Лунные планы России
В качестве цели на ближайшие тридцать–сорок лет Россия выбирает Луну. Какой будет отечественная лунная программа? Собрать «пазл» разрозненных предложений в единую картину помогли многочисленные проекты документов и предложений ведущих космических фирм и отраслевых институтов.
Разработка национальной стратегии освоения нашего естественного спутника была темой круглого стола «Изучение ближайших планет Солнечной системы на примере освоения поверхности Луны», который проходил в середине октября 2014 года в конференц–зале ТАСС. О своих проектах и планах рассказали представители Федерального космического агентства, РКК «Энергия», ИКИ РАН, НПО имени С.А. Лавочкина, ЦНИИмаш и Центра Келдыша. Дополнительная информация о российской лунной программе была представлена на Пятом международном московском симпозиуме по исследованиям Солнечной системы, проходившем в Институте космических исследований (ИКИ) 13–17 октября.
В начале следующего года должна быть утверждена Федеральная космическая программа (ФКП) на 2016––2025 годы. Проекты и исследования, которые в нее попадут, получат финансирование в ближайшее десятилетие. Конечно, изменения могут быть внесены и по ходу работ, но обычно они связаны со сроками реализации, а не с увеличением выделяемых средств. Планы за пределами ФКП 2016––2025 рассматриваются в двух дополнительных документах: Концепции национальной программы освоения Луны и Долгосрочной программе освоения дальнего космоса. Данные документы еще не приняты и находятся в процессе доработки.
Сначала автоматы…
На первом этапе (в ФКП 2016––2025 прописан именно он) наш естественный спутник собираются изучать только с помощью автоматических станций. В отличие от экспедиций 1970–х, новые отечественные лунные станции должны совершить посадку в полярной области Луны.
Национальных экспедиций к Селене в России не было очень давно – почти сорок лет. Последний советский лунный аппарат «Луна–24» выполнил задачу по доставке грунта в августе 1976 года. Участие российских ученых в зарубежных лунных программах пока ограничилось лишь установкой нейтронного детектора LEND (Lunar Exploration Neutron Detector) на американский зонд Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO). Отечественный прибор зафиксировал провалы нейтронного излучения, инициируемого космическими лучами в верхнем слое лунной поверхности. Подобные провалы указывают на наличие в лунном грунте водорода. Конечно, это могут быть различные его соединения, однако другие косвенные данные, в частности наблюдения линий поглощения, сделанные американскими учеными с помощью индийского зонда «Чандраян–1», подтверждают, что это, скорее всего, водяной лед.
Для получения доказательств наличия водяного льда в лунном грунте ученые NASA провели интересный эксперимент: падение разгонного блока (РБ) Centaur в район кратера Кабеус, где данные нейтронных детекторов показывали присутствие водорода. После столкновения РБ с Луной поднялось облако пыли. Летящий за «Центавром» мини–зонд LCROSS (Lunar CRater Observation and Sensing Satellite – Космический аппарат для наблюдения и зондирования лунных кратеров) пролетел через него и зарегистрировал наличие около 150 кг воды в виде пара и льда в поднятом облаке. Это позволило оценить массовую долю льда в реголите примерно в 2.7––8.5%.
Измерения нейтронного излучения Луны до LRO проводили также аппараты Clementine и Lunar Prospector, однако их приборы не давали высокого пространственного разрешения. Они лишь указали, что провалы нейтронного излучения примерно связаны с полярными кратерами. Данные LRO показали, что провалы нейтронного излучения фиксируются как внутри кратеров, так и в их окрестностях. Это может означать, что запасы водяного льда есть не только в «холодных ловушках» – кратерах, куда никогда не заглядывает Солнце, – но и рядом. Как они там оказались – не вполне понятно. Астрофизики предполагают, что существуют механизм миграции молекул воды за счет выбивания их ионами солнечного ветра.
Факт остается фактом: водяной лед есть на поверхности – там, где солнечный свет! Для планирования будущих лунных миссий это принципиально важно – ведь очень трудно создать зонд, который будет работать в постоянной тени. Его пришлось бы снабдить мощными изотопными источниками энергии и каким–то образом обеспечивать связь с Землей после посадки в «яму». Ранее, когда ученые надеялись найти лед только в «холодных ловушках», практическая польза от такой находки была не очевидна. В затененном кратере трудно построить лунное поселение и непросто организовать туда автоматическую экспедицию. Когда лед был обнаружен и вокруг кратеров, сразу возникла идея, что исследования можно провести в обозримое время прямым методом – посадкой космических аппаратов.
