Александр Майборода
Полеты к дальним планетам без сверхтяжелого носителя невозможны, но раньше 2026 года реализация этих планов не начнется.
Иллюстрация создана с помощью нейросети Kandinskiy 3.1
После Второй мировой войны закон неравномерности технологического и соответственно экономического развития стран проявлял себя в феноменах, которые называли «экономическим чудом». Экономическое чудо продемонстрировали Германия (ФРГ), Япония, Южная Корея и некоторые другие страны. Главным экономическим чудом стало чрезвычайно динамичное развитие Китая. По данным МВФ, в 1980 году на Китай приходилось 1,79% мирового ВВП, а в 2020 году доля Китая в мировом ВВП поднялась до 17,48%, почти догнав долю США.
Причин неравномерности развития много. Но основной причиной рывка для отстающих стран становится возможность сразу перейти к новейшим передовым технологиям без повторения медленного движения более развитых стран на пути к этим передовым технологиям.
Сверхтяжелый носитель
По словам экс-главы Роскосмоса Юрия Борисова, космонавтика России сильно отстала: «Я скажу такую крамольную вещь. Это моя личная точка зрения. Мы, как и с многоспутниковой группировкой (типа Starlink), проспали немного старт очередного интереса к Луне. И Америка, и Китай опережают нас в этом направлении. Чтобы лететь к Луне и говорить о серьезной экспансии в этом направлении, нужно иметь сверхтяжелый носитель. У нас этого носителя нет».
В интервью РБК 23 декабря 2024 года Юрий Борисов сообщил: «Дело в том, что в текущем варианте Федеральной космической программы у нас не предусмотрено создание сверхтяжелого носителя даже в планах. У нас ведутся работы задельные по отработке различного рода технологий, которые будут положены в основу сверхтяжелого носителя. А планы по созданию сверхтяжелого носителя по указу президента будут реализованы в отдельном федеральном проекте, старт которого определен с 2026 года. Конечно, мы будем работать и работаем сегодня, продолжаем работу над основными решениями для сверхтяжа, потому что исследования дальнего космоса, проведение научных экспериментов, полеты к дальним планетам без сверхтяжелого носителя невозможны. Не скрою, это недешевое мероприятие».
Итак, полеты к дальним планетам без сверхтяжелого носителя невозможны, но раньше 2026 года работа по реализации планов не начнется. Выход сверхтяжелой ракеты на летные испытания запланирован на 2033 год. Вероятно, потребуется несколько лет, чтобы сверхтяжелый носитель встал в строй и начал эффективно эксплуатироваться. Итого лет 15 простоя в освоении космических ресурсов. И куда за это время уйдут США и Китай?
С высокой степенью вероятности на пути копирования и повторения уже реализованных технологических решений конкурентов Россия никогда не нагонит лидеров космической гонки – они будут идти с отрывом в полтора десятка лет. Для рывка требуются прорывные технологии. Закон неравномерности технологического развития говорит, что такой сценарий резкого ускорения возможен.
Да, сверхтяжелый носитель создавать необходимо (что обойдется примерно в эквивалент 2 млрд долл.). Но следует обратить внимание на альтернативные возможности, если Россия желает успеть присоединиться к ядерно-космическому клубу потребителей внеземных ресурсов. Полагаем, что такие возможности имеются. Задача сродни ТРИЗовской – получить полностью многоразовую транспортную космическую систему доставки сверхтяжелых грузов до создания супертяжелого ракеты-носителя.
Рассмотрим несколько таких вариантов.
Суборбитальный прыжок
При увеличении размеров ракеты доля сухой массы в стартовом весе сокращается, поэтому супертяжелый носитель может иметь многоразовую вторую ступень. Здесь проявляется фактор масштаба – доля тепловой защиты в массе второй ступени снижается по мере увеличения массы и габаритов ступени и соответственно увеличивается при переходе к более легким и малогабаритным ступеням. Для вторых ступеней типовых ракет масса теплозащиты будет настолько велика, что весь выигрыш от многоразовости будет «съеден» уменьшением массы полезной нагрузки.
Как правило, все новое – это хорошо забытое старое. Если провести ревизию архивов, то можно обнаружить группу проектов, подходящих для решения данной ТРИЗовской задачи. Решение – использование фактора увеличения масштаба не для одиночной ракетной ступени, а для их группы на орбите, путем их соединения в пакет с общим тепловым щитом. Фрагменты щита доставляются на орбиту сразу одной ракетой или по частям ракетами, ступени которых в последующем группируются перед возвращением. Этим приемом достигается сокращение доли теплозащиты в массе каждой ракеты.
