«План Циолковского» и наши перспективы

15 февраля генеральный директор Роскосмоса Ю. Борисов провел рабочую сессию с научно-образовательными организациями. Мероприятие было посвящено «развитию отечественной пилотируемой космонавтики и в первую очередь созданию новой российской орбитальной станции».

Ю. Борисов выразил желание в срок до 15 марта получить от научного и университетского сообщества предложения со свежими идеями и новыми взглядами по трем направлениям:

• концептуальные вопросы развития пилотируемой космонавтики (целевая функция пилотируемой активности на околоземной орбите, задачи станций на околоземной орбите, перспективы коммерческих станций, инновационные пути развития техники);

• повышение эффективности пилотируемых программ (снижение стоимости транспортно-технического обеспечения, повышение доли космических экспериментов для решения практических задач);

• разработка прорывных технологий в интересах пилотируемых полетов в дальний космос (технология роботизированных средств и элементов искусственного интеллекта, технология автономного медико-биологического обеспечения длительных полетов, защита экипажа от длительного воздействия радиационного излучения, новые космические двигатели, эффективные средства передвижения по поверхности Луны).

Затем были сказаны замечательные слова: «Нужно выбрать правильную дорогу, куда нам двигаться дальше. Какого рода космические эксперименты ставить и на что они должны быть направлены, чтобы поднять эффективность научных исследований и государственных вложений в них. <…> Если будут интересные идеи, которые будут внедряться в практическую плоскость, то нам не жалко миллиарды и больше потратить на эти направления».

Насколько известно, в истории советской и российской космонавтики это первое подобное открытое обращение, и, возможно, второе вообще — если достоверен рассказ В. Губарева о том, как С. П. Королёв в середине 1950-х обратился в ряд академических организаций с просьбой предложить эксперименты для проведения на искусственном спутнике Земли. В числе ответов Королёв получил фразы «фантастикой не занимаемся» и «это произойдет не в этом веке».

Проблема, однако, в том, что за месяц (причем короткий, да еще с праздничными днями) подготовить такие предложения с должной аргументацией можно только в одном случае: если в вузах давно и регулярно ведутся соответствующие исследования и их нужно только актуализировать и оформить. К сожалению, я (как и все интересующиеся темой — это не бог весть какой секрет) примерно знаю уровень таких работ в вузах, участвовавших в сессии. Они представляют технический интерес, они могут стать (да и становятся) темами дипломных проектов, но не более того. Об их перспективности говорить либо очень сложно, либо вообще не приходится…

История космического целеполагания в нашей стране

А ведь темы-то важнейшие. Дело в том, что космонавтика, космическая техника чрезвычайно ресурсоемки, а задачи, которые предстоит решать, — необычайно масштабны, значит, и долговременны. Соответственно, крайне важно значение планирования, а планирование невозможно без определения целей развития. Но в нашей стране, даже когда план был законом жизни, с целеполаганием в космонавтике сложилась очень странная ситуация.

С одной стороны, постоянные ссылки на план Циолковского как конечную перспективу, предполагающий расселение человечества по Галактике.

Сам по себе план из 15 пунктов был опубликован в 1926 году в работе, которая так и называлась «План завоевания межпланетных пространств». Первым пунктом там шло создание ракетного (не реактивного) самолета — и мы помним, что в нашей стране эта задача была решена в 1942 году. Собственно выход в космос, т. е. на околоземную орбиту, и возвращение с использованием торможения атмосферой составляли 5-й пункт. В 7-м пункте ученый говорил о создании автономной замкнутой системы жизнеобеспечения, в 8-м — о создании скафандров для, как сейчас говорят, «внекорабельной деятельности». Наконец, 14-й и 15-й пункты предполагали, соответственно, что «население Солнечной системы делается в сто тысяч миллионов раз больше теперешнего земного. Достигается предел, после которого неизбежно расселение по всему Млечному Пути» и «начинается угасание Солнца. Оставшееся население Солнечной системы удаляется от нее к другим солнцам, к ранее улетевшим братьям».

С рубежа 60-х — 70-х годов ХХ века постоянно и обоснованно подчеркивалось, что бо́льшая половина пунктов этого плана уже выполнена. Правда, как-то опускалось, что оставшиеся пункты более объемны и сформулированы гораздо менее конкретно.

