6.4. Верхом на бомбе
6.4. Верхом на бомбе
Корень проблем любой транспортной космической системы находится в источнике энергии. С одной стороны, он должен быть достаточно мощным, с другой – достаточно компактным. Ни химическое топливо, ни рабочее тело электроракетных двигателей не дают нам необходимой «компактности» для осуществления межзвездных перелетов: наоборот, они заметно утяжеляют корабль. Но мы располагаем еще одним источником энергии, который полностью соответствует суровым требованиям – это атомные и термоядерные бомбы.
«Отцом» взрыволетов считается польский математик Станислав Улам. Его чаще всего вспоминают как одного из теоретиков водородной бомбы, однако сам Улам считал своим величайшим изобретением именно «взрывной» космический движитель. Ученый описал это устройство в 1947 году, вдохновившись романом Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут». Принцип движения взрыволета прост: за корму корабля сбрасывается небольшое ядерное устройство, происходит взрыв, оболочка устройства испаряется, часть испарившегося вещества ударяет по корме корабля, тот летит вперед.
В 1958 году группа инженеров и физиков из корпорации «Дженерал Атомикс» (с англ. “General Atomics”) приступили к работе над секретным проектом взрыволета с кодовым названием «Орион» (“Orion”). Эта корпорация, расположенная в Сан-Диего, была основана американским атомщиком Фредериком Хоффманом для создания и эксплуатации коммерческих атомных реакторов. Ее соучредителем и соавтором проекта «Орион» был Теодор Тейлор – легендарная личность, один из создателей американской атомной бомбы.
Согласно расчетам Тейлора схема летательного аппарата с взрывным движителем могла обеспечить колоссальный импульс, недоступный ракетам. Однако имелось существенное ограничение – энергия взрыва, направленная в плиту-толкатель, вызовет огромное ускорение, которое не выдержит никакой живой организм. Для предотвращения гибели экипажа между кораблем и плитой предполагалось установить амортизатор, смягчающий удар и способный аккумулировать энергию импульса с постепенной «передачей» его кораблю. Рассматривались варианты со сверхмощными пневматическими поршнями (очень сложная, но, по словам разработчиков, вполне реальная конструкция) и мягкими баллонами, наполненными газом под небольшим давлением.
Было построено несколько рабочих моделей толкателя корабля «Орион». Их испытывали на устойчивость к воздействию ударной волны и высоких температур с использованием обычной взрывчатки. Большая часть моделей разрушилась, но уже в ноябре 1959 года удалось запустить одну из них на стометровую высоту, что доказало принципиальную возможность устойчивого полета при использовании импульсного движителя.
Еще одной проблемой была долговечность щита-толкателя. Вряд ли какой-нибудь материал способен выдержать воздействие температур в несколько тысяч градусов. Проблему решили, придумав устройство, разбрызгивающее на поверхности щита графитовую смазку. Путем эксперимента удалось установить, что при такой защите алюминий или сталь способны выдержать кратковременные тепловые нагрузки.
Авторы проекта быстро поняли, что без помощи государства им не обойтись. Тогда в апреле 1958 года они обратились в Управление перспективных исследований Министерства обороны США. В июле оно дало свое согласие на финансирование проекта с бюджетом в миллион долларов в год. Проект проходил под обозначением «Заказ № 6» с темой «Изучение ядерноимпульсных двигателей для космических аппаратов».
Тейлор и его коллеги были убеждены, что подход Вернера фон Брауна к решению проблемы космического полета ошибочен: ракеты на химическом топливе очень дороги, величина полезных грузов ограничена, потому они не могут обеспечить межпланетный или межзвездный перелет. Авторы проекта «Орион» хотели получить дешевый и максимально простой по устройству космический корабль, который мог бы развивать релятивистские скорости.
