В ночь на 7 февраля компания SpaceX американского бизнесмена Илона Маска произвела первый запуск ракеты Falcon Heavy, согласно заявлениям разработчиков.
Сам Илон Маск неоднократно связывал проект создания Falcon Heavy с будущим путешествием на Луну и Марс. Неудивительно, что успех проекта многие трактовали как важный шаг в космической одиссее землян, сделавший жителей Земли еще на шаг ближе к полету к Красной планете.
Так ли это на самом деле, и каковы вообще перспективы человечества в этом смысле? Попытаемся разобраться.
Полет над гнездом "Тяжелого сокола"
Способна ли Falcon Heavy полететь на Марс? Безусловно, да. Станет ли она ракетой-носителем, с помощью которой люди совершат первую посадку на Марсе? Крайне маловероятно. Означает ли ее запуск некую важную веху на пути к организации такого полета? Скорее всего, нет.
Falcon Heavy действительно является наиболее мощной ракетой-носителем, используемой в настоящий момент. Она способна вывести на низкую опорную орбиту 63,8 тонны груза, что почти в 2,5 раза больше, чем другие "серийно" летающие в космос ракеты. Для сравнения, российская ракета-носитель тяжелого класса "Протон-М" может вывести на низкую опорную орбиту лишь 23 тонны, столько же поднимает "младший брат" Falcon Heavy, Falcon 9. Американский "Атлас-5" имеет грузоподъемность около 19 тонн, европейская "Ариан-5" – 20 тонн, китайская "Чжанчжен-5" – тоже порядка 20 тонн.
Однако вообще-то в человеческой истории бывали ракеты и помощнее. Например, американская Saturn-5 могла выводить на низкую орбиту 140 тонн, т. е. в 2,5 раза больше, чем Falcon Heavy. Запуски Saturn-5 осуществлялись с 1967-го по 1973-й – в рамках Лунной программы США. Слетав на Луну шесть раз, американцы явно удовольствовались достигнутым. Программа "Аполлон" была закрыта, Saturn-5 больше не собирались.
Оно и понятно: стоимость одного запуска Saturn-5 в пересчете на современные цены составляла около 1 миллиарда долларов США. Это означало, что стоимость вывода на околоземную орбиту 1 тонны груза составляла 7 миллионов долларов.
Для сравнения, запуск российского "Протона-М" сегодня обходится примерно в 65 миллионов долларов, что с учетом его грузоподъемности дает стоимость вывода на орбиту одной тонны груза в 2,8 миллиона долларов. Примерно столько же составляет стоимость вывода на орбиту тонны груза для Falcon 9, запуск которого стоит около 60 миллионов.
Аналогичная судьба постигла советский проект сверхтяжелой ракеты "Энергия", разрабатываемой для проекта "Буран" – аналога американского проекта Space Shuttle. "Энергия" могла выводить на орбиту до 100 тонн груза, а ее так и не появившийся на свет старший брат "Вулкан" – до 200 тонн.
Иными словами, ничего принципиально нового в плане грузоподъемности Falcon Heavy собой не представляет — бывало и больше.
Другое дело, что себестоимость запуска Falcon Heavy сравнительно невелика – по предварительным оценкам, около 90 миллионов долларов. Это, с учетом грузоподъемности ракеты, делает ее довольно выгодным "космическим грузовиком": стоимость доставки 1 тонны груза на низкую опорную орбиту составит порядка 1,4 миллиона долларов США – вдвое меньше, чем у российского "Прогресса-М" или Falcon 9.
Иными словами, Falcon Heavy сможет составить серьезную конкуренцию тому же "Прогрессу" в плане основной "работы", которую сегодня выполняют ракеты – вывода на орбиту различных искусственных спутников Земли.
Правда, в России уже в 2018 году планируют запустить тяжелую ракету "Ангара-А5", которая в теории сможет догнать, а то и обогнать Falcon Heavy по этому показателю. Считается, что запуск одной такой ракеты грузоподъемностью в 38 тонн после "обкатки" производства будет стоить 50-55 миллионов долларов, что позволит достичь показателя в 1,3 миллиона долларов за тонну груза.
Правда, до этого, как говорится, еще нужно дожить.
Путь на Марс
Но вернемся к дальним космическим полетам: сверхдорогие ракеты-монстры для них в прошлом веке создавали совершенно не зря.
