Приветствую вас! Вы на канале "Лунный Буржуй".
Все пионеры теоретической космонавтики, в том числе и Константин Циолковский, были убеждены, что освоение Солнечной системы человечеством и осуществление межзвёздных путешествий станет реальностью лишь при условии овладения "внутриатомной" энергией. При этом существовало мнение, что для достижения субсветовых скоростей космическими аппаратами будет достаточно разработать технологию прямого преобразования радиоактивных элементов в энергию.
Однако реальность внесла существенные коррективы: управление колоссальной энергией, высвобождающейся в ходе цепной ядерной реакции, оказалось крайне сложной задачей. Первым применением этой энергии стало создание атомного оружия. Тем не менее, учёные не оставили попыток найти мирное применение ядерной энергии, и результатом стал проект, который до сих пор вдохновляет любителей космоса.
"О методе продвижения снарядов с помощью внешних ядерных взрывов"
В 1946 году польский математик Станислав Улам, работавший под руководством Эдварда Теллера над созданием термоядерного оружия в рамках Манхэттенского проекта, задался вопросом о возможности применения энергии атомных взрывов в гражданских целях. Его идея заключалась в использовании взрывов для ускорения летательных аппаратов. Предполагалось, что взрыв атомной бомбы позади аппарата создаст ударную волну, которая, воздействуя на аппарат, будет толкать его вперёд.
Проведя предварительные расчёты, Улам убедился в теоретической осуществимости данной концепции. Однако коллеги встретили его новаторскую идею с сомнением, опасаясь радиоактивного заражения и огромных перегрузок, которые могли бы негативно сказаться на функционировании аппарата.
Несмотря на скептицизм, Улам не отказался от своей идеи и в августе 1955 года совместно с Корнелиусом Эвереттом разработал документ под названием "О методе продвижения снарядов с помощью внешних ядерных взрывов". Авторы предложили создать беспилотный аппарат в форме летающей тарелки, который будет разгоняться за счёт серии небольших атомных взрывов. Предполагалось, что такой аппарат сможет доставлять крупный термоядерный заряд на большие расстояния или выводить спутники на орбиту. Главной задачей было обеспечение целостности аппарата в условиях взрыва. Авторы предложили использовать систему амортизации, состоящую из пластиковых контейнеров с водой. Испаряясь под воздействием взрыва, они бы передавали импульс тарелке, смягчая силу удара.
В дальнейшем Улам модернизировал свой проект, заменив форму тарелки на цилиндр с коническим носом. Бомбы должны были сбрасываться через специальную шахту, проходящую через весь аппарат и систему амортизаторов, расположенную в хвостовой части.
"Проект ядерно-импульсного космического корабля"
Физик Теодор Тейлор, ранее занимавшийся теорией нейтронного движения в рамках американской атомной программы, проявил интерес к этой концепции. Летом 1956 года он перешёл в General Atomics, компанию, основанную с целью коммерческого использования технологических наработок, полученных в ходе Манхэттенского проекта. Осенью 1957 года, вдохновлённый запусками советских спутников, Тейлор задумался о способах совершить прорыв в освоении космоса и пришёл к выводу, что концепция взрыволётного аппарата – наилучшее решение. Он разработал проект ядерно-импульсного космического корабля, назвав его "Орионом" в честь известного созвездия.
Инициатива Тейлора получила поддержку от других ключевых сотрудников General Atomics, и компания заключила контракт с Агентством перспективных исследовательских проектов (ARPA) на создание предварительной концепции.
В декабре 1958 года был подготовлен отчёт по первой версии "Ориона", получившей название "Марк-1". Это был корабль, напоминающий пулю, способный выводить в космос груз массой 1000 тонн при собственном весе в 4000 тонн. Внутреннее пространство было разделено на пять палуб, четыре из которых вмещали восемь конвейеров с 2200 атомными зарядами. В кормовой части располагался стальной толкатель-щит с пневматическими амортизаторами, предназначенными для поглощения энергии взрыва и постепенной передачи импульса всей конструкции.