Площадку для первого опытного образца космического корабля «Орион» планировалось построить на полигоне Джекесс-Флэтс (Невада). Стартовый комплекс собирались оборудовать с помощью восьми башен высотой 76 м. Согласно проекту, масса корабля на взлете должна была составить около 10 тыс. т. Атомные заряды мощностью в 0,1 килотонну в тротиловом эквиваленте на этапе взлета должны были взрываться со скоростью один заряд в секунду. Затем, когда высота и скорость вырастут, частоту взрывов можно уменьшить. При взлете корабль должен был лететь строго вертикально, чтобы минимизировать площадь радиоактивного загрязнения.
В то время, когда специалисты НАСА лихорадочными темпами разрабатывали маленький одноместный корабль «Меркурий», создатели взрыволета строили планы дальних экспедиций к планетам Солнечной системы. «Наш девиз был таков, – вспоминал физик Фримен Дайсон, участвовавший в проекте. – Марс – к 1965 году, Сатурн – к 1970!»
«Орион» был космическим кораблем, словно бы взятым из фантастического романа о далеком будущем. Его полезная масса измерялась тысячами тонн. Полторы сотни человек могли с удобствами расположиться в его комфортабельных каютах. «Орион» был бы построен подобно линейному кораблю, без мучительных поисков способов снижения веса. Оставалось неясным, как такой корабль сумеет приземлиться на планету, но Тейлор полагал, что со временем удастся разработать надежный ракетоплан многоразового использования. Программа развития проекта «Орион» была рассчитана на 12 лет, расчетная стоимость – 24 млрд долларов, что было сопоставимо с запланированными расходами на лунную программу «Сатурн-Аполлон».
Однако приоритеты изменились. Агентство НАСА с первых дней своего существования отказалось рассматривать проекты ракет с ядерными двигателями, отложив эту тему на будущее. Окончательно программа «Орион» была закрыта в конце 1959 года, когда Управление перспективных исследований прекратило финансирование проекта.
Считается, что последний гвоздь в крышку гроба проекта «Орион» забил международный Договор о запрещении испытаний ядерного оружия, подписанный СССР, США и Великобританией 5 августа 1963 года в Москве. Согласно нему, все ядерные взрывы в атмосфере, космосе и под водой объявлялись незаконными. Никаких оговорок о мощности взрывов не делалось, поэтому даже мини-заряды попадали под этот запрет. Далеко не все ученые считали это разумным решением. Например, известный астрофизик Карл Саган полагал, что строительство взрыволетов – наилучший путь ликвидации запасов ядерного оружия.
В Советском Союзе идея использования ядерных зарядов в космической технике выдвигалась полвека назад. Инициатором обсуждения был академик Андрей Сахаров. Конструктивно взрыволет Сахарова должен был состоять из отсека управления, отсека экипажа, отсека для размещения ядерных зарядов, основной двигательной установки, жидкостных ракетных двигателей и баков химического топлива. Корабль также должен был иметь систему подачи ядерных зарядов и систему демпфирования для выравнивания ракеты после ядерных взрывов. В нижней части корабля должен был крепиться экран диаметром 25 м, в фокусе которого предстояло «греметь» ядерным взрывам. Старт с Земли осуществлялся с использованием жидкостных ракетных двигателей, размещенных на нижних опорах. Топливо и окислитель подавались из внешних навесных баков, которые после опорожнения можно сбросить. На жидкостных двигателях аппарат поднимался на высоту десятков километров, после чего включалась основная двигательная установка корабля.
В процессе работы над взрыволетом были рассмотрены и просчитаны несколько вариантов конструкции различных габаритов. Соответственно менялись и стартовая масса, и масса полезной нагрузки, которую удавалось вывести на орбиту.
Но надо отметить, что, несмотря на значительные массы конструкции, она не отличалась большими размерами. Например, «ПК-3000» («Пилотируемый комплекс» со стартовой массой 3000 т) имел высоту около 60 м, а «ПК-5000» («Пилотируемый комплекс» со стартовой массой 5000 т) – менее 75 м. Полезная нагрузка, выводимая на орбиту, в этих вариантах составляла 800 и 1300 т соответственно. Элементарный расчет показывает, что соотношение массы полезной нагрузки к стартовой массе превышало 25 %! А ведь современная ракета на химическом топливе выводит в космос не больше 8 % от стартовой массы.
