Проект Орион (ядерная двигательная установка)

Эта статья о проекте ядерной двигательной установки 1950-х годов. Чтобы узнать о других космических кораблях под названием Орион, см. Орион (значения) § Космос .

Не путать с Орионом (космическим кораблем) .

Художник НАСА визуализирует космический корабль импульсного ядерного деления проекта "Орион" 1999 года.

Проект «Орион» — исследование, проведенное в 1950-х и 1960-х годах США ВВС ( DARPA ). и НАСА в жизнеспособность космического корабля с ядерным импульсом , который будет приводиться в движение напрямую за счет серии атомных взрывов позади корабля. Ранние версии машины предлагалось взлетать с земли; более поздние версии были представлены для использования только в космосе. Разработка осуществлялась в компании General Atomics в Сан-Диего. среди сторонников были Вернер фон Браун , который выпустил официальный документ, пропагандирующий эту идею. Неядерные испытания проводились на моделях, но в конечном итоге от проекта отказались по нескольким причинам, включая Договор о частичном запрещении ядерных испытаний 1963 года , который запретил ядерные взрывы в космосе на фоне опасений по поводу ядерных осадков.

Физик Станислав Улам предложил общую идею ядерного импульсного движения в 1946 году. а предварительные расчеты были сделаны Фредериком Рейнсом и Уламом в меморандуме Лос-Аламоса , датированном 1947 годом. В августе 1955 года Улам стал соавтором секретной статьи, в которой предлагалось использовать ядерные бомбы деления, «выброшенные и взорванные на значительном расстоянии», для запуска космического корабля в космическое пространство. Проект возглавили Тед Тейлор из General Atomics и физик Фримен Дайсон , который по просьбе Тейлора взял на год перерыв в Институте перспективных исследований в Принстоне для работы над проектом. В июле 1958 года DARPA согласилось спонсировать «Орион» на первоначальном уровне в 1 миллион долларов в год, после чего проект получил свое название и официально начался. Агентство предоставило исследование концепции корпорации General Dynamics . но решил прекратить поддержку в конце 1959 года. ВВС США согласились поддержать «Орион», если для проекта будет обнаружено военное применение, а Управление пилотируемых космических полетов НАСА также внесло свой вклад в финансирование. В концепции, исследованной правительством, использовался противовзрывной щит и амортизатор для защиты экипажа и преобразования детонации в непрерывную движущую силу. Самый успешный модельный тест, состоявшийся в ноябре 1959 года, достиг высоты примерно 100 метров с шестью последовательными химическими взрывами. НАСА также подготовило профиль миссии на Марс для 125-дневного путешествия туда и обратно с восемью астронавтами при прогнозируемой стоимости разработки в 1,5 миллиарда долларов. «Орион» был отменен в 1964 году, после того как годом ранее Соединенные Штаты подписали Договор о частичном запрещении испытаний; договор значительно уменьшил политическую поддержку проекта. В 1959 году НАСА также решило, что гражданская космическая программа в ближайшем будущем будет неядерной.

Концепция Ориона предлагала как высокую тягу, так и высокий удельный импульс , или эффективность топлива: 2000 импульсных единиц ( Isp ) в соответствии с первоначальной конструкцией и Isp, возможно, от 4000 до 6000 секунд в соответствии с планом ВВС, с более поздним предложением термоядерной бомбы , предложенным в 1968 году. Дайсон потенциально увеличит это значение до более чем 75 000 исп, что обеспечит скорость 10 000 км/сек. В то время предполагалось, что ядерное устройство среднего размера будет производить около 5 или 10 миллиардов лошадиных сил. Чрезвычайную мощность ядерных взрывов по отношению к массе транспортного средства можно было бы контролировать с помощью внешних детонаций, хотя более ранняя версия концепции импульса предлагала удерживать взрывы во внутренней конструкции давления, причем одна из таких конструкций была подготовлена ​​​​The Martin Company. . Для качественного сравнения мощности традиционные химические ракеты , такие как «Сатурн-5» , который доставил программу «Аполлон» на Луну , производят высокую тягу с низким удельным импульсом, тогда как электрические ионные двигатели очень эффективно производят небольшую тягу. «Орион», напротив, обладал бы более высокими характеристиками, чем самые совершенные обычные или ядерные ракетные двигатели, рассматриваемые в то время. Сторонники проекта «Орион» считали, что у него есть потенциал для дешевых межпланетных путешествий .

От проекта «Лонгшот» до проекта «Дедал» , «Мини-Маг Орион» и других предложений, которые достигают инженерного анализа на уровне рассмотрения рассеивания тепловой энергии, принцип внешнего ядерного импульсного движения для максимизации живучести остается распространенным среди серьезных концепций межзвездных полетов без внешнего воздействия. энергетического излучения и для очень высокопроизводительных межпланетных полетов. Такие более поздние предложения имели тенденцию изменять основной принцип, предполагая, что оборудование вызывает детонацию гораздо меньших по размеру ядерных или термоядерных гранул, в отличие от более крупных ядерных импульсных установок проекта «Орион» (полных ядерных бомб). деревянную модель корабля высотой 26 дюймов (56 см) В 1979 году General Dynamics подарила Смитсоновскому институту , который выставляет ее в Центре Стивена Ф. Удвар-Хейзи недалеко от международного аэропорта Даллеса в Северной Вирджинии .

