К Луне - в сторону Солнца: ученые предложили альтернативный способ межпланетных полетов

– Михаил Юрьевич, уточните, пожалуйста, о каких спутниках идет речь?

– Мы прорабатываем концепцию освоения планет при помощи малых аппаратов, весом 100-160 килограмм (включая вес топлива). Они будут лететь до цели в два-три раза дольше, но зато потратить на них денег можно будет на порядок меньше, а летать – чаще.

– Почему раньше не отправляли таких «посланцев» ни Россия, ни другие страны?

– Во-первых, всем всегда хочется лететь быстрее, и у ряда стран есть на это средства, – если вы следите за новостями космонавтики, то знаете, что американцы, японцы, индийцы и китайцы периодически отправляют свои большие аппараты то на Луну, то на Марс, не так давно до Меркурия долетели. Во-вторых, рассчитать верную траекторию для малых аппаратов, чтобы они года полтора-два летали по Солнечной системе, а потом плавно сели на заданной планете, не так уж и просто.

Тише едешь, дальше будешь

– В чем разница между большими, но быстрыми и малыми, но медленными?

– У более тяжелого аппарата, к примеру, как у нашей «крайней» «Луны-25», весящей 1,8 тонны, или у американской двухтонной Athena («Афины»), стартовавшей к Луне в феврале 2025 года, совершенно другие двигатели, требующие большого количества топлива и отдельных тяжелых ракет-носителей. Наш же консорциум из организаций Минобрнауки РФ, РАН и Роскосмоса, куда вошел наш институт, Институт космических исследований РАН, Институт медико-биологических проблем РАН, АО Российские космические системы, ОКБ Факел, предлагает концепцию, которую пока никто не использовал.

Она заключается в том, что для запуска малого спутника к другой планете отдельная ракета-носитель не нужна, – его можно запустить с другим, более тяжелым спутником, выводимым на околоземную орбиту, попутно. Дальше, после выведения на определенную высоту, у него включается легкий электрореактивный двигатель и доводит его до выбранной планеты по сложной, длинной траектории.

Справка. Электрореактивный двигатель (ЭРД) – это двигатель, принцип работы которого основан на преобразовании электрической энергии в направленную кинетическую энергию частиц – ионов и электронов. Если в обычном реактивном двигателе топливо горит в атмосфере кислорода, то в ЭРД сильное электрическое поле, образованное за счет солнечных батарей, разлагает газ ксенон на электроны и ионы. В итоге из них образуется плазма, разгоняемая до 20 км в секунду, которая и является движущей силой. Россия — мировой лидер по производству ЭРД. Плазменные двигатели разрабатываются у нас, начиная с 60- х годов.

В отличие от тяжелого, реактивного двигателя, заправляемого большим количеством топлива, ЭРД может работать гораздо дольше, но с меньшей тягой. То есть, аппарат надо сначала так направить в космическом пространстве, чтобы заставить гравитацию Земли и Солнца добавить ему скорости, а затем еще суметь вовремя притормозить у нужной планеты, чтобы не промахнуться (у тяжелых спутников в этот момент включается их мощная двигательная установка).

– Если я вас правильно поняла, к другим планетам на ЭРД никто еще не летал?

– Правильно поняли. Электрореактивные двигатели широко используются пока только для маневрирования аппаратов в космическом пространстве, для вывода геостационарных спутников (они медленно доводят эти аппараты до нужной орбиты). Был один только случай полета европейского аппарата на Луну на ЭРД в 2005 году. Он назывался SMART-1, и прототип двигателя для него был закуплен у нашего предприятия «Факел». Все остальные миссии, которые были на подобных двигательных установках, осуществляли полеты не на планеты, а мимо них или на астероиды.

– Там тоже использовались российские двигатели?

– Не только наши, – начиная с 2000-х годов, их изготавливают и в других странах.

– Так почему на астероиды летали часто, а на планеты – ни разу?

– Потому что на электрореактивном двигателе очень сложно синхронизироваться с их орбитами. К примеру, у Марса очень большая скорость движения по орбите, и поэтому ракета Starship, к примеру, повезет туда еще много топлива, чтобы при встрече включить двигатель и значительно увеличить скорость, не дав Марсу проскочить мимо. На нашем плазменном двигателе так быстро сделать не получится, поскольку, как я уже говорил, – мы экономим за счет топлива. Мы полтора года «гоняем» спутник между Солнцем и Землей, чтобы в нужный момент его скорость уравнялась с Марсом. А потом, войдя в его гравитационное поле, ускорение надо еще поменять на торможение, чтобы за счет сильной гравитации планеты не врезаться в нее со всей скоростью, а плавно снизиться до заданной орбиты, нужной нашим планетным физикам.

– А синхронизироваться с астероидами разве легче?

–У астероида для посадки не надо тратить полгода за счет того, что у него почти нет гравитации, – к нему можно подлететь и быстро опуститься, не включая дополнительную тягу на торможение. Этой простой схемой и пользовались до последнего времени наши зарубежные коллеги, отправляя свои легкие аппараты с ЭРД на астероиды. А вот чтобы сесть на таком двигателе на планету, надо произвести сложные и длительные маневры.

– То есть, вы предлагаете лететь к Марсу окольными путями?

– Можно сказать и так. На пути к Марсу, по нашим расчетам, мы делаем петлю, равную почти целому витку вокруг Солнца, а точнее 2/3 оборота вокруг Солнца, тратя на это полтора года вместо 6-8 месяцев, как большие спутники.

– А к Венере так же долго придется лететь?