В качестве космодрома для взрыволетов серии «ПК» выбрали один из районов на севере Советского Союза. Выбор был продиктован двумя соображениями. Во-первых, северные широты позволяли проложить трассу полета ракеты над труднодоступными малонаселенными районами, что в случае аварии позволяло избежать лишних жертв. Во-вторых, запуск ядерного движителя вдали от плоскости экватора, вне зоны так называемой геомагнитной ловушки, предупреждал возникновение искусственных радиационных поясов.
Понятно, что взрыволет Сахарова попал под действие вышеупомянутого договора 1963 года и никогда не был реализован. Однако проработка отдельных элементов его конструкции ведется до сих пор. В частности, российские физики-энтузиасты придумали уникальную комбинированную (электромагнитную и гидравлическую) систему амортизации губительного импульса.
На взрыволетном принципе построен единственный технически обоснованный проект звездолета – «Дедал» (“Daedalus”). 10 января 1973 года на общем собрании Британского межпланетного общества (British Interplanetary Society, BIS) было принято решение о начале исследования практической возможности межзвездных полетов. Члены общества поставили перед собой задачу спроектировать беспилотный космический аппарат, способный в реально короткие сроки добраться до одной из ближайших звезд, провести научные исследования и передать на Землю полученную информацию.
Взрыволетный межзвездный зонд «Daedalus»
Работы над проектом «Дедал» проводились под руководством инженера Алана Бонда, который стоял во главе Главного координационного комитета из одиннадцати человек. Всего в реализацию проекта было вовлечено триста специалистов.
Проект был официально завершен в 1978 году выпуском отчета, в котором описана конструкция межзвездного зонда и даны научно-технические обоснования возможности его создания.
Целью полета зонда «Дедал» была выбрана звезда Барнарда, ведь в то время считалось «доказанным», что она имеет планеты. Мотивируя выбор, Алан Бонд добавлял, что конструкция, способная долететь до звезды Барнарда, тем более доберется до ближайшей системы Альфа Центавра. Продолжительность полета определили в сорок лет. Такой период выбирали как время, при котором участники начала работ по созданию звездолета могли бы дожить до получения результатов. Впоследствии это время было увеличено до сорока девяти лет.
За основу члены общества приняли схему проекта «Орион», однако почти сразу было решено использовать не энергию расщепления атомов в ходе цепной реакции делящегося вещества, а энергию термоядерного синтеза. В качестве топлива была выбрана смесь из дейтерия и гелия-3, поскольку синтез с ними не сопровождается значительным выходом радиации. Маленькая сфера-мишень, содержащая эти изотопы, вбрасывается в двигатель с помощью специальной пушки. В момент, когда мишень попадает в заданную точку полости двигателя, в нее одновременно выстреливают мощные лазеры; при этом топливо сжимается и нагревается до температуры, достаточной для инициирования реакции ядерного синтеза. При взрыве образуется облако ионизированного газа, напоминающее шаровую молнию, которое выталкивается наружу магнитным полем, ограниченным металлическими стенками камеры двигателя. Сила взрыва через магнитное поле передается стенкам камеры двигателя, а продукты взрыва выбрасываются из нее. Энергия взрыва идет на создание тяги (удельный импульс – миллион секунд!), а часть ее отбирается из продуктов взрыва с помощью индукционного селеноида, размещенного на выходе ускорительной части двигателя. Эта энергия затрачивается на «перезарядку» лазеров, готовых снова выстрелить в новый объем ядерного топлива, после чего процесс повторяется. Частота взрывов может достигать 250 в секунду, а мощность такого двигателя будет в несколько раз превышать электромощность, вырабатываемую на всем земном шаре.