На рис. 1 показана сборка вторых ступеней на орбите и их спуск с общим тепловым щитом. Так может быть создана полностью многоразовая система на базе вполне средних по грузоподъемности ракет. Это решение вполне применимо к разрабатываемой многоразовой двухступенчатой ракете-носителю среднего класса на метановом двигателе «Союз-7» (ранее «Амур-СПГ», «Союз-СПГ»), которая после 2026 года сможет заменить все семейство ракет-носителей «Союз-2».
В многоразовом варианте «Союз-7» должен выводить на низкую орбиту 10,5 т грузов. Это не так много, но достаточно, чтобы обеспечить доставку грузов на Луну массой порядка тех же 10 т. Дело в том, что сверхтяжелые носители, выводящие на низкую орбиту грузы порядка 100 т, нужны именно потому, что в итоге на Луну попадает ракета с конечной массой всего в 10 т.
Таким образом, если «Союз-7» выведет на орбиту ракетную конструкцию с сухим весом 10,5 т, то после ее заправки топливом на орбите будет получена ступень массой порядка 100 т – как раз для доставки 10-тонного груза на Луну. При конструктивном совершенстве, как, например, у американского семейства ракет-носителей тяжелого класса «Фалькон», такая лунная ракета после заправки получит стартовую массу, равную 287 т. Она может быть использована как бустер для доставки грузов общей массой до 30 т.
|
|
Рис. 1 Возвращение вторых ракетных ступеней в виде блока с общим теплозащитным экраном. 1 – аэродинамический теплозащитный экран; 2 – пакет вторых ступеней ракет-носителей в процессе спуска с орбиты; 3 – пакет вторых ракетных ступеней на этапе сборки перед соединением с общим защитным экраном. |
В качестве подлинно прорывного способа проблемы доставки сверхтяжелых грузов можно также рассмотреть технологию разгона космических аппаратов потоками вещества, заранее выведенными на орбиту. В статье «Лунная пыль – в стальные паруса звездолетов» (см. «НГ-науку» от 10.04.24) были изложены основные принципы такой концепции. Рабочее название проекта транспортной системы – SatPush или PushSat.
Применительно к рассматриваемой задаче ракеты-носители на основе «Союза-7» предварительно выводят на орбиту группу спутников с запасом рабочего тела (например, не кипящих в вакууме углеводородов). Спутники из рабочего тела формируют дискретный трек в виде капельно-пылевого облака. При вводе в этот трек суборбитального аппарата с абляционной плитой, воспринимающей удары рабочего тела, осуществляется разгон аппарата до орбитальной скорости или выше. На рис. 2 показана принципиальная схема процесса.
Расход рабочего тела приблизительно равен массе аппарата. А масса аппарата может составлять столько тонн, сколько способна вертикально поднять ракета на высоту 150–200 км без разгона по горизонтали. Таким образом, выход в космос при помощи ракет может быть простым суборбитальным прыжком на высоту 150–200 км, так как на вершине траектории корабль может быть подхвачен капельно-пылевым потоком и быстро ускорен до первой космической скорости.
От замены космических ракет суборбитальными ракетами достигается выигрыш в увеличении в 10 и более раз массы полезного груза на ракете. Применительно к уже снятой с производства, но еще эксплуатируемой ракете «Протон» это означает возможность вывода до 246 т вместо 23,7 т груза. Применительно к ракете «Союз-7» на орбиту будет доставляться до 126 т, то есть больше, чем супертяжелым носителем компании SpaceX. Однако если эту схему применить к ракете Starship, то на орбиту можно будет выводить квант груза массой до 1750 т.
Поэтому эксплуатация системы PushSat имеет смысл и после создания российского супертяжелого носителя. Подробное рассмотрение этой схемы и ее вариантов требует отдельной публикации.
Подрыв инопланетных недр
Разработчики технологий добычи и переработки внеземных ресурсов при помощи промышленных ядерных зарядов считают, что только политическое безволие лишило мир перспективы превращения в космическую цивилизацию, раскинувшуюся от Меркурия до Плутона.
