Космос — потеря позиций или рывок?

Космонавтика всегда была и остается предметом законной гордости жителей нашей страны. Именно наш соотечественник К. Э. Циолковский теоретически обосновал техническую возможность полета в космическое пространство и впервые попытался доказать необходимость такого полета. Именно наш соотечественник Ю. А. Гагарин первым из людей совершил полет по околоземной орбите. Наш соотечественник А. А. Леонов впервые свободно плавал в космическом пространстве, отделенный от него только многослойной тканью скафандра. Созданные в нашей стране автоматы первыми (пусть и с разной степенью результативности) достигли поверхности Луны, Венеры и Марса… Наконец, именно наша страна, а не какая-то другая, в самые тяжелые постперестроечные годы всеобщего воровства и развала, успешно экспортировала самую высокотехнологичную в мире услугу — полет человека в космос!

Но гордость за прошлые достижения не должна мешать видеть сегодняшнюю реальность — а она такова, что не нужно обладать допуском к государственной тайне, чтобы увидеть, что отечественная космонавтика находится в глубоком кризисе. Сам по себе этот факт уже признан на всех уровнях, включая самый высший — государственный. Однако относительно причин этого кризиса, и тем более его сути — общего мнения не существует. А в таком случае не будет и понимания того, как этот кризис преодолевать и в какую концептуальную сторону из него выходить.

Чтобы разобраться в этом вопросе, начнем с, казалось бы, чисто технической проблематики, которая, однако, удивительным образом выводит на самые главные вопросы космонавтики в сегодняшней России.

Техническая проблема, о которой мы говорим и которая уже не первое десятилетие разделяет отечественных специалистов и просто неравнодушных к космонавтике людей на борющиеся лагеря почти так же, как линия фронта воюющие стороны — это выбор компонентов ракетного топлива.

В начале сентября 2018 года в Москве прошла научная конференция, посвященная 110-летию Генерального конструктора ракетно-космической техники, одного из основоположников отечественного ракетного двигателестроения академика В. П. Глушко. Выступая на конференции, главный конструктор РКК «Энергия» Е. А. Микрин заявил буквально следующее:

— При разработке ракеты-носителя сверхтяжелого класса обязательно необходимо экономить средства, выделяемые на опытно-конструкторские работы. В связи с этим мы, в частности, отказались от компоновочной схемы сверхтяжелой ракеты и, соответственно, от разработки крупногабаритного кислородно-водородного блока второй ступени с маршевыми двигателями с тягой более 100 тонн. Это… позволило снизить затраты на опытно-конструкторские работы и обеспечить выполнение всех требований.

Думается, что эта цитата мало что говорит людям, не имеющим технического образования или регулярно не следящим за развитием техники. Тем не менее, даже далекие от этой проблематики читатели наверняка слышали устойчивую фразу, что «водород — это топливо будущего». А кто-то, возможно, вспомнит, что водородное топливо уже применяется в автомобилях (Тойота «Мирай»), реактивных самолетах (наш экспериментальный Ту-155), торпедах (опять же наш «Шквал» и другие) и, конечно, ракетах (от американского «Сатурна» до нашего «Бурана»). Наше особое отношение к водороду, по-видимому, идет от К. Э. Циолоковского, который еще в 1903 году предлагал использовать в качестве ракетного топлива водородо-кислородную смесь как самую энергетически емкую.

Ну, и слегка конспирологический аспект этой темы — нет-нет да и прочтешь статью об ужасном «нефтяном лобби», которое, как утверждается, тормозит внедрение водородных технологий в практику, а заодно и вступление всего человечества в «водородную эру».

Так что же получается — главный конструктор РКК «Энергия» заявляет о сокращении применения столь перспективного водорода в новой ракете-носителе сверхтяжелого класса — и при этом то ли гордится и ставит это в заслугу себе и своей корпорации, то ли докладывает, что, пожертвовав как бы чем-то неважным, сэкономил средства.

