Новая лунная гонка. Как долететь до Луны на «попутках»

В связи с новой попыткой человечества «достать до Луны» мне вспоминается старый анекдот касательно петуха, который гонялся вокруг деревенской хаты за упрямой курицей-недотрогой, по ходу погони думая о том, что «коль уж не догоню, так уж точно согреюся!», так как действие анекдота происходило поздней осенью.

Что ни говорить, а нынешняя ситуация в космонавтике отнюдь не напоминает знойное врямя 1960-х, когда, как оказалось, мы жили в ситуации настоящего «мира космического полудня». О причинах той безумной гонки и о её неизбежном окончании я уже написал в двух прошлых частяхрассказа о новом лунном забеге, поэтому повторяться не буду.

В этой части сюжета я расскажу о том, что сейчас реально могут сделать Россия, США и Китай в деле создания новых ракетных и космических комплексов, которые снова смогут достичь орбиты и поверхности Луны.


1. США. «Давайте возьмём молоток побольше...»

Подход американцев к новому старту к Луне в чём-то похож на их концепцию 1960-х годов, когда они решились на создание сверхтяжёлой ракеты-носителя «Сатурн V», позволившей им уйти от потребности собирать что-либо на орбите или использовать многопусковую схему.
Нынешняя реинкарнация сверхтяжёлой американской ракеты называется SLS и я уже описывал существующий подход к её созданию, который заключается в максимальном использовании предыдущего задела из проектов «Дельта IV», «Спейс Шаттл» и даже, возможно, всё того же «Сатурна V».


Второй успешный тест нового пятисекционного стартового ускорителя ракеты SLS прошёл 28 июня 2016 года.

Однако, даже адаптация предыдущего технологического и конструкционного задела отнюдь не идёт так гладко, как это представлялось изначально, на старте программы SLS в 2011 году.
После пяти лет предварительных работ по программе, кроме несомненных технических успехов в деле создания отдельных компонентов выявились и откровенные провалы в деле создания новых ракетных ступеней даже из существующего задела.

Так, оригинальный план 2012 года по развитию программы SLS предполагал, что уже в 2015-м году НАСА сможет сделать выбор по так называемому проекту «усовершенствованного стартового ускорителя», который бы смог уйти от унаследованных от «Шаттла» ограничений на тягу первой, разгонной ступени SLS — ускорителей SRB. По сути дела, нынешние ускорители, которые испытывают для SLS — это те же ускорители «Шаттла», к которым приставили дополнительную, пятую твердотопливную секцию.


Все секции ускорителей SLS и системы «Спейс Шаттл», называющихся SRB, имеют одинаковый размер. Просто у SLS их на одну больше. На фотографии — транспортировка секций ускорителей по железной дороге.

Такое половинчатое решение не позволяет сколь-либо значительно модифицировать ускоритель «Шаттла» и поднять его стартовую тягу: фактически  речь идёт лишь о том, что дополнительная, пятая секция обеспечивает ускорителю только дополнительное время работы, что не совсем соответствует требованиям, которые стоят перед системой SLS. В силу этого первый вариант SLS (Block I), который использует SRB, в начальных планах НАСА должен был быть заменён на один из проектов «усовершенствованного стартового ускорителя» как можно быстрее, что тут же поднимало грузоподъёмность системы SLS с 70 до 105 тонн на низкой околоземной орбите (НОО).

В качестве замены для SRB планировалось три варианта «усовершенствованного стартового ускорителя»: компания «Аэроджет» предлагала ускоритель на керосиново-кислородном двигателе AJ1E6 закрытого цикла (который базировался на идеях, взятых с РД-180 производства РКК «Энергия»), компания «Рокетдайн» считала, что сможет построить свой керосиново-кислородный ускоритель первой ступени Pyrios на доработанном F-1 открытого цикла с «Сатурна V», а создатель ускорителя SRB, компания ATK, готова была предоставить на конкурс новый твердотопливый ускоритель Dark Knight («Чёрный рыцарь»).
Однако, уже в середине 2015-го года стало понятно, что ни Pyrios от «Рокетдайна», ни проект «Аэроджета», ни даже модернизация SRB от ATK не смогут соответствовать всем требованиям НАСА, в результате чего было объявлено, что на модифицированном SRB ракета будет летать вплоть до конца 2020х годов, что сразу же ограничило её максимальную грузоподъёмность с учётом перспективных доработок третьей ступени до 100 тонн на НОО.