Спустя полгода появилась полусферическая версия "Марк-2". Количество атомных зарядов мощностью 5 килотонн в тротиловом эквиваленте было сокращено до 1400, они размещались на двух палубах и оснащались небольшими ракетными двигателями для более точного позиционирования взрыва за толкателем. Предполагалось, что ещё 600 зарядов будут выводиться на орбиту в составе полезной нагрузки для последующего использования в межпланетной миссии. Тогда же возникла идея использования "центральной пушки", выстреливающей заряды точно по оси корабля. Несмотря на простоту, этот метод имел существенный недостаток: необходимость создания отверстия в щите, что значительно снижало его прочность.
"Проведение испытаний"
Разработчики проекта "Орион" осознавали, что наиболее уязвимым местом является щит-толкатель с его амортизационной системой. Использование водяных прокладок или надувных элементов снижало бы перегрузку с тысяч g до сотен, но для пилотируемого корабля этого было недостаточно. Тогда инженеры предложили двухуровневую систему амортизации: щит-толкатель крепился к надувным подушкам, которые, в свою очередь, соединялись с пневматическими поршнями через промежуточную платформу. Расчёты показывали, что такая конструкция позволит снизить перегрузку в жилом отсеке до 4 g.
Для проверки предложенных решений требовались натурные эксперименты с уменьшенными моделями. Испытания начались во второй половине 1958 года на полигоне в Пойнт-Ломе (Сан-Диего) и продолжались до ноября 1959 года. Вместо атомных зарядов для запуска моделей использовались обычные взрывчатые вещества, но даже эти эксперименты убедительно продемонстрировали, что частые последовательные взрывы не разрушают аппарат, оснащённый щитом-толкателем.
Учитывая положительные результаты, создатели "Ориона" разработали программу дальнейших испытаний с полноразмерными прототипами корабля. На первом этапе планировалось сооружение огромного испытательного стенда в скальном массиве, предназначенного для размещения толкателя с амортизационной системой или даже всего корабля целиком. Затем предполагались полёты прототипа в ближний космос с использованием около пятидесяти плутониевых зарядов. Ядерно-импульсный двигатель должен был запускаться на высоте примерно 120 км, куда корабль доставлялся бы сверхтяжёлой ракетой-носителем "Сатурн-5", разрабатываемой в то время для американской лунной программы. По мнению физиков, для реализации программы требовалось девять ракет: три для испытаний двигательных модулей в высотных полётах, три для орбитальных полётов беспилотного прототипа и три для запусков с экипажами.
Предполагалось, что пилотируемые запуски "Ориона" начнутся не позднее 1976 года, а первая высадка на Луну состоится в 1980 году.
"Всепогодный разведывательный спутник или..."
К 1962 году экспериментальный образец взрыволёта достиг окончательной формы. Его вес остался неизменным – 4000 тонн, однако конструкция стала более обтекаемой и элегантной. В итоге было решено использовать центральную пушку для сброса зарядов. Для этой цели щит был укреплён и получил особую форму, позволяющую снизить концентрацию напряжений. Кроме того, для защиты внешнего слоя щита предполагалось его регулярно обрабатывать минеральным маслом.
Финансируя проект "Орион", военные надеялись получить универсальное транспортное средство для оборонительных и наступательных целей. Взрыволёт рассматривался как всепогодный разведывательный спутник, платформа для размещения систем противоракетной обороны или, наоборот, ракетного вооружения, средство глобального создания помех, а также как "оружие возмездия", способное нанести ответный удар из космоса в случае внезапного и масштабного нападения СССР на США. Военно-воздушные силы США планировали заказать не менее двух десятков взрыволётов с различной грузоподъёмностью и гарантированным сроком службы на орбите от 15 до 20 лет. Обеспечение функциональности возлагалось на сменные экипажи численностью до 30 человек. Предполагалось, что внезапная атака на взрыволёты будет невозможна, так как подготовка к ней будет вовремя обнаружена и предотвращена. Размещение на орбите множества разведывательных и ударных "Орионов" потенциально позволяло Соединённым Штатам отказаться от дорогостоящей ядерной триады, включавшей стратегические бомбардировщики, а также баллистические ракеты наземного базирования и на подводных лодках.
