Заправлены в планшеты космические карты

(мысли о перспективах освоения космоса)

Взбудоражившая мировую общественность информация об успешном испытании Россией крылатой ракеты с ядерным двигателем сразу сделала популярной в интернет-обсуждении тему более эффективного освоения космоса.

Действительно, давно уже стало у всех высокоразвитых стран практикой использование военно-космических программ в планах мирного освоения Вселенной. И то, что вчера казалось фантастикой, сегодня будоражит сознание своими неоглядными перспективами. Наша вера в торжество разума в вопросах мирного сосуществования народов планеты Земля потихоньку и исподволь начинает давать повод надеяться на объединение общих усилий на поиск новейших космических технологий.

1. До Марса ещё лететь и лететь

Для начала давайте выясним на какой ступеньке освоения космического пространства находится человечество сегодня.

Да, освоение космоса – невообразимо сложная технологическая задача, решение которой требует прорывных открытий в области химии, физики, материаловедения и многих других наук. И, хотя современные реактивные двигатели – это поистине шедевры творческой технической мысли, их основные характеристики (расход топлива и тяга) не позволяют выполнять задачи по освоению даже Солнечной системы (не говоря уже о заманчивых полётах вне её).

Для справки:
А что же представляет из себя современный реактивный двигатель?

Принцип работы любого реактивного двигателя настолько прост, что изготовление его посильно совсем юным и любознательным школьникам. Мы же помним из школьной программы, что «сила действия равна силе противодействия» (третий закон Ньютона). То есть тяга (сила, толкающая ракету) должна быть обусловлена мощным потоком частиц, выбрасываемых в ходе сгорания топлива.

… Раскалённый газ, вырывающийся из сопел двигателя, может быть продуктом твёрдого или жидкого топлива (соответственно, реактивные двигатели различают твёрдосплавные и жидкостные). В современных твердосплавных двигателях используют смеси, наиболее эффективными из которых считаются, например, такая: алюминий (основное топливо, 16%), перхлорат аммония (окислитель, 70%), оксид железа (катализатор, 0,4%), полимеры и эпоксиды (обеспечивают контакт топлива и окислителя и равномерность горения, 14%). Такие двигатели дешевы, просты и безопасны, но главный их недостаток в том, что однажды запущенный процесс горения невозможно ни остановить, ни (тем более) регулировать.

А потому в космических носителях устанавливаются двигатели жидкостные.
Первые жидкостные реактивные двигатели стали появляться в 1920-х годах, благодаря работам знаменитого физика Роберта Годдарда. Он предложил в качестве жидкого топлива использовать бензин и жидкий кислород (в качестве окислителя), которые у него помещались в раздельные баки, откуда с помощью насосов подавались в камеру сгорания. Ну, а там происходила реакция горения, раскалённые газы в результате которой, вылетали из сопла.

… Сегодня жидкостные реактивные двигатели – архисложнейшие в техническом отношении агрегаты, в которых переплетены самые современные технологии. Достаточно сказать, что в качестве топлива и окислителя в них используются сжиженные газы, которые необходимо держать при низкой температуре и моментально нагревать перед подачей в камеру сгорания.

… Итак, современные реактивные двигатели уже сегодня позволили человечеству осуществить полёт человека на Луну, а также отправить космические аппараты к дальним пределам Солнечной системы.

Активно работают над усовершенствованием космических технологий американцы. В октябре 2025 года успешно прошел 11-й испытательный запуск космического корабля Starship V2, который планируется отправить с пилотируемой миссий на Луну и Марс. Илон Маск, автор этого проекта, сообщил, что планирует отправить этим кораблём на Марс робот уже в конце 2026 года. Но поразило мировую общественность, не столько это сообщение, сколько информация о создании на Марсе в течение 25-30 лет полностью самодостаточной колонии с численностью 100 тысяч человек (!!!). Причём, не без самолюбования Маск при этом допустил, что будет жить и умрёт на Марсе.
Оставим без комментариев «глобальные» замыслы этого безусловно талантливого, но болезненно амбициозного человека. Но ведь не современные же космические технологии рассчитывает использовать Маск в своих планах.

К слову сказать и глава Роскосмоса Дмитрий Баканов, например, отметил недавно, что у проектов Маска и Роскосмоса общая цель – исследование дальнего космоса.

2.  Будущие клоны «Буревестника»

… Да, главным недостатком, сдерживающим эффективность освоения космоса ракетами с химическими реактивными двигателями, является громадная масса топлива, необходимого для преодоления земного притяжения при взлёте. Естественно, что учёные упорно и целенаправленно работают над созданием и новых видов сгорающего топлива и всё более агрессивных окислителей. Однако уже очевидно, что процесс этот уже практически достиг потолка своих возможностей.

