Человечество не останется вечно на Земле, но в погоне за светом и пространством сначала робко проникнет за пределы атмосферы, а затем завоюет себе все околосолнечное пространство.

К. Э. Циолковский

Надо признать, что несмотря на четыре десятилетия, прошедших с начала космической эры, мы все еще лишь робко проникаем за пределы атмосферы.

Хотя значительная часть текущих задач в космосе может быть возложена на автоматы, все же главная цель, идея-фикс космонавтики — именно освоение космоса человеком, обживание космоса, и самое заманчивое и труднодоступное — именно дальний космос. Конечно, можно наткнуться на возражения, что это дорого, экономически невыгодно, а, значит, никому не нужно, но ведь в День космонавтики можно почтить память пионеров-мечтателей и позволить себе помечтать, забыв на время об окупаемости, коммерческом заказе (как говорил Петр Первый, на то других дней хватает), и дать фантазии разгуляться, а затем взять ее в шоры расчетов.

XXI век, видимо, станет веком освоения Солнечной системы в промышленных масштабах. Причин тому много — от неистребимого человеческого любопытства, раззадориваемого тайнами марсианских полярных шапок и подледных океанов Европы, до вполне практичных соблазнов — например, производства в невесомости сверхчистых материалов или овладения запасами гелия-3 в лунной коре (см. ЗН от 12 апреля 2001). И одними автоматами не обойтись: даже если говорить только о науке, то исследование наиболее интересных объектов Солнечной системы — Марса и внешних планет — должно проводиться с непосредственным участием человека, ведь дистанционное управление аппаратурой зондов для выбора наиболее интересных для изучения целей практически невозможно по причине запаздывания радиосигналов (уже для Юпитера это часы). Значит, зонд сам должен решать, куда смотреть, а хватит ли у него на это сообразительности — неизвестно, задача создания искусственного интеллекта, способного полноценно заменить специалиста, от разрешения пока что далека. Лететь людям — значит, лететь надо быстро (экипаж не приборы, его нельзя мариновать годами, пока корабль будет падать к Юпитеру) и с большим грузом (обитаемые отсеки, система жизнеобеспечения, запасы воздуха, воды, пищи). Очевидно, что тут необходим сильный двигатель, без него эту задачу не решить, как и проблему коммерческой доставки гелия-3 с Луны и многие другие. Именно в тяговую энергетику упирается масштабное освоение околосолнечного пространства. Эта проблема распадается на две части — выведение грузов на низкие околоземные орбиты (для его удешевления предлагаются, например, многоразовые аэрокосмические системы) и дальнейшую транспортировку в космосе. О ней мы и будем говорить.

Что же по-настоящему откроет нам Солнечную систему?

Жидкостные двигатели (ЖРД), основа всей современной космонавтики, для этого явно не годятся: их УИ никак не может превышать 500 с, поэтому, хоть с их помощью и можно в принципе запустить корабль к Марсу или Венере, но масса его будет колоссальной (и стоить такой проект будет соответственно), а о пилотируемых экспедициях к внешним планетам не стоит и мечтать. К счастью, ЖРД — не единственные возможные двигатели. Например, существуют и используются электрические реактивные двигатели (ЭРД) с высокими импульсами от 1500 до 10 000 с — ионные и плазменные, работать они могут месяцами, но, к сожалению, тяги их очень малы — обычно не выше 1 Н, а то и меньше. К тому же это не двигатели в полном смысле слова, а скорее движители, т.е. для работы им требуется электроэнергия, которую тоже нужно откуда-то взять — с солнечных батарей или ядерных реакторов. Но плотность мощности солнечного излучения невелика даже на земной орбите, а уже за орбитой Марса солнечные батареи превращаются в тяжелый и бесполезный груз, к ядерным же реакторам общественное экологическое мнение питает необоснованную стойкую неприязнь (справедливости ради отметим, что иногда «зеленых» удается уломать, как, например, в случае с американским межпланетным зондом Cassini, бортовая энергоустановка которого содержит 33 кг плутония).