Основные принципы

Космический корабль «Орион» — ключевые компоненты

Ядерный импульсный двигатель Ориона сочетает в себе очень высокую скорость истечения, от 19 до 31 км/с (от 12 до 19 миль/с) в типичных межпланетных конструкциях, с меганьютоны . тягой в Многие двигательные установки космических кораблей могут достичь того или другого, но ядерные импульсные ракеты являются единственной предлагаемой технологией, которая потенциально может удовлетворить экстремальные требования к мощности для одновременной доставки обоих ( см. В двигательной установке космического корабля более гипотетические системы ).

Удельный импульс ( I _sp ) измеряет, какую тягу можно получить из данной массы топлива, и является стандартным показателем качества для ракетной техники. Для любого ракетного двигателя, поскольку кинетическая энергия выхлопных газов увеличивается пропорционально квадрату скорости ( кинетическая энергия = ⁠ 1 / 2 ⁠ mv ² ), тогда как импульс и тяга растут со скоростью линейно ( импульс = mv), получение определенного уровня тяги (как при ускорении g ) требует гораздо большей мощности каждый раз, когда скорость истечения и I _sp значительно увеличиваются в цель дизайна. (Например, наиболее фундаментальная причина того, что электрические двигательные установки с высоким I _sp имеют тенденцию иметь низкую тягу, связана с их ограничениями на доступную мощность. Их тяга фактически обратно пропорциональна I _sp, если мощность, поступающая на выхлоп, постоянна или находится на своем пределе. из-за необходимости рассеивания тепла или других технических ограничений.) Концепция Ориона предусматривает ядерные взрывы снаружи со скоростью высвобождения энергии, превышающей ту, которую ядерные реакторы могли бы выдержать внутри с известными материалами и конструкцией.

Поскольку вес не имеет ограничений, корабль «Орион» может быть чрезвычайно прочным. Беспилотный корабль мог выдерживать очень большие ускорения, примерно 100 g . Однако «Орион» с человеческим экипажем должен использовать какую-то систему демпфирования за толкающей пластиной, чтобы сгладить почти мгновенное ускорение до уровня, который люди могут с комфортом выдержать — обычно от 2 до 4 g .

Высокие характеристики зависят от высокой скорости истечения, позволяющей максимизировать силу ракеты при заданной массе топлива. Скорость плазменных обломков пропорциональна квадратному корню из изменения температуры ( T _c ) ядерного огненного шара. Поскольку такие огненные шары обычно достигают десяти миллионов градусов Цельсия или более менее чем за миллисекунду, они создают очень высокие скорости. Однако практичный дизайн должен также ограничивать разрушительный радиус огненного шара. Диаметр ядерного огненного шара пропорционален квадратному корню из взрывной мощности бомбы.

Форма реакционной массы бомбы имеет решающее значение для эффективности. В оригинальном проекте бомбы проектировалась реактивная масса из вольфрама . Геометрия и материалы бомбы фокусировали рентгеновские лучи и плазму из ядра ядерного взрывного устройства на реакционную массу. По сути, каждая бомба будет представлять собой ядерный кумулятивный заряд .

Бомба с цилиндром реакционной массы при взрыве расширяется в плоскую дискообразную волну плазмы. Бомба с реакционной массой в форме диска превращается в гораздо более эффективную сигарообразную волну плазменных обломков. Сигаретная форма фокусирует большую часть плазмы на пластине-толкателе. Для наибольшей эффективности миссии уравнение ракеты требует, чтобы наибольшая часть взрывной силы бомбы была направлена ​​на космический корабль, а не расходовалась изотропно .

Максимальный эффективный удельный импульс I _sp ядерного импульсного привода Ориона обычно равен:

$I_{sp}={\frac {C_{0}\cdot V_{e}}{g_{n}}}$

где C ₀ - коэффициент коллимации (какая часть осколков взрывной плазмы фактически попадет на пластину поглотителя импульсов при взрыве импульсной установки), V _e - скорость плазменных осколков ядерной импульсной установки, а g _n - стандартное ускорение свободного падения ( 9,81 м/с ² ; этот коэффициент не требуется, если I _sp измеряется в Н·с/кг или м/с). Коэффициент коллимации около 0,5 может быть достигнут путем согласования диаметра толкающей пластины с диаметром ядерного огненного шара, создаваемого взрывом ядерной импульсной установки.

Чем меньше бомба, тем меньше будет каждый импульс, а значит, тем выше будет скорость импульсов и больше, чем потребуется для выхода на орбиту. Меньшие импульсы также означают меньшую перегрузку толкающей пластины и меньшую потребность в демпфировании для сглаживания ускорения.

Оптимальная мощность ракеты с приводом Ориона (для эталонной конструкции массой 4000 тонн с пилотируемым экипажем) была рассчитана примерно в районе 0,15 кт, при этом для вывода на орбиту необходимо около 800 бомб и скорострельность примерно 1 бомба в секунду.

Размеры транспортных средств

Следующее можно найти в Джорджа Дайсона . книге Цифры для сравнения с Сатурном V взяты из этого раздела США и преобразованы из метрических единиц (кг) в короткие тонны (здесь сокращенно «т»).

Изображение самого маленького тщательно изученного корабля «Орион», который мог иметь полезную нагрузку около 100 тонн во время полета туда и обратно на Марс в составе 8 экипажей. Слева: вариант Saturn V «Boost-to-orbit» диаметром 10 метров, требующий сборки на орбите, прежде чем корабль «Орион» сможет двигаться с помощью собственной двигательной установки. Справа — полностью собранная «подъемная» конфигурация, в которой космический корабль будет подниматься высоко в атмосферу до начала импульсного движения. Как показано в документе НАСА 1964 года «Исследование космического корабля с ядерным импульсом, том III - Концептуальные конструкции транспортных средств и эксплуатационные системы».

