космических систем, а не экстенсивного (наращивание количества двигателей и объемов топлива), так как идёт применение совершенно новых технологий, которые доселе не использовались в освоении космоса.

4. Немного истории разработки

Перенесемся в славный 2009 год. Тогда президенту Российской Федерации Дмитрию Медведеву предложили проект создания транспортно энергетического модуля на базе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса, при сотрудничестве Роскосмоса и Росатома. И уже в 2010 году президентским указом были начаты работы по созданию нашего ядерного планетолёта. Тогда же Росатом утвердил техническое задание на разработку установки мегаваттного класса и модуля. На период с 2010 по 2018 было выделено 5,8 миллиардов рублей (193 миллиона доллара по курсу 2010 года).

В период с 2010 по 2018 год шла спокойная и не особо публичная работа над ТЭМом, он всячески видоизменялся, корректировались сроки (сдвигаясь вправо), выделялось дополнительное финансирование и так далее. Испытывались ионные двигатели, материалы, конструкция Нуклона и так далее. Основная работа легла на Центр Келдыша — он занимался вопросом создания ядерного реактора и продолжает работу над ним. Срок окончания работ 2025-2028 год. А самим модулем занимается КБ «Арсенал» (до 2015 года им занималась РКК «Энергия»), которое уже в 2019 году представило фотографии макета Нуклона.

Уже с 2019 года начинается активное освещение проекта. Макеты всё чаще возят по выставкам, рассказывают о технических подробностях проекта и так далее.

Несущая ферма
Несущая ферма

На данный момент Нуклон является, возможно, единственной стратегической космической разработкой России, которая действительно двигает научно-технический потенциал страны вперёд. С 2010 года на буксир потрачено порядка 10 млрд рублей (133 млн долларов). Всего же планируется потратить более 30 млрд рублей (400 млн долларов). Для сравнения, один запуск сверхтяжелой ракеты Falcon Heavy стоит 150 млн долларов в полностью расходуемом варианте.

Ну а запуск запланирован на 2030 год с космодрома «Восточный» ракетой Ангара-А5В. Хотя на мой взгляд срок сдвинется несколько вправо — на 2033-2035 года.

5. Итог

Пуск ракеты-носителя тяжёлого класса «Ангара-А5» 14 декабря 2020 года
Пуск ракеты-носителя тяжёлого класса «Ангара-А5» 14 декабря 2020 года

Несмотря на отставание в ракетостроении, вызванное в первую очередь распадом СССР, Россия представляет действительно уникальный проект. На данный момент ни у США, ни у Китая ничего подобного нет и в помине. Так что можно с уверенностью говорить, что Российская Федерация опережает своих конкурентов в ядерной программе.

Автор: Сергей Калядин