Николай Сергеев Русский космос: дорога в будущее, окончание.

Николай Сергеев Русский космос: дорога в будущее, окончание. 25.05.2022 00:00

Российская лунная программа

Освоение Луны (а в перспективе – Марса, других планет и небесных тел Солнечной системы) предполагает создание космического ракетного комплекса сверхтяжелого класса (КРК СТК), основу которого составят сверхтяжелая ракета-носитель, способная выводить на орбиту Земли до 140 тонн полезного груза и межорбитальный тягач с ядерной двигательно-силовой установкой. Главной задачей космического тягача станет транспортировка грузов (до 20 тонн) и космического корабля «Орёл» между орбитами Земли и Луны. Летные испытания составных частей КРК СТК должны начаться в 2028 году.
Возобновление исследования Луны, прерванное в 1976 году, начнется по российской лунной программе летом 2022 года. C этой целью в октябре 2017 года в рамках РКК «Энергия» начал работу Центр исследований и разработки программ освоения Луны. Запуски же космических аппаратов по лунной программе будут производиться с космодрома «Восточный».

Межпланетная станция «Луна-25» готовится к полету

Российская программа освоения Луны рассчитана на несколько десятилетий и предполагает несколько этапов. Первый этап «Вылазка» намечено осуществить в 2022 – 2025 годах, в ходе которого предполагается произвести выбор места строительства лунной базы. Для этого к Луне предполагается направить автоматические станции «Луна-25», «Луна-26», «Луна-27», «Луна-28» и «Луна-29» (нумерация станций ведется с учетом советской лунной программы).

Первой космической станцией, которая направится к Луне, станет «Луна-25» (2022 г.). 

 — проект по запуску посадочной автоматической межпланетной станции для исследования верхнего слоя поверхности в районе южного полюса Луны, лунной экзосферы (предельно разряженная атмосфера небесного тела) и отработки технологий посадки и забора грунта. Перед «Луной-25» поставлены обширные научные задачи:
— определить массовую долю воды и летучих соединений в лунном веществе, выяснить состав полярного реголита (поверхностный слой лунного грунта) в районе посадки до глубины 1 м;
— выяснить состав приполярной лунной экзосферы и физических процессов, происходящих в ней;
— измерить радиационный фон на лунной поверхности в условиях спокойного и активного Солнца, а также в периоды, когда Луна проходит через хвост земной магнитосферы;
— отработать элементы перспективной системы высокоточной и безопасной посадки на лунную поверхность.

В настоящее время наиболее интересными и важными для исследований представляются полярные области Луны. Первые советские и американские автоматические и пилотируемые посадочные аппараты 1950–1970 годов совершали посадку и исследовали Луну вблизи экватора и в умеренных широтах. В последующем же выяснилось, что условия возле лунных полюсов значительно отличаются от условий в ранее исследованных областях Луны. Главное отличие в том, что полярный лунный грунт имеет высокое содержание летучих соединений, основным из которых является вода.  В течение сотен миллионов лет кометы приносили на Луну космические летучие вещества, которые накапливались и оседали в виде инея в т.н. «холодных ловушках» полярного реголита.

Наличие замерзшей воды в лунном грунте значительно облегчит создание постоянной, в том числе и обитаемой, лунной станции, т.к. позволит в значительной мере обходиться без доставки этого ценного ресурса с Земли. Помимо того, замерзшая вода будет необходима для добычи кислорода, а в будущем понадобится для получения водородного горючего.

Особое внимание при исследовании Луны будет уделяться изучению свойств лунной пыли, которая может представлять для космонавтов-лунопроходцев опасность не меньшую, чем радиация и слабое тяготение.

Лунная пыль мелкая, как порошок, но при этом она режет как остро отточенный стальной клинок. Пыль на Луне образуется при падении на лунную поверхность метеоритов. Они раскаляют и размельчают скальные породы и почву, которые содержат кварц и железо.