	орбитальный тест	Межпланетный	Передовой межпланетный	Saturn V
Масса корабля	880 т	4000 т	10 000 т	3350 т
Диаметр корабля	25 м	40 м	56 м	10 м
Высота корабля	36 м	60 м	85 м	110 м
Мощность бомбы (уровень моря)	0,03 тыс. тонн	0,14 тыс. тонн	0,35 тыс. тонн	н/д
Бомбы (до 300 миль низкой околоземной орбиты )	800	800	800	н/д
Полезная нагрузка (до 300 миль НОО)	300 т	1600 т	6100 т	130 т
Полезная нагрузка (к мягкой посадке на Луну)	170 т	1200 т	5700 т	2 т
Полезная нагрузка (возвращение на орбиту Марса)	80 т	800 т	5300 т	–
Полезная нагрузка (3-летнее возвращение Сатурна)	–	–	1300 т	–

В конце 1958 - начале 1959 года стало понятно, что наименьшая практическая машина будет определяться наименьшей достижимой мощностью бомбы. Использование бомб мощностью 0,03 кт (на уровне моря) обеспечит массу машины 880 тонн. Однако это было сочтено слишком маленьким для чего-либо, кроме орбитального испытательного корабля, и вскоре команда сосредоточилась на «базовой конструкции» массой 4000 тонн.

В то время подробности конструкции небольшой бомбы были окутаны тайной. Во многих отчетах о конструкции «Ориона» перед выпуском были удалены все детали бомб. Сравните приведенные выше детали с отчетом General Atomics за 1959 год: который исследовал параметры трех разных размеров гипотетического космического корабля Орион:

	«Спутник» Орион	«Средний уровень» Орион	"Супер" Орион
Диаметр корабля	17–20 м	40 м	400 м
Масса корабля	300 т	1000–2000 т	8 000 000 т
Количество бомб	540	1080	1080
Индивидуальная масса бомбы	0,22 т	0,37–0,75 т	3000 т

Самая большая конструкция, представленная выше, — это «супер» конструкция Ориона; при 8 миллионах тонн это легко могло бы стать городом. В интервью конструкторы рассматривали большой корабль как возможный межзвездный ковчег . Эта экстремальная конструкция могла быть построена с использованием материалов и технологий, которые можно было получить в 1958 году или которые, как предполагалось, станут доступны вскоре после этого.

Большая часть из трех тысяч тонн каждой из двигательных установок «супер» Ориона будет состоять из инертного материала, такого как полиэтилен или соли бора , который будет использоваться для передачи силы детонации двигательных установок на толкающую пластину Ориона и поглощать нейтроны, чтобы минимизировать выпадение осадков. . Одна из конструкций, предложенная Фрименом Дайсоном для «Супер Ориона», предусматривала, что толкающая пластина должна состоять в основном из урана или трансуранового элемента , чтобы по достижении ближайшей звездной системы пластина могла быть преобразована в ядерное топливо.

Теоретические приложения

Конструкция ядерно-импульсной ракеты «Орион» обладает чрезвычайно высокими характеристиками. Ядерно-импульсные ракеты «Орион», использующие импульсные блоки ядерного деления, изначально предназначались для использования в межпланетных космических полетах.

Миссии, которые были разработаны для корабля «Орион» в первоначальном проекте, включали одноэтапный (т. е. прямо с поверхности Земли) на Марс и обратно, а также полет к одному из спутников Сатурна.

Фримен Дайсон провел первый анализ того, какие виды миссий Ориона могли достичь Альфа Центавра , ближайшей к Солнцу звездной системы . Его статья 1968 года «Межзвездный транспорт» ( Physics Today ). сохранил концепцию больших ядерных взрывов, но Дайсон отошел от использования ядерных бомб и вместо этого рассмотрел возможность использования термоядерных взрывов дейтерия мощностью в одну мегатонну . Его выводы были просты: скорость осколков термоядерных взрывов, вероятно, находилась в диапазоне 3000–30 000 км/с, а отражающая геометрия полусферической толкающей пластины Ориона уменьшила бы этот диапазон до 750–15 000 км/с.

Чтобы оценить верхний и нижний пределы того, что можно было сделать с использованием технологии 1968 года, Дайсон рассмотрел два проекта звездолетов. Более консервативная конструкция толкающей пластины с ограниченной энергией просто должна была поглощать всю тепловую энергию каждого налетающего взрыва (4 × 10 ¹⁵ джоулей, половина из которых будет поглощена пластиной толкателя) без плавления. Дайсон подсчитал, что если бы открытая поверхность состояла из меди толщиной 1 мм, то диаметр и масса полусферической пластины-толкателя должны были бы составлять 20 километров и 5 миллионов тонн соответственно. Потребуется 100 секунд, чтобы позволить меди радиационно остыть перед следующим взрывом. Тогда потребуется порядка 1000 лет, чтобы радиатор с ограниченным энергопотреблением Ориона достиг Альфы Центавра.