Good buy, Dark Knight. Ну и другие проекты ускорителей — тоже.

В целом же, из общей стоимости разработки и постройки программы SLS в 35 млрд. долларов США, по состоянию на конец 2015-го года было уже потрачено 7,7 млрд. долларов (с 2011 года), однако программа по-прежнему ещё не вышла из этапа стендовых испытаний.
Более того, ситуацию с основным блоком ракеты, второй  ступенью (т.н. core stage) также пока что нельзя назвать радужной: пока что она состоит лишь из отдельных частей, мало связанных между собой в металле, в силу чего начальный срок первого запуска в 2017-м году, который был объявлен на старте программы в 2011-м, сегодня уже выглядит не то что, сверхоптимистичным, но уже и несбыточным.


Состояние частей core stage ракеты SLS на середину сентября 2016 года.

Учитывая такие проволочки и изменения в плане создания носителя SLS, можно сомневаться и в сроках и осуществимости в полной мере изначальных прикидок по новой американской лунной программе и другим программам исследования дальнего космоса.

Всё дело в том, что доступная на лунной траектория полезная нагрузка для ракеты SLS в варианте Block I с ускорителями SRB составляет лишь 28 тонн, в то время, как ожидания для перспективных ускорителей были гораздо выше — до 48 тонн на лунной траектории.


Один из проектов НАСА, который в переспекиве использовал более высокую грузоподъёмность ракеты SLS с усовершенствованными ускорителями — аппарат Deep Space Habitat, который должен был обеспечить 60-ти и 500-дневные исследовательские миссии на высокой околоземной орбите, вне поясов Ван Аллена.

Такое ограничение грузоподъёмности сразу же ставит под вопрос массу миссий, на которые рассчитывали SLS в вариантах Block IB и Block 2, с новыми ускорителями. В такие миссии входил и проект Deep Space Habitat, который должен был в реальности проверить эффекты влияния межпланетного пространства на человеческий организм в условиях отсутствия защиты от магнитного поля Земли, и проект Nautilus X, в рамках которого в НАСА хотели отработать создание космической станции с тороидальным вращающимся сегментом, который мог бы реализовать идею замены силы тяжести центробежным ускорением и рассматривали использование надувных модулей В330, которые сейчас проектирует компания «Бигелоу Аэроспейс».


Марсианин, подожди. Мы не готовы тебя спасать. Визуализация пока что недостижимого проекта Nautilus X.

Кроме того, 48 тонн на лунной траектории позволяли НАСА, особо не напрягаясь, повторять все технические и конструкционные решения программы «Аполлон», только уже на новом технологическом уровне. Однако, ограничение в 28 тонн на лунной траектории и пробуксовка всей программы SLS вносят в американскую лунную программу свои коррективы — в силу чего сегодня можно наблюдать массу заявлений и концепций, часто противоречащих друг другу, но так или иначе учитывающих прискорбный факт: пока что американцам можно рассчитывать лишь на 50% грузоподъёмности старичка «Сатурна V» на НОО (70 тонн вместо 140 тонн), да и этот результат вполне может быть доступен только в самом конце 2010-х годов.
Пока же, судя по всему, лунная программа США будет как-то учитывать тот прискорбный факт, что существующий SLS, хоть и является самым мощным из существующих и разрабатываемых носителей, повторить даже схему полёта «Аполлона» не в силах.


Недостижимый теперь план: так летели к Луне «Аполлоны» и как собирались лететь к ней «Союзы»-ЛОК-ЛК. Но теперь даже у США нет ракеты, сравнимой по мощи со старым «Сатурном V» или советской Н-1.

Ну и, в общем-то, есть проблемы и со всеми альтернативами НАСА: после недавней катастрофы Falcon-9, весьма неудачно и загадочно взорвавшегося прямо на стартовом столе, ожидаемо поплзли в будущее и сроки первого запуска Falcon Heavy, что тоже не добавляет оптимизма америанским лунным или марсианским раскладам. Поэтому — тут мы пока утешимся красивой анимацией от SpaceX, в которой стартовые мачты космодрома не погибают в облаке горящего керосина:



2. Китай. Дракон за Великой стеной.