С другой стороны, в реальных программных документах (которые долгое время были «совсекретны», но сейчас в немалой степени доступны для изучения), этот «план» не отражен никак. Более того, реальные программные документы уже много лет формируются «снизу»: собираются предложения предприятий-разработчиков ракетно-космической техники, и как-то (крайне непрозрачный и насквозь лоббистский процесс) увязываются в нечто целое (что назвать «системой» крайне сложно).

В советские времена это не было столь явно и горько, потому что космонавтика развивалась — медленнее, чем планировалось, но тем не менее. Было некое движение, и по умолчанию предполагалось, что в соответствующих отделах ЦК КПСС, в Военно-промышленной комиссии Совмина, в ЦНИИМаше знают, куда это движение направлено. Сейчас, увы, понятно, что ни тогда в указанных инстанциях, ни в ныне их заменивших (допустим, в Администрации президента) представления о том, куда должна двигаться космонавтика, нет.

После развала Советского Союза достаточно долгое время вопрос стоял не о развитии, а о физическом выживании отрасли. Правда, работы в РКК «Энергия» по марсианскому кораблю по инерции велись, но финансирование и, соответственно, масштаб этих работ были невелики. Однако уже к концу «нулевых», с одной стороны, появилось какое-то финансирование, а с другой — США выдвинули концепцию Vision/Constellation, предполагающую полеты человека за пределы низкой околоземной орбиты (причем куда именно — определено не было, дискуссии продолжались).

В этих условиях, после долгих и жарких споров, в российской космонавтике сложился консенсус: следующим шагом космонавтики вообще и пилотируемой в частности будет Луна. Вплоть до того, что — неслыханное дело! — директор Института космических исследований РАН называл Луну «шестым континентом». Но, к сожалению, этот консенсус не был подкреплен финансированием, а оргштатные мероприятия его, скорее, подрывали. Кроме того, полет на Луну (тем более — дальше) крайне проблематичен без ракет-носителей сверхтяжелого класса, а их разработка встречала и встречает в отрасли устойчивое противодействие.

В результате Федеральная космическая программа существует, некий документ, определяющий основы «космической политики», — тоже, но фактически это даже не декларации о намерениях, а лишь констатация возможностей, которыми мы располагаем. С поправкой на весьма своеобразное прохождение сигналов «снизу» по сложившейся в нашей стране системе управления. А внятного объяснения, зачем вообще человек летает в космос, у отрасли нет, есть лишь ситуационное реагирование: вот встал вопрос с МКС, додумались — слава богу! — до необходимости отечественной пилотируемой станции на низкой околоземной орбите, но что на ней космонавты будут делать — непонятно. Ну в самом деле, не изучать же особенности восприятия произведений изобразительного искусства, как дважды летавший в космос помощник Ельцина Юрий Батурин! Тема, конечно, интересная, однако в качестве обоснования запуска пилотируемой орбитальной станции как-то «не звучит»…

Между тем именно выполнение «плана Циолковского» вполне может дать конкретные и четкие ориентиры, которые нетрудно насытить численным содержанием. И это численное содержание не на годы, а на столетия будет задавать вполне конкретные и осязаемые ориентиры развития и российской, и мировой космонавтики. И станет совершенно понятно, что вся та космическая техника «прикладного» назначения, создание которой поднимает на щит Роскосмос, — не более чем светофоры и дорожные знаки на шоссе: без них, конечно, никак, но не они решают главную задачу, для которой шоссе (т. е. космонавтика) существует.

Итак, рассмотрим тему.

Цели пилотируемой космонавтики

К концу XIX века мировая наука окончательно осознала, что наша родная планета конечна не только в пространстве, то есть имеет конкретные (ограниченные) размеры, но и во времени: Земля когда-то появилась, прошла определенные этапы эволюции, какие-то, возможно, еще предстоят, но в конце концов она так или иначе погибнет. Если и не разрушится или не сгорит в плазме превращающегося в красного гиганта Солнца, то претерпит такие изменения, что жить на ней будет абсолютно невозможно. Другое дело, что перспектива этих событий крайне отдаленная. Однако за XX век наука постепенно начинает понимать, что такая катастрофа может произойти и в гораздо более близкие времена, а главное — совершенно неожиданно. Но если на протяжении столетий и тысячелетий у человечества всё равно не было выбора, да и конец света воспринимался как естественный и неизбежный, то с развитием той же науки и техники картина начала меняться. Наконец, именно Циолковский первым заявил, что жизнь человечества далеко не обязательно связана с планетой Земля, что разумные существа — люди — вполне могут освоить и космическое пространство.