Несмотря на это, физики, участвовавшие в проекте, лелеяли мечты не о создании боевых платформ, направленных против Земли, а о межпланетных путешествиях, в первую очередь, к Марсу. Для реализации этой амбициозной цели ими был разработан детальный план. Первоначально планировалось собрать на околоземной орбите два крупных аппарата на ядерной тяге. Каждый из них был способен доставить к ближайшей планете группу из восьми человек, при этом ресурсы системы жизнеобеспечения были рассчитаны на экспедицию длительностью 450 дней.
Жилой модуль, включающий в себя жилое пространство и транспортный корабль, предполагалось разместить наверху несущей конструкции – к ней крепились бы кассеты с ядерными зарядами и прочее оборудование. Там же планировалась стыковка марсианской посадочной ракеты и спускаемого аппарата для возвращения экипажа на Землю. Для защиты от радиации астронавты могли полагаться на толстый слой свинца, покрывающего модуль, и ёмкости с водой.
В случае возникновения нештатной ситуации на любом этапе межпланетного перелёта экипаж должен был переместиться из жилого отсека в транспортный корабль, который, используя твердотопливные ускорители, направился бы к Земле. Покинув терпящий бедствие "Орион", астронавты должны были определить оптимальную траекторию возвращения и скорректировать её с помощью жидкостных двигателей. При отсутствии серьёзных проблем в пути астронавты могли провести на Марсе около месяца, достигнув его поверхности на посадочной ракете, вмещающей до трёх человек.
Для финального этапа экспедиции разработчики также предусмотрели несколько альтернативных сценариев: при подлёте к Земле астронавты могли либо состыковаться с ожидающим их спасательным кораблём, либо покинуть "Орион" в спускаемой капсуле, либо вывести корабль на эллиптическую орбиту для дальнейшего использования.
"Различные варианты компоновки взрыволёта"
Советские учёные-физики активно интересовались данной тематикой. Несмотря на строгую секретность проекта "Орион", информация о нем, вероятно, дошла до разведывательных служб. В июле 1961 года академик Андрей Сахаров представил Никите Хрущёву, главе государства, в ходе совещания в Кремле свои идеи относительно создания термоядерного заряда мощностью в сто мегатонн (известного как "Царь-бомба") и пилотируемого комплекса с ядерно-импульсным двигателем.
Концептуально аппарат Сахарова состоял из следующих элементов: кабины управления, жилого отсека для экипажа, отсека для размещения ядерных зарядов, главной двигательной системы, экрана-толкателя и жидкостных ракетных двигателей. В конструкцию также входила система подачи зарядов и система амортизации для стабилизации аппарата после каждого взрыва. Запуск планировался с использованием жидкостных двигателей, установленных на нижних опорах. Основная двигательная установка активировалась на высоте нескольких десятков километров.
В процессе разработки рассматривались различные варианты компоновки взрыволёта. К примеру, модель ПК-3000, с массой на старте в 3000 тонн, могла выводить на орбиту 800 тонн полезного груза, а ПК-5000, с массой в 5000 тонн, — 1300 тонн. Под стартовую площадку для взрыволёта была выбрана территория в одном из районов Крайнего Севера. Конструкторы считали необходимым строительство специального космодрома для запусков этого типа кораблей. Выбор места обуславливался двумя ключевыми факторами: во-первых, северные широты гарантировали, что траектория полёта проходила бы над труднодоступными и малонаселёнными территориями, что минимизировало бы потенциальные жертвы в случае аварии. Во-вторых, запуск двигателя за пределами плоскости экватора, вне зоны геомагнитной ловушки, предотвращал бы формирование искусственных радиационных поясов.
"Ковчег"
Подписание в Москве 5 августа 1963 года Договора, запрещающего ядерные испытания в атмосфере, космосе и под водой, представителями СССР, США и Великобритании, остановило дальнейшее развитие проекта "Орион" и идеи взрыволёта Сахарова. Все исследования, касающиеся применения ядерных взрывов в космических целях, были прекращены.