Заподозрить главного конструктора РКК «Энергия» в том, что он не в курсе водородной проблематики, довольно трудно. Так, может быть, Е. А. Микрин прав, и применение водорода в качестве ракетного топлива действительно надо сокращать? Ведь и легендарный академик, один из «отцов» отечественного космического двигателестроения, Валентин Петрович Глушко, многие годы категорически выступал против применения водорода в космической технике.

Да, действительно выступал, однако сам же в том же самом НПО «Энергия» создал самую мощную в стране ракету с самой большой в мире водородной ракетной ступенью.

И почему-то сегодня в мире никто даже не планирует строить сверхтяжелые машины (100 и более тонн полезного груза на низкую околоземную орбиту) без широкомасштабного использования жидкого водорода — кроме нас! В чем же дело?

Чтобы это понять, надо начать с азов — с рассмотрения плюсов и минусов водородного топлива.

Среди изученных вариантов ракетного топлива есть более эффективные, чем сочетание «водород-кислород» (и тот, и другой, разумеется, размещаются в ракете в жидком виде), но из всех эффективных оно — единственное неядовитое. Мы уже загрязняем Землю крайне токсичными гидразином и гептилом. Не хватало еще использовать в ракетах, регулярно летающих в земной атмосфере, в качестве компонента топлива фтор, более эффективный чем водород — это было бы уже совсем «за гранью добра и зла». Таким образом, по экологичности водород дает сто очков любому другому топливу, а по эффективности уступает не намного.

Еще о критерии эффективности. Эффективность ракетного двигателя определяется скоростью истечения из него реактивной струи за счет сгорания ракетного топлива. Согласно формуле Циолковского, скорость истечения реактивной струи пропорциональна температуре в камере сгорания и обратно пропорциональна молекулярной массе продуктов сгорания. Температура горения водорода в кислороде выше, чем, например, керосина, а молекулярная масса воды, получающейся при этом, в 2,5 раза меньше, чем углекислого газа, непременно образующегося при горении того же керосина. В результате, скорость истечения реактивной струи у жидкостно-реактивного двигателя (ЖРД) на водороде в 1,2-1,3 раза выше, чем на керосине.

Соответственно, в определенной пропорции сокращается и масса топлива (а значит, и стартовая масса носителя), необходимая для вывода на ту или иную траекторию того же полезного груза. Или, иначе говоря — при той же стартовой массе полезный груз увеличивается. И увеличивается совсем не мало: напомним, что «частично-водородная» американская ракета-носитель «Сатурн-5» была всего на 13% тяжелее советской «цельнокеросиновой» Н1, но на околоземную орбиту поднимала в полтора раза больше! И если масса полезного груза будет задана жестко, то это может означать разницу между возможностью и невозможностью создания носителя.

Помимо названых, есть еще достаточно много причин, почему переход на использование жидкого водорода неизбежен.

— После сжигания водородной смеси на выходе образуется только водяной пар.

— Реакция воспламенения происходит быстрее, чем с другими видами топлива.

— Водород устойчив к детонации (взрыву), благодаря чему удается поднять степень его сжатия.

— Водорода во Вселенной гораздо больше, чем углеводородов, и, в отличие от последних, он не является ценнейшими химическим сырьем.

— И, наконец, водород наиболее привлекателен для использования в перспективных атомных ракетных двигателях, т. к. при нагреве в реакторе, в отличие от веществ с более сложным строением ядер, он не активируется, А когда появятся термоядерные двигатели, опять именно водород станет топливом (ведь дейтерий и тритий — это изотопы водорода, а гелий-3 близок к ним по своим эксплуатационным параметрам).

Конечно, у водорода есть и минусы, которые, в каком-то смысле, происходят из его же достоинств. К этим минусам и адресуют противники немедленного перехода на водородное горючее (речь именно о немедленном переходе — все глобальные преимущества жидкого водорода они не отрицают).

