Каким бы эффективным не был разогрев плазмы с помощью катушек, антенн и электронных пушек, все равно это не самый лучший способ ускорить газ. Значительно более эффективно будет обеспечить удельный импульс двигателя с помощью ядерной реакции. Давайте поразмышляем, достаточно ли для межзвездного путешествия подорвать атомную бомбу.
Один процент скорости света
Используя плазменные и ионные двигатели, мы могли бы добиться отличных результатов. Сорок суток полета до Марса, которые обещают нам разработчики VASIMR — это очень быстро. Мы будем так считать до тех пор, пока не осознаем, что по космическим меркам Красная планета — буквально рядом с нами. Тот же плазменный двигатель будет «тянуть» корабль с экипажем до Юпитера много недель, а до Нептуна — несколько месяцев. Что уж говорить о полетах к другим звездам, которые даже при использовании таких двигателей будут занимать сотни и тысячи лет.
Чтобы путешествовать на такие расстояния, нам нужно научиться разгоняться хотя бы до одного процента скорости света. Казалось бы, этот один процент — очень много, но даже в пределах Солнечной системы он не приводит к мгновенному перемещению. Разогнавшись до такой скорости, корабль только от Земли до Юпитера будет лететь от 2,5 до 4 суток. Путешествие к Нептуну продлится 2-3 недели, а в окрестностях Солнечной системы есть тела, к которым придется лететь пару месяцев. Если же говорить о других звездах, то до Проксимы Центавра с такой скоростью «добираться» примерно 425 лет, а Сириус расположен почти в тысяче лет полета такого корабля!
И все же для того, чтобы люди смогли в будущем освоить дальние окрестности Солнечной системы, нам нужны примерно такие скорости. Но даже если мы возьмем самый эффективный плазменный двигатель и построим на орбите огромный корабль, большую часть которого составит рабочее тело, все равно разогнаться даже до половины процента скорости света (то есть до 1500 км/с) ему будет сложно.
Как укротить атомную энергию?
Обычное ускорение разогретой до сотен тысяч градусов плазмы дает слишком малый удельный импульс. Использование ядерной энергии помогло бы преодолеть эту проблему, ведь плотность энергии при реакциях синтеза или деления атомных ядер значительно больше всех других известных нам способов ее получения. Проблема лишь в том, что сейчас не имеется технологий постоянного поддержания ядерных или термоядерных реакций нужной мощности, и построить реактивный двигатель на их основе даже сложнее, чем плазменный.
Но один способ получения высокой плотности ядерной энергии человечество освоило достаточно хорошо. Это ядерный взрыв. Казалось бы, он сметает все на своем пути, но инженеры еще много лет назад пришли к выводу, что его можно применять, чтобы толкать корабль в космическом пространстве.
Так родилась идея импульсного ядерного двигателя, не покидающего воображение космических мечтателей уже много десятилетий. И хотя ни один взрыволет, то есть корабль, двигающийся за счет ядерных взрывов, так и не улетел в космос, это не означает, что в будущем что-то подобное все же не построят.
От Кибальчича до «Ориона»
Идея взрыволета возникла задолго до испытаний первой атомной бомбы, на заре ракетостроения. Как ни странно, одним из пионеров здесь был украинец — взрывотехник-самоучка, уроженец городка Короп на Черниговщине Николай Кибальчич. Более всего он известен как конструктор бомб для террористического акта, в результате которого погиб русский царь Александр II. Сегодня проект Кибальчича мог бы заинтересовать разве что террориста-смертника, поскольку полет на открытой платформе, установленной над камерой, где взрываются пороховые заряды, почти наверняка был бы первым и последним.
Нечто подобное одновременно с Кибальчичем придумал немецкий инженер Герман Гансвиндт, которого все считали чудаком. Он предлагал создавать реактивную тягу посредством последовательного подрыва динамитных шашек. Ни один летательный аппарат по такой схеме, конечно, так и не был построен, но именно на работах Гансвиндта базировались труды пионеров немецкой ракетной техники первой половины XX века.
Переосмысление идеи взрыволета с применением теперь уже атомной энергии принадлежит Станиславу Уляму, уроженцу Львова и выпускнику Львовской политехники, математику и физику, эмигрировавшему в США и ставшему одним из создателей американской ядерной бомбы. Именно он в 1946 году предложил построить космический аппарат, приводимый в движение атомными взрывами, осуществляемыми рядом с ним. В следующем году Улям вместе с Фредериком Рейнсом выполнил расчеты, подтверждавшие возможность создания такого аппарата. А в 1958-м на основе этих расчетов был развернут проект «Орион».