Итак, согласно новой Федеральной космической программе, в 2019 году зонд «Луна–25» (или «Луна–Глоб») должен прилуниться в кратере Богуславского, который расположен в южной полярной области Луны. Аппарат будет запущен ракетой «Союз–2.1А», сухая масса космического аппарата составит 533 кг, полная –– 1450 кг. Масса полезной нагрузки (включая манипулятор для забора образцов грунта) – 30 кг.
«Луна–25» – это зонд–прототип для тренировки. По словам генерального директора НПО имени С.А.Лавочкина Виктора Владимировича Хартова, «нужно заново учиться садиться на Луну». В рамках проекта будут отработаны системы посадки и обеспечения работы на поверхности. Несмотря на тестовый характер, миссия уникальна: в отличие от советских зондов, российская автоматическая станция произведет посадку не в экваториальной, а в очень интересной для ученых полярной области Луны.
Весьма вероятно, что Россия потеряет первенство в новой «лунной гонке» к лунным полюсам. В 2016–2017 годах (на два–три года раньше «Луны–25») стартует индийская миссия «Чандраян–2», в состав которой войдут орбитальный аппарат массой примерно 1400 кг и спускаемый модуль (1250 кг), включающий небольшой ровер (300–100 кг). В качестве места посадки спускаемого аппарата «Чандраян–2» выбраны окрестности южного полюса Луны.
В конце 2015 года или в начале 2016 года специалисты КНР попытаются доставить второй китайский луноход (миссия 嫦娥四号 – "Чанъэ–4"), а на 2017–2018 годы запланирована автоматическая доставка лунного грунта. Судя по доступной на сегодняшний день информации, посадки китайских аппаратов будут производиться вдали от полярных районов. Однако планы Поднебесной вполне могут изменяться.
Вопрос финансирования европейского проекта посадки в полярном регионе Луны – Lunar Lander – рассматривался в 2012 году, но деньги выделены не были. Европа пока нацелена на совместные с Россией исследования Луны.
Японская лунная миссия Selene–2, также состоящая из орбитального аппарата, посадочной платформы и ровера, могла бы стартовать в 2017 году, однако испытывает значительные бюджетные проблемы. Вероятно, миссия будет отменена либо ее сроки будут пересмотрены.
Посадка аппарата будет проходить в пассивном режиме, размеры посадочного эллипса составят 15 на 30 км и определятся точностью предпосадочной траектории аппарата. Зонд должен проработать на поверхности Луны не менее года. На его борту пройдут научные эксперименты по изучению особенностей полярного реголита и полярной экзосферы нашего естественного спутника. Аппарат будет снабжен манипулятором для операций по вскрытию верхнего слоя грунта в районе посадки, для перемещения образцов грунта в бортовой масс–спектрометр, для наведения бортового инфракрасного спектрометра и ТВ–камеры на наиболее интересные участки поверхности в окрестностях места посадки. Зонд экспериментально измерит содержание воды и других летучих соединений в поверхностном слое.
Следующий аппарат – орбитальный «Луна–26» (или «Луна–Ресурс–1 орбитальный») по плану стартует в 2021 году. Если что–то пойдет не так, предусмотрено повторение миссии через два года – в 2023 году. Сухая масса аппарата – 1035 кг, полная – 2100 кг. Масса полезной нагрузки – 160 кг. Запуск также с помощью РН «Союз–2.1А».
Аппарат «Луна–26» будет исследовать Луну с полярной орбиты, что позволит провести глобальный обзор всей поверхности и детальные исследования районов полюсов. Срок функционирования на окололунной орбите составит не менее трех лет. В течение первого этапа будут проводиться геофизические исследования Луны, лунной экзосферы и окружающей плазмы на рабочих орбитах 100х150 км и 50х100 км. На втором этапе аппарат будет переведен на третью рабочую орбиту 500––700 км для физических исследований по поиску и регистрации космических частиц максимально высоких энергий – эксперимент ЛОРД (лунный орбитальный радиодетектор).
Кроме того, орбитальный аппарат послужит ретранслятором для следующей миссии – «Луна–27» (или «Луна–Ресурс–1 посадочный»), которая намечена на 2023 год. Если миссия 2023 года окажется неудачной, посадку повторят в 2025 году.
