Дотянет ли ядерный буксир до Марса?

Последние несколько месяцев одно за другим появляются сообщения о межпланетном буксире с ядерным реактором и ионным двигателем, который с 2009 года разрабатывается совместно Роскосмосом и Росатомом. 21 марта были обнародованы и данные о первой приёмке тепловыделяющих элементов (ТВЭЛ) — стержней с топливом — для такого «космического» реактора.

В прессе этот проект часто подается как нечто невиданное. Как решающий прорыв, способный разрешить все проблемы человечества на пути к Марсу. Технические специалисты идут ещё дальше и говорят: «Космические ядерные энергодвигательные установки сейчас возможны только в России». Так ли это и зачем вообще нужен проект такого рода на фоне огромного количества обычных ракет, не связанных с опасностью запуска радиоактивных материалов в космос?

Сразу после первых пусков ракет на химическом топливе в 1950-х к их конструкторам по всем миру пришло понимание: далеко на таком виде транспорта в космос не забраться. Энергия, которую ракетные двигатели могут придать космическим аппаратам, связана с массой затрачиваемого топлива и квадратом скорости его истечения. «Химические» ракеты всех мыслимых типов не могут выбрасывать горящее топливо быстрее считаных километров в секунду. Поэтому в их стартовой массе топливо занимает от 95 процентов и более. Даже для полёта к Луне пришлось создать ракету массой в тысячи тонн, что сделало экспедиции к ней безумно дорогими и, по сути, невоспроизводимыми по экономическим причинам. Более далёкие пилотируемые полёты на такой основе будут куда разорительнее.

Электрический ракетный двигатель (ЭРД) в этом плане куда перспективнее. Он способен разгонять ионизированные частицы реактивной струи до десятков километров в секунду. Поэтому массу топлива, выбрасываемого в такую струю, можно понизить в десятки и более раз. Однако для работы ему требуется источник энергии, причём солнечные батареи для этого подходят слабо, поскольку их мощность падает пропорционально квадрату расстояния от Солнца, и даже на орбите Марса они очень слабы. Из-за всего этого для полёта на большие расстояния логичнее сделать ставку на транспортные ядерные реакторы.

Фактически у человечества просто нет выбора: придётся или запускать в космос ядерный реактор, или отказаться от полётов на другие планеты, потому что чистая «химия» для этого технически непригодна. Вопрос стоит не в том, полетит ли корабль с ядерным реактором, а в том, когда это случится и чей флаг будет на его борту.

Всё это было достаточно очевидным уже в начале космической эры. Поэтому еще в 1960-х в СССР был проработан детальный проект межпланетного космического корабля с ядерным реактором мощностью 7 мегаватт на борту.

При помощи сверхтяжёлой ракеты на орбиту предполагалось вывести части для сборки реактора. Чтобы не перетяжелить корабль, защита от разлетающихся нейтронов планировалась только на корме двигателя, обращённой к обитаемому модулю с космонавтами («теневая защита»). Поскольку охладить реактор в космосе водой нельзя, для теплоотвода предполагалось использовать тонкие металлические радиаторы площадью в сотни метров. За реактором и радиаторами располагались модули с топливом для посадки на другие планеты и взлёта с них.

Политика убила советский «марсианский» проект. После того как Кеннеди начал лунную гонку, Хрущёв приказал переориентироваться на полёт к Луне, который в итоге так и не состоялся. Портативные реакторы использовались СССР только для обеспечения питания военных спутников.

Тем не менее, научный задел по межпланетным кораблям никуда не делся, и в 2006 году Российская академия космонавтики имени К.Э. Циолковского выпустила книгу «Пилотируемая экспедиция на Марс», в которой обсчитывались возможные параметры межпланетных миссий. В ней делался логичный вывод, что ядерный буксир на ЭРД — лучший выбор для таких полётов, а нужная мощность его бортового реактора должна быть не меньше 15 мегаватт. В этом случае общая масса корабля на четырёх космонавтов не превысила бы 500 тонн (чуть больше, чем у МКС).

Комиссия по модернизации при президенте России в 2009 года утвердила что-то вроде демонстрационного образца атомного буксира. Вместо 15 мегаватт его реактор будет иметь всего лишь один мегаватт мощности. Он не сможет доставить людей на другую планету, но будет вполне пригоден для буксировки космических аппаратов с низкой околоземной орбиты к Луне и обратно.

Сам реактор предполагается довольно необычным (газофазным) и будет работать на быстрых нейтронах. Тепло от стержней ТВЭЛов с высокообогащёнными соединениями урана будет отводить смесь гелия и ксенона. Затем нагретый газ-теплоноситель приведёт в действие турбину, вырабатывающую электроэнергию, а остаточное низкопотенциальное тепло рассеется через панельные радиаторы. Охлаждённый газ после этого вновь поступит в реактор, и цикл повторится снова.

Главный недостаток такого решения — это то, что урана-235 в топливной смеси будет не меньше 20 процентов. В случае аварии при взлёте он неизбежно попадёт в атмосферу. Впрочем, опасность такого сценария оценивается как умеренная. Главную угрозу при авариях реакторов представляет не сам уран, а быстроделящиеся продукты распада, которых космический транспортный реактор просто не успеет отработать. Кроме того, мегаваттный реактор попросту очень мал, чтобы содержать значительную массу радиоактивного материала. Собственно, в советскую эпоху военные спутники с реакторами на борту уже падали на Землю, и катастрофического радиоактивного загрязнения из-за этого не произошло.

