Як РФ і США розгортають битву за космос

Кінець 2020 року виявився багатий на космічні новини з Росії: це і другий (після шестирічної перерви) запуск важкої ракети "Ангара", і початок робіт над технічним проєктом ракети "Єнісей", і розміщення замовлення на розробку проєкту ядерного буксира "Нуклон", здатного доставляти вантажі із земної на місячну орбіту, і завершення збирання макета космічного корабля "Орел" для наземних випробувань, повідомляє Страна.ua.

У цих термінах і назвах нескладно заплутатися, і для того, щоб уникнути цього, слід у всьому розібратися по черзі. Чим ми і займемося.

"Ангара": 6 років по тому

"Вона літає, чорт забирай!!!" - написав 14 грудня на своїй сторінці в Twitter глава "Роскосмосу" Рогозін.

"Вона" - це важка ракета "Ангара-А5", яка в той день стартувала з космодрому Плесецьк в Архангельській області. Політ є тестовим, і в якості корисного навантаження "Ангара-А5" вивела на орбіту всього лише масогабаритний макет реального вантажу. Всього було заплановано 8 тестових запусків, після яких ракета повинна піти в серію, і тоді планують випускати і запускати по 6-7 ракет в рік.

Заплановано вже ряд "робочих" запусків "Ангари" для виведення на орбіту військових і цивільних супутників, очікується використовувати "Ангару" для відправки безпілотних апаратів, які відправляться до супутника Марса Фобоса ("Фобос-грунт-2", 2025) і до Венери (2029).

Також очікується, що з 2025 року "Ангара" замінить ракети "Протон-М" в місіях з обслуговування Міжнародної космічної станції (якщо та до того моменту ще буде існувати).

Взагалі "Ангара" багато в чому може вважатися заміною "Протона-М" в якості головного російського носія важкого класу. І це вже саме по собі досить амбітне завдання. Незважаючи на свій дуже похилий вік (в експлуатації з 1965 року!), "Протон-М" до сих пір залишається цілком конкурентоспроможним варіантом доставки вантажів на навколоземну орбіту.

Наприклад, суперсучасний Falcon 9 від SpaceX здатний вивести на низьку опорну орбіту (НГО) Землі до 23 тонн вантажу при вартості запуску близько 60 мільйонів доларів.

"Протон-М" виводить на ту ж НГО до 24 тонн вантажу при вартості запуску близько 65 мільйонів - тобто, в цілому можна порівняти цифри (2,6 мільйона доларів за тонну у Falcon 9 проти 2,7 у "Протона-М") . Причому в "Роскосмосі" стверджують, що польоти "Протона-М" можна зробити ще дешевше за рахунок оптимізації наземних робіт. Інша американська ракета, Delta IV від Boeing, виводить на ту ж орбіту до 27 тонн вантажу, але при цьому вартість запуску стартує з позначки в 164 мільйони доларів.

При цьому "Протон-М" є однією з наймасовіших важких ракет в історії: в його послужному списку 377 успішних запусків. Простіше кажучи, мова йде про надійну робочу конячку, всі особливості "характеру" якої добре вивчені. І хоча старий кінь, як відомо, борозни не псує, у "Протона-М" є ряд непереборних недоліків, які й змусили російське керівництво зайнятися розробкою нової ракети.

По-перше, "Протон-М" літає на високотоксичних диметилгидразина, він же гептил. У 70-е це паливо було цілком прийнятним, але сучасній ракеті потрібно щось більш екологічне - наприклад, найбільш поширена на сьогодні пара "гас-кисень", як в тому ж Falcon 9 (і інших "Соколах" Ілона Маска) або російських середніх ракетах-носіях серії "Союз".

Друга причина носила "навколополітичний" характер. Основним космодромом запуску "Протонів" є Байконур, який знаходиться в формально дружньому Росії, але все-таки незалежному Казахстані.

До слова, ще за радянських часів місце для його будівництва в казахських степах вибрали неспроста: зіграли роль не тільки міркування секретності, а й те, що Байконур знаходиться в одному з найбільш південних районів колишнього СРСР. А для космодрому чим південніше, тим краще. Справа в тому, що в міру наближення до екватора лінійна швидкість обертання Землі навколо своєї осі зростає. Запускаючи ракету проти напрямку обертання Землі, можна за рахунок цього як би "підкрутити" її, причому чим південніше (якщо ми говоримо про північній півкулі), тим сильніше.