Схема полета не предусматривала возможность торможения у цели (т. е. планетную систему звезды Барнарда предполагалось изучать с пролетной траектории), а вся масса проектируемого зонда составляла всего лишь 450 т (почти столько же весит Международная космическая станция). Несмотря на это для разгона до скорости, равной 0,1 от световой потребуется большое количество топлива – около 50 тыс. т! В этом и заключается главная проблема проекта. В то время как дейтерий имеется на Земле в достаточном количестве (главным образом в морях), запасы гелия-3 ничтожны. В настоящее время небольшие количества этого изотопа нарабатываются в ядерных реакторах, поэтому он очень дорог. Один килограмм гелия-3 стоит миллионы долларов. Очевидно, чтобы выделить необходимые для звездолета 30 тыс. т изотопа, следует изыскать какие-то другие источники. Первым источником может стать лунный реголит, который мы обсуждали в третьей главе. Однако поистине неисчерпаемые запасы ценного изотопа находятся в атмосфере Юпитера. Авторы проекта «Дедал» предлагали разместить на орбите Каллисто, спутника Юпитера, специальный аппарат для улавливания гелия-3 прямо из окружающего пространства. Согласно приближенным оценкам, юпитерианских запасов изотопа хватит на тысячу миллиардов (!) таких звездолетов, как «Дедал». Зонд просто подберет баки с гелием-3, пролетая мимо Каллисто.
В результате детальной проработки проекта была предложена двухступенчатая схема корабля. Каждая ступень имеет свой собственный взрывной движитель. В шести сферических сбрасываемых баках первой, наиболее тяжелой, ступени запасено 46 тыс. т топлива. В четырех таких же баках второй ступени содержится 4 тыс. т топлива. Несмотря на то, что вторая ступень по размерам меньше первой, она является «сердцем» корабля, поскольку на ее борту находится полезный груз с приборами и роботами-смотрителями. Полезный груз размещен в головной части второй ступени, защищенной от бомбардировки межзвездной пылью большим плоским экраном из бериллия толщиной 7 мм. В состав полезного груза входят восемнадцать вспомогательных космических зондов, каждый из которых имеет свою собственную двигательную установку, именно они и будут исследовать планетную систему. Управлять полетом в течение всей экспедиции должен мощный бортовой компьютер с большой емкостью памяти и зачатками «искусственного интеллекта», поскольку ему понадобится принимать оперативные решения без вмешательства человека. Ремонтом систем и аппаратов, входящих в состав полезной нагрузки, займутся роботы-смотрители «Варден» (“Warden” с англ. «Надзиратель»). На борту разместят двух таких роботов с изотопными источниками энергии, собственными двигательными установками, манипуляторами и наборами чувствительных элементов. Каждый робот будет иметь автономный электронный «мозг», а для решения более сложных задач или получения исходных данных будут использоваться каналы микроволновой связи с главным компьютером экспедиции.
Во время пролета мимо звезды Барнарда корабль рискует столкнуться с каким-либо крупным метеороидом – на релятивистских скоростях это приведет к мгновенной гибели зонда. Чтобы защитить его, предполагается создать на расстоянии 200 км впереди корабля искусственное плотное облако намагниченной пыли – его состав будет поддерживаться космическим аппаратом небольших размеров, который получил название «Пылевой жук». Любой крупный объект на трассе полета сначала столкнется с пылевым облаком, и при этом произойдет столь интенсивное выделение энергии, что тела с массой до полутонны будут разрушены и испарятся практически мгновенно. За время, пока в эту зону войдет «Дедал» (около пяти тысячных долей секунды), шальной метеороид окажется рассеян, и бериллиевому экрану останется лишь обеспечить защиту от образовавшейся при взрыве плазмы.