Говорить о планах Китая в новой лунной гонке сложнее всего. Небольшое количество опубликованных, а то и реально подсмотренных материалов о китайских лунных планах задают больше вопросов, нежели дают ясных и однозначных ответов, в то время, как китайский официоз скорее декларирует общие планы и сроки, но не сообщает существенных деталей о технологии их осуществления:


Краткое описание китайской схемы полёта к Луне в случае использования трёхпусковой схемы. Рандеву на земной орбите.

В случае Китая речь может идти только о трёхпусковой схеме: одной тяжёлой ракетой «Чанчжэн-5», о которой я писал,  выводится возвращаемый аппарат/ орбитальный корабль и лунный посадочный модуль совместно с тормозным блоком для перехода на лунную орбиту, а ещё на двух ракетах выводятся на НОО танкер и разгонный блок для запуска космического корабля на траекторию к Луне. Вся эта мегаконструкция стыкуется на земной орбите, после чего переходит на траекторию полёта к Луне.
По другому в случае Китая людей к Луне не запустить: разрабатываемая сейчас ракета «Чанчжэн-5» сможет вытянуть на НОО 25 тонн полезной нагрузки, что составляет чуть больше трети грузоподъёмности сверхтяжёлой американской SLS, причём даже в самом «кастрированном», текущем варианте, со старыми удлинёнными на одну секцию стартовыми ускорителями SRB. Но даже пять тонн дополнительного веса, который могут вытянуть на НОО три «Чанчжэна-5» (25+25+25 тонн вместо 70 тонн у SLS) надо будет потратить на всякие стыковочные узлы, маневровые двигатели и топливо для коррекции орбит и стыковки. Так что, в целом, проблемы Китая с пилотируемой экспедицией к Луне столь же неприятны, как и у американцев с их «недоделанным» SLS.

В некоторых источниках можно встретить четырёхпусковой вариант китайского полёта к Луне. При запуске с помощью четырёх ракет, два пуска выводят на НОО лунный орбитальный корабль и лунный посадочный модуль со своими тормозными блоками, использующимися для торможения у Луны, а ещё две ракеты-носителя выводят лунные разгонные блоки, которые стыкуются отдельно с орбитальным кораблём и с лунным посадочным модулем. Для всех пусков используются ракеты «Чанчжэн-5», что, в целом, позволяет поднять массу конструкции до 100 тонн (4 пуска по 25 тонн) и приблизиться к параметрам советского лунного проекта с использованием ракеты Н-1. После двух околоземных стыковок орбитального корабля и лунного посадочного модуля со своими разгонными блоками, две части лунного комплекса стартуют к нашему спутнику по отдельности, по отдельности же выходят на окололунную орбиту (причём все эти операции, начиная от стыковки на земной орбите и заканчивая выходом на лунную орбиту лунным посадочный модуль делает в автоматическом режиме по командам с Земли). Ну а финальным аккордом такой схемы является стыковка орбитального корабля с лунным посадочным модулем на орбите Луны:

 Схема китайской лунной программы в случае четырёхпусковой схемы. Тройное рандеву — дважды на земной и один раз — на лунной орбите.

Ну и, наконец, есть ещё один вариант трёхпусковой схемы, который сочетает варианты рандеву на земной и на лунной орбите. В этом варианте апробированная лёгкая ракета-носитель (скорее всего — ещё старый, но проверенный «Чанчжэн-2F» на токсичной паре НДМГ+АТ) выводит на околоземную орбиту пилотируемый лунный корабль с экипажем, вторая, тяжёлая ракета-носитель «Чанчжэн-5» — выводит на НОО лунный разгонный блок, который стыкуется с пилотируемым орбитальным кораблём, а ещё одна тяжёлая ракета-носитель «Чанчжэн-5» выводит на околоземную орбиту лунный посадочный модуль с пристыкованным к нему разгонным блоком, который стартует к Луне отдельно, где и происходит финальная встреча с долетевшим туда самостоятельно орбитальным кораблём:


Комбинированная схема трёхпускового полёта к Луне, с одним рандеву на земной и одним рандеву на лунной орбите. Разгонный и тормозной блоки для лунного модуля не показаны, но они там скорее всего есть.