Масштабный выход в космос жизненно необходим – это и предотвращение климатической катастрофы, и обретение практически неисчерпаемых внеземных ресурсов, более дешевых, чем дефицитные земные, ставших источником военных конфликтов. Пройдена точка невозврата для спасения за счет традиционных неядерных технологий. Пора использовать мощь «атома»…
В публикациях «Лунная промышленность на новых физических принципах» (см. «НГ-науку» от 12.12.23) и «Когда свершится ядерная революция в космонавтике» (см. «НГ-науку» от 12.03.25) были рассмотрены взрывные и конвенциальные (невзрывные) ядерные технологии термолиза инопланетных пород в целях получения кислорода, кремния и металлов.
Важно, что на Луне и Марсе могут использоваться полностью чистые термоядерные заряды, не содержащие расщепляющихся инициаторов термоядерной реакции. Принципиальная схема: термоядерная реакция инициируется рентгеновским лазером с накачкой ядерным взрывом, который располагается за пределами небесного тела, в космосе. При этом конструкция космического заряда обеспечивает безопасное удаление продуктов распада урана (плутония) – выброс радионуклидов в межзвездное пространство.
В перспективе просматривается использование абсолютно чистых термоядерных зарядов, основанных на реакции «водород-бор», которая не дает выхода нейтронов. Разрешенные (невзрывные) технологии используют для термолиза реголита высокотемпературные жидкофазные (с расплавленным ураном) и газофазные (с парообразным ураном) ядерные реакторы. Издержки конвенциональных способов извлечения кислорода, однако, выше, чем у взрывных.
|
|
Рис. 2. Проект SatPush. Ускорение космического корабля дискретным гиперзвуковым потоком вещества (высота 120 км). Иллюстрации подготовлены автором |
Специальными методами, при наличии воды, в каверне с металло-кремниевой смесью продуцируется водород, второй компонент ракетного топлива. При отсутствии воды в местах производства ракетного топлива в качестве горючего используются порошки кремния, алюминия или магния – технология, отработанная еще в прошлом веке. В итоге космонавтика получает практически неограниченный источник, по сути, дарового топлива – открывается доступ к планетам, их спутникам и другим небесным телам Солнечной системы.
Однако неясно, способна ли Россия принять участие в этом грандиозном мероприятии по созданию космической цивилизации. Похоже, что у нас почти полностью свернута инновационная деятельность в космонавтике. Вся активность свелась к развитию спутниковой группировки.
Гномы Марса
Космическим колониям необходимы не только кислород и ракетное топливо, но также уран, плутоний и искусственные радиоизотопы для работы ядерных электростанций и изотопных генераторов – не везде можно использовать фотоэлектрические преобразователи. Полеты за пределы орбиты Марса и пояса астероидов невозможны без ядерных источников энергии. Марс – лучшая стартовая площадка для экспедиций к астероидам и планетам-гигантам, чем Земля.
Такие полеты нуждаются в портативных ядерных электростанциях. Хорошие характеристики будут иметь мини-электростанции, которые в качестве ядерного топлива используют трансурановые радиоизотопы, полученные путем облучения исходного материалы в ядерных реакторах или при ядерных взрывах. Наработка в ядерных реакторах требует годы, а при ядерных взрывах трансформация происходит мгновенно.
Из-за длительности наработки и малой мощности нейтронных потоков многие изотопы производятся в мизерных количествах и по высокой цене. Например, калифорний-252 стоит 27 млн долл. за грамм. Конечно, есть более дешевые изотопы – америций-241, например, стоит 140 тыс. долл. за грамм. Это при получении изотопа в ядерном реакторе. При использовании взрывного процесса цены на изотопы могут быть существенно снижены, а их объем производства увеличен.
В ходе ядерных испытаний было обнаружено, что подземный ядерный взрыв выделяет большое количество радиоизотопов, но большая их часть быстро задерживается в расплавленной породе и становится непригодной для извлечения по мере повторного затвердевания породы. По этой причине в США был произведен взрыв в слоистой каменной соли. План состоял в том, что после остывания подземной полости затвердевшую соль можно было растворить в воде для извлечения радиоизотопов. В этих целях в декабре 1961 года был проведен эксперимент «Гном» (Gnome) – маломощный взрыв в пластах отложения соли. «Гном» считался чрезвычайно важным для будущего ядерной науки, поскольку он мог показать, что ядерные заряды могут применяться в мирных целях.
США и Россия не ратифицировали Договор о всеобщем запрещении ядерных испытаний. Весной 2025 года США проведут испытания маломощного плутониевого заряда. Следует ожидать применения ядерных зарядов на Луне и Марсе в целях наработки ядерного топлива (уран и плутоний) и радиоизотопов для ядерных электростанций.
