4.2. Проблема тяги

4.2. Проблема тяги

Существует множество проектов колонизации и терраформирования Марса, которые очень любят обсуждать популяризаторы и научные журналисты. Довольно часто на телевизионных экранах можно увидеть фильмы, в которых высадка экспедиции на Марс представляется чуть ли не как свершившийся факт. Ожидания подогревают и космические агентства, которые периодически вбрасывают в медийное пространство сообщения о подготовке такой экспедиции, разработке марсианских скафандров и пилотируемых марсоходов, создании тренажерных комплексов и проведении соответствующих экспериментов на борту Международной космической станции. Даже президенты не смогли противостоять соблазну покрасоваться в ипостаси лидеров завоевания Марса. К примеру, Дмитрий Медведев неоднократно заявлял, что освоение красной планеты является стратегической целью российской космонавтики. Барак Обама хоть и закрыл программу «Созвездие», но, выступая в Космическом центре имени Кеннеди во Флориде, вдруг заявил, что в середине 2030-х годов американцы полетят к Марсу, а сам он рассчитывает «дожить до этого, чтобы увидеть воочию». У обывателя, далекого от космических проблем, складывается вполне конкретное впечатление: если не в этом десятилетии, то в следующем Марс станет достижим; туда начнут летать космонавты, на поверхности появится обитаемая база, сбудется очередная мечта. Но мы не будем уподобляться обывателям, а снова поищем корень проблемы, сопоставив цель и возможности.

Первые инженерные проекты полета на Марс появились еще в 1920-е годы. Пионером тут выступил инженер Фридрих Цандер, веривший в существование «каналов», марсиан и разрабатывавший проект межпланетного ракетоплана. Константин Циолковский, которого Цандер считал своим учителем, тоже подумывал об экспедиции на Марс, но считал, что на первом этапе достаточно будет облететь красную планету без высадки на ее поверхность. И Циолковский, и Цандер уже тогда понимали, что двигатели на химическом топливе не подходят для столь грандиозного космического путешествия. Они видели выход в создании принципиально новых транспортных средств, использующих испаряемый металл в качестве топлива и атомный реактор в качестве источника энергии для испарения этого металла.

Качественный переход к транспортной системе следующего поколения необходим прежде всего потому, что пилотируемая экспедиция к Марсу и обратно в самом идеальном варианте займет минимум два года. На эти два года экипаж необходимо обеспечить всем необходимым: кислородом, водой, продуктами питания, гигиеническими принадлежностями, медицинскими препаратами и оборудованием. Самые оптимистичные расчеты, сделанные на заре космической эры, показывали, что корабль без топлива должен весить порядка 100 т. А мы помним, что по формуле Циолковского потребное для разгона топливо значительно превышает «сухую» массу корабля.

Фрагмент рукописи Константина Циолковского, в которой он выводит свою знаменитую формулу (1897 год)

Давайте разберем этот вопрос по порядку, хотя нам придется повторить уже пройденное. В первой главе мы коснулись понятия «характеристической» скорости – суммарной скорости, которая включает в себя все приращения/сокращения скорости ракетно-космической системы при разгонах/торможениях, необходимых для полета к другой планете, для выхода на ее орбиту и для возвращения к Земле. «Характеристическую» скорость можно прямо подставлять в формулу Циолковского, чтобы приблизительно оценить количество топлива, необходимое для такого путешествия. В первой главе я указал, что для достижения Луны по схеме «Сатурн-Аполлон» (т. е. когда корабль с ракетой стартуют с Земли, а возвращается только спускаемая капсула, парашютирующая в атмосфере) требуется «характеристическая» скорость около 25 км/с. Для полета на Марс в самом идеальном случае требуется 30 км/с. Допустим, мы собираем корабль на орбите и, следовательно, можем отбросить 8 км/с, которые «забирают» на себя сверхтяжелые ракеты-носителя, придавая модулям корабля первую космическую скорость. Отбросим также вторую космическую скорость 11 км/с, с которой корабль будет возвращаться от Марса, из предположения, что мы не собираемся сажать его на Землю, а ждем только спускаемую капсулу с экипажем, которая затормозит за счет парашютов. Все равно получается значительная величина – 11 км/с.