Прежде всего, жидкий водород очень легок. И хотя по весу его нужно меньше, чем обычного топлива, ракетные баки для него все равно приходится строить существенно большего размера, прежде всего — диаметра. А в нашей стране не так много заводов, где можно изготовить ракетную ступень с такими баками. И еще более существенно то, что крайне сложно их доставлять с завода на космодром.

Сложность доставки баков большого диаметра (и, соответственно, блоков наших ракет-носителей) в том, что для решения этих задач может быть использован, в основном, железнодорожный транспорт. А это мосты, туннели, виадуки только определенной высоты и ширины, опять же малое расстояние между соседними путями, необходимость в специальных вагонах для их перевозки и многое другое.

В Советском Союзе при создании ракеты Н1 попробовали перенести окончательную сборку баков на Байконур, но опыт оказался крайне неудачным. На космодром приходилось посылать в командировки тысячи специалистов, компенсировать им весьма суровые условия работы и жизни в казахстанской степи повышенной оплатой, завод практически был разделен на две, разнесенные на полторы тысячи километров, части.

Для ракеты «Энергия» попробовали другой вариант — были созданы уникальные средства воздушной транспортировки. Но сегодня эти сверхтяжелые самолеты уже недоступны. Их воссоздание заложено в программу ПАК ТА (перспективный авиационный комплекс транспортной авиации), но когда этот комплекс будет изготовлен — прогнозировать трудно.

Еще больше проблем возникает с эксплуатацией водорода. Например, после заправки жидким водородом в баках должна поддерживаться температура всего на 20 градусов выше абсолютного нуля. Добиться этого можно, но для этого вся система производства, хранения и подачи жидкого водорода должна иметь качественно более высокую технологическую культуру на всех этапах, начиная с производства материалов для соответствующих агрегатов. Жидкий водород — крайне опасная субстанция, он в принципе не совместим с работой «на авось», с изучением нормативной документации уже после того, как что-то пошло не так, и с другими сходными особенностями нашего «национального менталитета». Добавим, что для безопасной эксплуатации жидководородных систем требуются качественно иные кадры, принципиально больший уровень автоматизации и прочее, и прочее. А это всё — не только средства, которых, как известно, всегда не хватает, но и люди, которых не хватает еще больше.

Но ведь все эти проблемы уже ставились и решались еще в начале 1960-х годов, когда определялся облик первого советского тяжелого носителя Н1. Тогда С. П. Королёву удалось отстоять компоненты «кислород-керосин» против ядовитых и дорогих (и тогда, и сейчас) гептила и азотного тетраоксида. А водород уже тогда рассматривался как горючее для перспективных модификаций ракеты.

И в 1970-х, когда делали «Буран» и то, что потом получило название «универсальная ракетно-космическая транспортная система «Энергия», необходимость водорода на второй ступени никем уже не оспаривалась. Впрочем, этому очень способствовал пример американского «Сатурна-5» (у которого водородное горючее позволило сократить число ступеней до трёх и всего на 13% большей стартовой массе доставить на Луну не одного, а двух человек) и «Шаттла» (который и стал возможен только благодаря применению водорода).

И наконец, хоть Е. А. Микрин и заявляет, что предлагаемая схема «обеспечивает выполнение всех требований», она явно этого не обеспечивает!

Согласно материалам, представленным на выставке «Армия-2018», предлагаемая «Энергией» ракета-носитель сверхтяжелого класса будет поднимать на низкую околоземную орбиту только 88 тонн, что не позволит реализовать полет к Луне одним пуском. Причем это подтвердил сам Микрин и другие сотрудники РКК «Энергия» на 43-х Академических чтениях по космонавтике в январе 2019-го. А если — как это прозвучало в некоторых заявлениях — некоторые блоки сверхтяжелого носителя планируется сделать многоразовыми, то это еще больше сократит массу полезного груза…

Зачем же главный конструктор «Энергии» предлагает эту схему? Думается, от безвыходности.