В чем соль Красной планеты
И вот в плане производства радиоизотопов Марс оказывается предпочтительнее Луны. На Марсе существуют большие отложения каменной соли. Вода марсианского океана испарилась, но соль осталась в слоях пород: галита, сильвита, гипса и т.д. (Эти породы называют эвапоритами – минералами, по большей части состоящими из солей.) Считается, что на Марсе запасов этих минералов может быть огромное количество, и скорее всего они залегают на глубине от 200 м. На Луне такие отложения соли отсутствуют. Соответственно Марс предоставляет наилучшие условия для повторения и тиражирования операции «Гном».
Ядерные заряды предельно малой мощности (0,01…0,1 кт) могут исключить тиражирование взрывов в новых местах – такие маломощные взрывы могут осуществляться в одной и той же каверне от первичного взрыва мощностью около 3 кт. Это обеспечит высокий уровень экологической безопасности.
Если взрыв произвести на границе соляного пласта и породы из базальта, то в результате реакции между хлором, с одной стороны, и оксидами железа, магния и кремния – с другой стороны, будут образовываться кислород и хлориды. В итоге каверна будет заполнена кислородом и остаточным хлором. Оба газа необходимы потенциальным марсианским колонистам. Они могут быть откачаны и разделены известными способами. На поверхности хлор, разогретый в ядерном реакторе, может использоваться для обработки реголита в химическом реакторе для выделения кислорода.
На Земле каменная соль залегает в обширных пластах осадочных минералов, образовавшихся в результате высыхания замкнутых озер, солончаков и морей. Соляные пласты могут достигать 350 м в толщину. Следует ожидать, что испарившаяся вода океана и морей Марса в некоторых местах планеты также породила пласты соли толщиной в сотни метров. В таких пластах в отличие от базальтовой породы при помощи струй горячей воды легко формировать полости и тоннели. А это открывает возможность сооружения на Марсе без применения стали и железобетона термоядерных взрывных теплоэлектростанций.
Самое любопытное, что такие проекты уже предложены российскими учеными. Так, в конце 1996 года ученые-ядерщики из г. Снежинска Челябинской области объявили о реальной возможности создать термоядерную энергетику. Они разработали предварительный проект постройки первой промышленной теплоэлектростанции, работающей за счет регулярных взрывов небольших термоядерных дейтериевых зарядов в котле взрывного сгорания (КВС). Базовый вариант КВС-10 имеет вид усеченного конуса с внутренней высотой в 250 м и диаметром 120 м. Внутри КВС циркулирует жидкий натрий в качестве занавеса от ударной волны и одновременно как теплоноситель и как аккумулятор наработанного ядерного топлива. Максимальная проектная электрическая мощность – до 10 ГВт и тепловая – до 20 ГВт.
На Марсе возможны взрывы пониженной мощности, аналогичные взрыву в американском эксперименте «Гном». Тогда габариты КВС могут быть сокращены до 80 м по высоте и до 38 м по диаметру, если вместо плановой мощности зарядов, равной 10 кт, будут использованы заряды пониженной мощности – 1 кт. В соляных пластах Марса создание КВС упрощается. КВС может быть создана первичным зарядом повышенной мощности и в дальнейшем эксплуатироваться с применением маломощных зарядов.
При заполнении жидким вспененным натрием камера получает защиту стенок от ударных волн. Натрий получают тем же взрывным способом в соляном пласте по схеме Краффта Эрике. Может быть достигнута электрическая мощность до 1 ГВт и тепловая – до 2 ГВт. Это обеспечит марсианские базы и колонии источником энергии с запасом на дальнейшее развитие. Избыток мощности может быть использован в технологиях терраформирования Марса, в частности для производства парниковых газов – сырье в виде хлора и углерода имеется в достаточном количестве.
Ядерное топливо не придется доставлять с Земли – станция обеспечит сама себя ядерным топливом – нужны только местные источники природного урана-238 и (или) тория-232. Нейтроны регенерируют плутоний-239 из урана-238, как это делается сейчас в реакторах на быстрых нейтронах. Возможен также ториевый цикл – получение из ядер тория-232 нового топлива, ядер урана-233.
По ряду признаков можно ожидать, что в горных породах Марса имеются зоны, обогащенные радиоактивными элементами – ураном, торием, калием и редкоземельными элементами. Дейтерий также имеется в марсианской воде, причем в процентном содержании в несколько раз большем, чем в земной воде. На первом этапе возможны поставки с Земли, так как масса сырья для наработки топлива невелика – не более 400 кг тория на 26 месяцев работы станции.