Зонд «Луна–27» (его тоже выведет «Союз–2.1А») будет тяжелее тестовой «Луны–25»: сухая масса аппарата составит 810 кг, полная – 2200 кг. Масса полезной нагрузки достигнет 200 кг, включая европейский бур для «криогенного» (не испаряющего «летучие» вещества из грунта) бурения. Этот КА прилунится в наиболее перспективном для дальнейших исследований районе южного полюса и обеспечит выполнение программы научных исследований в течение срока не менее одного года. Рассматривается возможность разместить на «Луне–27» мини–ровер.
Аппарат «Луна–27» предстоит создать на основе бортовых систем и технических решений, отработанных в проекте «Луна–25». Его главной особенностью станет применение системы высокоточной посадки с возможностью ухода от препятствия на заключительном участке спуска. Эти система позволит уменьшить допустимую погрешность в положении точки посадки на поверхности Луны до размера порядка нескольких сотен метров. Благодаря высокой точности спуска район посадки «Луны–27» выберут исходя из критериев максимального удобства для приоритетных научных исследований.
Второй особенностью «Луны–27» будет использование как системы прямой радиосвязи с наземными станциями, так и независимого УКВ канала связи с бортом лунного полярного спутника «Луна–26». Канал УКВ будет задействован на этапе посадки зонда для передачи на борт орбитального аппарата телеметрической бортовой информации о работе всех систем и о свойствах поверхности в районе посадки. В случае нештатной ситуации или аварии при посадке эта информация позволит полностью восстановить полную картину процесса и выяснить причину неудачи.
Третья важная особенность проекта «Луна–27» – криогенное грунтозаборное устройство, которое позволит взять образцы лунного полярного реголита с глубины от 10–20 см до 2 метров и выяснить характер распределения летучих соединений по глубине.
На борту зонда «Луна–27» будет установлен радиомаяк, причем будет обеспечена возможность продолжения его работы после завершения программы исследований на борту. Для этого энергопитание радиомаяка будет переведено на прямое подключение к бортовому радиоизотопному генератору.
Планируется, что «Луна–27» будет создаваться со значительным участием ЕКА: многие бортовые системы, в том числе высокоточной посадки, построят европейские специалисты.
Последняя лунная станция, заложенная в ФКП 2016–2025, – это «Луна–28» («Луна–Ресурс–2», или «Луна–Грунт»). Масса зонда составит около 3000 кг, полезной нагрузки – 400 кг. Вероятно, он отправится к Луне в 2025 году с помощью ракеты «Ангара–А5» с кислородно–керосиновым разгонным блоком ДМ–03. Основная цель «Луны–28» – доставка в земные научные центры образцов лунного вещества из окрестности южного полюса.
Зонд «Луна–29» – большой луноход с «криогенным» буром – отсутствует в ФКП 2016–2025, а значит, будет реализован лишь во второй половине 2020–х годов.
Помимо создания автоматических межпланетных станций, на первом этапе лунной программы будут проводиться многочисленные НИРы на тему лунной транспортной системы и лунной инфраструктуры. Финансирование на них заложено в ФКП. Предусмотрено и выделение средств на разработку сверхтяжелой ракеты: только на разработку – но не создание «в металле»!
…а в дальнейшем человек
Как предусмотрено в Федеральной космической программе 2016––2025 годов, лётные испытания нового российского космического корабля ПТК НП (пилотируемый транспортный корабль нового поколения) начнутся в 2021 году. В 2021–2023 годах новый космический аппарат два раза стартует к МКС в беспилотном варианте. Выводить его на орбиту предполагается посредством ракеты–носителя «Ангара–А5» (возможно, в «укороченном» варианте – без УРМ II).
Согласно ФКП 2016–2025, в 2024 году ПТК НП должен впервые выйти в космос в пилотируемом варианте и доставить космонавтов на МКС или к так называемой Перспективной пилотируемой орбитальной инфраструктуре (ППОИ). ППОИ предположительно состоит из одного научно–энергетического модуля, узлового модуля, надувного жилого («трансформируемого») модуля, модуля–стапеля и одного–двух свободнолетающих модулей ОКА–Т–2.
Кроме того, в рамках испытаний ПТК НП рассматривается возможность беспилотного облета Луны. На слайдах, представленных РКК «Энергия», указаны сроки осуществления подобной миссии – 2021 г., а также изображена двухпусковая схема: одной РН «Ангара–А5» на орбиту выводится кислородно–керосиновый разгонный блок ДМ–03, оснащенный стыковочным узлом и системой стыковки, а второй – космический корабль.
Элементарный расчет показывает, что по такой схеме ДМ–03 может отправить в облет Луны полезную нагрузку массой не более 10–11 т. Не ясно, как эту проблему собираются решать специалисты отрасли – будут ли использовать для доразгона маршевую двигательную установку «лунного варианта» ПТК НП или ограничатся полетом по высокоэллиптической орбите, «не дотягивающей» до Луны?