Чтобы улучшить эти характеристики при одновременном уменьшении размера и стоимости, компания Dyson рассмотрела альтернативную конструкцию толкающей пластины с ограничением импульса , в которой для удаления избыточного тепла заменяется абляционное покрытие открытой поверхности. В этом случае ограничение устанавливается способностью амортизаторов передавать импульс от импульсно ускоряющейся толкающей пластины к плавно ускоряющемуся транспортному средству. Дайсон подсчитал, что свойства доступных материалов ограничивают скорость, передаваемую каждым взрывом, до ~ 30 метров в секунду, независимо от размера и характера взрыва. Если транспортное средство необходимо разогнать до 1 силы тяжести Земли (9,81 м/с ² ) при такой передаче скорости частота пульса составит один взрыв каждые три секунды. Размеры и характеристики автомобилей Dyson указаны следующим образом:

	«Энерджи Лимитед» Орион	«Моментум Лимитед» Орион
Диаметр корабля (метры)	20 000 м	100 м
Масса пустого корабля (тонны)	10 000 000 т (в т.ч. медная полусфера 5 000 000 т)	100 000 т (включая конструкцию 50 000 т + полезную нагрузку)
+Количество бомб = общая масса бомбы (каждая бомба мощностью 1 Мт весит 1 тонну)	30,000,000	300,000
= Масса отправления (тонны)	40 000 000 т	400 000 т
Максимальная скорость (километров в секунду)	1000 км/с (=0,33% скорости света)	10 000 км/с (= 3,3% скорости света)
Среднее ускорение (гравитация Земли)	0,00003 г (ускорение за 100 лет)	1 г (ускорение в течение 10 дней)
Время до Альфа Центавра (в одну сторону, без замедления)	1330 лет	133 года
Ориентировочная стоимость	1 год ВНП США (1968 г.), 3,67 триллиона долларов США.	0,1 год ВНП США $0,367 трлн.

Более поздние исследования показали, что максимальная крейсерская скорость, которую теоретически можно достичь, составляет несколько процентов скорости света (0,08–0,1c). Атомный (делящийся) Орион может достичь скорости около 9–11% скорости света. Звездолет с ядерно-импульсным двигателем, приводимый в движение ядерно-импульсными двигательными установками, катализируемыми термоядерным синтезом-антиматерией, будет аналогичным образом находиться в диапазоне 10%, а ракеты, уничтожающие чистую материю-антиматерию, теоретически будут способны развивать скорость от 50% до 80% скорости света . В каждом случае экономия топлива на замедление снижает максимальную скорость вдвое. Концепция использования магнитного паруса для замедления космического корабля по мере его приближения к пункту назначения обсуждалась как альтернатива использованию топлива; это позволило бы кораблю двигаться со скоростью, близкой к максимальной теоретической.

При температуре 0,1 c термоядерным космическим кораблям Ориона потребуется время полета не менее 44 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, не считая времени, необходимого для достижения этой скорости (около 36 дней при постоянном ускорении 1 g или 9,8 м/с). ² ). При температуре 0,1 ° космическому кораблю Ориона потребуется 100 лет, чтобы преодолеть расстояние в 10 световых лет. Астроном Карл Саган предположил, что это было бы отличным применением запасов ядерного оружия.

Дополнительная информация: Межзвездные путешествия.

В рамках разработки проекта «Орион» с целью получения финансирования от военных в 1960-х годах ВВС США обсуждали создание модифицированной платформы космического базирования с ядерным ракетным оружием, защищенной от ядерных взрывов. В его состав войдут «Силы по бомбардировке дальнего космоса» ВВС США.

Более поздние события

Современная концепция двигательной установки импульсного деления

Концепция, аналогичная Ориону, была разработана Британским межпланетным обществом (BIS) в 1973–1974 годах. Проект «Дедал» должен был стать роботизированным межзвездным зондом к Звезде Барнарда , который будет двигаться со скоростью 12% скорости света. В 1989 году подобная концепция изучалась ВМС США и НАСА в рамках проекта Longshot . Обе эти концепции требуют значительных достижений в термоядерных технологиях и поэтому не могут быть построены в настоящее время, в отличие от Ориона.

С 1998 года по настоящее время факультет ядерной инженерии Пенсильванского государственного университета разрабатывает две улучшенные версии проекта «Орион», известные как Project ICAN и Project AIMStar, с использованием компактных катализируемых антивеществом . ядерных импульсных двигательных установок, а не большие термоядерные системы зажигания с инерционным удержанием, предложенные в проектах «Дедал» и «Лонгшот».

Затраты

Считалось, что затраты на необходимые расщепляющиеся материалы высоки, пока физик Тед Тейлор не показал, что при правильной конструкции взрывчатых веществ количество расщепляющихся материалов, используемых при запуске, было почти постоянным для любого размера Ориона от 2000 тонн до 8 000 000 тонн. В более крупных бомбах использовалось больше взрывчатки для сверхсжатия расщепляющихся материалов, что повышало эффективность. Дополнительные обломки взрывчатки также служат дополнительной движущей массой.

Основная часть затрат на исторические программы ядерной обороны приходилась на доставку и системы поддержки, а не на стоимость непосредственно производства бомб (согласно одному исследованию, боеголовки составляли 7% от общих расходов США в 1946–1996 годах). После первоначального развития инфраструктуры и инвестиций предельные затраты на дополнительные ядерные бомбы при массовом производстве могут быть относительно низкими. В 1980-е годы ориентировочная стоимость некоторых американских термоядерных боеголовок составляла 1,1 миллиона долларов каждая (630 миллионов долларов за 560). Источник в 1964 году оценил, возможно, более простые импульсные блоки деления, которые будут использоваться в одной конструкции Ориона, в массовом производстве в 40 000 долларов или меньше каждый, что составит примерно 0,3 миллиона долларов каждый в современных долларах с поправкой на инфляцию.

