Правильные ядерные двигатели работают на атомных бомбах!

Сколь не бредово звучит этот заголовок, однако так и есть. В 50е-60е года прошлого века США и СССР активно разрабатывали ракетные двигатели, которые были бы способны радикально решить идею доставки грузов в космос. Одной из первых в светлые головы ученых пришла идея использовать в качестве движущей силы… энергию ядерного взрыва!

Да, все верно — не управляемые реакции деления атомных ядер, а именно последовательные взрывы сотен атомных бомб должны были доставлять на земную орбиту и дальше в космос сотни и даже тысячи тонн полезного груза. Звучит страшно, думаю, что выглядело бы еще страшнее… однако, при детальном рассмотрении, все оказывается не так уж и плохо. К 1965 году система была готова и проект закрыли, но вовсе не из опасений радиоактивного загрязнения или угрозы жизни. А от идеи использовать энергию ядерного взрыва для перемещения объектов в космосе до сих пор ни кто не отказывался. В общем, знакомьтесь –  импульсные ядерные ракетные двигатели.

Первым, наиболее законченным и технологически проработанным был американский проект Orion. Идея преобразовать силу ударной волны ядерного взрыва в поступательное движение объекта возникла случайно, когда во время одного из испытательных ядерных взрывов в конце 40-х годов команда наблюдателей зафиксировала перемещение стальной детали мишени на несколько километров от эпицентра взрыва. Осмотр железного листа показал, что он пережил температуру и силу ударной волны практически без повреждений. Повторный эксперимент был проведен уже целенаправленно в 1954 во время «Операции «Замок» (Operation Castle) – серии экспериментов по подрыву мощных ядерных зарядов на атолле Бикини, в том числе – и первых термоядерных.

Две покрытых графитом стальных сферы были закреплены недалеко от первого американского термоядерного «твердотопливного» заряда (которому не требовался сжиженный дейтрий). В результате самого мощного ядерного взрыва, когда либо проводившегося США (мощность заряда испытаний Castle Bravo  составила 15 мегатонн – в 3 раза выше запланированной), образовался кратер диаметром два километра и 75 метров в глубину. Более мощные термоядерные испытания проводил только СССР со своими 20, 25 и 50 мегатонными зарядами, последний из которых получил название Царь-Бомбы. Тем не менее, обе сферы уцелели и были найдены недалеко от кратера. Этот эксперимент еще раз подтвердил, что специально сконструированные устройства могут успешно выдерживать сверхвысокие температуры термоядерного взрыва и огромное механическое воздействие ударной волны. 

Доступные на то время материалы не позволяли создать устройство, которое способно было бы удержать в себе энергию ядерного взрыва, по типу энергии горения ракетного топлива, так что решено было остановиться на внешнем последовательном подрыве зарядов. Отсюда и название «импульсный». Принцип работы прост, как кирпич. «Корабль» на стартовой площадке подрывает под собой небольшой ядерный заряд и подбрасывается вверх взрывной волной (получая первый «импульс»), затем сбрасывая атомную бомбу, которая подрывается в 15-20 метрах от него, корабль снова поднимается и так далее, до прибытия на место назначения. Для выхода на орбиту, например, потребовалось бы подорвать около 800 зарядов мощностью в 0.15 килотонн каждый, или всего 120 килотонн. Это сравнимо с тактическим ядерным зарядом, коих подрывали в то время многими сотнями.

Да, защитники природы, это означает, что в сравнении с мегатонными испытаниями эти запуски практически безвредны. Хотя, в конце 80-х статистически было подсчитано, что в пересчете на душу населения планеты каждый десятый такой запуск приводил бы к вероятности возможной смерти от раковых осложнений одного человека. Вред здоровью даже не рассматривался как потенциальная проблема проекта. Куда большую опасность для здоровья, как выяснилось, представляет использование боеприпасов с обедненным ураном…и даже здесь нет никакой радиации. Основной вред заключается в токсичности обедненного урана, по вредности сравнимого со свинцом. В прочем, от переизбытка свинца в организме умер не один миллион человек, а пули из него не запретили… не запретят и обедненный уран.