Судя по слайдам РКК «Энергия», пилотируемые облеты Луны на ПТК НП должны состояться уже в 2024 году. Однако в ФКП 2016–2025 летные испытания лунного варианта ПТК НП заложены лишь на 2025 год. И подобных расхождений в предложениях предприятий, федеральной программе и концепциях невероятно много. Документы напоминают лоскутное одеяло, а не единый законченный план.
Кроме того, как показано на слайдах, в 2023 году (в «концепции лунной программы» названы другие сроки – 2025 год) на окололунную орбиту планируется отправить прототип буксира с двигателями малой тяги и большим грузовым контейнером (груз – 10 т): будет ли это «ядерный буксир» или что–то оснащенное большими солнечными батареями? Более логичным кажется первый вариант, однако на слайдах показан второй – с солнечными батареями. Вероятно, прототип будет иметь мощность 0.3–0.5 МВт, в 2–3 раза меньше, чем мегаваттный комплекс.
Как уже говорилось, лунные планы России не ограничиваются ФКП 2016–2025. Ученые и инженеры космической отрасли пытаются выработать также долгосрочную концепцию национальной программы освоения Луны до 2050 года.
Лунная орбитальная станция, форпост и база
В соответствии с Концепцией национальной программы освоения Луны, уже в 2026 году должны начаться полеты сверхтяжелой ракеты с полезной нагрузкой на низкой околоземной орбите около 80–90 тонн. Следует отметить, что в других источниках приводятся более реальные сроки первого пуска «супертяжа» – 2028–2030 годы. В первом полете новая РН с помощью новых мощных разгонных блоков отправит беспилотный ПТК НП на орбиту вокруг Луны.
В конце 2027 г. большой космический буксир мегаваттного класса с двигателями малой тяги должен привезти на окололунную орбиту за 7–8 месяцев груз массой в 20 т. Причем сам буксир запускается сверхтяжелой ракетой, а груз – «Ангарой–А5». В качестве груза может выступить модуль лунной орбитальной станции или тяжелый зонд/посадочная научная платформа.
На период с 2028 по 2030 год запланирована программа «Луна – орбита». На естественный спутник Земли будет отправлен многоразовый лунный автоматический корабль (МЛАК) «Корвет», а на окололунную орбиту – танкер с топливом для его заправки. Зонд сможет доставить с поверхности на ПТК НП (который будет находиться на окололунной орбите) образцы грунта. Существуют различные варианты программы, в частности предполагающие использование луноходов.
Следующим этапом освоения Луны, после 2030 года, вероятно, станет строительство станции на окололунной орбите. Станция будет состоять из энергетического (запуск в 2028 году), узлового (2029 год), жилого (2030 год) и складского (2031 год) модулей. Режим функционирования мини–станции – посещение. Основные ее задачи: обеспечение комфортных условий жизнедеятельности космонавтов во время работы на орбите вокруг Луны и логистическое обеспечение лунных миссий. Начиная с 2037 года потребуется замена модулей станции, выработавших свой ресурс.
Долгожданные пилотируемые полеты с высадкой космонавтов на поверхность Луны запланированы также после 2030 года. Первые старты будут осуществляться по двухпусковой схеме с раздельным выведением связок из разгонных блоков и лунного взлетно–посадочного корабля, а также разгонных блоков и пилотируемого корабля. Если именно этот вариант будет утвержден, то российские космонавты впервые ступят на лунную поверхность через 15 лет после начала лунной программы и спустя 62 года после исторического полета Apollo 11.
Предусматривается один пилотируемый полет на Луну в год. С введением в эксплуатацию в 2038 г. PH сверхтяжелого класса грузоподъемностью 150––180 тонн полеты будут выполняться по однопусковой схеме с увеличением частоты до двух–трех в год.
Согласно Долгосрочной программе освоения дальнего космоса, параллельно с пилотируемыми экспедициями начнется развертывание в южной полярной области Луны так называемого «лунного полигона». В его состав войдут автоматические научные инструменты, телескопы, прототипы устройств для использования лунных ресурсов и т.д. Полигон будет включать в себя небольшую лунную базу – форпост. Форпост предназначен для жизни экипажа во время краткосрочного (до 14 суток) пребывания на поверхности Луны. В состав форпоста, вероятно, войдут модули: энергетический (запуск в 2033 году), узловой (2034 год), жилой (2035 год), лабораторный (2036 год) и складской (2037 год). Модули создадут на основе опыта эксплуатации окололунной орбитальной станции.