Насколько такая схема позволит гарантированно добраться до Луны у меня, если честно, вызывает вопрос. Два «Чанчжэна-5» позволяют вывести на НОО не более 50 тонн и ещё около 9 тонн можно забросить с помощью «Чанчжэн-2F» в пилотируемом варианте. В сумме это даёт не более 59 тонн полезной нагрузки на НОО, что критически мало даже для полёта двух тайконавтов к Луне (именно в силу этого факта грузоподъёмность королёвской Н-1 по ходу реализации советской лунной программы вытягивали с 75 тонн до 90 тонн).
С другой стороны, если на вышеприведенной схеме просто «забыли» ещё один «Чанчжэн-5», то всё становится не столь печальным: тогда в такой схеме на орбиту попадает около 80 тонн полезной нагрузки (25+25+25+9 тонн), чего уже вполне хватает на задуманный план лунной экспедиции.

Надо сказать, что как уже было отмечено, пока что все китайские материалы о пилотируемой лунной программе скорее носят эскизный характер: судя по всему, окончательное решение о конфигурации лунной пилотируемой программы в Китае не принято, хотя принципиально китайцы однозначно нацелились на покорение Луны.

Кроме того, не стоит скидывать со счетов и возможность Китая реализовать свой проект сверхтяжёлой ракеты-носителя. Пока что такой проект лишь был представлен на международном аэрокосмическом конгрессе в 2013 году, однако опровержений озвученной тогда информации о проекте сверхтяжёлого «Чанчжэн-9» пока что не поступало.


Сравнительные размеры китайский ракет-носителей: «Чанчжэн-7» (CZ-7, развитие пилотируемого «Чанчжэн-2F»), новой тяжёлой ракеты «Чанчжэн-5» (CZ-5) и проектируемой сверхтяжёлой «Чанчжэн-9» (CZ-9).

Разрабатываемый китайский сверхтяжёлый носитель, согласно имеющимся сообщениям, будет выводить массу полезной нагрузки до 133 тонн на НОО и до 50 тонн на лунную траекторию, так как пока что будет использовать керосиновые разгонные блоки. Рассматриваются два альтернативных варианта ракеты-носителя: схема A — с керосиново-кислородными ускорителями и схема B — с твердотопливными ускорителями первой ступени.



Пока что планы на создание «Чанчжэн-9», который уже заочно назвали «китайским "Сатурном V"», носят ещё более эскизный характер, нежели варианты запуска с использованием уже существующего в металле «Чанчжэн-5», однако в случае его создания Китай и в самом деле получит носитель самого тяжёлого класса, который вполне встанет в один ряд с советскими Н-1 и «Энергией» и американским «Сатурном V», позволив осуществить амбициозный план запуска китайских космонавтов к Луне с помощью лишь одного-единственного пуска с Земли.

3. Россия. Будем жить по средствам.

На фоне реально создающегося в США сверхтяжёлого носителя SLS и успехов Китая в сегменте создания тяжёлых носителей — «Чанчжэн-5» и планов по сверхтяжёлому носителю «Чанчжэн-9», у России ситуация с новой лунной программой выглядит совсем не так радужно.
Фактически, российские намётки по лунному проекту страдают от тех же ограничений, что и китайская лунная программа, а именно — от отсутствия свехтяжёлой ракеты, которая могла бы разом решить массу проблем в освоении дальнего космоса.

Вот существующая российская схема пилотируемой лунной программы:






Фактически, российская схема полёта к Луне — это четырёхпусковая схема с использованием четырёх ракет «Ангара-А5В» с криогенным разгонным блоком и с двумя рандеву на околоземной и одним рандеву на окололунной орбите. Аналогичная схема показана на второй «китайской» схеме, в которой используется четыре запуска «Чанчжэн-5». Проблема «Ангары» в её базовом варианте состоит ещё и в том, что её грузоподъёмность хоть и ненамного, но ниже, чем у «Чанчжэн-5», в силу чего при четырёх пусках обычной «Ангары-5» на НОО можно вывести лишь 96 тонн груза против 100 тонн у 4-х «Чанчжэн-5».
В силу этого в российском проекте делается упор на криогенную вторую ступень, которая позволяет поднять нагрузку на НОО до 34-38 тонн и довести общий вес четырёхпускового проекта до 136-152 тонн. В таком варианте, как показано на схемах, на лунной орбите можно иметь сцепку весом в 36,2 тонны — не хуже, чем в варианте американского проекта «Аполлон», а в чём-то даже и лучше — так, в российском варианте четырёхпускового запуска массу посадочного лунного модуля можно иметь 18,2 тонны против 15 тонн в проекте «Аполлон».