Цифры грузоподъемности, которые мы приводили выше, характерны лишь для вывода на низкую орбиту – самую первую ступеньку, которую нужно преодолеть космическому аппарату для полета к Марсу. Для того чтобы попасть на поверхность Красной планеты, кораблю нужно совершить еще множество эволюций.
Так, после выхода на орбиту кораблю нужно набрать достаточную скорость, чтобы покинуть поле тяготения Земли: 11,2 километра в секунду. После этого, правда, двигатели можно выключать: большую часть пути к Марсу корабль пролетит по инерции. Однако с приближением к Марсу у двигателей снова появится работа.
Дело в том, что корабль будет двигаться слишком быстро для того, чтобы выйти на орбиту Марса. Если ничего не предпринять, он просто пролетит его, став искусственным спутником Солнца (как им стал автомобиль Tesla, запущенный в космос Falcon Heavy). То есть, кораблю снова придется включать двигатели для того, чтобы затормозить до 5 километров в секунду, что позволит ему выйти на орбиту Марса.
Каждый из этих этапов требует значительных затрат топлива, которое корабль вынужден везти на "своем горбу". Проще говоря, в 63,8 тонны груза, которую может поднять с Земли Falcon Heavy, должен входить и вес этого топлива, а значит реальная грузоподъемность ракеты для марсианской миссии будет существенно ниже.
Так, по собственным расчетам SpaceX, Falcon Heavy способен доставить на орбиту Марса всего около 4 тонны груза, тогда как вес спускаемого аппарата, который будет приземляться на Марс, вряд ли можно будет сделать меньше 20 тонн.
А ведь выходом на орбиту дело не ограничится. Кораблю (или хотя бы его части) еще надо будет каким-то образом приземлиться (снова-таки, потратив топливо на торможение). А после того как космонавты закончат на Марсе свои дела, надо будет снова взлететь (опять топливо!), выйти на орбиту, а затем разогнаться для схода с нее и взять курс на Землю. Все это – дополнительное топливо, а значит – дополнительный вес. Иными словами, для Falcon Heavy марсианская миссия является делом, увы, неподъемным – в буквальном смысле слова.
Справедливости ради надо сказать, что в SpaceX на самом деле и не планировали использовать Falcon Heavy для пилотируемого полета на Марс с посадкой и стартом с его поверхности. Рассматривался вариант лишь отправки к Марсу беспилотного космического корабля Red Dragon, который должен был доставить на Землю груз марсианского грунта. Однако даже от этого проекта в итоге вынуждены были отказаться из-за ряда трудностей.
Хотя это не значит, что Илон Маск отказался от планов слетать на Марс. Просто планы эти реализуются в рамках другого проекта, не имеющего к Falcon Heavy прямого отношения.
Марсианский проект SpaceX
Планы пилотируемого полета на Марс в SpaceX связывают с т. н. Межпланетной транспортной системой, Interplanet Transpot System, или ITC.
В сентябре 2017 года Илон Маск представил обновленный проект реализации такой системы, в основе которой лежит космический корабль BFR – Big Falcon Rocket.
Big Falcon Rocket должен состоять из двух ступеней. Первая из них, ускоритель, позволит вывести корабль на орбиту Земли, а вторая будет отвечать за полет к Марсу. Обе ступени предполагается сделать многоразовыми.
BFR (в составе двух ступеней) будет иметь такие же размеры, как и Saturn-5, и сможет поднимать на орбиту 150 тонн груза, т. е. лишь немногим больше, чем старая ракета. Преимуществом BFR будет существенно более низкая стоимость запуска.
К слову, BFR по плану Маска, должен вытеснить с рынка все другие космические аппараты, заменив в том числе Falcon 9 и Falcon Heavy.
В SpaceX предполагают, что после вывода на околоземную орбиту ускоритель BFR вернется на землю, а вторая ступень проведет на орбите какое-то время, пока другие аналогичные корабли, оборудованные под работу в качестве танкеров, заправят его доставленным с Земли топливом. Его – по расчетам – должно хватить для того, чтобы долететь до Марса и приземлиться там.
Однако на взлет и обратный полет этого топлива BFR уже не хватит. Поэтому в SpaceX предлагают предварительно отправить на Марс несколько кораблей без экипажа и пассажиров.