– Дольше, ведь для этого надо будет заложить два витка вокруг нашей звезды. Причем, если при полете к Марсу мы должны в определенный момент ускориться, то к Венере, наоборот, затормозиться. Это иллюзия, что к Венере лететь проще, – мол там же Солнце притягивает. Если лететь к внешним по отношению к Земле планетам, необходимо разгоняться относительно орбитального движения Земли – нужна энергия, то при полете к внутренним планетам (Венера, Меркурий), надо, наоборот, тормозиться.

Верхом на «Метеоре»

– Перейдем теперь к средствам выведения. На чем же могут стартовать малые спутники с плазменными двигателями?

– Быстро уносить их от Земли могут только традиционные реактивные двигатели на кислород-керосине или кислород-водороде. У нас, к примеру, есть такая быстрая ракета-носитель – «Союз 2.1б» и разгонный блок «Фрегат». По ценам, которые озвучивал Роскосмос в 2021 году, работа этой связки стоит почти 4 миллиарда рублей. И ничто другое не может «забросить» тяжелый аппарат, к примеру двухтонный спутник «Метеор-М» с 1,5 тонны топлива на Марс.

А у нас – всего стокилограммовый аппарат плюс всего 64 кг сжиженного газа ксенона. Получается, нам не нужна ни отдельная ракета, ни отдельный разгонный блок за 4 миллиарда рублей. Наше предложение заключается в том, чтобы просто закрепить наш малый спутник вместе с тяжелым аппаратом. Тот выводится на орбиту около 200 километров за 8 минут, а дальше разгонный блок доводит Метеор-М до высоты 800 км, а дальше, вместо того, чтобы «разворачиваться» к плотным слоям атмосферы, довыводит наш 160-килограммовый спутник на орбиту к Марсу или к Венере.

– А к Луне можно лететь на малом спутнике?

– Да. Можно использовать ту же платформу, но она будет уже немного легче за счет того, что ксенона для полета на Луну понадобится меньше.

– Сколько времени займет полет к Луне?

– В зависимости от используемой траектории и, следовательно, расхода топлива – от трех до шести месяцев. Ведь, чтобы подлететь к Луне на нашем маневренном малом аппарате, мы должны стартовать от Земли к Солнцу. Да-да, не к Луне, а к Солнцу! Солнце в определенный момент сработает как дополнительный двигатель, «толкнув» своей гравитацией аппарат на лунную орбиту. Мы будем лететь по сильно деформированному эллипсу, на схеме очень напоминающему скрипичный ключ, и подлетать к естественному спутнику Земли по так называемой специалистами «обходной» траектории.

– Какова научная значимость вашего подхода?

– Во-первых, это недорогая отработка новых технологий — старты к другим полетам, баллистика. На Луну все по прямой летают, а как долететь до нее не по прямой? Во-вторых, при помощи наших малых аппаратов на других планетах можно осуществлять эксперименты, которые невозможно или рискованно выполнять большими аппаратами. Например, радио- или оптическое просвечивание пространства парой или несколькими аппаратами, критическое сближение с поверхностью планеты, когда есть риск соударения, проведение и транслирование измерений при снижении в атмосфере планеты вплоть до прекращения существования аппарата и многое другое. Отправив на Луну сразу два аппарата, мы сможем исследовать ее очень опасную для будущих поселенцев пыль, просвечивая пространство над Луной одним спутником и передавая сигнал на другой. Есть также идея использовать нашу неспешную схему выведения для формирования навигационной системы на Луне, наподобие околоземной ГЛОНАСС. Для этого мы сможем одновременно вывести по сложно закрученной траектории 15 спутников и «расположить» их над Луной в разных плоскостях. Есть также идея создания группировки ДЗЛ по аналогии с околоземной ДЗЗ (дистанционного зондирования Земли).

– Каким же будет срок службы таких спутников?

– Они смогут летать в гравитационном поле Луны сколько угодно, почти не затрачивая потенциал двигателей. Ну, а срок службы аппаратуры, зависит от ее цены. И здесь невысокая стоимости разработки и запуска нового аппарата может компенсировать высокую стоимость очень надежной аппаратуры.

– Наверняка все это планируют делать и американцы с китайцами?

– Не исключено. Но пока по математическим расчетам мы идем впереди.

– Как быстро можно было бы построить спутники для межпланетных полетов и полетов на Луну?

– На пару аппаратов уйдет год-два.

– А элементная база их будет российской или понадобятся импортные комплектующие?

– Сейчас мы можем на 90 процентов собрать спутник из своих комплектующих, включая бортовой компьютер, и отправить его на своей ракете-носителе.

– Во сколько же может обойтись строительство?

– Точно сказать сложно, – примерно раз в 5-10 дешевле больших аппаратов, на создание которых затрачивается в среднем по десять, а то и более миллиардов рублей, смотря с какими сравнивать. А что такое миллиард? У нас только квартальная прибыль одного из ведущих банков – 280 миллиардов...

– Кто-то скажет, ну вот, у нас на большие амбициозные проекты денег не хватает, а они предлагают какие-то странные схемы...

– Конечно, для решения серьезных задач с посадкой на поверхности других планет нужны серьезные аппараты с нужной грузоподъемностью и надежностью, требующие длительного цикла разработки и испытаний. Но у нас подобные разработки длятся десятилетиями! Наши молодые специалисты – программисты, баллистики просиживают без дела, им не на чем набивать руку, а когда наконец, наступает долгожданный «праздник», и мы отправляем что-то дальше земной орбиты, именно это отсутствие опыта и приводит к досадным сбоям, как это случилось с «Луной-25». Вспомните, как развивал отечественной космонавтику Сергей Павлович Королев. Он постоянно «летал», пробовал, ошибался, но летал. И нам сейчас надо понять это и начать летать к Луне, Марсу, Венере, накапливая опыт, технологические и инженерные решения, быть может не сразу все, а по частям. В конце концов, надо не забывать и о политических аспектах, о престиже страны.