Возьму расчетную часть на себя, не затрудняя вас просмотром таблиц и работой с калькулятором. Для тех, кто давно в теме, сообщаю, что я использовал формулу Циолковского в самом элементарном виде, подставляя в нее «характеристическую» скорость 11 км/с и предполагая, что «сухая» масса корабля с экипажем и грузом составляет 100 т. В таком варианте я менял только одну величину – теоретически достижимый удельный импульс (или «удельную тягу») при атмосферном давлении на срезе сопла (так называемый «расчетный случай»). С помощью удельного импульса, измеряемого в секундах, сравнивают топлива и двигатели друг с другом: чем он выше, тем топливо эффективнее, а двигатель совершеннее. Можно сказать и по-другому: чем выше удельный импульс, тем большую скорость можно развить при той же массе топлива, поскольку топливо сгорает медленнее при прочих равных условиях. Причем реально достижимый удельный импульс для двигателя заметно ниже теоретического импульса, рассчитанного для соответствующего топлива. Скажем, теоретический удельный импульс для топлива «кислород-керосин» – 335 секунд, но один из лучших советских кислородно-керосиновых двигателей РД-107, который стоял на ракете Р-7 и работает ныне на ракетах «Союз», смог вытянуть только 257 секунд, а модернизированный РД-107А, установленный на новейших ракетах «Союз-ФГ» и «Союз-2» – 263,3 секунды. Как видите, современным ракетным двигателям есть куда расти. Но мы в своих расчетах благородно возьмем максимальное теоретическое значение, чтобы сферический конь в вакууме стал по-настоящему сферическим. Для оценки используем четыре вида топлив: «кислород-керосин» (удельный импульс 335 секунд; это топливо активно используется в космонавтике), «кислород-водород» (удельный импульс 428 секунд; это топливо считал лучшим Константин Циолковский), «фтор-водород» (449 секунд; это топливо считается перспективным сегодня) и некое многокомпонентное высокоэнергетическое топливо будущего (500 секунд; такой физический предел определил для химических топлив немецкий ученый Эйген Зенгер).

В результате простого расчета получилось вот что. Для марсианского корабля массой 100 т, использующего в качестве топлива кислород-керосин, понадобится 2 742 т топлива; для использующего кислород-водород – 1 273 т; для использующего фтор-водород – 1 115 т; для использующего «предельное» многокомпонентное топливо Зенгера – 842 т.

Тут следует заметить, что в космосе удельный импульс выше за счет естественного повышения разницы давлений внутри и вне двигателя. Но всю выгоду легко «сожрет» масса криогенного оборудования, необходимого для хранения и распределения жидких топлив. Так что наши оценки близки к истине, и сферический конь массой 100 т потребует для полета к Марсу и обратно свыше 800 т самого лучшего топлива, которое еще и не создано. Чудовищная масса, если вдуматься! Даже если завтра появится ракета-носитель, способная выводить 200 т на опорную орбиту, потребуется как минимум пять запусков огромных ракет, чтобы собрать корабль. Однако напомню, «предельного» химического топлива имени Эйгена Зенгера пока нет в природе.

РД-107 – двигатель первой ступени ракеты «Р-7»

Подобные расчеты делались неоднократно. И почти сразу изобретатели стали предлагать варианты, как обойти суровую формулу. Например, упомянутый Фридрих Цандер предлагал сжигать в двигателе часть корабля – от этого получалась двойная выгода: облегчение конструкции и использование новых топлив. Именно он впервые сформулировал концепцию электро-ракетного двигателя, имеющего серьезные преимущества перед двигателями на химическом топливе.

В электроракетных двигателях (ЭРД) рабочее тело разогревается с помощью электричества и подается в реактивное сопло, создавая тягу. Первое преимущество налицо: такому двигателю не нужен окислитель, который занимает львиную долю топливных баков. Второе не так очевидно, но тоже имеет физический смысл: наиболее эффективны те виды топлива, которые обладают большей плотностью. Опыты с электроракетными двигателями начались в Советском Союзе уже в мае 1929 года под руководством талантливого молодого ученого Валентина Глушко, который работал в Газодинамической лаборатории в Ленинграде, а много позже стал одним из главных конструкторов ракетной техники и академиком.

В ходе исторических экспериментов Глушко удалось добиться эффекта «электрического взрыва», когда металлический проводник разогревался до миллиона градусов и мгновенно превращался в пар. Аналогичные опыты были проведены в США только в конце 1950-х годов. И получились совершенно шикарные цифры по удельному импульсу. Электрический взрыв вольфрамовой проволоки дал удельный импульс в 2200 секунд (на порядок больше кислородно-керосинового двигателя РД-107).