Вернемся к нашему двигателю. Как уже всем понятно, основная проблема этой идеи – перевести энергию взрыва в полезное движение в нужном направлении. И здесь все было продумано. Многие представляют себе заряды взрывчатки направленного действия. Это когда омон двери вышибает формой взрывчатого вещества можно направить взрывную волну в нужное место. Те же принципы работают и c атомной бомбой. Если реакционная масса имеет форму цилиндра, ударная волна образовавшейся при взрыве плазмы будет иметь форму диска. Если же сделать наоборот, спрессовать реакционную массу в плоский диск, то ударная волна плазмы будет иметь вытянутую форму сигары.

В случае с нашим кораблем нужна именно форма сигары. Во время испытаний таких зарядов взрыв мощностью 10 килотонн образовывал плазменную ударную волну диаметром «всего» в 100 метров. Понятно, что воздушная ударная волна шла дальше, но в случае с космическим двигателем нужна только плазменная волна. Так или иначе, но эту волну, даже направленного действия, еще нужно преобразовать в движение корабля. Улавливать эту плазму и должен был огромный диск, соединенный с кораблем посредством пружинных и газовых амортизаторов. Диск, называвшийся «толкателем» передавал энергию волны на корабль, поднимая его вверх, как поршень в двигателе внутреннего сгорания. Только самой камеры сгорания не было.

Собственно, основные трудности возникли именно с передачей импульса кораблю. Не смотря на то, что сам корабль мог быть сколь угодно прочным и тяжелым, люди внутри должны были выдержать огромные перегрузки. Здесь существовало два варианта корабля – с более жесткими амортизаторами для беспилотных миссий и со сложной системой гашения силы удара. В результате первый тип корабля должен был развивать ускорение до 90g, а второй в пределах 2g-3g.

Примечательна масса кораблей. Для тестовых полетов на низкую околоземную орбиту был разработан корабль массой 880 тонн с полезной нагрузкой 300 тонн, для ближних межпланетных перелетов (Марс, Венера, Меркурий) предусматривался аппарат массой 4000, а для дальних межпланетных рейсов (Юпитер, Сатурн, Нептун, Уран, Плутон) – 10 000 тонн. Масса полезного груза отличалась в зависимости от дальности полета. Корабль массой 4000 тонн должен был выводить на низкую околоземную орбиту грузы массой до 1600 тонн, на Луну с посадкой – до 1200 тонн, на Марс (с возвратом на Землю) – до 800 тонн.

Сравните это с тяжелой ракетой Saturn-V, которая при массе в 3 350 тонн выводит на орбиту груз с массой до 130 тон и на Луну – до 52 тонн. Соотношение собственной массы к полезному грузу составляет 25,7:1 для орбиты и 64,4:1 для Луны. В то же время, у ракеты с импульсным ядерным двигателем эти показатели 2,5:1 и 3,3:1 соответственно. Как писал один из авторов проекта, «мы могли бы построить постоянную базу на Луне уже при первом тестовом пуске».

Вывод из этой статистики простой – конкурентов по грузоподъемности среди космических летательных аппаратов у ракет с подобным двигателем нет. Химические ракеты обеспечивают огромную тягу на очень небольшой промежуток времени, а ионные двигатели дают мизерную тягу, но годами. Импульсные ядерные двигатели совмещают большую тягу с большим временем работы.

Кстати, на чертежах существовал также и вариант, при котором корабль поднимался в воздух обычными химическими ракетами, а ядерный двигатель включался на последней стадии, чтобы минимизировать количество ядерных взрывов в атмосфере планеты. Совсем безвредный вариант предполагал задействовать основные двигатели за пределами магнитосферы нашей планеты. В этом случае радиационное загрязнение отсутствовало бы в принципе, однако пропадала выгода на экономии при выводе в космос столь большой массы.

Так или иначе, прототип на 880 тонн был построен, испытан на обычной взрывчатке и готовился к первому полету в космос к 1965 году. Почему же он не полетел? Ответ прост – злые и завистливые коммунисты посчитали эту программу имеющей отношение к разработке ядерного оружия и включили ее в Договор о  запрете испытаний ядерного оружия в атмосфере, космосе и под водой, принятом в 5 августа 1963 года. Договор был подписан между СССР, США и Великобританией. Кстати, подземные ядерные испытания этим договором разрешались, т.к. в то время отличить землетрясение от подземного ядерного взрыва было очень сложно.