Позже в рамках проекта «Дедал» были предложены термоядерные взрывчатые вещества ( гранулы дейтерия или трития ), детонирующие за счет инерционного удержания электронного луча. Это тот же принцип, что и в инерционном термоядерном синтезе . Теоретически его можно уменьшить до гораздо меньших взрывов и потребовать небольших амортизаторов.

Архитектура автомобиля

Проект двигательного модуля «Орион».

С 1957 по 1964 год эта информация использовалась для разработки двигательной установки космического корабля под названием «Орион», в которой ядерная взрывчатка бросалась за толкающую пластину, установленную на днище космического корабля, и взрывалась. Ударная волна и излучение от детонации ударились бы о нижнюю часть пластины толкателя, дав ей мощный толчок. Толкающая пластина будет установлена ​​на больших двухступенчатых амортизаторах , которые будут плавно передавать ускорение остальной части космического корабля.

Во время взлета возникли опасения по поводу опасности попадания жидкостной шрапнели. отражаясь от земли. Одно из предложенных решений заключалось в том, чтобы использовать плоскую пластину с обычной взрывчаткой, нанесенную на толкающую пластину, и взорвать ее, чтобы поднять корабль с земли, прежде чем он станет ядерным. Это поднимет корабль достаточно высоко в воздух, чтобы первый сосредоточенный ядерный взрыв не создал обломков, способных нанести вред кораблю.

Проект импульсного блока

Разработан эскизный проект ядерно-импульсной установки. В нем предлагалось использовать кумулятивное взрывчатое вещество термоядерного деления с кумулятивным зарядом. Взрывчатка была обернута канальным наполнителем из оксида бериллия , окруженным урановым радиационным зеркалом. Зеркало и наполнитель канала были открытыми, и в этом открытом конце плоская пластина с вольфрамовым помещалась порохом. Весь блок был встроен в банку диаметром не более 6 дюймов (150 мм) и весил чуть более 300 фунтов (140 кг), поэтому с ним можно было обращаться с помощью оборудования, увеличенного по размеру из автомата по продаже безалкогольных напитков; По поводу дизайна консультировались с Coca-Cola.

Через 1 микросекунду после воспламенения плазма и нейтроны гамма-бомбы нагреют наполнитель канала и будут в некоторой степени сдерживаться урановой оболочкой. Через 2–3 микросекунды наполнитель канала передавал часть энергии топливу, которое испарялось. Плоская пластина пороха образовала сигарообразный взрыв, направленный на пластину-толкатель.

Плазма остынет до 25 200 ° F (14 000 ° C), когда она пройдет расстояние 82 фута (25 м) до толкающей пластины, а затем снова нагреется до 120 600 ° F (67 000 ° C), когда примерно за 300 микросекунд она достигнет пластины. пластина толкателя и снова сжимается. Эта температура излучает ультрафиолетовый свет, который плохо проходит через большинство видов плазмы. Это помогает сохранять пластину толкателя прохладной. Сигарообразный профиль распределения и низкая плотность плазмы уменьшают мгновенный удар по пластине толкателя.

Поскольку импульс, передаваемый плазмой, наибольший в центре, толщина пластины толкателя уменьшится примерно в 6 раз от центра к краю. Это гарантирует, что изменение скорости будет одинаковым для внутренней и внешней частей пластины.

На малых высотах, где окружающий воздух плотный, гамма-рассеяние потенциально может нанести вред экипажу без радиационной защиты; радиационное убежище также будет необходимо во время длительных миссий, чтобы пережить солнечные вспышки . Эффективность защиты от радиации увеличивается экспоненциально с увеличением толщины экрана; см. в разделе «Гамма-лучи» обсуждение защиты . На кораблях массой более 2 200 000 фунтов (1 000 000 кг) основная масса корабля, его запасы, а также масса бомб и топлива обеспечат более чем достаточную защиту для экипажа. Первоначально считалось, что стабильность является проблемой из-за неточностей в размещении бомб, но позже было показано, что эти эффекты нивелируются.

Многочисленные летные испытания модели с использованием обычной взрывчатки были проведены в Пойнт-Лома, Сан-Диего, в 1959 году. 14 ноября 1959 года однометровая модель, также известная как «Хот-Род» и «Тут-Тут», впервые полетела с использованием гексогена ( химическая взрывчатка) в управляемом полете в течение 23 секунд на высоту 184 футов (56 м). Фильм испытаний переписан на видео и были показаны в телепрограмме BBC «На Марс с помощью атомной бомбы» в 2003 году с комментариями Фримена Дайсона и Артура Кларка . Модель приземлилась на парашюте неповрежденной и находится в коллекции Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики.

Первым предложенным амортизатором была кольцеобразная подушка безопасности. Вскоре стало понятно, что в случае неудачи взрыва толкающая пластина массой 1 100 000–2 200 000 фунтов (500 000–1 000 000 кг) оторвет подушку безопасности при отскоке. Поэтому была разработана конструкция двухступенчатого расстроенного пружинно-поршневого амортизатора. В эталонной конструкции механический поглотитель первой ступени был настроен на частоту импульсов, в 4,5 раза превышающую частоту импульсов, тогда как газовый поршень второй ступени был настроен на частоту импульсов, превышающую 0,5 раза. Это допускало допуск по времени в 10 мс для каждого взрыва.