Кроме соляных пластов на Марсе имеются лавовые трубы. Марсианские трубы больше земных, хотя и меньше лунных, но все равно циклопические – диаметром порядка 200–300 м. При этом, несмотря на размер, лавовые трубы Марса очень стабильны, что делает их перспективными кандидатами на роль КВС.
Гномы Луны
Луна не имеет соляных отложений. Поэтому при взрывах в ее недрах большая часть радиоизотопов задерживается в расплавленной породе и после ее затвердевания становится непригодной для извлечения. Кроме того, расплав, стекающий на дно взрывной каверны, засыпается раздробленным камнем из свода пещеры в случае формирования столба обрушения. Масса обрушившейся породы более чем в 10 раз превосходит массу расплава.
Поэтому для извлечения наработанных взрывом урана, плутония и прочих радионуклидов, по всей видимости, щебень из столба обрушения необходимо переработать в кислород и в раскисленные кремний, железо и другие металлы. Это значит, что в рыхлом обломочном материале необходимо произвести серию ядерных взрывов с пониженной мощностью, чтобы не вызвать дальнейшего обрушения свода пещеры (каверны). В результате после откачки кислорода в полости останется смесь кремния и металлов, насыщенная радиоизотопами, а мешающая обломочная порода исчезнет. В каверне сформируется концентрат, удобный для извлечения на поверхность и выделения ценных радиоизотопов.
Лавовые трубки Луны очень удобны для использования в качестве котла взрывного сгорания дейтериевой термоядерной теплоэлектростанции. Их внутренний диаметр может доходить до 500 м, что более чем достаточно при использовании маломощных зарядов. При должной герметизации отдельные участки лавовых трубок могут использоваться для взрывного термолиза реголита и для наработки ядерного топлива с трансурановыми радиоизотопами.
При этом не потребуются значительные количества натрия или аналогичных материалов – большие размеры лавовой трубки при сильно разряженной газовой среде обеспечивают слабые ударные воздействия на стенки камеры. Накопитель радиоизотопов в этом случае достаточно наносить на внутреннюю поверхность КВС.
Лунные термоядерные реакторы-размножители взрывного типа – самые эффективные по скорости и низкой себестоимости производства ядерного топлива и радиоизотопов в сравнении с конвенционными бридерными реакторами. На Земле политики опасаются реакторов взрывного типа. На Луне отсутствуют риски эксплуатации таких реакторов. Нет и рисков доставки топлива с Земли на Луну – реакторы-размножители достаточно снабжать сырьем для наработки топлива – безопасным торием или слаборадиоактивным природным ураном-238, который не поддерживает цепную реакцию.
Сбыт продукции лунных термоядерных реакторов-размножителей имеет хорошие перспективы – это не только земные потребители, но и промышленные базы и колонии на Луне, Марсе, астероидах. Это и межпланетные транспортные средства с ядерными двигателями, в том числе импульсно-взрывного типа. Они обеспечивают удельный импульс порядка 100 км/с и делают доступными все уголки Солнечной системы.
Выводы
Космонавтика вступает в период, когда из дотируемой отрасли она способна быстро превратиться в сверхрентабельную. Стоит одной ядерно-космической державе сделать шаг в этом направлении, как прочие вынуждены будут поступить так же.
Ядерные технологии вне Земли свободны от экологических ограничений, и мощь мирного промышленного атома способна проявиться в полном объеме. Дешевая добыча и переработка внеземных ресурсов в совокупности с резким удешевлением космических средств доставки продукции потребителям способна потеснить земную промышленность не только в производстве особо дорогих товаров, но теперь даже в производстве недорогих изделий из металлов. Наибольшая выгода и лидерство в мировой экономике достанутся тем державам, которые запустят процесс трансформации космонавтики.
Россия имеет передовые ядерные технологии – не хватает только средств доставки тяжелых грузов на Луну и другие небесные тела. Если разработка сверхтяжелого многоразового носителя – это вопрос денег, порядка 2 млрд долл., то в мире имеется группа дружественных России богатых стран, которые рвутся в космос, но при этом не обладают требуемыми ядерными и космическими технологиями. Очевидно, что в свете открывающихся перспектив можно обрести партнеров и не упустить шанс войти в число лидеров космической гонки.