Логика здесь предельно проста: Землю можно рассматривать как одинокий дом, стоящий в местности, весьма плохо приспособленной для проживания человека. Например, в жаркой пустыне — или, наоборот, в зимней тундре. Предположим, что этот дом сгорел или разрушен по какой-то другой причине. Что делать жителям?! А вот если домов хотя бы два, да не вплотную, то второй, скорее всего, уцелеет. И жители уничтоженного дома, в тесноте да не в обиде, смогут разместиться в уцелевшем. Да, уровень комфорта снизится, но тут уж не до жиру… Если же имеется целый поселок из нескольких домов, то даже и теснота будет минимальной.

Теперь от аналогий — непосредственно к объекту. Если катастрофа разразится прямо сейчас, то на Луну или Марс сможет улететь очень небольшая часть человечества, и никакой цивилизации там не появится — будет только выживание, которое из-за очень тяжелых условий, скорее всего, закончится быстро и плохо. Но если на тех же Луне и Марсе будут спокойно и планомерно созданы миллионные города (пункты 10 и 12 плана Циолковского), крупные промышленные центры (пункт 13), оранжереи, или фабрики продовольствия (пункт 9)… Да, обитаемые помещения таких городов должны быть замкнутыми экологическими системами, создаваемыми искусственно. И да, они должны быть надежно защищены от поражающих факторов космического пространства — к сожалению, готовых «домов» нам в Солнечной системе природа не припасла.

И не надо успокаивать себя, что это очень отдаленная перспектива. Во-первых, учитывая масштабность и новизну задачи, сегодня трудно прогнозировать время на ее решение — может, его хватит впритык? А во-вторых… Ну вот уже вполне академические ученые разных стран весьма взволнованы изменениями движения вещества в ядре Земли. А это, прежде всего, геомагнитное поле, значение которого для жизни не только человека, но и биосферы вообще, мы, по-видимому, сильно недооцениваем. А геофизикам известно, что исторически геомагнитное поле было весьма непостоянным и даже совсем пропадало на короткие по геологическим, но чудовищные по человеческим меркам промежутки времени. Биосфера их как-то пережила, а вот переживет ли человечество — вопрос открытый…

Важно подчеркнуть, что полноценным освоение других небесных тел будет только в том случае, если на них будет развернуто производство из местного сырья всего необходимого (не исключая и продуктов питания). Что, кстати, позволит решить и одну глобальную проблему, которую всё равно надо решать на Земле.

Независимо от того, оказывает или нет человеческая деятельность влияние на глобальное потепление, отрицать загрязнение окружающей среды в ходе промышленного производства невозможно. Причем основная масса вредных выбросов связана с производством конструкционных материалов (металлы, пластмассы) и энергообеспечением этих процессов. И если с пластмассами, полимерами в принципе еще можно поискать более экологичные, «природоподобные» технологические процессы, то с металлургией — что черной, что цветной — это не получится. Да, существуют технологии, минимизирующие или исключающие химические реакции (и, соответственно, загрязняющие выбросы), но они требуют и вакуумирования технологических установок, и главное — такого расхода энергии, что пропадает смысл перехода на них.

Но ситуация качественно меняется, если эту промышленность — хотя бы металлургию — убрать в космос. Например — на Луну. Или перерабатывать прямо в свободном пространстве железные астероиды. И технологии можно использовать совсем необычные и на Земле невозможные, и отходы, если они возникнут, могут сколь угодно долго храниться на той же поверхности Луны без угрозы вовлечения в биологический круговорот, т. е., собственно, без возникновения экологической опасности. С энергией проблем не предвидится: к нашим услугам Солнце. В космическом вакууме, в отсутствии облаков, при возможности создания гигантских конструкций, солнечные электростанции могут достигать любой представимой мощности. Пригодятся и традиционные солнечные печи, которым, опять же, совсем не будет мешать атмосфера и очень мало — гравитация.

Кстати, развертывание на Луне производства алюминия и титана (и того, и другого там «до и больше»), которое на Земле наиболее энергоемко и экологически грязно, позволит значительно увеличить их использование в самых разных отраслях, что, в свою очередь, может существенно сократить потребление энергии, например, в транспорте и строительстве. Когда-то, в начале 1980-х годов, советскими учеными была предложена программа широкомасштабной замены алюминием, магнием и титаном стали в строительных конструкциях и в транспортных машинах. К сожалению, широкое использование цветных металлов, сокращая расход энергии в транспорте и строительстве, требует значительного роста затрат энергии на их производство (в связи с этим писали о постройке еще одного «Атоммаша»). Но с появлением условного «Лунцветмета» об этой идее члена-корреспондента АН СССР А. И. Манохина и его товарищей можно и вспомнить.