Две важнейшие характеристики ракетных двигателей — тяга и удельный импульс. Суть тяги, вероятно, пояснять не требуется, а на удельном импульсе во избежание недоразумений остановимся. Удельный импульс — величина, характеризующая скорость истечения рабочего тела из двигателя, измеряется она в секундах, что часто вызывает возмущение людей, незнакомых с предметом: «Какая безграмотность, единица импульса — кг·м/с!». Дело в том, что понятие это возникло на заре ракетной техники, и по определению УИ равен времени, в течении которого двигатель создает тягу в один килограмм силы, израсходовав один килограмм топлива. Если струю выхлопа можно считать монохроматичной, то УИ — просто скорость вылетающих частиц в м/с, деленная на g.

Очевидно, без ядерной энергии не обойтись — только она может обеспечить нужную энерговооруженность при разумных массах. Можно было бы помянуть здесь и антивещество, которому в качестве топлива конкурентов нет, но его массового производства в ближайшие десятилетия, увы, не ожидается (правда, существуют проекты использования малых количеств антипротонов — к ним мы вернемся позже). Вариантов использования ядерной энергии для получения тяги три:

1. Наиболее близкий к реализации — связка ЭРД и обычного ядерного реактора. Его недостатки — необходимость преобразования энергии и неизбежные при этом потери, лишняя масса преобразователя.

2. Ядерный ракетный двигатель. Мог бы быть трех видов — твердофазным (относительно простой реактор с прокачкой водорода, выбрасываемого затем из сопла, через горячую зону с делящимся веществом в виде твердых ТВЭЛов), жидкофазным или газофазным (есть и другие идеи, наподобие изотопного паруса, но мы не станем на них задерживаться). Прототипы твердофазных ЯРД создавались и испытывались на стендах в США и СССР начиная с конца 50-х годов, концепция газофазного двигателя в нашей стране была тщательно проработана и работы подошли вплотную к стадии эксперимента, но, к сожалению, в начале 90-х все работы по этой теме были окончательно свернуты. Тяги ЯРД могут быть порядка тонн, УИ — вряд ли больше 7000 с.

3. Термоядерный ракетный двигатель. По многочисленным оценкам, здесь могут быть получены тяги в единицы и десятки тонн при УИ от 100 000 с до 1 000 000 с (!). Для Солнечной системы это — предел мечтаний. С такой энерговооруженностью можно быстро летать к самым отдаленным планетам в любое время суток и года (об окнах запуска — периодах, когда можно стартовать к цели, чтобы аппарат оказался на орбите планеты одновременно с нею самой — можно забыть), можно поддерживать искусственную гравитацию в течение всего полета, наконец, можно взлетать и садиться на безатмосферных небесных телах со слабым тяготением.

Правда, энергетически выгодного термоядерного реактора еще нет, и промышленной термоядерной электростанции не будет еще не менее десяти или двадцати лет — казалось бы, стоит ли при наличии таких проблем думать о том, как приспособить термоядерный реактор на космический корабль, когда его и на земле-то не построишь? Оказывается, тяговое применение термояда в открытом космосе может даже упростить задачу по сравнению с коммерческим наземным производством энергии, и Эдвард Теллер, отец американской водородной бомбы, недаром считал, что управляемый ядерный синтез найдет применение в космосе раньше, чем на Земле. Причин тому несколько:

1. Менее жесткие требования к Q, коэффициенту воспроизводства вложенной энергии — чтобы реактор был конкурентоспособен по сравнению с уже существующими электростанциями, Q должен быть порядка пяти, двигатель же интересует нас не как источник электроэнергии, а как генератор энергетически самоокупающейся горячей плазмы, так что Q=1 будет вполне достаточно. Даже если он окажется немного меньше единицы — установка все равно будет очень заманчива, как движитель, за счет высоких тяговых характеристик (потери энергии, если они не очень велики, можно восполнить с помощью реактора деления, то есть плазма будет самоокупаемой частично).

2. Даровой высокий вакуум (для энергетической выгодности очень важно отсутствие в плазме примесей — они сильно увеличивают потери на излучение).

3. Менее жесткие требования к радиационной безопасности — не нужно заботиться ни о захоронении частей конструкции, ставших радиоактивными, ни о их радиационной прочности (в отличие от реакторов электростанций, которые должны работать годами, срок работы ТЯРД, исчисляемый месяцами, вполне достаточен).

Как видим, проблема выглядит вполне разрешимой. О возможных путях ее решения — в следующем номере.

Д. ОЗОЛ, студент 3-го курса ФАКИ

Выпуск №14(1637)-04.04.03.