Наприклад, на широті Байконура лінійна швидкість обертання Землі становить 316 метрів в секунду, тоді як на широті чисто російського Плесецка в Архангельській області - всього 212.

Через цю різниці ті ж "Протони-М" в принципі не могли набрати потрібну швидкість при старті з Плесецка з максимальним навантаженням. Вони могли злітати лише з Байконура, що призводило до, скажімо так, делікатним складнощів, особливо коли мова йшла про виведення на орбіту секретних військових супутників.

Так і народилася ідея "Ангари-А5" - важкої ракети на киснево-керосиновом паливі, яка буде володіти достатньою потужністю для старту з Плесецка. Однак простіше сказати, ніж зробити: розпочавшись в 1992 році, роботи по проекту "Ангара-А5" завершилися першим успішним стартом лише в 2014-му. Але і цей день не став початком нової ери в російському ракетобудуванні: після першого старту, про "Ангарі" не було нічого чутно цілих 6 років.

Чому проєкт поставили на паузу? Офіційна версія свідчить: гасовий важковаговик виявився занадто дорогим. Перший запуск "Ангари-А5" обійшовся в 140 мільйонів доларів при вантажопідйомності в 24,5 тонни (все на ту ж низьку опорну орбіту). Простіше кажучи, якщо для "Протона-М" вартість доставки однієї тонни вантажу на низьку опорну орбіту становить 2,7 мільйона доларів, а для Falcon 9 - 2,6 мільйона, то для "Ангари-А5" цей показник становить 5,7 мільйона - майже вдвічі більше, що ставило економічну доцільність ракети під велике питання.

Власне, за офіційною версією всі ці роки розробники "Ангари" в центрі Хрунічева і працювали над здешевленням ракети, і не без успіху: в 2018 році вартість запуску знизилася приблизно до 100 мільйонів доларів. Але це все одно поки дуже багато.

Ракетники заспокоюють: дорожнеча ракети - справа тимчасова. Мовляв, перші пуски "Протонів-М" коштували вдвічі дорожче, ніж вони коштують зараз. І серійні зразки "Ангари" коштуватимуть приблизно стільки ж, скільки і "Протони", а то і дешевше.

Втім, як воно буде насправді, покаже час, і поки "Ангара-А5" залишається досить дорогим задоволенням. Хоча її параметри і дозволяють в цілому замінити "Протон-М" в якості основної важкої російської ракети.

Але важкими ракетами вся справа не обмежується.

З прицілом на Місяць і Марс

Ракети типу "Ангари-А5", Falcon 9 або Delta IV знаходяться нагорі всесвітньо прийнятої ракетної класифікації: їх досить для того, щоб вивести на орбіту Землі практично будь-який "повсякденний" вантаж.

Але якщо говорити про більш амбітні завдання, то серед них зустрічаються і такі, для яких потужностей звичайних важких ракет недостатньо, і потрібно щось серйозніше: ракети так званого надважкого класу, за загальноприйнятою класифікацією здатні виводити на низьку навколоземну орбіту до 50 тонн корисного вантажу .

Вперше потреба в таких ракетах виникла за часів космічної гонки: саме американські ракети "Сатурн-5" виводили в космос кораблі проєкту "Аполлон". Аналогічний російський проєкт "Енергія" був закритий після другого польоту в 1988 році. І майже 30 років потреби в надважких ракетах-носіях ніби як не виникало.

Справа в тому, що надважкі ракети були вкрай дороги, і це ще м'яко сказано. Запуск, наприклад, "Сатурна 5" в сучасних цінах обійшовся б приблизно в 1 мільярд (!) Доларів США.

Інтерес до "супертяжів" відновився буквально в останні роки - в світлі планів найбільших космічних держав знову підкорити Місяць і відправитися далі - до Марсу. Наприклад, саме для міжпланетних місій призначається єдина існуюча сьогодні надважка ракета - Falcon Heavy Ілона Маска.

Як стверджується, ця ракета може виводити на низьку опорну орбіту до 64 тонн вантажу, причому вартість запуску становить близько 150 мільйонів доларів США. Це дає досить вражаючу вартість доставки 1 тонни вантажу - трохи більше 2,3 мільйонів доларів за тонну. Причому, за рахунок поверненні компонентів ракети, вартість старту може бути і нижче - за даними Space X, близько 90 мільйонів доларів.

Правда, і вантажопідйомність в результаті знизиться, та й до поверненні є питання: з трьох комерційних запусків Falcon Heavy ні в одному з них, наприклад, не вдалося домогтися повторного використання центрального блоку ракети. Так що про остаточні комерційних показниках американського супертяжа поки говорити передчасно, однак виглядають вони досить заманливо.