Проблемы, которые нужно решить

При такой постановке задачи нетрудно описать и те научно-технические проблемы, которые нужно решить.

Во-первых, это, конечно, резкое увеличение транспортных возможностей как по выводу полезных грузов и большого числа людей с Земли в космос, так и по их перемещению собственно в космосе — между различными орбитами, в межпланетном пространстве, на поверхности Луны и других тел Солнечной системы. Или, что почти то же самое — резкое сокращение стоимости таких транспортных операций. Эта тема обсуждается постоянно, и решение, казалось бы, уже известно — переход на многоразовые одноступенчатые системы.

До сих пор на этом пути стояла проблема: создание таких средств выведения гораздо сложнее (а значит, дороже) традиционных многоступенчатых одноразовых носителей. И всех останавливало то, что ограниченный грузопоток на орбиту не позволял надеяться на какую-то окупаемость этой работы… Но освоение (именно освоение в вышеописанных целях) космического пространства навсегда снимает вопрос ограниченности грузопотока: грузов потребуется столько, сколько любой носитель сможет поднимать! Новый космический транспорт должен быть дешевым и надежным, что, кстати, снимет и проблему доставки на нужные траектории всего многообразия космических автоматов прикладного назначения.

Проблема в том, что в нашей стране по этой теме крайне мал научно-технический задел. Поисковые и проектные работы над одноступенчатыми многоразовыми ракетно-космическими системами начались у нас и в США примерно одновременно, в первые годы космической эры, и до конца 1980-х велись в «бумажной» стадии. Однако потом американцы совершили рывок, начав летные испытания аппарата DC-X. Через 10 лет к ним присоединились японцы с экспериментальным RVT, но эти работы продолжения не имели. В середине «нулевых» в США начались полеты «ракетных кораблей», созданных частными фирмами (наиболее известен и успешен Дж. Безос со своими «Шепард» и «Нью Шепард», но он был не один), и, наконец, в середине 2010-х корпорации «Спэйс Икс» (не будем говорить — Илону Маску) удалось создать полноценную многоразовую ракетную ступень с вертикальной посадкой. Это, правда, еще не одноступенчатый носитель, но это серьезный шаг. Кстати, пару лет назад летные эксперименты начались и в Китае.

У нас же работы так и остаются в «бумажной» стадии. Другое дело, что сейчас за ними (проект «КОРОНА») впервые стоит промышленная организация (ГРЦ им. В. Ф. Макеева) с уникальным научно-техническим опытом создания баллистических ракет максимального весового совершенства и — на сегодня — достаточно большим авторитетом, чтобы попытаться преодолеть косность отрасли. Да и недооценивать прежний отечественный задел тоже не стоит: несложные расчеты показывают, что одноступенчатым многоразовым носителем мог бы стать водородный ракетный блок универсальной ракетно-космической транспортной системы «Энергия», производившийся на куйбышевском заводе «Прогресс», а в РКК «Энергия» в начале 1990-х для американского DC-X изготавливали водородные баки из алюминиево-литиевого сплава.

Во-вторых, нужно создать всю ту технику, которая будет использоваться для жизни на телах Солнечной системы, для постройки там необходимых объектов инфраструктуры, для добычи и переработки местного сырья. Если говорить о нынешнем отечественном научно-техническом заделе, то здесь, что называется, и конь не валялся.

К величайшему сожалению, в нашей стране в последние 30 лет, например, вопросами производства деталей из лунного сырья занимался один человек — ветеран ракетно-космической отрасли Юрий Михайлович Еськов, скончавшийся осенью 2015 года в возрасте 90 лет… Между тем в США активно ведутся работы по архитектуре обитаемых напланетных баз, устройству лунных экскаваторов. Студенты американских вузов отрабатывают удобство работы в тесных герметичных помещениях, возможности перемещения в скафандрах по шлюзовым камерам. И пусть пока это макеты из реек и картона — необходимый задел создается.