А поскольку на Луне нет ветра и воды, чтобы закруглить режущие края, крошечные крупинки очень острые, имеют зазубрины и почти ко всему прилипают.

Вот как описал свойства лунной пыли астронавт «Аполлона-17» Гариссон Шмитт: «Агрессивная природа лунной пыли представляет собой более серьёзную проблему для инженеров и для здоровья поселенцев, чем радиация. Эта пыль пачкала скафандры и слоями снимала подошвы лунных ботинок. За шесть полетов «Аполлонов» низкое давление не удалось сохранить ни в одном контейнере с лунной породой. Пыль проникала вслед за астронавтами и вовнутрь космических кораблей. Она пахла порохом, и из-за нее было трудно дышать».

Как уже отмечалось, «Луна-25» продолжает серию советских автоматических межпланетных станций серии «Луна» (в 1976 г. АМС «Луна-24» успешно доставила на Землю около 170 граммов лунного грунта) и открывает российскую лунную программу России. За миссией «Луна-25» последуют орбитальный аппарат «Луна-26» и посадочные «Луна-27», «Луна-28», «Луна-29», после которых планируется начать развертывание на нашем спутнике полноценной научной станции.

Луна-26» (2024 г.) – это орбитальная станция, которая будет совершать облёты вокруг Луны для дистанционного исследования поверхности спутника, координации работы будущих спускаемых аппаратов, обеспечения связи между ними и Землей. Это будет первое звено будущей постоянной инфраструктуры российской лунной базы.

Межпланетная станция «Луна-27» (2025 г.) доставит на естественный спутник Земли специальный бур длиной в несколько метров, с помощью которого будет производится поиск лунного грунта с содержанием водяного льда. По предложению ученых, на Луне грунт, содержащий лёд, может находиться на глубине порядка двух метров. «Луна-27» также будет оснащена оборудованием, которое позволит исследовать полученные образцы непосредственно на месте. И если лёд будет найден, то это значительно облегчит деятельность будущей обитаемой лунной базы, т.к. доставка необходимого количества воды с Земли для обеспечения жизнедеятельности поселения на Луне является очень дорогостоящей.

«Луна-28» (2027 г,) также будет заниматься забором лунного грунта на предмет поиска водяного льда, но, в отличие от «Луны-27», не будет исследовать взятые образцы на Луне, а вернётся с ними на Землю. Вслед за «Луной-28» на естественный спутник Земли будет отправлен космический аппарат «Луна-29», который доставит туда луноход. По итогам исследований, проведенных автоматическими станциями, будет принято решение о посылке на Луну и ее орбиту пилотируемых космических кораблей.

Второй этап «Форпост» (2031- 2040 годы) российской лунной программы будет направлен на подготовку к развёртыванию обитаемой базы на Луне. В частности, предполагается создание базового, энергетического, лабораторного модулей лунной базы и радиационного убежища. В это же время будут созданы пилотируемый луноход и другие лунные транспортные средства. Основной объём работ по развертыванию элементов лунной базы будет производиться с помощью роботов. В течение первых пяти лет этапа «Форпост» на окололунной орбите предполагается развернуть спутники связи. В ходе этого этапа начнутся пилотируемые экспедиции к Луне и геологические исследования естественного спутника.

Так может выглядеть будущая лунная база

На третьем этапе («База», 2041 – 2050 годы) основной задачей станет полномасштабное развертывание лунной базы. На Луну предполагается доставить оборудование для бурения, добывающие и производственные комплексы, астрофизическую обсерваторию, медико-биологический комплекс. На данном этапе должен быть решён вопрос по добыче воды и кислорода, начаты астрофизические и медико-биологические исследования, а также отработка производства из лунных ресурсов.

В настоящее время в российском Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» разработан проект робота, способного добывать воду на Луне, который предполагается использовать для снабжения водой лунной станции, а также для заправки ракетных двигателей.

Помимо того, на Луне предполагается развернуть геофизическую сеть автоматических научных станций, которые позволят определять местоположение лунотрясений и измерять тепло, исходящее из недр естественного спутника Земли.