С другой стороны — сама по себе судьба криогенной ступени для «Ангары-5» пока что находится под вопросом, в силу чего, возможно, российским конструкторам надо будет действовать в ограничениях 96 тонн на четыре запуска, что уже гораздо более неприятно с точки зрения возможностей экспедиции и фактически сводит её к варианту лунной программы Н-1, с двумя космонавтами во всей экспедиции и с одним — в лунном посадочном модуле.

«Сумму технологий» современного российского ракетостроения можно наглядно рассмотреть вот на этой достаточно полной схеме (кликабельно):



На ней достаточно наглядно показаны существующие и разрабатываемые российские универсальные ракетные модули (УРМ). В их число входят УРМ-1М, базовый модуль семейства «Ангара», работающий на кислороде и керосине с использованием «четвертушки» от двигателя РД-171, двигателя РД-191:


Однокамерный РД-191 был сделан путём «деления на четыре» очень удачного двигателя РД-171, который в оригинале устанавливался на первой ступени РН «Энергия» — южмашевском «Зените»

Второй УРМ, тоже работающий на паре керосин-кислород — это УРМ-1К, который должен использовать полноразмерный, четырёхкамерный РД-171 от «Зенита». Заменой скорее всего уже безвременно погибшего украинского ракетоносителя станет новая РН «Феникс», которая должна заменить «Зенит» и под которую, вполне возможно, и была произведена покупка «Морского старта».


Четырёхкамерные двигатели РД-171 на ракете «Зенит» (слева) и его «дедушка» РД-108 на центральном блоке «Союза», ведущего своё происхождение от баллистической ракеты Р-7 (справа).

Однако, понятным образом, с планируемой грузоподъёмностью в 15 тонн новый «Феникс» мало чем поможет за пределами геостационарной орбиты Земли, в силу чего для Луны могут быть задействованы иные, более мощные варианты компоновок универсальных ракетных блоков.

Эти компоновки показаны в правой части схемы и носят пока что условные наименования СТК-3, СТК-5 и СТК-7 (по количеству блоков УРМ-1К, стартующих в едином пакете от Земли).
Все эти варианты ракет-носителей используют криогенный блок третьей ступени, который должен использовать двигатель РД-0150. Универсальный ракетный модуль с использованием РД-0150 носит название УРМ-3В а также проходит под именем «Амур».

Я уже писал о необходимости криогенного блока для эффективности вывода грузов на околоземную орбиту, так и для обеспечения разгона к Луне. К сожалению, история водородных двигателей в СССР, а потом и в России была отнюдь не столь успешна, как в США, которые смогли «оседлать» водород ещё в середине 1960-х годов. В СССР же водородные двигатели были созданы только на излёте существования Советского Союза и использовались на второй ступени РН «Энергия» (РД-0120). Эти мощные двигатели были созданы в воронежском КБ химической автоматики (КБХА) и обеспечивали тягу в 155 тс на уровне моря и 200 тс в ваккуме.

Однако, уже к середине 1990-х годов российские предприятия в связи с интенсивной утратой сложившейся кооперации и стремительным сокращением номенклатуры выпускаемой продукции были уже не в состоянии производить подобный двигатель. По некоторым оценкам, сейчас на восстановление утраченных технологий и возврат к производству РД-0120 требуются затраты в размере 1 млрд. долларов США и несколько лет напряжённой работы.
В силу этого прискорбного факта в 2000-х годах КБХА, используя задел РД-0120, создало меньший кислородно-водородный двигатель, РД-0146, который прошёл все огневые испытания:



Параметры РД-0146 гораздо скромнее гиганта РД-0120. Предсерийный образец РД-0146 рассчитан на тягу в 6,6 тс — почти на два порядка меньше, чем у гиганта РД-0120. В силу этого факта для УРМ-3В «Амур» приходится использовать два моифицированных РД-0146, в варианте РД-0150, который ещё предстоит модифицировать и довести усилиями КБХА.
Ещё более амбициозную задачу ставит и проект ракеты СТК-7, который использует 7 стартовых блоков УРМ-1К и отдельный, ещё не разработанный криогенный разгонный блок с четырмя двигателями РД-0150.
Но тут уже мы и в самом деле входим на тонкий лёд весьма смелых допущений, о которых я уже высказался в своей оценке возможности «Роскосмоса» по созданию своей сверхтяжёлой ракеты, которая и в самом деле поместит Луну на расстояние «вытянутой руки» от всех нас.

alex_anpilogov