Эксперименты с алюминием, железом, медью, золотом и серебром дали разброс импульса от 1000 до 5000 секунд! Подставим последнее число в нашу формулу и получим на выходе 25 т – то есть корабль вместе с запасом металлического топлива будет весить всего 125 т и его можно будет вывести на опорную орбиту одной сверхтяжелой ракетой типа «Сатурн-5».

К сожалению, природа легко не сдается: при взрыве тяжелых металлов образуются твердые частицы, которые разрушают сопло. Посему имеет смысл использовать более легкие металлы с меньшим удельным импульсом (литий, натрий, бериллий, магний) и разогревать их постепенно, жертвуя реальной тягой. Другой путь – греть с помощью жаропрочного элемента инертный газ (гелий, ксенон, аргон).

Европейский межпланетный аппарат «SMART-1»

Электроракетные двигатели уже находили применение в космонавтике. Например, в 2003 году к Луне был запущен аппарат «Смарт-1» (“SMART-1”, “Small Missions for Advanced Research in Technology”), на котором стоял французский двигатель PPS-1350-G. В качестве рабочего тела применялся разогретый до плазмы ксенон. Двигатель проработал в космосе приблизительно 5000 часов, истратив за это время 80 кг ксенона, причем удельный импульс составил 1670 секунд. Двигатели на ксеноне и ртути использовались в системах ориентации и маневрирования спутников СССР, США и Великобритании. Сегодня они находят все большее применение в межпланетных аппаратах. Три ксеноновых двигателя NSTAR установлены на американском аппарате «Рассвет», изучающем главный пояс астероидов. За время этой миссии, которая еще не завершена, будет израсходовано 425 кг ксенона при массе аппарата 1240 кг, удельный импульс достигает 3100 секунд – фантастическая величина! И сразу бросается в глаза, что «топливо» весит намного меньше, чем сам космический аппарат – при использовании обычных химических топлив все было бы ровно наоборот.

Электротермические ракетные двигатели планируется использовать и в дальнейшем. В 2004 году НАСА инициировало проект «Спутник юпитерианских ледяных лун» (“Jupiter Icy Moons Orbiter”, JIMO) – большого межпланетного аппарата, нацеленного на изучение системы спутников Юпитера. Научный модуль массой 1,5 т должны были доставить к далекой планете восемь ксеноновых двигателей “Herakles” с удельным импульсом 7000 секунд. К сожалению, из-за экономических трудностей этот проект заморожен.

Давайте возьмем удельный импульс 7000 секунд и подставим его в нашу формулу. На выходе получим 17 т ксенона. Получается, что корабль, создаваемый для полета на Марс и снабженный такими двигателями, будет весить всего-навсего 117 т (близко к грузоподъемности ракеты «Энергия»), и это не фантастика, а техническая реальность. Почему же конструкторы ракетно-космической техники не бросили все силы на создание электро-ракетных двигателей, отказавшись от «химии»?

Ответ на этот вопрос можно найти в первой главе, но повторим его, чтобы зафиксировать еще раз. Электроракетные двигатели нуждаются в мощном источнике энергии. Никаких аккумуляторов не хватит, чтобы поддерживать их работу достаточно продолжительное время. Энергию необходимо восполнять, но в космосе это можно сделать только двумя способами: преобразуя с помощью солнечных батарей энергию нашего светила или организовав на борту собственную электростанцию. Упомянутые двигатели “Herakles” потребляют 104 киловатт. На орбите Земли на квадратный метр поверхности от Солнца поступает около 1,4 киловатт («солнечная постоянная»). Коэффициент фотоэлектрического преобразования лучших солнечных батарей, созданных сегодня в виде уникальных лабораторных образцов, не превышает 43 % (самые дорогие промышленно выпускаемые солнечные батареи дают 24 %) – т. е. в наилучшем случае мы может рассчитывать на 0,6 киловатт с квадратного метра. Таким образом, чтобы выдать 104 киловатт, мы должны разместить на JIMO панели солнечных батарей общей площадью 173 м², а это довольно громоздкая конструкция. Причем следует помнить, что батареи деградируют под воздействием заряженных частиц и микрометеоритов, а главное – чем дальше мы улетаем от Солнца, тем быстрее падает производительность. Если же поставить на JIMO ядерный реактор соответствующей мощности, то ему потребуется большой радиатор для сброса избыточного тепла – площадью 422 м². Но речь, напомню, идет всего лишь о межпланетном аппарате с полезным грузом 1,5 т. А пилотируемый корабль должен весить около 100 т и потребности его в энергии будут велики – по разным оценкам, от 7 до 15 мегаватт. Соответственно, ему понадобятся либо колоссальные панели солнечных батарей, либо огромные панели радиатора. Такую конструкцию не то, что построить, ее и представить себе трудно.