Строительство большой лунной базы запланировано лишь на 40–е годы XXI века. Модульный состав базы будет аналогичен составу форпоста, но она будет обеспечивать жизнедеятельность космонавтов в течение большего срока и обладать повышенной радиационной защитой.
В 2050–е годы на основе лунного опыта, а возможно, и лунных ресурсов, будет предпринят полет на Марс. А до этого времени, до 2050 года, предполагается доставить грунт с Фобоса (миссия «Фобос–Грунт–2», или «Бумеранг», уже заложена в ФКП 2016–2025 и намечена на 2024–2025 годы) и Марса (2030–2035 годы), создать в точке Лагранжа сборочный комплекс для многоразовых кораблей, которые будут летать по трассе Земля – Марс, построить флот «ядерных буксиров» с электрической мощностью 4 МВт и выше.
Создатели Долгосрочной программы предварительно оценили стоимость освоения Луны. По их расчетам, в период с 2014 года до 2025 года ежегодные затраты составят от 16 до 320 млрд руб (суммарно за данный период будет потрачено порядка 2 трлн руб) и будут определяться в основном расходами на создание кораблей, обитаемых модулей, межорбитальных буксиров и средств выведения.
В следующее десятилетие (2026–2035 годы), когда, помимо разработки и летных испытаний космических средств, задействованных в реализации лунной программы, начнется интенсивная эксплуатация космических систем, ежегодные затраты составят от 290 до 690 млрд руб (пик нагрузки приходится на 2030–2032 годы – период первой высадки космонавтов на поверхность естественного спутника и начала строительства лунной орбитальной станции), а суммарные затраты за данный период – почти 4.5 трлн руб. Начиная с 2036 года и до 2050 года ежегодные затраты составят от 250 до 570 млрд руб (суммарные затраты за данный период – порядка 6 трлн руб).
Таким образом, общая стоимость программы с 2015 по 2050 год оценивается в 12.5 трлн руб. На разработку всех необходимых для ее реализации космических средств (включая средства выведения и межорбитальной транспортировки) будет израсходовано менее 10% от общего объема финансовых затрат (без учета затрат на летные испытания). Основная финансовая нагрузка за весь рассматриваемый период (2014–2050 годы) приходится на эксплуатацию космической техники (свыше 60% от общего объема затрат).
Вопросы, вопросы...
Впервые за много лет вынесена на утверждение в правительство законченная стратегия развития пилотируемой космонавтики на десятки (!) лет вперед. Вполне обоснованным выглядит и выбор Луны в качестве стратегической цели – ведь марсианская экспедиция без опоры на лунные ресурсы и лунный опыт превратится в рискованный одноразовый «флаговтык».
Луна или Марс?
Главный вопрос, возникающий после ознакомления с новой российской космической стратегией, – это сроки. 2030–е, 2040–е, 2050–е годы – это слишком далеко, чтобы воспринимать подобные планы всерьез. Есть опасение, что затягивание с реализацией лунного проекта приведет к тому, что у государства появится желание «выпрыгнуть из лунного поезда, который еле–еле ползет», и отменить программу. В случае подобного негативного сценария ресурсы на разработку (а возможно, и на создание) «лунных средств» будут потрачены впустую.
Странной выглядит и привязка программы к новому (еще не реализованному) относительно тяжелому (14–15 тонн в околоземном и 20 т в окололунном варианте) космическому кораблю ПТК НП, для доставки которого на окололунную орбиту потребуется создание сверхтяжелой ракеты с грузоподъемностью 80–90 тонн на низкую околоземную орбиту.
Несколько лет назад американская компания Space Adventures, занимающаяся продажей «туристических» мест на российских кораблях «Союз», с согласия РКК «Энергия» предложила интересную услугу – облет Луны. Согласно представленной схеме полета, разгонный блок ДМ с пассивным стыковочным агрегатом выводится на низкую орбиту ракетой тяжелого класса «Протон–М», затем к нему на РН «Союз» стартует корабль с пилотом и двумя туристами. Корабль «Союз» стыкуется с разгонным блоком – и связка отправляется в облет Луны. Путешествие занимает 7–8 дней. В компании посчитали, что внесение изменений в технику и организация полета обойдутся в 250–300 млн $ (без учета беспилотного полета для отработки системы).