Falcon Heavy спочатку розроблявся саме з прицілом на підкорення Місяця і Марса, хоча зараз Ілон Маск хоче розробити для цих цілей щось ще більш потужне, а Falcon Heavy доведеться задовольнятися роллю орбітального вантажівки-ваговоза.

Паралельно НАСА веде розробку власної надважкої ракети-носія для місячної програми "Артеміда".

Вона називається SLS (від Space Launch System, "Система космічних запусків").

Імовірно, ця ракета повинна стати найпотужнішою ракетою в історії, будучи здатною виводити на орбіту до 130 тонн вантажу. Правда, вартість одного запуску оцінюється в 800 мільйонів доларів, що робить вартість доставки 1 тонни вантажу жахливо високою: понад 6 мільйонів доларів.

Власне, висока вартість як розробки, так і експлуатації SLS є однією з головних труднощів, яка встала на шляху реалізації проекту: багато, в тому числі і президент Дональд Трамп, вважає його занадто дорогим.

Цю думку не втомлюється мусувати і Ілон Маск, недавно висловився в тому сенсі, що кожен запуск такої ракети буде "трагедією" (маючи на увазі, що "уникнути трагедій" можна, скориставшись послугами SpaceX). Можливо тому спочатку призначений на 2017 рік випробувальний політ до сих пір не відбувся, і в даний час точна дата його невідома.

Однак у США хоча б є Falcon Heavy. Росія ж своєї надважкої ракети взагалі не має. А без неї про польоти на Місяць і тим більше на Марс і думати нічого.

Саме тому роботи зі створення російського супертяжа ведуться - причому відразу за декількома напрямками.

Конкуренція супертяжів

Перший проєкт надважкої ракети пропонують розробники "Ангари" - Центр Хрунічева: в 2027 року вони планують запустити "посилену" версію "Ангари-А5" - "Ангару А5В".

Формально кажучи, "Ангара А5В" не може вважатися надважкої ракетою: передбачається, що вона буде виводити на орбіту до 38 тонн корисного вантажу, тоді як супертяжі, як ми говорили вище, починаються від 50 тонн.

Однак у проєкту є істотний плюс: по суті, він на 60% буде повторювати всі конструктивні рішення "Ангари А5", що зажадає куди менших витрат на його розробку. Ідея полягає в тому, щоб замінити третю сходинку "Ангари А5", що працює на гасі, на прискорювач з двигунами РД-0150, що використовують як паливо водень.

Водневі системи забезпечують більшу питому імпульс - простіше кажучи, дозволяють ракеті витратити на розгін до однієї і тієї ж швидкості менше палива. Саме за рахунок "зекономленої" на паливі маси "Ангара А5В" отримає додаткову вантажопідйомність.

Але чи вистачить цього для потреб російської космонавтики? В "Роскосмосі" стверджують, що так.

Зокрема, глава "Роскосмосу" Дмитро Рогозін переконаний, що вантажопідйомність "Ангари-А5В" дозволить вирішити всі завдання, які стоять перед "Роскосмосом" до 2032 року, включаючи сюди і місячну програму.

Крім інноваційної водневої ступені, в "Ангарі-А5В" планується реалізувати ще одну "модну фішку" - часткову возвращаемость літального апарату з можливістю повторного використання - коротше кажучи, як у SpaceX. Ну, не зовсім "як": працювати все це повинно зовсім інакше.

Якщо в ракетах Маска повертаються ступені приземляються на реактивному "стовпі", то проект "Крило-СВ" (колишня назва - "Байкал") передбачає возвращаемость першого ступеня в режимі крилатої ракети, або, якщо завгодно, безпілотного літака, здійснюючи посадку на злітно- посадочні смуги за допомогою шасі і гальмівних парашутів.

В даний час над проектом "Крило-СВ" працюють в КБ Мясищева, перші польоти (поки без решти ракети) повертаються ступені повинні зробити вже в 2021 році.

Так що, на відміну від злетів 14 грудня "Ангари-А5", її важка модифікація може стати вельми інноваційним продуктом, що використовують відразу декілька нових технологій.

Перший політ "Ангари-А5В" намічений на 2027 рік.

Однак поряд з "Ангарой-А5В" "Роскосмос" розробляє і "справжній" супертяж - ракету "Єнісей". Контракт на розробку технічного проекту на неї підписаний 17 грудня з ракетно-космічним центром "Прогрес".