Кроме того, использование такого «заряженного» топлива приведёт к очень высокой рабочей температуре систем реактора. Материалы для его ТВЭЛов делают из специально созданного сплава на основе молибдена. При этом проектная стойкость нового материала позволит реактору непрерывно работать до 100 000 часов — достаточно, чтобы долететь до Плутона.

К 2017 — 2018 годах опытный образец реактора для глубокого космоса должен быть собран, а его системы испытаны в Сосновом Бору. К 2025 году проект, предположительно, будет готов к испытательному полёту.

Руководство Росатома не скрывает, что конечная цель космического буксира куда масштабнее полетов к Луне. Его глава прямо заявляет: «Сегодняшние космические установки позволяют долететь до Марса за полтора года без возможности вернуться обратно... Установка с ядерным двигателем позволит долететь до Марса за месяц-полтора и вернуться обратно». Быстрота в дальних космических полётах важна ещё и потому, что за год-два полёта космонавты, по расчётам, получат больше ионизирующей радиации, чем допускают сегодняшние нормы.

Отметим, что пока российские наработки по ядерному реактору находятся на переднем крае научно-технического развития. Американские госструктуры на данный момент испытывают трудности даже с обычными химическими ракетами. Опыты США в области ядерных космических двигателей хотя и стоили два миллиарда долларов, были свёрнуты ещё в 1970-х. На сегодня даже они не могут быть воспроизведены в сжатые сроки. Среди прочего, для этого требуется строительство масштабной инфраструктуры. С учётом типичной для США стоимости космических программ даже более скромных масштабов, трудно представить себе, что американские власти без давления извне решатся на реализацию чего-то подобного.

Хотя проект первого в истории межпланетного атомного буксира в данный момент строго укладывается в график, это, к сожалению, не гарантирует, что он когда-либо будет использован для полётов в дальний космос. Пока стоимость НИОКР по буксиру по мировым меркам ничтожна — 17 миллиардов рублей до 2018 года. США на разработку рядовой химической ракеты SLS уже потратили, по разным оценкам, от 11 до 19 миллиардов долларов.

Однако аппарат, создававшийся в контексте будущих полётов к Луне, может остаться невостребованным. На сегодняшний момент Роскосмос не планирует создания лунной базы в обозримом будущем. Остаётся полёт к Марсу, но для него требуется корабль с куда более мощным реактором. При переходе от НИОКР к постройке полномасштабного, а не экспериментального буксира расходы резко вырастут.

К тому же даже мегаваттный по мощности реактор для космического корабля и связанные с ним системы — сложное, многотонное изделие. Даже несмотря на то, что он намного дешевле любых других средств для дальних перелётов, его реализация потребует миллиардов долларов. Конечно, на фоне программы шаттлов, стоившей как полёты на Луну, эта цифра может показаться незначительной, однако и финансовые возможности России и США находятся на несоизмеримом уровне.

Практически все наблюдатели серьёзно сомневаются в том, что у России, находящейся сегодня не в лучшей экономической форме, могут найтись ресурсы для строительства и полноценного использования ядерного буксира. Напомним, сегодня Роскосмос получает в год меньше бюджетных средств, чем ФСИН. Даже в советское время, когда ситуация с финансированием космоса была несколько лучше, высшее политическое руководство так и не решилось на строительство такого аппарата.

В 2015 году вице-премьер Рогозин прямо озвучил сходную точку зрения: «Надо разобраться, зачем нам лететь на Луну и Марс. Амбиции полезны, но сейчас надо деньги экономить». Определённо, если страна, экономящая деньги, рассматривает полёт на Марс как «амбиции», а не как осмысленную научную задачу, реализации такого полёта на практике можно и не дождаться.

В момент старта программы в 2009 году затраты на неё не казались такой уж серьёзной проблемой. Один из функционеров NASA — Эдвард Кроули прямо говорил, что возможно некое сотрудничество между США и Россией, например, с целью совместного полёта к Марсу на российском ядерном буксире. Понятно, что в случае, если бы США взяли на себя значительную часть расходов, российская сторона смогла бы вывести его на орбиту и подготовить к полёту. В конце концов, именно по такой схеме («ваши деньги — наши ракеты») американские астронавты, пока не имеющие своих кораблей, попадают на МКС. Что мешает скопировать этот подход в отношении межпланетных перелётов?

К сожалению, на сегодня перспективы сотрудничества Россия — США весьма и весьма туманны. В силу известного противостояния, обострившегося с 2014 года, сейчас за океаном людей увольняют с работы просто за добрые слова о российских ракетных двигателях. Как в таких условиях можно ждать сотрудничества на куда более важном направлении, не вполне ясно.

Добавлю, что дело не только о чисто политическом противостоянии. Значительная часть американских элит считает Россию чем-то вроде огромного хуссейновского Ирака, автократией в стадии упадка и загнивания. Для нас это звучит скорее забавно, однако для западного мира это совершенно нормальная позиция. Всё это делает сомнительным тесное сотрудничество, которое необходимо для того, чтобы реализовать полёт к Марсу.

Таким образом, вполне продуманный и наиболее реалистичный из существующих проектов средств дальних космических полётов имеет серьёзный недостаток: у него не просматривается понятных источников финансирования. Россия может создать и испытать экспериментальный атомный космический буксир в запланированный срок, но хватит ли у неё после этого средств на самостоятельные дальние космические полёты — на данный момент не очевидно.