Конечно, полет на орбиту вокруг Луны намного сложнее облетной миссии, однако при использовании доработанного «Союза» вместо ПТК НП, а также кислородно–водородного разгонного блока КВТК для старта с околоземной орбиты и модернизированного «Фрегата» для торможения и разгона возле Луны орбитальную лунную экспедицию можно «вписать» в две ракеты «Ангара–А5». Конечно, стыковка с криогенным разгонным блоком на околоземной орбите является довольно рискованной операцией, однако подобное действие присутствует и в государственной стратегии (двухпусковая облетная миссия на ПТК НП), и в предложениях Space Adventures.
Таким образом, необходимость создания сверхтяжелой ракеты для полетов человека на орбиту вокруг Луны отнюдь не очевидна. Использование такой ракеты переводит миссию из категории реальных планов ближайшего десятилетия в разряд «стратегии» со сроками осуществления «ближе к 2030–му».
Найти коммерческие нагрузки для сверхтяжелого носителя будет или очень трудно, или попросту невозможно, а содержать сложную инфраструктуру ради двух лунных полетов в год – крайне расточительно. Любой финансовый или политический кризис (а они случаются в России с регулярностью приблизительно раз в 8–10 лет) поставит крест на подобном проекте.
Следует также отметить, что в предложенной программе наблюдается распыление сил: вместо создания лунной базы промышленность вынуждена будет заниматься то программой «Луна – орбита», то строительством лунной орбитальной станции, необходимость наличия которой обоснована крайне слабо.
Преимущества и недостатки лунной базы относительно станции на орбите вокруг Луны
Преимущества лунной базы:
– Доступ к лунным ресурсам (реголиту, льду), возможность использовать лунные ресурсы (реголит) для защиты от радиации;
– Отсутствие невесомости и связанных с ней проблем;
– Нормальные условия для жизни (прием пищи, душ, туалет);
– Пустые корпуса от грузовых модулей могут использоваться для увеличения жилого объема базы (в случае лунной орбитальной станции новые модули увеличивают ее массу и затраты топлива на коррекцию орбиты);
– База, расположенная на «пике вечного света», практически круглогодично освещается Солнцем: есть возможность использования солнечной энергии для выработки электричества и упрощение системы терморегулирования;
– Возможность исследовать Луну методами полевой геологии (а не дистанционными –– с орбиты);
– При использовании «прямой схемы» старт к Земле возможен практически в любое время (не требуется синхронизация орбит и стыковка на орбите Луны);
– Опыт строительства планетных баз;
– Более высокий пропагандистский эффект по сравнению с лунной орбитальной станцией.
Недостатки лунной базы:
– Требуется создавать посадочные платформы для доставки грузов и космонавтов на поверхность Луны;
– Условия работы на поверхности планеты будут отличаться от условий на орбите, что потребует разработки принципиально новых жилых модулей;
– Исследования лунной поверхности возможны только в окрестностях базы;
– Относительно высокая стоимость развертывания и эксплуатации.
Странно, что не имеющий аналогов в мире ядерный буксир с двигателями малой тяги крайне слабо представлен в долгосрочной программе освоения дальнего космоса. А ведь именно эта уникальная разработка могла бы помочь значительно сэкономить время: для доставки тяжелых грузов (около 20 тонн) на орбиту вокруг Луны ядерным буксиром сверхтяжелый носитель не нужен. Полеты буксира по трассе «околоземная орбита – окололунная орбита» могли бы начаться уже в первой половине 2020–х годов!
С одной стороны, конечно, нельзя сказать, что девиз предложенной программы – «Флаг на Луне любой ценой!» (первая высадка – после 2030 года), а с другой не видно и использования Луны в качестве ресурсной базы: отсутствуют предложения по многоразовой лунной транспортной системе, не прописана в качестве первоочередной задачи выработка топлива/энергии из местных ресурсов.
Мест в полярных областях Луны, на которых соблюдаются все условия, необходимые для быстрого и удобного развертывания лунной базы (ровная поверхность, «вечный свет», возможное наличие линз водяного льда в затененных кратерах поблизости), не так уж много, и за них может разгореться конкурентная борьба. И откладывая создание пилотируемой лунной инфраструктуры на 2030–е годы, а строительство базы – на 2040–е, Россия может упустить приоритет и потерять лунные территории навсегда!
Критикуя – предлагай!
Следуя этому принципу, около года назад автор статьи предложил свой вариант проекта развертывания лунной базы – «Луна семь» (седьмая высадка человека на Луну). Благодаря помощи группы энтузиастов, включая представителей космической отрасли, удалось в первом приближении определить параметры как самой базы, так и транспортной системы, необходимой для ее строительства.