Проєкт обійдеться в півтора мільярда рублів (20 мільйонів доларів США) і повинен бути готовий до листопада 2021 року.

Вперше про "Єнісеї" заговорили в 2017 році. Тоді передбачалося використовувати гасові двигуни (6 РД-171МВ для першого ступеня і РД-180 на другий; до речі, про вогневих випробуваннях РД-171МВ "Роскосмос" відзвітував 18 грудня) в поєднанні з водневим двигуном РД-0146 в розгінному блоці - по суті, схема, подібна до "Ангарой-А5В".

Передбачалося, що в такій компоновці "Єнісей" зможе виводити на низьку опорну орбіту до 150 тонн корисного вантажу, переплюнув тим самим навіть SLS.

Втім, в грудня 2020 з'явилася інформація про зміну підходу до компонування ракети: замість гасових двигунів в ній нібито застосують метанові, що володіють меншим питомим імпульсом, ніж водневі, але більшим, ніж гасові.

За іншою версією, метанові двигуни будуть сусідити з гасовими: останні залишаться в якості бічних прискорювачів.

Чи буде в "Єнісеї" використовуватися водневий розгінний блок, як це планувалося спочатку, неясно. Під питанням залишаються також експлуатаційні характеристики ракети: чи залишаться вони такими ж, як в проекті 2017 роки? Коротше, питань поки що більше ніж відповідей.

Зате відомо, що першу (і, можливо, другу) ступінь ракети також зроблять багаторазової.

Правда, на відміну від "Крила-СВ" приземлятися вона буде не на шасі в "літаковому" режимі, а на струмені реактивного двигуна на спеціальні опори-штанги - як у SpaceX.

Початок польотів ракети заплановано на 2028 рік.

Нарешті, є і третій проект російського супертяжа: розроблена Державним ракетним центром імені В. П. Макєєва ракета "Лідер".

Але вона поки існує лише на рівні концепції, яка передбачає поєднання водневих і гасових (в бічних прискорювачах) двигунів. Чи отримає ідея ГРЦ ім. Макєєва розвиток в умовах, коли у "Роскосмосу" є два інших проєкти - незрозуміло.

Незважаючи на наявність амбітних планів з будівництва нових ракет-носіїв, можна констатувати, що в сфері ракетобудування у Росії намітилося деяке відставання: "Ангару-А5" складно назвати проривним проєктом на загальносвітовому рівні, а по-справжньому інноваційні проєкти повинні стати реальністю не раніше 2027 року.

Для порівняння, США в рамках програми "Артеміда" планують зробити перший пілотований політ на Місяць вже в 2024, а SpaceX Ілона Маска до того моменту планує вже побувати на Марсі.

Крім того, на той же 2028 рік заплановано завершення робіт по китайській надважкої ракети "Чжанчжен-9". Іншими словами, навіть благополучна реалізація всіх ракетних проектів Росії в призначені терміни дозволить в кращому випадку наздогнати, але не перегнати конкурентів.

Втім, є в арсеналі "Роскосмосу" дещо справді проривна, здатне знову вивести Росію в лідери по освоєнню космосу. Йдеться про проект знаменитого трансорбітального буксира "Нуклон".

Двері в атомне століття космонавтики

Про плани Росії перейти на нове покоління космічних апаратів, що використовують не хімічне паливо, а атомну тягу, ми вже писали.

Про проєкт так званого "транспортно-енергетичного модуля", що приводиться в дію електроракетні (плазмовими або іонними) двигунами, що живляться від компактного ядерного реактора, кажуть як мінімум з 2009 року. Однак конкретні риси проект став набувати лише в 2017-2018.

10 грудня 2020 го "Роскосмос" уклав з КБ "Арсенал" контракт на розробку проекту космічного комплексу "Нуклон", включаючи сам буксир, модуль корисного навантаження (грубо кажучи, "баржу" для розміщення вантажу, яку буде тягнути буксир), комплекс управління і транспортні засоби для доставки. Згідно з технічним завданням на розробку, "Нуклон" повинен дозволяти доставляти з орбіти Землі на орбіту Місяця 10 тонн корисного вантажу, причому переліт повинен займати 200 діб.

Потужність реактора повинна скласти 500 кіловат, причому 450 з них буксир повинен при необхідності передавати зовні, функціонуючи таким чином в режимі мобільного ядерної електростанції.