После пролета мимо звезды Барнарда начнется передача информации в Солнечную систему. В конструкции корабля «Дедал» предусмотрено четыре ядерных реактора, вырабатывающих энергию для работы радиостанции мощностью 5 мегаватт. Потребуется около трех лет для неоднократной передачи всей информации со скоростью 10 килобит/с и шесть лет для достижения Земли сигналами. Добавим сюда продолжительность экспедиции от момента старта до встречи с целью (49 лет) и найдем, что пройдет почти 60 лет, пока будут получены какие-либо научные данные со звездолета. Кроме того, на конструирование, изготовление, испытания и заправку топливом такого корабля потребуется от 15 до 20 лет. Так что период между началом разработки проекта и получением научных данных может превысить 80 лет (т. е. время человеческой жизни).
Главный результат проекта «Дедал» – доказанная возможность межзвездных перелетов. Принятая схема зонда и многие конструктивные решения не потеряли своей актуальности. Материалы проекта используются в образовательных программах, по нему делают курсовые и дипломные работы. «Дедал» рассматривают в первую очередь, когда заходит речь об очередной идее достижения звезд. К примеру, с 1987 по 1988 годы агентство НАСА и Военно-морская академия США прорабатывали совместный проект «Лонгшот» (“Longshot” с англ. «Дальний выстрел»»), предполагающий запуск к Альфе Центавра зонда с ядерным двигателем. Особенно подчеркивалось, что в «Лонг-шот» используются существующие технологии, хотя и требующие некоторого развития. При первоначальной мощности 300 киловатт ядерный реактор должен давать энергию лазерам, которые применяются для начала термоядерного синтеза, как и на «Дедале». Звездолет «Лонгшот» имеет стартовую массу 396 т, включая 264 т топлива (гелий-3 и дейтерий). Разница в организации миссии состояла в том, что «Лонгшот» должен был выйти на орбиту вокруг звезды, тогда как «Дедал» совершил бы пролет мимо нее. Согласно новому проекту, полет до выхода на орбиту Альфа Центавра В занял бы около ста лет при максимальной скорости 13 411 км/с (примерно 4,5 % световой).
Сегодня «Дедал» породил еще одну «дочернюю» разработку – «Икар» (“Icarus”), над которым с сентября 2009 года трудится организация американских ученых “Tau Zero Foundation”, одним из основателей и президентом которой является физик Марк Миллис из НАСА. Также в проекте принимают участие члены Британского межпланетного общества. Конкретная цель нового межзвездного зонда, проектируемого по той же взрыволетной схеме, не определена – решено, что он должен летать к любой звезде в пределах 15 световых лет. Кроме того, обсуждение планов по возрождению проекта «Дедал» проходило на симпозиумах, организуемых в рамках программы «Столетний звездолет» (“100 Year Starship”), которую инициировало НАСА при поддержке Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов (Defense Advanced Research Projects Agency – DARPA).
Может показаться, что все проекты взрыволетов так и останутся на бумаге, ведь Договор о запрещении испытаний в трех средах является серьезным препятствием на пути осуществления этих амбициозных планов. Однако не следует забывать, что любой договор – это всего лишь слова, записанные на бумаге, и он может быть отменен. Сегодня действие Договора 1963 года фактически приостановлено, ведь к нему так и не присоединились Франция, Китай и новоиспеченные члены «ядерного» клуба. Его должен был заменить Договор о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний, открытый для подписания в сентябре 1996 года. Но его не торопятся ратифицировать даже в США, а правительства Индии, Пакистана и КНДР категорически отказались подписывать его.
Российская Федерация не только подписала, но и ратифицировала Договор 1996 года. Возможно, мы поторопились. Взрыволеты – единственное реальное средство достижения релятивистских скоростей, и их особый статус стоило бы оговорить в этом документе. Получается, что Соединенные Штаты
Америки еще имеют возможность использовать взрыволетную технологию, а мы – уже нет. На месте наших политиков я бы задумался о том, чтобы вообще денонсировать международные договоры, ставящие Россию в ущербное положение. Например, вышли США из Договора по противоракетной обороне – никто им даже возразить не посмел. Чем мы хуже?..
Данный текст является ознакомительным фрагментом.