Окончательная конструкция справилась с отказом бомбы за счет пролета и возврата в центральное положение. Таким образом, после сбоя и при первом наземном запуске будет необходимо запустить или перезапустить последовательность действий с использованием устройства меньшей мощности. В 1950-х годах методы регулирования мощности бомб находились в зачаточном состоянии, и значительное внимание уделялось обеспечению средств замены бомбы стандартной мощности на бомбу меньшей мощности за 2 или 3 секунды или созданию альтернативных средств стрельбы с малой мощностью. давать бомбы. Современные устройства переменной мощности позволяют автоматически настраивать одно стандартное взрывчатое вещество (настраивать его на меньшую мощность).

Бомбы нужно было запускать за толкающую пластину с достаточной скоростью, чтобы взрываться на расстоянии 66–98 футов (20–30 м) за ней каждые 1,1 секунды. Были рассмотрены многочисленные предложения: от нескольких орудий, торчащих за край толкающей пластины, до реактивных бомб, запускаемых с дорожек американских горок; однако в окончательном эталонном проекте для стрельбы по устройствам использовался простой газовый пистолет через отверстие в центре пластины толкателя.

Потенциальные проблемы

Воздействие повторяющихся ядерных взрывов порождает проблему абляции (эрозии) пластины-толкателя. Расчеты и эксперименты показали, что стальная пластина-толкатель, если она не защищена, может удалиться менее чем на 1 мм. При распылении масла он вообще не удалялся (это было обнаружено случайно: на тестовой пластине были маслянистые отпечатки пальцев, а отпечатки пальцев не подвергались абляции). Спектры поглощения углерода и водорода минимизируют нагрев. Расчетная температура ударной волны, 120 600 ° F (67 000 ° C), излучает ультрафиолетовый свет. Большинство материалов и элементов непрозрачны для ультрафиолета, особенно при давлении 49 000 фунтов на квадратный дюйм (340 МПа), которому подвергается пластина. Это предотвращает плавление или абляцию пластины.

Один вопрос, который остался нерешенным по завершении проекта, заключался в том, приведет ли турбулентность, создаваемая комбинацией метательного топлива и удаленной толкающей пластины, резко увеличить общую абляцию толкающей пластины. По словам Фримена Дайсона, в 1960-х годах им пришлось бы провести испытание с настоящей ядерной взрывчаткой, чтобы определить это; с помощью современных технологий моделирования это можно определить довольно точно и без такого эмпирического исследования.

Еще одна потенциальная проблема с пластиной-толкателем — это отколы (осколки металла), которые могут отлететь от верхней части пластины. Ударная волна от падающей плазмы на нижнюю часть пластины проходит через пластину и достигает верхней поверхности. В этот момент может произойти раскол, повредивший пластину толкателя. По этой причине альтернативные материалы — фанера и стекловолокно — были исследованы для поверхностного слоя пластины толкателя и признаны приемлемыми.

Если обычное взрывчатое вещество в ядерной бомбе взорвется, но ядерный взрыв не загорится, шрапнель может попасть в нее и потенциально серьезно повредить толкающую пластину.

Подлинные инженерные испытания систем корабля считались невозможными, поскольку невозможно было провести несколько тысяч ядерных взрывов в одном месте. Были разработаны эксперименты по испытанию толкающих пластин в ядерных огненных шарах, а долгосрочные испытания толкающих пластин могли проводиться в космосе. Конструкции амортизаторов можно будет испытать в полномасштабных условиях на Земле с использованием химической взрывчатки.

Однако главной нерешенной проблемой запуска с поверхности Земли считались выпадения ядерных осадков . Фриман Дайсон, руководитель группы проекта, еще в 1960-х годах подсчитал, что при использовании обычного ядерного оружия каждый запуск статистически вызовет в среднем от 0,1 до 1 смертельного случая рака в результате радиоактивных осадков. Эта оценка основана на предположениях беспороговой модели — методе, который часто используется при оценке статистической смертности от других видов промышленной деятельности. Каждые несколько миллионов долларов эффективности, косвенно полученные или потерянные в мировой экономике, могут статистически усреднить спасенные или потерянные жизни с точки зрения выгод от новых возможностей по сравнению с затратами. Косвенные эффекты могут иметь значение для того, будет ли общее влияние космической программы на базе «Орион» на будущую глобальную человеческую смертность чистым увеличением или чистым снижением, в том числе если изменение стоимости запуска и возможностей повлияет на исследование космоса , колонизацию космоса , шансы на долгосрочную перспективу. - термин выживания человеческого вида , солнечная энергия космического базирования или другие гипотетические гипотезы.

Опасность для человеческой жизни не была причиной откладывания проекта. Причины включали отсутствие требований к миссии, тот факт, что никто в правительстве США не мог придумать какой-либо причины для вывода тысяч тонн полезной нагрузки на орбиту, решение сосредоточиться на ракетах для миссии на Луну и, в конечном итоге, подписание соглашения. Договор о частичном запрещении испытаний в 1963 году. Опасность электромагнитного импульса для электронных систем на земле не считалась значительной из-за предложенных субкилотонных взрывов, поскольку твердотельные интегральные схемы в то время широко не использовались.