Вот тут-то и становится ясно: почему это успешный полёт нашего «Буревестника» расценен специалистами космической отрасли как прорыв в освоении космоса.
Дело в том, ядерные установки, используемые на ракетах в качестве двигателя, решают задачи, которые не по силам решить летательным аппаратам с реактивно-химическими двигателями. Они, например, помогут сократить время полёта к Марсу почти в два раза (!). Кстати, не это ли имел в виду устремлённый в будущее Маск? Естественно, полагая, что и ему будут подвластны технологии с установкой на ракеты ядерных двигателей.

В долгосрочной перспективе ядерные двигатели помогут человечеству в освоении не только объектов Солнечной системы, но и дальнего космоса.

Для справки:
Принцип действия ядерных двигателей основан на том, что тягу они создают путём нагрева рабочего тела (жидкого газа), который затем выбрасывается в сопло.

Источником энергии, естественно, в них является ядерный реактор.
Существует два варианта использования ядерного двигателя.
В первом рабочее тело (например, жидкий водород) нагревается непосредственно в реакторе и затем выбрасывается в сопло. Такие двигатели называются ядерно-термальными.

Во втором реактор используется для выработки электричества, которое затем питает соответствующий двигатель, например, ионный. Такие системы называются ядерно-электрическими.

Эффективность (то есть удельный импульс) второго типа двигателей гораздо выше первого, но их главный недостаток – низкая тяга. Ракеты с такими двигателями разгоняются медленно, а потому не подходят для старта с Земли и требуют вывода в космос с помощью нынешних ракет. Но тем не менее (кстати, для справки), наш «Буревестник» летел именно на таком двигателе. Он как бы и создан по нашему «русскому типу» - медленно запрягается, зато потом становится недосягаемо быстрым, неуловимым и долгосрочным.

… Итак, основные преимущества ядерных двигательных установок – это их мощная тяга. Так удельный импульс у ионного двигателя ИД-500, испытанного в Центре имени М.В. Келдыша, составил 70 000 м/с. А вообще, по расчётам учёных ионы могут разгоняться до скоростей свыше 200 км/с (у химических современных двигателей – 4,5 км/с). То есть, например, до Марса на них можно будет долететь за полтора месяца при полностью управляемом режиме.

Другое немаловажное преимущество – это долгий срок непрерывной работы (по уже проверенным на опыте данным – более трёх лет). А удобство в обращении и хранении рабочего тела (это нейтральный неопасный газ в твёрдом или жидком виде), намного упрощает технологические решения компоновки космических аппаратов.

… Вот, видимо, это и имел в виду экстравагантный в своих космических планах Маск.
Справедливости ради надо сказать, что первой, подобной описанному выше аппарату, была американская ракета SNAP. Но в связи с серьёзными неудачами (грозящими загрязнением космоса радиоактивными веществами) проект был до сегодняшнего дня закрыт. А у нас в СССР подобная силовая установка была испытана Королёвым ещё в 1960 году. В 1970 году в обстановке сверхсекретности реакторы с ядерным распадом были испытаны в космосе. И только в конце восьмидесятых годов прошлого века урановый реактор «Топаз» около года успешно проработал на орбите.

Сегодня все работы по созданию космических двигателей с ядерной силовой установкой (а они непрерывно и целеустремлённо ведутся только в России и США), безусловно, строжайше засекречены. И мы можем только догадываться, что мы всё же ближе, чем американцы к их воплощению в реальность.

3. Мечты становятся явью

       Итак, ракетный двигатель с ядерной силовой установкой – это уже самые ближайшие перспективы освоения космоса. Но учёные замахнулись на ещё более мощные ракетные двигатели. А чтобы понять принцип их работы давайте хотя бы вкратце ознакомимся с таким физическим понятием как «аннигиляция».

Для справки:
Науке уже давно известны такие понятия вещества, как «антиматерия».

Из школьного курса физики мы помним (хочется надеяться, многие из нас), что атомы, а вместе с ними и все вещество, состоят из трех частиц: протонов, нейтронов и электронов. Так вот – у этих частиц есть свои антиподы. Электрон, например, с положительным зарядом – это позитрон, и он реально существует.

Так вот, когда антиматерия вступает в контакт с обычной материей, происходит мощный взрыв. Это и называется аннигиляцией. Всего 2 килограмма антиматерии достаточно, чтобы тут же произошёл взрыв, по мощности превосходящий Царь-бомбу (советскую термоядерную бомбу, обладающую эквивалентом 50 мегатонн тротила).

