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 время 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 частях рассказа 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.  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. 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.

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.
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».
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.  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 поползли в будущее и сроки первого запуска Falcon Heavy, что тоже не добавляет оптимизма американским 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:
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: 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:
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. 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».

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.