Основная идея данного предложения – «Лететь сегодня!», то есть в проекте используются только те средства, создание которых возможно в ближайшем (+5 лет) будущем.
В качестве основы транспортной системы предполагается использовать модернизированную ракету «Ангара–А5». Предложены два варианта модернизации носителя. Первый – замена четырехкамерного двигателя РД0124А тягой 30 тс на УРМ II двумя двигателями РД0125А суммарной тягой 59 тс. Такая возможность не требует значительных изменений конструкции РН и уже рассматривалась ГКНПЦ имени М.В.Хруничева. Второй вариант модернизации – замена УРМ II и кислородно–водородного разгонного блока КВТК на один большой кислородно–водородный разгонный блок, что позволит значительно увеличить массу ПН на отлетной траектории к Луне.
Для выхода на орбиту Луны и посадки в проекте используется посадочная ступень на основе существующего и отработанного РБ «Фрегат». Автор отдает себе отчет в том, что космическая техника не кубики детского конструктора и значительная доработка порой означает полную переделку РБ или КА.
По предварительным расчетам, транспортная система на основе модернизированной «Ангары–А5», кислородно–водородного разгонного блока и «лунного Фрегата» сможет доставить на поверхность Луны чистый груз массой 3.2–3.6 т (в зависимости от выбранного варианта модернизации РН и не включая сухую массу «лунного Фрегата» ≈1.2 т).
В предложении «Луна семь» все грузы – модули базы, электростанция, негерметичный луноход, заправщики и двухместный пилотируемый корабль –– должны быть вписаны в эти «кванты» массы.
Конструкция пилотируемого лунного корабля основывается на использовании корпусов спускаемого аппарата и бытового отсека «Союза». Корабль садится на поверхность Луны без топлива на обратный путь – запас, необходимый для возвращения, должны предварительно доставить два заправщика.
Вызывает сомнение возможность «втиснуть» пилотируемый КА, состоящий из СА, БО (бытовой отсек выполняет в том числе и функцию шлюзовой камеры) и «лунного Фрегата» с посадочными опорами, в 4.4–4.8 тонны. Ясно, что для этого потребуются высокая «весовая культура» и новая элементная база. Однако напомним: масса маневрирующего двухместного КА Gemini, способного выполнять сближение и стыковку на орбите, составляла 3.8 т.
Прямая схема полета, без стыковки на орбите Луны, при всех ее недостатках имеет и ряд преимуществ. Корабль не ожидает возвращения экспедиции на орбите в течение длительного времени. Снимается проблема наличия стабильных окололунных орбит (из–за влияния Земли, Солнца и масконов под поверхностью далеко не все окололунные орбиты стабильны). Используется унифицированная посадочная платформа как для доставки модулей базы и других грузов, так и для пилотируемого КА. Любые другие варианты транспортной системы требуют разработки новых элементов и новых КА. Отсутствуют сложные стыковочные операции у Земли или у Луны, а значит не потребуется установка стыковочного узла и других систем для стыковки. Стартовать к Земле можно практически в любой момент. И главное, все операции осуществляются с привязкой к инфраструктуре базы, что позволяет избежать дублирования (одновременного строительства станции на орбите и базы на поверхности).
Схема с посадкой тяжелого СА на поверхность не является энергетически оптимальной. В предложении «Луна семь» были рассмотрены и «классические» варианты экспедиции со стыковкой на орбите Луны, однако они требуют создания не только отдельного легкого лунного корабля, но и лунного взлетно–посадочного модуля, что сильно усложняет концепцию.
Рассматривается также «Луна семь V.2.0» – версия, в которой для полетов на орбиту вокруг Луны используется не новый космический корабль, а модернизированный КА «Союз». В таком случае потребуется ракета–носитель с грузоподъемностью около 40 т на низкой околоземной орбите или многопусковая схема с многочисленными стыковками (что повышает стоимость программы и увеличивает время до начала первых полетов).
В качестве места для развертывания первого лунного поселения (скорее, «первой палатки») выбран район южного полюса Луны, а именно гора Малаперт (Malapert mountain). Это достаточно ровное плато с прямой видимостью Земли, что обеспечивает хорошие условия для связи и является удобным местом для посадки. Гора Малаперт – это «пик вечного света»: на ней в течение 89% процентов времени присутствует солнечное освещение, а продолжительность ночи, которая случается всего несколько раз в год, не превышает 3––6 суток. Кроме того, неподалеку от места предполагаемого размещения базы находятся затененные кратеры, в которых возможно обнаружение линз водяного льда.