Тем не менее, как только информация о проекте стала доступна, эта захватывающая концепция привлекла интерес учёных и широкой публики. Например, известный физик Фримен Дайсон, посвятивший проекту "Орион" несколько лет, в октябре 1968 года опубликовал статью "Межзвёздный транспорт". В ней он предложил создать взрыволёт массой 400 000 тонн, способный разгоняться до 10 000 км/с (или 3,3% от скорости света). Это позволило бы ему преодолевать один парсек за столетие, открывая ближайшие звёзды для будущих поколений, решившихся на столь длительное путешествие.
Дайсон, однако, признавал малую вероятность того, что кто-либо серьёзно задумается о создании таких кораблей. Но он подчёркивал, что в случае глобальной катастрофы человечеству потребуется "ковчег" для сохранения цивилизации. Предполагалось, что этот "ковчег" будет иметь массу 40 миллионов тонн и обеспечивать нужды 20 000 человек. Максимальная скорость такого корабля составила бы 1000 км/с, что позволило бы преодолевать парсек за тысячу лет, а двигателем стали бы мощные термоядерные заряды, а не небольшие атомные бомбы. Дайсон оценил стоимость проекта в 600 миллиардов долларов, что соответствовало тогдашнему ВВП США.
"Дедал"
Наиболее детально проработанной концепцией межзвёздного путешествия, отличающейся большей реалистичностью, стал проект "Дедал". В начале 1973 года группа энтузиастов из Британского межпланетного общества поставила перед собой задачу — изучить осуществимость достижения окрестных звёзд. Руководство проектом взял на себя Алан Бонд, специалист в области ракетной техники, возглавивший координационную группу из 11 человек. В общей сложности к работе привлекли около 300 экспертов, а итогом стал отчёт, опубликованный в 1978 году. В отчёте содержалось описание конструкции автоматического межзвёздного зонда, а также научное и техническое обоснование каждого этапа его создания.
В процессе проектирования учитывались три ключевых принципа. Первый — звездолёт должен был создаваться с применением существующих или перспективных технологий ближайшего будущего. Второй — аппарат должен был быть относительно простым и предназначенным для односторонней миссии с дистанционной передачей научных данных на Землю. Третий — продолжительность миссии не должна превышать продолжительность жизни поколения создателей звездолёта.
В качестве цели была выбрана звезда Барнарда, удалённая от нас на 5,96 световых лет, поскольку в 1970-х годах считалось, что вокруг неё вращаются планеты. Алан Бонд пояснял, что если конструкция позволяет достичь звезды Барнарда, то она с лёгкостью преодолеет расстояние до систем Проксимы Центавра и Альфы Центавра. Изначально миссия оценивалась в 40 лет, но впоследствии срок был увеличен до 49 лет.
"Альтернативные источники топлива"
В основе разработки лежала схема "Ориона", однако вскоре специалисты пришли к выводу о большей эффективности использования термоядерного синтеза, а не энергии деления ядер. В качестве горючего была выбрана комбинация дейтерия и гелия-3, обеспечивающая минимальное радиоактивное загрязнение. Принцип работы заключался в следующем: небольшая сфера-мишень с изотопами подавалась в двигатель специальным устройством. При достижении сферой определённой точки внутри двигателя мощные лазеры одновременно воздействовали на неё, нагревая топливо до температуры, необходимой для запуска синтеза и последующего взрыва. В результате образовывалось облако ионизированного газа, которое выталкивалось магнитным полем, заключённым в металлических стенках камеры двигателя. Энергия взрыва генерировала тягу, часть которой перенаправлялась индукционным соленоидом (расположенным на выходе ускорительной части двигателя) для перезарядки лазеров, после чего цикл повторялся. Частота таких взрывов могла достигать 250 в секунду.