Из многих более мелких взрывов вместе взятых, радиоактивные осадки для всего запуска ракеты «Орион» массой 12 000 000 фунтов (5 400 000 кг) равны детонации типичного ядерного оружия мощностью 10 мегатонн (40 петаджоулей ) в виде воздушного взрыва , поэтому большая часть его осадков будет сравнительно слабые отложенные осадки . Если предположить, что будет использоваться ядерная взрывчатка с высокой долей общей мощности деления, то общая сумма выпадений будет аналогична мощности взрыва на поверхности от Майка выстрела в ходе операции «Плющ» — устройства мощностью 10,4 мегатонны, взорванного в 1952 году. Сравнение не совсем корректно. Идеально, поскольку из-за места взрыва на поверхности Айви Майк создал большое количество ранних радиоактивных осадков. Исторические наземные испытания ядерного оружия включали 189 мегатонн мощность деления и вызвали среднее глобальное радиационное воздействие на человека, достигшее пика 1,0 × 10. ⁻⁵ бэр/кв. фут (0,11 мЗв/год) в 1963 г., при 6,5 × 10 ⁻⁷ остаточная бэр/кв. фут (0,007 мЗв/год) в наше время , наложенная на другие источники облучения, в первую очередь естественное фоновое излучение , которое в среднем составляет 0,00022 бэр/кв. фут (2,4 мЗв/год) во всем мире, но сильно варьируется, например, 0,00056 бэр/ кв. футов (6 мЗв/год) в некоторых высокогорных городах. На любое сравнение будет влиять то, как на дозировку населения влияют места взрыва, при этом предпочтительными являются очень удаленные места.

Тед Тейлор подсчитал, что благодаря специальной конструкции ядерной взрывчатки выпадение продуктов деления можно сократить в десять раз или даже до нуля, если чистое термоядерное взрывчатое вещество вместо этого можно будет создать . Согласно рассекреченным правительственным документам США, 100% чистое термоядерное взрывчатое вещество еще не создано, хотя относительно чистые ПНЭ ( мирные ядерные взрывы ) были испытаны при прокладке каналов Советским Союзом в 1970-х годах с выходом термоядерного синтеза 98% в ходе в Тайге испытаний . Устройства мощностью 15 килотонн 0,3 килотонны , , деление который раскопал часть предполагаемого Печоро-Камского канала .

Силовая установка ракеты и ее программа испытаний нарушили бы Договор о частичном запрещении испытаний 1963 года в его нынешней редакции, который запрещает все ядерные взрывы, за исключением тех, которые проводятся под землей в качестве попытки замедлить гонку вооружений и ограничить количество радиации в атмосфере, вызванной путем ядерных взрывов. Правительство США предприняло попытку внести в договор 1963 года исключение, позволяющее использовать ядерную двигательную установку для космических полетов, но опасения Советского Союза по поводу военного применения не позволили сделать это исключение из договора. Это ограничение коснется только США, России и Великобритании. Это также нарушит Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний , подписанный Соединенными Штатами и Китаем, а также фактический мораторий на ядерные испытания, который объявленные ядерные державы ввели с 1990-х годов.

Запуск такой ракеты с ядерной бомбой «Орион» с земли или низкой околоземной орбиты создаст электромагнитный импульс , который может нанести значительный ущерб компьютерам и спутникам, а также наполнить пояса Ван Аллена высокоэнергетическим излучением. Поскольку зона действия ЭМИ будет иметь ширину в несколько сотен миль, эту проблему можно решить путем запуска из очень отдаленных районов. Несколько относительно небольших электродинамических тросов космического базирования могут быть развернуты для быстрого выброса энергичных частиц из углов захвата поясов Ван Аллена.

Космический корабль «Орион» можно было бы поднять неядерными средствами на более безопасное расстояние, только активировав его движение на достаточном расстоянии от Земли и ее спутников. Лофстрома Пусковая петля или космический лифт гипотетически предоставляют отличные решения; В случае с космическим лифтом существующие композиты из углеродных нанотрубок , за возможным исключением углеродных трубок Colossal , еще не обладают достаточной прочностью на разрыв . Все конструкции химических ракет крайне неэффективны и дороги при выводе на орбиту больших масс, но их можно было бы использовать, если бы результат был экономически эффективным.

Известный персонал

• Лью Аллен , менеджер по контракту
• Джерри Астл , инженер по взрывчатым веществам
• Джереми Бернштейн , физик
• Эдвард Крейц , физик
• Брайан Данн , главный научный сотрудник Ориона
• Фримен Дайсон , физик
• Гарольд Фингер , физик
• Берт Фриман , физик
• Эдвард Б. Гиллер , представитель ВВС США
• Чарльз Кларк Лумис , физик
• Харрис Майер , физик
• Джеймс Нэнс , директор проекта
• Х. Пьер Нойес , физик
• Рональд Ф. Пратер , представитель ВВС США
• Дон Прикетт , представитель ВВС США
• Кедар «Бад» Пайетт , математик
• Моррис Шарфф , физик
• Тед Тейлор , директор проекта
• Майкл Трешоу , физик
• Станислав Улам , математик

Операция Пламббоб

Основная статья: Операция Пламббоб

Испытание, похожее на испытание толкающей пластины, произошло как случайный побочный эффект испытания ядерного сдерживания под названием « Паскаль-Б », проведенного 27 августа 1957 года. Проектировщик эксперимента доктор Роберт Браунли выполнил очень приблизительный расчет, который показал, что ядерная взрывчатка малой мощности ускорит массивную (900 кг) стальную закрывающую пластину до шестикратной скорости убегания . Пластина так и не была найдена, но доктор Браунли считает, что она никогда не покидала атмосферу; например, он мог испариться в результате сжатия атмосферы из-за его высокой скорости. Рассчитанная скорость была настолько интересной, что команда навела на пластину высокоскоростную камеру, которая, к сожалению, появилась только в одном кадре, что указывает на очень высокую нижнюю границу скорости пластины.