Сеть будет состоять из пяти-шести автономных геофизических станций массой 15–20 кг, которые предполагается расположить в районах полюсов, экватора и средних широт на видимой и обратной сторонах Луны. В настоящее время проект лунной геофизической сети разрабатывается в Центральном научно-исследовательском институте машиностроения (ЦНИИмаш, входит в Роскосмос).

Доставка геофизических станций на Луну будет производиться многоразовым беспилотным взлетно-посадочным космическим аппаратом «Корвет», предложенным к созданию Научно-производственным объединением имени С. А. Лавочкина (входит в Роскосмос)».

Эмблема легендарного центра создания авиационной и космической техники

Четвёртый этап (после 2050 года) предусматривает полномасштабное использование ресурсов Луны в интересах земной цивилизации и для дальнейшего освоения космического пространства. На Луне предполагается развернуть мощности по производству и хранению составляющих топлива для космических кораблей, многоразовые взлетно-посадочные средства, комплекс добычи редких ресурсов. На окололунной орбите предполагается разместить средства орбитальной сборки и дозаправки. Луна призвана стать опорной базой для экспедиций в дальний космос.

Для воплощения столь масштабной лунной программы необходима инфраструктура, позволяющая осуществлять на Луну и с нее на Землю регулярные полёты. А это возможно только при наличии лунной орбитальной станции. В настоящее время Роскосмосом рассматриваются технические предложения по станции, а в 2025 году предполагается утвердить эскизную документацию на её модули. При этом в 2022 году должна начаться разработка вычислительной системы и научного оборудования для лунной орбитальной станции, чтобы с 2024 года перейти к их стендовым испытаниям. В состав лунной станции должно войти несколько модулей, в числе которых энергетический, лабораторный, а также узловой – для стыковки космических кораблей.

Изначально рассматривался вопрос об осуществлении проекта по созданию Международной лунной орбитальной станции (МЛОС) по подобию МКС. Однако воплощение данного проекта оказалось невозможным из-за намерения США полностью подчинить работу МЛОС своим интересам.

Возможно, так будет выглядеть совместная российско-китайская инфраструктура: лунная база и лунная орбитальная станция

Говоря о необходимости подобной станции на орбите Луны, нужно отметить, что улететь с Луны на Землю можно лишь один раз в 14 суток, когда совпадают их плоскости орбит. Однако обстоятельства могут потребовать срочного отлета, и в таком случае станция будет просто жизненно необходима. Кроме того, она сможет решать целый комплекс задач различного характера, начиная от связи и заканчивая вопросами снабжения. По мнению специалистов, наиболее целесообразным будет размещение лунной орбитальной станции в точке Лагранжа, расположенной в 60000 км от Луны. В этой точке силы притяжения Земли и Луны взаимно уравновешиваются, и из данного места можно будет осуществлять старт к Луне или к Марсу с наименьшими энергетическими затратами.

Схема полетов на Луну в этом случае будет выглядеть следующим образом. Ракета-носитель выводит космический корабль на орбиту, после чего его примет российская орбитальная станция, находящаяся на земной орбите. Там он будет подготовлен к дальнейшему полету, а при необходимости (если масса корабля должна быть увеличена) здесь же будет выполнена сборка корабля из нескольких модулей, выведенных в несколько запусков. Стартовав, корабль преодолеет расстояние до российской лунной орбитальной станции и пристыкуется к ней, после чего может остаться на орбите, а на Луну полетит спускаемый аппарат.

 

На новых двигателях в дальний космос

Для дальнейшего освоения космического пространства, особенно для полётов в дальний космос, необходимы качественные изменения в двигательных системах космических кораблей. В настоящее время космические полёты осуществляются с помощью ракет, которые осуществляют движение за счёт сгорания в их двигателях жидкого или твёрдого топлива. За прошедшие шесть с половиной десятилетий с начала космической эры эта ракетная технология была всесторонне отработана и, как считают специалисты ракетостроения, практически достигла потолка и дальнейшее развитие космонавтики возможно только на иных двигательных установках.