Гигантский «Орион»
В проекте корабля «Орион» поражает все. В первую очередь — гигантская цифра скорости истечения газов, которую обеспечивал ядерный взрыв (от 19 до 31 км/с, что больше, чем у многих наиболее современных электрических реактивных двигателей). Причем, в отличие от ионных и плазменных, тяга которых измеряется считанными ньютонами или их десятыми долями, мощность импульсного ядерного двигателя «Ориона» достигала миллионов ньютонов.
При этом сам корабль даже в самом маленьком варианте имел диаметр 25 м, высоту 36 м и массу 880 тонн. То есть это была огромная «атомная бочка», способная достигать такого ускорения, что рассматривалась прежде всего как беспилотная, поскольку экипаж таких ускорений просто не пережил бы. Однако этот корабль должен был за один старт выводить на околоземную орбиту 300 тонн полезной нагрузки.
Этот дизайн был наименьшим из трех разработанных в 1958 году и предназначался только для орбитальных полетов. Существовал еще «Межпланетный Орион», масса которого достигала уже 4 тыс. тонн при диаметре 40 м и высоте 60 м. Для сравнения: Falcon Heavy имеет стартовую массу всего 1500 тонн при высоте 70 м. А ведь был еще и «Усовершенствованный межпланетный Орион» со стартовой массой 10 тыс. тонн и высотой 85 м. Согласно замыслу авторов, он мог обеспечить доставку с Земли на Луну с последующей мягкой посадкой на нее 5,7 тыс. тонн груза. То есть речь шла об аппарате, который может «одним махом» доставить на наш естественный спутник небольшой поселок.
Невозможное возможно?
В чем был секрет «Ориона»? В миниатюрной атомной бомбе мощностью 0,03 килотонны, которая взрывалась бы всего в 60 м позади космического корабля. Причем стартовать ему предстояло прямо с Земли, точнее — с восьми 60-метровых башен, между которыми он сбрасывал свой первый ядерный заряд. Световое излучение и ударная волна от взрыва должны были отражаться массивной броневой плитой в основе корабля толщиной в несколько метров, защищенной графитовым абляционным покрытием.
А уже полученный от взрыва импульс должен был гаситься восемью гигантскими гидравлическими амортизаторами, расположенными между броневой плитой и остальной конструкцией корабля. Был еще и второй уровень амортизаторов, смягчавший «атомные рывки» до более или менее приемлемых значений.
И это же был взрыв только первой бомбы. Всего же даже базовая, «орбитальная» версия «Ориона» должна была подорвать в атмосфере Земли 800 таких маленьких атомных бомб лишь для того, чтобы вывести на орбиту свои 300 тонн полезной нагрузки.
Натурные испытания и проблемы
Если прочитанное выше вызывало у вас сомнения, то вы солидарны с самими создателями проекта. Но осуществлялся он американскими военными вместе с General Atomic, поэтому сомнения решили развеять экспериментальным путем. Вначале опробовали маленькую модель корабля, которую разогнали с помощью серии неядерных взрывов. Установили, что, по крайней мере, шесть последовательных взрывов действительно способны обеспечить управляемый полет чего-то похожего на «Орион».
Далее взялись за самый интересный вопрос: не расплавится ли плита? К счастью, американские военные как раз в то время активно испытывали атомное оружие. Поэтому в одном из испытаний всего в нескольких десятках метров от эпицентра взрыва установили большие металлические шары, покрытые слоем графита. После взрыва графит испарился, но сами шары остались невредимыми, что свидетельствовало в пользу концепции бронированной плиты.
Значительно хуже было с самой мини-бомбой. Военные не особо афишировали, какого же минимального размера она может быть, и в итоге оказалось, что эта бомба значительно больше, чем думали ученые. В результате родились новые проекты, самый маленький из которых имел теперь стартовую массу 300 тонн и был предназначен для того, чтобы вывести на орбиту хотя бы самого себя. «Средний Орион» имел массу до 2000 тонн, а «Орион-Супер» — уже 8 млн тонн.
Полет мечты и ее конец
Вообще ученые, работавшие над проектом «Орион», не ограничивали своих фантазий и были достойными последователями Николая Кибальчича. Они разработали первый в мире проект космического линкора, который, кроме сотен бомб, использовавшихся в качестве топлива, должен был нести еще и 500 боеголовок мощностью 200 мегатонн тротилового эквивалента. Встречаются также публикации о Doomsday Orion — вариант, несший на себе всего одну боеголовку, но мощностью аж 3 гигатонны. Это примерно в 50 раз превышало мощность «Царь-Бомбы» — крупнейшего в истории термоядерного устройства, подорванного СССР на Новой Земле в 1961 году.
«Мирные» проекты тоже не стояли на месте. Были разработаны корабли, способные разгоняться до 0,33 и даже 3,3% скорости света. Причем первый из них должен был иметь диаметр 20 км и стартовую массу 40 млн. тонн, три четверти из которых приходились на атомные бомбы. По скромным оценкам ученых, реализация этого проекта обошлась бы в один годовой валовой продукт США, но такой корабль мог долететь до Проксимы Центавра за 1300 лет.