Электроракетный двигатель PPS-1350-G

Возьмем самый современный из существующих проектов экспедиции на Марс, подготовленный в 1999 году инженерами Ракетно-космической корпорации «Энергия». На Марс летят шесть космонавтов, общее время экспедиции – два года. Полет обеспечит блок электроракетных двигателей, работающих на литии. Масса всего корабля составляет 600 т, из них на жилой модуль объемом 410 м³ приходится лишь 70 т. Общая потребляемая мощность – 15 мегаватт, источником энергии станут панели солнечных батарей площадью 120 000 м² (семнадцать стандартных футбольных полей). Получается, что основную массу корабля составят именно солнечные батареи, что логично. И знаете, ради чего будет создана эта циклопическая и дорогая конструкция (если, конечно, она будет создана)? Ради того, чтобы два члена экипажа высадились на Марс и пробыли там семь суток. Не месяц, не год – семь суток! То есть воткнули флаг, прогулялись по округе, собрали энное количество грунта и полетели назад. На серьезные научные исследования у подобной экспедиции просто не будет времени. Стоит ли овчинка выделки?..

К счастью, инженерная мысль не стоит на месте. С принципиально новым проектом космического движителя для межпланетного корабля выступили ученые из Исследовательского центра имени Мстислава Келдыша. Они предложили создать космическую атомную электростанцию турбомашинного типа: ядерный реактор будет греть рабочее тело (инертный газ), которое вращает турбину, приводящую в действие генератор – тот вырабатывает электроэнергию, которая идет на питание электроракетных двигателей. Сброс избыточного тепла при этом осуществляется через холодильник-излучатель довольно оригинальной конструкции: специальное устройство формирует и выпускает поток капель, которые излучают тепло в космос, проходя какое-то расстояние через вакуум, а потом капли собираются и снова вводятся в контур. В 1999 году на станции «Мир» уже проводился соответствующий эксперимент, и ученые убедились, что необычная система сброса избыточного тепла вполне работоспособна.

Расчетная мощность установки-прототипа – один мегаватт. Она будет питать два блока электроракетных двигателей класса СПД (стационарный плазменный двигатель) по шесть штук в каждом, работающих на ксеноне, с удельным импульсом 1700 секунд (проект калининградского ОКБ «Факел»).

Программа Исследовательского центр имени М. В. Келдыша предполагает следующие этапы. В 2010 году начало работ; в 2012 году – завершение эскизного проекта и проведение обстоятельного компьютерного моделирования рабочего процесса; в 2015 году – создание ядерной энергодвигательной установки; в 2018 году – создание транспортного модуля, использующего эту двигательную установку. Доставляться на орбиту модуль массой 20 т будет посредством ракеты «Ангара-А5», стартующей с космодрома Восточный. В первое время транспортный модуль будет заниматься перевозкой грузов с опорных орбит на геостационарные, затем такие модули будут устанавливаться на тяжелые межпланетные аппараты, а в перспективе – на межпланетные корабли.

Хотя в прессе периодически появляются пессимистические сообщения о закрытии проекта, в действительности он не стоит на месте, ему выделено целевое федеральное финансирование. Разработчики утверждают, что при использовании их модуля можно будет снизить общую массу марсианского корабля до 200 т (прикидочный расчет по нашей формуле это подтверждает), причем получится изящный линейный корабль, без огромных уязвимых панелей солнечных батарей и радиаторов.

Таким образом, есть шанс, что в ближайшем будущем мы увидим транспортную систему, которая совершит революционный переворот в космонавтике. Но достаточно ли ее для утверждения, что земляне скоро смогут отправиться на красную планету? Ведь одно дело, если туда полетит очередной «умный» робот, и совсем другое – если полетит человек, который остается самым сложным и непредсказуемым элементом пилотируемой ракетно-космической системы.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.