Маса самого буксира повинна складати не більше 35 тонн. Термін служби - не менше трьох років.

Хоча прямо в документі про це нічого не говориться, "Нуклон", ймовірно, буде безпілотним космічним кораблем: як видно, інженерам так і не вдалося забезпечити прийнятний рівень радіаційного захисту при даних масах корабля.

Згідно техззавдання, передбачається допустимий рівень опромінення в 20 тисяч радий за 100 тисяч годин роботи реактора, або 0,2 рад (0,002 зіверт) на годину. За 4800 годин польоту до Місяця екіпаж буксира отримав би близько 10 зіверт притому, що при дозі в 4,5 зіверт вмирає 50% опромінених (т.зв. напівлетальні доза).

Початок польотів "нуклони" планують на 20-30 рік. Крім польотів до Місяця, заплановані також польоти до Марса, Венери і навіть Юпітеру.

Варто додати, що висновок "нуклони" в космос буде можливий як за допомогою "Єнісею", так і за допомогою "Ангари-5В" - ймовірно, кажучи про те, що вантажопідйомності останньої вистачить для вирішення всіх завдань на найближчий час, Рогозін мав на увазі і це.

Правда слід визнати, що підсумковий проєкт російського ядерного буксира виглядає менш вражаючим, ніж те, що про нього говорили спочатку: вдвічі менше потужний реактор (спочатку йшлося про встановлення потужністю в 1 мегават, або 1000 кіловат) і куди менші швидкості (судячи з того, що політ до місяця займе більше півроку, про політ на Марс за 1,5 місяці, як обіцяли верб "Роскосмосі" ще пару років назад, поки що не йдеться).

Проте, значення проєкту складно переоцінити: "Нуклон" претендує на те, щоб стати першим представником космічних кораблів принципово нового покоління - прорив, який можна порівняти з виведенням на орбіту першого штучного супутника Землі.

І навіть якщо Росія не буде першою у другій хвилі польотів до Місяця (що з урахуванням вищевикладеного ракетного відставання - досить імовірно), успішна реалізація проєкту "Нуклон" дасть РФ принципово ширші можливості для освоєння супутника Землі.

Дійсно, та сама американська SLS зможе доставляти на місячну орбіту до 45 тонн вантажу, що з урахуванням вартості запуску одного корабля в 800 мільйонів доларів дає вартість доставки до Місяця 1 тонни вантажу в принаймні 18 мільйонів доларів. А то і більше, адже в корисне навантаження ракети-носія також вважають вага космічного корабля! Це робить доставку вантажу на Місяць (наприклад, для створення місячної орбітальної або наземної бази) вкрай недешевим задоволенням.

Наявність же у Росії "нуклони" дозволить їй вирішувати ту ж задачу принципово інакше: на навколоземну орбіту вантаж доставляється звичайними ракетами (хоч тими ж "Ангара"), тут уже вантаж підбирає "Нуклон" і доставляє до місця призначення. При цьому на дорогу до Місяця "Нуклон" не витрачатиме важке хімічне паливо, яке також довелося б доставити на орбіту з Землі.

Ну а для доставки на Місяць людей доведеться, ймовірно, використовувати більш класичний космічний корабель "Орел" (льотні випробування повинні початися в 2023-м, висадка космонавтів на Місяць - в 2031-м).

Конфлікт як стимул прогресу

Як би там не було, можна з упевненістю констатувати: друга половина і особливо кінець 10-х років XXI століття стала часом суттєвої активізації космічних ініціатив по всьому світу. І той факт, що відбувається це на тлі істотного ускладнення світової геополітичної обстановки, навряд чи є простим збігом.

Як і те, що серед космічних новин з Росії є і новина про випробування ракетного комплексу "Нудоль", призначеного для знищення космічних цілей з поверхні Землі.

Та й, до речі кажучи, ті ж самі надважкі ракети потрібні не тільки для підкорення Місяць і Марса, але і для виведення на орбіту нових поколінь військових супутників, які стають все важче.

З іншого боку, нічого дивного в цьому немає: міжнародні конфлікти неодноразово були рушіями прогресу. Зрештою, саме протистояння наддержав в другій половині XX століття дозволило Людству почати активне освоєння космосу і вперше ступити на Місяць, тоді як закінчення Холодної війни супроводжувалося очевидним спадом інтересу до підкорення нових космічних горизонтів.

І - хто знає - можливо саме нинішнє загострення міжнародної обстановки дозволить людям повернутися на Місяць і піти далі?

Юрій Ткачов