Они полетят в один конец, но зато доставят на Марс части автоматической установки по производству метана и жидкого кислорода из местной атмосферы – то есть ракетного топлива. Им-то и заправится пилотируемый космический корабль, когда он через несколько лет прибудет на Марс. Таким образом, космонавты и смогут вернуться на Землю.
Отправить на Марс беспилотные корабли Илон Маск планирует уже в 2022 году, т. е. через пять лет. А на 2024 год намечен старт к Марсу и пилотируемого корабля. Иными словами, по планам Маска, уже через семь-восемь лет мы сможем увидеть первые селфи людей на поверхности Марса! Захватывающе, не правда ли?
Однако многие исследователи считают такой проект слишком сложным. В частности, они указывают на то, что производство ракетного топлива из атмосферы Марса хотя и возможно теоретически, будет связано с большим количеством технических проблем.
В частности, для этого потребуется каким-то образом доставить на Марс достаточно мощный источник энергии – по крайней мере, небольшой ядерный реактор, и существуют большие сомнения в том, что все компоненты системы удастся заставить согласованно работать без участия человека.
NASA приземляться не спешит
У NASA существует свой собственный марсианский проект, никак не связанный с впечатляющими, но не слишком реалистично выглядящими планами Илона Маска. Здесь покорение Марса связывают с проектом создания сверхтяжелой ракеты-носителя SLS, которая будет использована для вывода в космос корабля "Орион" массой около 25 тонн.
"Орион" принципиально ничем не отличается от кораблей серии "Аполлон", однако построен с использованием куда более совершенных технологий, а потому должен быть мощнее, эффективнее и экономичнее.
Беспилотная версия "Ориона" впервые полетела в космос еще 5 декабря 2014 года. Сборка пилотируемой версии началась в январе 2018-го. В 2019 году ожидается первый полет "Ориона" вокруг Луны (без экипажа), в 2022 году – первый пилотируемый полет (также вокруг Луны). Старт к Марсу запланирован на 2033 год (через 7 лет после того, как туда намерен попасть Илон Маск). Предполагается, что за это время на орбите Луны будут созданы запасы топлива и всего необходимого для марсианской миссии – лунная орбита станет, таким образом, своего рода "аэродромом подскока".
Однако вынужден разочаровать читателей: в планах проекта SLS-"Орион" посадки на Красную планету не предполагается. Это можно будет сделать еще через несколько лет и пару-тройку миссий, в ходе которых на орбите Марса будет создана орбитальная станция – своего рода "космическая АЗС", которая обеспечит достаточным количеством топлива операцию по посадке "Ориона" на Марс и взлету с него.
Иными словами, "сэлфи с Марса" в проекте НАСА ожидаются не раньше 2050 года.
Россия тоже хочет на Марс
У Российской Федерации имеются свои представления о способах попасть на Марс.
Первый из них в целом похож на проект НАСА, только российский корабль называется "Федерация", а первый пилотируемый полет к Международной космической станции запланирован на 2024 год (тот самый год, в который Маск планирует отправить первую пилотируемую миссию на Марс). К 2033 году россияне планируют слетать на Луну (НАСА тогда уже должно готовиться к запуску "обзорной орбитальной экскурсии" к Марсу). И лишь когда-нибудь потом "Федерация" сможет слетать и на Марс, который, если верить Маску, к тому моменту будет уже основательно исследован и освоен.
Но в России активно разрабатывают другой, более амбициозный, проект. Для того чтобы понять, о чем идет речь, нам придется сделать небольшое, но очень важное отступление.
Шанс для прорыва в космос: электричество вместо химии
Как известно, космические ракеты приводятся в действие реактивной тягой. Принцип ее работы прост: если мы отбрасываем что-то от себя, то нас отбрасывает в другую сторону с силой, пропорциональной массе и скорости отбрасываемого. С помощью этого принципа передвигаются многие водные организмы: например, морской гребешок, кальмары и т. п.
Тот же принцип используют реактивные самолеты и космические ракеты. Только в них используются более высокоэнергетичные процессы: в камере двигателя топливо соединяется с окислителем и воспламеняется. Выделяющаяся химическая энергия нагревает продукты горения до высокой температуры, в камере создается высокое давление, за счет которого продукты горения выбрасываются наружу через сопло – с очень значительной скоростью.