США предлагали сделать исключением программы разработки импульсных ядерных двигателей, ссылаясь на исключения для подземных испытаний, однако СССР настоял на полном запрете этой программы. Понять советских политиков можно, в 60-е годы, в разгар космической гонки, только США имели готовый к испытаниям прототип, в то время как СССР улучшал традиционные ракеты. Да и летающий скорострельный ядерный миномет, чем по сути являлся корабль проекта "Орион", действительно очень походил на оружие. Так или иначе, с ратификацией этого договора все работы по проекту были прекращены, прототип разобран, а чертежи съедены. О зеленых, радиации или еще чем-то таком тогда даже не вспоминали.

Однако, саму идею не забывают до сих пор. Британские ученые, например, разрабатывают свой собственный вариант импульсного ядерного двигателя, который называется проект «Дедал». Это древний грек, автор ряда изобретений, отец Икаруса, который неосторожно приблизился к солнцу на склеенных воском крыльях.

Британский проект выполнен в традиционном стиле британских ученых. Например, в качестве источника ядерных «импульсов» предлагается использовать микроскопические гранулы дейтриягелия-3 (обоих элементов на Земле как бы не очень много). Эти гранулы будут создавать микроскопические термоядерные взрывы с частотой 250 штук в минуту. Образующаяся в процессе этого дела плазма будет улавливаться и направляться соплом из сильных магнитных полей. Короче, управляемый термоядерный синтез с участием редкоземельных элементов. Вот прямо сейчас берем и строим. Хотя, принципиально невозможного здесь тоже ничего нет.

Параметры британского проекта заложены с размахом: полная масса 54 тыс. тон, из них 500 тонн масса научного оборудования и 50 тыс. тон масса ядерного топлива. Такой огромный запас топлива обусловлен спецификой задания будущего звездолета. Его цель – наша соседняя звезда, BD+04°3561a или звезда Бранарда, находящаяся в 5,96 световых лет от нас. Это красный карлик, возраст которого составляет примерно 10 миллиардов лет, а масса 0,17 от солнечной. Британский зонд будет искать там планеты, изучать саму звезду, а по дороге изучит межзвездное пространство.

Да, это беспилотный зонд, длительность полета которого должна составить примерно 50 лет. Расчетная скорость в течение первых двух лет должна составить 7,1% скорости света, и в последующие 1.8 года увеличиться до 12% скорости света. За тем двигатели выключатся на 48 лет и аппарат будет двигаться за счет приобретенного ускорения, постепенно замедляясь по приближению к цели. Кроме того, он будет нести 12 зондов, которые выпустит при приближении к каким-либо интересным объектам. Кстати, сигналы с этого корабля должны идти на Землю с задержкой почти в 6 лет.

Подобный проект разрабатывают и США. Тот же термоядерный двигатель на дейтриигелии-3, однако, системы корабля питает обычный ядерный реактор на 300 кВт. Масса тоже более «реалистична» — 396 тон общего веса, из них 264 тонны приходится на запасы топлива. Связь с Землей этот беспилотный зонд будет поддерживать при помощи 250 киловаттного лазера. Вот для чего нужен отдельный бортовой ядерный реактор! Цель проекта “Longshot” – Альфа Центавра Б, до которой он должен добраться примерно за 100 лет при средней скорости 4,5% скорости света или 13 411 километров в секунду. Сигнал от зонда будет идти до нас примерно 4,4 года…самые догадливые уже поняли, что это и есть расстояние от Земли до Альф Центавра Б в световых годах.

Стоит заметить, что технологически выполнимым из перечисленных проектов является только «Орион», последние два в обозримом будущем нам не светят. Один из авторов проектов импульсных двигателей как-то заметил, что корабли, подобные «Ориону» были бы хорошим способом утилизации накопившихся мировых ядерных арсеналов. Однако, представить, что в наше время кто-то пойдет на то, чтобы запустить корабль, работающий на серии ядерных взрывов в качестве источника движущей силы, мне лично сложно.

Многие защитники окружающей среды сейчас наверное думают, что, запретив подобные программы в свое время, СССР спас планету от радиоактивного загрязнения? Ну что же, развею эти иллюзии. Советский Союз после принятия указанного договору успешно создавал ядерными взрывами котлованы для водохранилищ, резервуары для газохранилищ, рыл каналы, добывал уголь и тушил пожары на скважинах.

Если бы не запрет на подобные экзерсисы, уверен, был бы найден способ "повышать надои" при помощи маломощных ядерных фугасов. Атомная бомба очень полезна народному хозяйству, еще как! А сколько при этом и чего выбрасывалось в атмосферу, ищите сами.