Яркий пример — так называемый бесшлюзовой выход, когда входной люк скафандра одновременно является и люком стыковочного узла лунохода или лунной базы. По замыслу изобретателей, такая схема минимизирует, с одной стороны, потери воздуха при выходе, а с другой — занос в обитаемые помещения лунной пыли, которая при попадании в атмосферу кабины может принести много бед. Правда, отработка на натурных макетах, активно проводившаяся в США в конце «нулевых», показала, что эта схема имеет ряд нюансов и, может быть, вовсе не так перспективна, как кажется на «бумажном», теоретическом этапе работы…

В-третьих, как уже говорилось, вне Земли человек пока может жить только в искусственной среде, в искусственной экологической системе. Нельзя сказать, что создание таких систем — абсолютная терра инкогнита: еще в 1967 году в Институте медико-биологических проблем провели «изоляционный эксперимент» гораздо круче, чем распиаренные международные проекты последних лет. Тогда трое испытателей провели год в замкнутой экосистеме, с регенерацией воздуха, воды и частично — пищи (сейчас в экспериментах ИМБП задача отработки замкнутой системы жизнеобеспечения даже не ставится). Эксперимент прошел в общем успешно.

Позднее эти исследования были продолжены и развиты в Красноярске, в Институте биофизики СО АН СССР, затем — в созданном там же Институте замкнутых экологических систем под руководством академика РАН И. И. Гительзона (умер в 2022 году в возрасте 94 лет). Красноярцы создали уникальный, до сих пор непревзойденный лабораторный комплекс «БИОС-3», в котором в ходе изоляционных экспериментов продолжительностью до полугода удалось добиться замыкания экосистемы не только по воде и воздуху, но и до 80% — по пище!

Чтобы понять уровень достижений сибиряков, достаточно вспомнить, что подобный масштабный американский эксперимент «Биосфера-2», несмотря на огромные затраты и искреннюю помощь того же Гительзона с товарищами, полностью провалился… Однако всем, и прежде всего — самим создателям «БИОСа-3» очевидно, что это только демонстратор технологий, а нужна большая конструкторская, производственная и испытательная работа, чтобы из лабораторного комплекса сделать постоянно действующую и абсолютно надежную систему, которой можно будет доверить жизнь десятков, сотен, тысяч людей в далеком космосе.

Здесь же есть и еще один аспект. Его можно считать спорным, но он нуждается в глубоком изучении именно в контексте освоения космоса. Красноярцы экспериментируют с обычными растениями и животными (водоросли, пшеница, рыбы и т. п.), но очевидно, что это далеко не идеальные организмы для поддержки замкнутых экосистем. В естественных условиях никакой организм не может быть слишком специализированным: изменяющиеся в любой момент условия уничтожат всех, кто не обладает какой-то (кстати, неизвестно, какой; но ведь это можно как-то определить!) степенью универсализации. Что очевидным образом ограничивает продуктивность этих организмов в интересах всей экосистемы. Но в искусственных, рукотворных экосистемах никаких внезапных изменений внешних условия не будет, — ну кроме каких-то аварийных, точнее даже — катастрофических ситуаций, при которых вопросы выживания этих организмов, скорее всего, и стоять не будут. А значит, специализацию их можно попробовать повысить для улучшения характеристик всей системы в целом. У Циолковского есть кое-что на эту тему, но гораздо ярче открывающиеся возможности (как, впрочем, и трудности) описал замечательный советский писатель-фантаст А. Беляев в повести «Звезда КЭЦ». Невозможно переоценить значение таких исследований для земной биологии, особенно — сельского хозяйства, причем при любом результате экспериментов.

В-четвертых, тех энергосиловых установок, которые можно прямо сейчас «взять с полки», или для создания которых не требуется очередной научно-технической революции, хватит только для освоения Луны и — с некоторыми оговорками — Марса. Для более дальних полетов нужны более совершенные двигатели, например термоядерные (так в русской инженерно-языковой традиции называются энергоустановки или боеприпасы, использующие энергию ядерного синтеза) или аннигиляционно-термические. У них, как сейчас представляется, есть одна особенность: в отличие от термохимических, атомных или электрических агрегатов их никак невозможно испытать на Земле. Да и производство позитронов, необходимых для аннигиляционно-термических двигателей, на Земле тоже, гм-мм… нежелательно. Значит, потребуются какие-то испытательные (производственно-испытательные) комплексы в космическом пространстве (может быть, на Луне). И уж конечно, межпланетные корабли с такими двигателями потребуют создания орбитальных космопортов, которые будут значительно отличаться от всех существующих и сейчас проектируемых орбитальных станций. А значит, в условиях космического полета нужно будет испытать множество технических новшеств, и не просто испытать, а отработать до высокой степени надежности!

Каждый из четырех пунктов можно детализировать дальше и дальше. Но сегодня неизбежно возникают два вопроса: ресурсы и… необходимость участия во всем этом человека.

(Продолжение следует.)