Расчет запасов системы жизнеобеспечения базы показывает, что при умеренной замкнутости по воде и кислороду (подобной той, что уже достигалась на орбитальных станциях) для работы экипажа из двух человек достаточно отправки одного трехтонного модуля с запасами в год (а при переходе на частичное использование местных ресурсов –– даже меньше). В процессе роста базы количество членов экипажа будет увеличено до четырех человек, а значит потребуется ежегодная отправка двух модулей с грузами. Данные модули пристыковываются к базе и после использования запасов образуют дополнительные жилые объемы.
Предложенная схема развертывания, обеспечения и расширения базы требует не более 13 пусков тяжелых (а не сверхтяжелых!) ракет в год.
Модули базы самоходные, оборудованы мотор–колесами, что сильно упрощает сборку лунной «первой палатки» и снимает необходимость в срочном создании лунохода–крана для перевозки.
База первого этапа включается в себя два жилых модуля с системами жизнеобеспечения и каютами космонавтов, служебный (главный командный пост) и научный модули, складской модуль с запасами для первого экипажа и отдельный модуль–электростанцию.
Перед строительством базы с помощью унифицированной транспортной системы предлагается осуществить доставку за один пуск спутника связи на окололунную орбиту (после развертывания базы связь в ее окрестностях может обеспечиваться с помощью башни–ретранслятора, однако на начальном этапе спутник необходим) и легких автоматических луноходов (2–3 шт.) непосредственно на плато горы Малаперт. Роверы проведут окончательный выбор места развертывания базы, а также установят радио– и световые маяки для формирования сетки координат, которая поможет осуществить точную посадку модулей, заправщиков и пилотируемых кораблей.
Для защиты экипажа базы от радиации предлагается использовать вантово–стержневую крышу, которая доставляется на Луну в сложенном состоянии. В дальнейшем на крышу, после ее раскрытия, с помощью грунтомета наносится слой реголита толщиной около метра. Данный вариант предпочтительной «традиционной» засыпки модулей, так как он позволяет обеспечить доступ к внешней поверхности «бочек» и не создает дополнительных сложностей для наращивания базы (дополнительные модули просто заезжают под крышу и стыкуются к основному сооружению). Кроме того, при использовании крыши сокращается количество «земляных» работ.
В предложении «Луна семь» подробно рассмотрен также негерметичный луноход базы первого этапа, оснащенный отделяемым модулем с челюстным ковшом. Проведены оценки возможности использования одного из модулей базы в качестве герметичного лунохода. Выполнен расчет солнечной электростанции базы: большую часть ее массы составляют аккумуляторные батареи, позволяющие пережить недолгую ночь на «пике вечного света».
В качестве основной системы связи с Землей предлагается использовать лазерную установку, подобную той, что уже была испытана во время миссии LADEE (Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer). Масса аппаратуры на американском зонде составляла всего 32 кг, энергопотребление –– 0.5 Вт, а скорость обмена информацией достигала 20 Мб/c. На Земле для приема были использованы четыре телескопа с диаметром зеркала 40 см. Конечно, в случае лунной базы потребуются и резервные каналы связи в радиодиапазоне.
Стоимость создания базы «Луна семь» первого (экипаж два человека) и второго (экипаж четыре человека) этапов, по предварительной оценке, составит 550 млрд руб. Возможный срок реализации проекта – десять лет от начала принятия решения, из них пять лет – непосредственно развертывание базы и работа экипажей. На третьем этапе – с появлением ядерных буксиров с двигателями малой тяги и более грузоподъемных относительно «Ангары–А5» носителей –– схема развертывания и снабжения базы меняется.
С приобретением опыта начинают вводиться новые технологии лунного строительства: надувные купола, 3D–принтеры для печати из реголита, специальная техника для создания искусственных пещер.
Цели предложенного нами проекта: закрепление за Россией одной из перспективных площадок на Луне, получение опыта строительства планетных баз и жизни на других планетах в кратчайшие сроки, тестирование отработанных на Земле технологий и методик в реальных лунных условиях, исследование Луны и поиск ресурсов. Прорабатываются и различные варианты получения прибыли – от платного телеуправления луноходами до поставок вещества и энергии.
В заключение отметим, что автор не ставил задачу противопоставить предложение «Луна семь» государственной программе (стратегии) освоения Луны. Цель лишь продемонстрировать, что возможны различные варианты такого освоения, в том числе и не «уходящие» за 2030–е и 2040–е годы.
14 декабря 2014