Вот каково мнение по данному вопросу заместителя генерального директора АО «Российские космические системы» Анатолия Перминова: «Из существующих ракетных двигателей, будь это жидкостные или твердотопливные, грубо говоря, выжато всё, и попытки увеличения тяги, удельного импульса просто бесперспективны. Ядерные же энергодвигательные установки дают увеличение в разы. На примере полёта к Марсу, сейчас надо лететь полтора-два года туда и обратно, а можно будет слетать за два-четыре месяца».

В настоящее время в Российской Федерации разработан и находится в стадии испытаний проект межпланетного ядерного тягача «Зевс» с ядерной энергодвигательной установкой (ЯЭДУ) мегаваттного класса. 

ЯЭДУ содержат в своей конструкции компактный ядерный реактор, вырабатывающий тепло. Далее с помощью турбин тепловая энергия преобразуется в электричество и питает ионные электрореактивные двигатели.

ЯЭДУ позволят развивать скорость космических аппаратов в разы быстрее, что откроет широкие возможности для исследования как ближайших Луны и Марса, так и отдалённых планет Солнечной системы и создания на них баз.

 

Межпланетный ядерный тягач «Зевс»

Вот что говорит о возможностях ЯЭДУ начальник отдела электрофизики Исследовательского центра имени М.В.Келдыша, профессор факультета аэрофизики и космических исследований Московского физико-технического института О.А.Горшков: «Использовать ЯЭДУ с ионными двигателями можно на межорбитальном многоразовом тягаче. К примеру, возить грузы между низкими и высокими орбитами, осуществлять полёты к астероидам. Можно создать многоразовый лунный тягач или отправить экспедицию на Марс».

По сведениям первого заместителя генерального директора «Роскосмоса» Юрия Урличича, лётные испытания ЯЭДУ намечены на 2030 год.

Однако ядерные энергодвигательные установки – это уже настоящее, российская же наука смотрит в будущее. Так, в Объединенном институте высоких температур (ОИВТ) Российской академии наук воплощается прорывной научный проект «Фундаментальные основы энергетики будущего», который финансируется Российским научным фондом, Федеральным агентством научных организаций и ОИВТ РАН. 

В рамках проекта решаются задачи, направленные на создание установок для безопасного хранения, транспортировки и использования такого энергоносителя, как водород, который предполагается получать с помощью избыточной электроэнергии, получаемой на атомных электростанциях. Это чрезвычайно важная задача, т.к. собственно электроэнергия не подлежит хранению, и эту задачу накопления и хранения энергии предполагается решать посредством водорода. 

Следующая проблема, на решение которой нацелен данный проект, связана с получением термоядерной реакции с помощью мощных лазерных потоков.

Ну а самой удивительной частью проекта «Фундаментальные основы энергетики будущего» являются исследования, направленные на получение антиводорода. Вот что рассказывает по этому поводу один из руководителей проекта, заместитель директора ОИВТ РАН академик О.Ф. Петров: «Антиводород представляет собой уникальное топливо для энергетических установок будущего, в том числе для ракетных двигателей. Современные ракеты работают на твёрдом или жидком топливе, при этом две трети их массы составляет топливо. При соединении вещества и антивещества выделяется колоссальная энергия. Нескольких миллиграммов антивещества достаточно для того, чтобы долететь до Марса. К сожалению, на данный момент в лаборатории можно получить всего несколько атомов антиводорода. Но одна из наших групп выдвинула предложения по модернизации существующих установок для получения большого количества антивещества. В будущем полученный антиводород может быть использован в качестве топлива для фотонных двигателей».

В настоящее время Российская Федерация является мировым лидером в разработке и производстве принципиально нового поколения космических энергодвигательных установок. При этом российские научные центры активно занимаются исследованиями в области перспективных (недавно казавшимися фантастическими) принципов ракетно-космического движения.