Заметные появления в художественной литературе

Основная статья: Список историй о ядерно-импульсной силовой установке

Первым появлением этой идеи в печати стал Роберта А. Хайнлайна рассказ 1940 года « Происходят взрывы ».

Как обсуждал Артур Кларк в своих воспоминаниях о создании фильма « 2001: Космическая одиссея в затерянных мирах 2001 года» ядерно-импульсная версия американского межпланетного космического корабля «Дискавери-1» , рассматривалась . Однако « Дискавери» в фильме не использовал эту идею, поскольку Стэнли Кубрик считал, что это можно считать пародией на фильм « Доктор Стрейнджлав, или Как я научился не волноваться и полюбил бомбу» .

Космический корабль Орион занимает видное место в научно-фантастическом романе Поступь» « Ларри Нивена и Джерри Пурнелла . Перед лицом инопланетной осады/вторжения на Землю люди должны прибегнуть к решительным мерам, чтобы вывести боевой корабль на орбиту и противостоять инопланетному флоту.

Вступительная предпосылка шоу «Вознесение» заключается в том, что в 1963 году президент Джон Ф. Кеннеди и правительство США, опасаясь эскалации холодной войны и приведения к разрушению Земли, запустили « Вознесение» , космический корабль класса «Орион», чтобы колонизировать планету, вращающуюся вокруг нее. Проксима Центавра, обеспечивающая выживание человечества.

В научно-фантастическом романе автора Стивена Бакстера «Ковчег» используется корабль генерации класса «Орион», чтобы избежать экологической катастрофы на Земле.

К завершению своей «Импайрские игры» трилогии Чарльз Стросс включает космический корабль, созданный по образцу проекта «Орион». Разработчики корабля, ограниченные уровнем промышленного потенциала 1960-х годов, планируют использовать его для исследования параллельных миров и в качестве средства ядерного сдерживания, опережая своих противников на более современные возможности.

В романе ужасов Джереми Робинсона «Мучение » (написанном под псевдонимом Джереми Бишоп) главные герои спасаются от глобальной ядерной войны на корабле с ядерной импульсной двигательной установкой . Это судно входит в число трех других; часть «Протокола Ориона», механизма побега для членов федерального правительства. Корабли размещены в подземной камере под Эллипсом .

В научно-фантастическом романе « Проблема трех тел » и связанных с ним телевизионных шоу зонд запускается в сторону приближающегося флота инопланетян, используя вариант метода Ориона.

См. также

• АИМСтар
• Ядерный импульсный двигатель, катализируемый антивеществом
• Гелиос (двигательная система)
• НЕРВА (Ядерный двигатель для ракетных транспортных средств)
• Ядерная двигательная установка
• Проект Плутон
• Проект Прометей
• Проект Валькирия
• Мирный ядерный взрыв

Дальнейшее чтение

• Дайсон, Джордж (2003). Проект Орион: Правдивая история атомного космического корабля . Генри Холт и компания. ISBN  978-0-8050-7284-6 .
• Гимон, Эдвард (зима 2020 г.). «Ослепление Ориона: проблематичное продвижение импульсного движения». Квест: История космических полетов . 27 (4): 3–12.
• Макфи, Джон (1994). Кривая связывающей энергии . Фаррар, Штраус и Жиру. ISBN  978-0-374-51598-0 .
• «Сводный технический отчет о ядерно-импульсной двигательной установке (проект Орион)» RTD-TDR-63-3006 (1963–1964); GA-4805 Том. 1: Эталонное исследование конструкции транспортного средства, Том. 2: Эффекты взаимодействия, Том. 3: Импульсные системы, Том. 4: Экспериментальный структурный ответ. (Из Национальной службы технической информации, США)
• «Сводный технический отчет о ядерно-импульсной двигательной установке (проект Орион)» 1 июля 1963 г. - 30 июня 1964 г., WL-TDR-64-93; GA-5386 Том. 1: Краткий отчет, Том. 2: Теоретическая и экспериментальная физика, Том. 3: Проектирование двигателей, методы анализа и разработки, Том. 4: Инженерные экспериментальные испытания. (Из Национальной службы технической информации, США)
• General Atomics, Исследование космического корабля с ядерным импульсом, том I - Краткое содержание , 19 сентября 1964 г.
• General Atomics, Исследование космического корабля с ядерным импульсом, Том III - Концептуальные конструкции транспортных средств и эксплуатационные системы , 19 сентября 1964 г.
• General Atomics, Исследование космического корабля с ядерным импульсом, Том IV - Требования к скорости полета и сравнение систем , 28 февраля 1966 г.
• General Atomics, Исследование космического корабля с ядерным импульсом, Том IV - Требования к скорости полета и сравнение систем (Дополнение) , 28 февраля 1966 г.
• Корпорация Дженерал Дайнемикс; Ниче, Эрик (1960). Джон Нивен (ред.). Динамическая Америка: история корпорации General Dynamics и ее компаний-предшественников . Общая динамика. ОСЛК   1284190 .
• НАСА, Сокращенный отчет об исследовании ядерно-импульсного транспортного средства (General Dynamics Corp) , 14 января 1964 г.

Внешние ссылки

• Дело об Орионе
• Фримен Дайсон рассказывает о проекте «Орион»
• Электромагнитные импульсные ударные волны в результате ядерно-импульсного движения. Архивировано 24 февраля 2021 года в Wayback Machine.
• Джордж Дайсон рассказывает о проекте «Орион» на TED