Чем больше эта скорость и чем больше интенсивность истечения выбрасываемых продуктов горения – тем быстрее летит ракета или космический корабль. К примеру, в первой ступени двигателя ракеты "Протон-М" за 121 секунду работы сгорает более 400 тонн топлива и окислителя. То есть за одну секунду из сопел двигателя выбрасывается более трех тонн вещества.
Но проблема в том, что, как уже писалось выше, топливо космической ракете приходится везти "на своем горбу". В результате значительная часть мощности двигателя тратится на разгон запасов топлива, которые придется сжечь на последующих этапах полета. В случае с Falcon Heavy полезный груз при выходе на низкую орбиту составляет лишь 4% от стартовой массы ракеты, а при полете к орбите Марса – около 1%.
Именно с этим и связаны все трудности дальних космических полетов, о которых мы рассуждали выше.
Проблему можно было бы решить, если бы удалось существенно увеличить скорость истечения продуктов сгорания из сопла: тогда меньшая масса топлива позволила бы разогнаться до большей скорости. Однако эта скорость, к сожалению, сильно ограничена скоростью протекания химических реакций, и существенно увеличить ее уже не удастся.
Однако увеличить скорость реактивной струи все-таки можно, если использовать для работы двигателя не химические реакции, а иные процессы – например, разгоняя заряженные частицы в электромагнитном поле.
Скорость, до которой можно разогнать такие частицы, практически не ограничена: например, в ускорителях их разгоняют до скоростей, близких к световым. А значит, такой двигатель будет требовать для своей работы намного (в десятки и сотни раз!) меньше "топлива".
В химическом ракетном двигателе используется энергия, выделяющаяся непосредственно за счет сгорания топлива. В случае с электрическим (ионным, плазменным) двигателем ее нужно "внести со стороны": электромагнитное поле для разгона частиц "само" не возникнет. Иными словами, кораблю с электрическим ракетным двигателем нужен некий источник питания – и притом достаточно мощный: например, ядерный реактор.
Вторым недостатком такого двигателя будет относительно малая мощность: да, он будет расходовать "топливо" (правильнее будет говорить – рабочее тело) куда эффективнее, но при этом делать это очень медленно. Поэтому использовать электрические ракетные двигатели на Земле невозможно: их тяга будет недостаточно сильна для того, чтобы оторвать ракету от Земли.
В космосе, где сила гравитации значительно меньше, – другое дело. В теории такой двигатель, установленный на борту космического корабля, может разогнать его до скорости, достаточной для полета к Марсу, использовав в десятки раз меньше топлива, чем классический ракетный двигатель.
Именно такие корабли – на электрической, а не химической ракетной тяге – позволят человечеству достигнуть не только Марса, но и других планет Солнечной системы. И главная новость заключается в том, что работа над такими двигателями уже ведется.
Так, в России с 2009 года разрабатывают так называемый транспортно-энергетический модуль (ТЭМ). Разработчиками проекта выступают совместно корпорации "Роскосмос" и "Росатом". Космический корабль будет снабжен компактным ядерным реактором мощностью в 1 мегаватт, который будет создавать энергию для питания 30-киловаттных плазменных двигателей. Работы над реактором планируют закончить к 2019 году, а первый рабочий образец устройства планируют запустить в 2025 году.
Работают над электрическими ракетными двигателями и в США: "Ad Astra Rocket Company" разрабатывает подобное устройство по заказу НАСА и уже испытала несколько стендовых образцов с использованием сверхпроводящих магнитов. По некоторым оценкам, в своей работе разработчики Vasimr продвинулись дальше российских коллег. Что же касается реактора, то в октябре 2017 года НАСА представили систему Kilopower, преобразующую тепло ядерного реактора в электроэнергию с помощью двигателя Стирлинга.
В настоящий момент предполагается, что первые образцы ядерно-электрических установок будут использованы для создания "космических буксиров", предназначенных для доставки грузов с земной на лунную орбиту. И не исключено, что для таких "рабочих лошадок" полет к Марсу окажется вполне подъемной задачей. А даже если нет, то с ней легко справится следующее поколение подобных кораблей, вслед за чем перед человечеством откроется перспектива покорить и более удаленные планеты Солнечной системы.
Иными словами, освоение технологии ядерно-электрического двигателя для космических кораблей может открыть в истории освоения космоса действительно новую главу.