Термин «антиматерия» ввёл английский физик Артур Шустер в 1898 году. По сути, тогда же, когда был открыт электрон. Тогда это была ещё гипотеза. Математически гипотезу подтвердил физик Поль Дирак спустя 30 лет. А впервые антиматерию экспериментально удалось зафиксировать в 1932 году в космических лучах.

Да, несмотря на то, что физики уже научились синтезировать сотни античастиц, антиматерия отнюдь не лабораторная субстанция, она реально существует в природе.
Но откуда она взялась, где существует и как её распознать? Согласно Теории Большого взрыва, антиматерии и материи в нашем мире должно быть поровну. Учёные допускают, что некоторые очень далёкие от нас галактики состоят из антиматерии. Просто на таком большом расстоянии мы не можем это оценить. Есть гипотеза, что во время Большого взрыва возникли две зеркальные Вселенные (одна из обычного вещества, а другая – из антивещества). Но тогда где-то должна быть видимая граница между ними, где вещество и антивещество сталкиваются). Но пока её найти не удалось.

А в наших земных условиях антивещество имеется в наличии пока в очень мизерных количествах. Дело в том, что для его производства требуется очень дорогая инфраструктура и сверхвысокие энергии. Сегодня оно создаётся в ускорителях частиц, таких как Большой адронный коллайдер. За год работы учёным удаётся получить всего несколько нанограммов этой антиматерии. А стоимость производства одного грамма оценивается в 62 триллиона долларов (!).

Другая проблема – в его хранении. Так вот – российские ученые, практически, уже смогли эту проблему решить.
И что? Как же возможно преобразовать мощнейшую энергию аннигиляции в реактивную тягу ракеты?

       Проектируемый двигатель на антивеществе будет включать три ключевых компонента. Электромагнитная тороидальная камера (важное изобретение российских учёных) позволит хранить топливо. Система подачи будет сталкивать частицы с античастицами. Электромагнитное сопло обеспечит выброс энергии в нужном направлении, создавая тягу для космического корабля.

Теоретические расчёты показывают, что ракеты с таким двигателем смогут разогнаться до 20% скорости света, что позволит, например, достичь ближайшей звезды (Альфа Центавра) за 20 лет, вместо десятков тысяч (!).

И можно только порадоваться тому, что именно наша страна стоит на пороге грандиозного прорыва в исследовании космоса.

Ключевым фактором успеха стала кооперация науки и промышленности – к проекту, которым занимался РКЦ «Прогресс», подключились НПО «Энергомаш» и ЦНИИмаш.

И уже известны оптимистические прогнозы создателей отечественных ракет будущего: испытания полноценного фотонного двигателя начнутся в 2035 году, а первый пилотируемый полёт (?!) к Альфа Центавре может состояться уже в 2045-2050 годах.

 «Человечество всегда мечтало о звездах. Теперь у нас есть шанс эту мечту осуществить», сказал по этому поводу – академик РАН Сергей Ковалев.

4. На пыльных тропинках далёких планет останутся наши следы.
Вместо послесловия

Умение мечтать – это, конечно, очень жизнеутверждающая функция нашего разума. Но тот же Маск, мечтая о переселении на Марс 100 тысяч человек, объяснил нам, во-первых, необходимость этого, а, во-вторых, практическую реализуемость?

Уже само пребывание человека в длительном полёте (продолжительностью в несколько месяцев или даже лет) заставляет усомниться в реальности осуществления таких полётов. И невольно приходит на ум мысль: а если… соединить человеческий разум с каким-то адаптированным к сложившимся внеземным обстоятельствам механизмом?

Оказывается, действительно, учёные сегодня всерьёз работают над этим, утверждая, что: «…изменившееся посредством подключения экзогенных устройств внутреннее биологическое равновесие человека даст шанс жить в космосе как дома. Автономная нервная система и железы внутренней секреции будут совместно трудиться, обслуживая изменившуюся под новый мир биохимию. Такой процесс станет бессознательным, но в него можно будет сознательно вмешиваться».

Назвав такого космонавта «кибергом», учёные считают, что он представит из себя живую ткань человека с изменёнными в нём «деталями» (искусственного, медико-фармакологического происхождения). Суть такого «киборга», по их мнению, как гомеостатической системы в том, чтобы «робот» (в человеке) самостоятельно и без лишнего присмотра позаботился о «механических» делах, разгрузив собственно «человека» для исследований, мыслей, действий и впечатлений.

… Однако всё же сегодня пока преобладают идеи усовершенствования адаптации человеческого организма к космическому окружению существующими методиками.
И какая из этих идей окажется наиболее жизнеспособной – естественно, покажет время.

Но главное – успешное освоение бездонного космического пространства уже не кажется человечеству нереальной фантастикой.