Несмотря на то, что миссия не предусматривала торможения у цели (планировалось изучение планетной системы звезды Барнарда в режиме пролёта), а общая масса проектируемого зонда составляла всего 450 тонн (аналогично массе Международной космической станции), для достижения скорости в 10% от скорости света требовалось значительное количество топлива – около 50 000 тонн! Это стало главной проблемой проекта: дейтерий в достатке имеется на Земле (в основном в океанах), но запасы гелия-3 крайне ограничены. В настоящее время он производится в небольших количествах в реакторах и имеет высокую стоимость, достигающую нескольких миллионов долларов за килограмм.
Очевидно, что для обеспечения "Дедала" топливом требовались альтернативные источники. Например, лунный грунт (реголит), однако запасы редкого изотопа в нём незначительны. К счастью, существует место с его высокой концентрацией – атмосфера Юпитера. Авторы проекта предложили разместить на орбите Каллисто, спутника планеты-гиганта, специальное устройство для сбора гелия-3 из окружающего пространства. Таким образом, "Дедал" мог бы пополнять запасы ценного топлива, пролетая мимо Каллисто.
"Межзвёздные перелёты"
Предполагалось, что космический зонд будет выполнен в виде двухступенчатой конструкции. Каждая ступень оснащалась собственным ядерно-импульсным двигателем. Первая ступень содержала шесть сферических резервуаров, вмещавших 46 000 тонн топлива, а вторая – четыре аналогичных резервуара с 4000 тоннами. Несмотря на меньший размер второй ступени, именно в ней размещалась полезная нагрузка: научное оборудование и роботы-обслуживатели. Этот отсек располагался в головной части и защищался массивным бериллиевым экраном от столкновений с межзвёздной пылью. В состав полезной нагрузки входило 18 небольших автоматических зондов, предназначенных для изучения планетной системы. Управление полётом осуществлялось продвинутым искусственным интеллектом, способным принимать решения самостоятельно. Роботы-обслуживатели, оснащённые изотопными источниками питания, двигателями, манипуляторами и сенсорами, обеспечивали ремонт и поддержание работоспособности систем "Дедала".
После завершения миссии зонд должен был передать собранные данные на Землю. Для этого в конструкции предусматривались четыре ядерных реактора, питающих радиостанцию мощностью 5 мегаватт. Предполагалось, что передача всего объёма информации со скоростью 10 килобит в секунду займёт около трёх лет, а время прохождения сигнала до Земли составит шесть лет.
Несмотря на то, что проект давно закрыт, его материалы до сих пор используются в образовательных целях, а студенты пишут на его основе курсовые и дипломные работы. "Дедал" также является отправной точкой при обсуждении межзвёздных перелётов. Например, в период с 1987 по 1988 год NASA совместно с Военно-морской академией США разработали проект Longshot, предусматривавший отправку аналогичного зонда массой 396 тонн к Альфе Центавра. Его реактор, с номинальной мощностью 300 киловатт, должен был обеспечивать энергией лазеры для осуществления термоядерного синтеза, аналогично "Дедалу". Отличие заключалось в том, что Longshot должен был выйти на орбиту вокруг звезды через сто лет после запуска для более детального изучения её планетной системы.
"Икар"
В 2009 году проект "Дедал" дал начало ещё одной инициативе – проекту "Икар", ответственность за который взяла на себя группа учёных из США и Великобритании. Чёткая задача нового межзвёздного зонда, разрабатываемого на основе концепции взрыволёта, не была установлена. Определили, что его целью будет просто достижение любой звезды в радиусе 15 световых лет. Примечательно, что к проекту присоединился известный автор научной фантастики, Стивен Бакстер, обладающий учёными степенями в математике и инженерии.
Несмотря на медленный прогресс проекта "Икар", есть надежда, что он, по крайней мере, сможет стимулировать интерес новых специалистов космической отрасли к идее межзвёздных путешествий, подобно тому, как это сделали "Орион" и "Дедал" в прошлом.
Взрыволёты также находят отражение в современной научной фантастике, например, в романе Нила Стивенсона "Анафем" (2008). Хотя создание подобных аппаратов кажется задачей далёкого будущего, человечество, рано или поздно, приступит к их реализации, если действительно намерено достичь звёзд. На данный момент не существует других столь же осуществимых способов преодоления огромных космических расстояний.