Тем временем общественность по всему миру все сильнее беспокоилась из-за атомных взрывов, и сами ядерные государства решили себя ограничить. В 1963 году США и СССР заключили соглашение, согласно которому были запрещены все ядерные взрывы в атмосфере, гидросфере и в околоземном космическом пространстве. Это положило конец проекту «Орион», но не взрыволетам вообще.
Термоядерний «Дедал»
Немного позже в Великобритании местное космическое научное общество начало создавать собственный проект гигантского взрыволета — правда, менее гигантоманского и более технологичного. Его назвали «Дедал». Разрабатывался он в 1973-1978 годах и был «заточен» под конкретную задачу — доставить автоматический аппарат к звезде Барнарда, расположенной примерно в шести световых годах от Солнца.
Времена были уже совсем другие, так что о старте с Земли речь не шла, как и о подрыве атомных бомб на низкой орбите, где электромагнитный импульс от них мог уничтожить не только спутники связи, но и электрические сети на планете. Поэтому «Дедал» не имел бронеплиты — у него была лишь камера с магнитной катушкой внутри, в которую вбрасывались гелий-дейтериевые пеллеты и происходил их подрыв с помощью мощных электронных пушек. Образовавшаяся в результате взрыва плазма должна была выбрасываться через сопло, оснащенное собственной магнитной катушкой. При этом скорость ее истечения составляла бы фантастические 10 000 км/с.
Сам корабль планировали строить на орбите, и был он совсем не маленький — 54 тыс. тонн, из которых 50 тыс. приходилось на термоядерное топливо. При этом его полет к Звезде Барнарда должен был быть двухступенчатым, по аналогии с современными ракетами. На первой стадии за два года корабль должен был разогнаться до 7% от скорости света, после чего разгонный блок отсоединялся, а вторая ступень разгонялась дальше и поддерживала до конца полета скорость 12% световой. Тормозить его не собирались. Итак, всего за 48 лет такой космический аппарат должен был добраться до другой звезды. Конечно, проект был нереалистичен, и в конце концов его прекратили.
«Лонгшот» и «Медуза»
В 1987-88 годах в США вернулись к идее взрыволета. Проект Longshot много чем напоминал британский «Дедал». Масса корабля должна была составить 396 тонн, из которых 264 приходилось на гелий-дейтериевое топливо. Строить его собирались на околоземной орбите, на так и нереализованной космической станции Freedom. Принципиальным отличием от «Дедала» в его конструкции было то, что в британском проекте камера сгорания одновременно выполняла роль реактора, который питал весь корабль электрической энергией, а Longshot для этого собирались оснастить отдельным термоядерным реактором.
Планировалось, что корабль достигнет скорости 4,5% световой и благодаря этому сможет долететь до Проксимы Центавра за 100 лет. Это больше, чем в проекте «Дедал», однако он должен был не просто пролететь мимо соседней звезды, а выйти на орбиту вокруг нее и провести ее детальное изучение. Впрочем, и этот проект опять остался нереализованным.
В 1990 году к взрыволетам вернулось Британское межпланетное общество. Оно разработало проект «Медуза» — оригинальный аппарат, в котором ядерные заряды взрывались не позади корабля, а впереди него. Соответственно взрывная волна толкала не сам корабль, а прикрепленный к нему на тросах парус. Таким путем планировалось достичь удельного импульса в 50 и даже 100 тыс. секунд.
Перспективы взрыволетов
Несложно заметить, что все проекты взрыволетов отличались невероятным размахом, но ни один из них так и не перешел в мало-мальски практическую стадию. Какой бы заманчивой ни была перспектива почти мгновенно получить скорости, позволяющие за несколько десятилетий долететь до других звезд, взрывать десятки и сотни атомных бомб для этого никто не собирается.
И дело тут даже не в том, что старт такого корабля способен вызвать многочисленные проблемы на Земле. Просто за эти десятилетия мы так и не установили окончательно, что же случится с конструкцией, на которую будут последовательно действовать сотни атомных взрывов. Вполне возможно, что взрыволет просто нереален.
Однако новые проекты продолжают появляться, и они отражают четкую тенденцию: постепенно конструкторы взрыволетов отходят от первоначальной идеи внешнего взрыва обычных атомных бомб и вместо этого переходят к микровзрывам внутри защищенной магнитным полем внутренней камеры с последующим ускорением плазмы магнитным соплом. Похоже, что основным путем эволюции ядерных двигателей в будущем станет именно этот.
Только самые интересные новости и факты в нашем Telegram-канале!
Присоединяйтесь: https://t.me/ustmagazine