Дело в том, что решение проблем «минусов» жидкого водорода выходит за пределы компетенции не только РКК «Энергия», но даже и Роскосмоса в целом. И производство жидкого водорода, и подъем технологической культуры, и развитие производственно-транспортной инфраструктуры — задачи не отраслевого масштаба, а общегосударственного.

В Советском Союзе эти задачи ставились и решались именно как государственные. В середине 1970-х годов была разработана и принята к реализации широкомасштабная программа применения водорода для различных отраслей народного хозяйства.

Программа была комплексной и состояла из нескольких частей. Ее авиационная часть получила название «Холод», и предполагала создание вертолетов и до-, сверх- и гиперзвуковых самолетов на водородном топливе. А были еще части морская (водород-кислородные электрохимические генераторы для подводных лодок), автомобильная и даже металлургическая (активно изучался вопрос использования водорода вместо кокса для восстановления железа из руды).

Программа реализовывалась планомерно и настойчиво, но, к сожалению, медленно. К концу 1980-х годов многое было сделано, в частности, были созданы опытные образцы мобильных систем хранения жидкого водорода и заправки его в самолеты, подводные лодки, автомобили. Но тут грянула перестройка, опытные образцы не успели стать серийными, а потом…

Сегодня нереализуема не только эта гигантская программа, но и, как уже говорилось, гораздо более простая задача доставки баков большого диаметра с завода на космодром.

В США и Китае эта проблема решена предельно просто: заводы и космодромы находятся на океанском побережье, и доставка ракетных ступеней производится по воде! Но нам этот путь закрыт географией.

Напрашивается решение, озвученное бывшим вице-премьером по оборонке, а ныне руководителем Роскосмоса Д. О. Рогозиным: строить на космодроме не сборочный комплекс с работой командированных, а полноценный завод для изготовления крупногабаритных ракетных модулей, а может быть, и КБ для их разработки. Но это решение, опять-таки, выходит за пределы компетенции Роскосмоса! А в постсоветской России «космическое» руководство не только не решается, но просто панически боится ставить общегосударственные вопросы.

Впрочем, есть еще один вариант. И он даже еще более перспективен и, как бы сказать, футуристичен. Ведь ракета-носитель, хоть бы и сверхтяжелого класса — не самоцель, а часть космической транспортной инфраструктуры. Так почему бы не собирать транспортные корабли нужной грузоподъемности и заправлять их прямо на околоземной орбите? Откуда и организовать доставку, например, обитаемых модулей и транспортно-рабочих луноходов на поверхность Луны. Ведь, в конце концов, стыковка, сборка и заправка крупногабаритных космических аппаратов в космосе давно уже не является неразрешимой технической проблемой.

Однако для реализации такого варианта нужны другие средства доставки грузов на околоземную орбиту: не столь большой грузоподъемности, но курсирующие с точностью и надежностью железнодорожного транспорта! К тому же в них — по крайней мере, пока — можно обойтись без водорода. Но зато потребуется высокая регулярность пусков, наращивание серийности производства, радикальное упрощение технологии наземной подготовки и еще многое, многое другое… А значит — радикальная трансформация всей ракетно-космической промышленности и многих смежных отраслей, и серьезнейшая психологическая перестройка кадров отрасли. То есть, опять-таки, для всего этого необходимо государственное решение!

Такова, в кратком рассмотрении, проблематика применения водорода в космической промышленности. Будет ли принято в связи с этим общегосударственное решение и на какой срок затянется его реализация — неизвестно.

Но за этой проблематикой маячит еще более глобальный вопрос — чего мы вообще хотим от гражданского космоса? Зачем мы вкладываем огромные деньги, силы и материальные средства в это направление?

Понятно, чем был космос в эпоху СССР — там была великая Идея, мечта о всемерном развитии человека, человека-творца, Человека с большой буквы. И космос как нельзя лучше символизировал и оправдывал эту идею.

Но для чего нужен космос сегодняшней безыдейной России — России потребителей?

(Продолжение следует)