Проект «Орион» был исследованием, проведенным в 1950-х и 1960-х годах ВВС США , DARPA [ 1] и NASA, в рамках которого изучалась жизнеспособность ядерного импульсного космического корабля, который бы приводился в движение непосредственно серией атомных взрывов позади корабля. [2] [3] Ранние версии корабля предлагалось запускать с земли; более поздние версии были представлены для использования только в космосе. Проектирование проводилось в General Atomics в Сан-Диего [4] , и среди сторонников был Вернер фон Браун [5] , который выпустил официальный документ, пропагандирующий эту идею. [2] [6] Неядерные испытания проводились с моделями [7] , но в конечном итоге проект был заброшен по нескольким причинам, включая Договор о частичном запрещении ядерных испытаний 1963 года [8] , который запрещал ядерные взрывы в космосе из-за опасений по поводу радиоактивных осадков. [2]
Физик Станислав Улам предложил общую идею ядерного импульсного движения в 1946 году [9] , а предварительные расчеты были сделаны Фредериком Райнесом и Уламом в меморандуме в Лос-Аламосе , датированном 1947 годом. [9] [3] [10] В августе 1955 года Улам стал соавтором секретной статьи, в которой предлагалось использовать ядерные бомбы деления, «выброшенные и взорванные на значительном расстоянии», для приведения в движение транспортного средства в космическом пространстве. [4] [9] Проект возглавляли Тед Тейлор из General Atomics и физик Фримен Дайсон , который по просьбе Тейлора взял годичный отпуск из Института перспективных исследований в Принстоне , чтобы поработать над проектом. [11] В июле 1958 года DARPA согласилось спонсировать Orion на начальном уровне в 1 миллион долларов в год, после чего проект получил свое название и официально начался. [11] [7] Агентство предоставило исследование концепции корпорации General Dynamics , [8] но решило отозвать поддержку в конце 1959 года. [11] Военно-воздушные силы США согласились поддержать проект Orion, если будет найдено военное применение для проекта, а Управление пилотируемых космических полетов НАСА также внесло свой вклад в финансирование. [4] Концепция, исследованная правительством, использовала взрывозащитный экран и амортизатор для защиты экипажа и преобразования детонаций в непрерывную движущую силу. [12] [13] Самое успешное испытание модели в ноябре 1959 года достигло высоты примерно 100 метров с шестью последовательными химическими взрывами. [7] НАСА также разработало профиль миссии на Марс для 125-дневного кругового полета с восемью астронавтами, при прогнозируемой стоимости разработки в 1,5 миллиарда долларов. [5] Проект Orion был отменен в 1964 году после того, как Соединенные Штаты подписали Договор о частичном запрещении испытаний годом ранее; договор значительно снизил политическую поддержку проекта. [8] [5] В 1959 году НАСА также приняло решение, что гражданская космическая программа в ближайшем будущем станет неядерной. [11]
Концепция Orion предлагала как высокую тягу, так и высокий удельный импульс или эффективность топлива: 2000 единиц импульса ( Isp ) в соответствии с первоначальной конструкцией и Isp, возможно, от 4000 до 6000 секунд в соответствии с планом ВВС, с более поздним предложением Дайсона о термоядерной бомбе 1968 года , потенциально увеличивающим это значение до более чем 75 000 Isp, что позволяло развивать скорость 10 000 км/сек. [5] В то время предполагалось, что ядерное устройство среднего размера будет производить около 5 или 10 миллиардов лошадиных сил. [11] [14] Экстремальная мощность ядерных взрывов относительно массы транспортного средства будет контролироваться с помощью внешних детонаций, хотя более ранняя версия концепции импульса предлагала удерживать взрывы во внутренней структуре давления, и одна из таких конструкций была подготовлена The Martin Company . [5] [11] В качестве качественного сравнения мощности, традиционные химические ракеты , такие как Saturn V , которая доставила программу Apollo на Луну, производят большую тягу с низким удельным импульсом, тогда как электрические ионные двигатели производят небольшое количество тяги очень эффективно. Orion, напротив, предложил бы производительность, превышающую самые передовые обычные или ядерные ракетные двигатели, которые тогда рассматривались. Сторонники проекта Orion считали, что он имеет потенциал для дешевых межпланетных путешествий . [15]
От проекта Longshot до проекта Daedalus , Mini-Mag Orion и других предложений, которые достигают инженерного анализа на уровне рассмотрения рассеивания тепловой мощности, принцип внешнего ядерного импульсного движения для максимизации выживательной мощности оставался распространенным среди серьезных концепций для межзвездного полета без внешнего энергетического луча и для очень высокопроизводительного межпланетного полета. [5] Такие более поздние предложения имели тенденцию изменять базовый принцип, представляя оборудование, приводящее в действие детонацию гораздо меньших гранул деления или синтеза, в отличие от более крупных ядерных импульсных установок проекта Orion (полных ядерных бомб). В 1979 году компания General Dynamics пожертвовала деревянную модель корабля высотой 26 дюймов (56 см) Смитсоновскому институту , который выставляет ее в Центре Стивена Ф. Удвара-Хейзи около Международного аэропорта Даллеса в Северной Вирджинии . [8]
Ядерный импульсный двигатель Orion сочетает в себе очень высокую скорость истечения, от 19 до 31 км/с (от 12 до 19 миль/с) в типичных межпланетных конструкциях, с меганьютонами тяги. [17] Многие двигательные установки космических аппаратов могут достигать одного из этих двух показателей, но ядерные импульсные ракеты являются единственной предлагаемой технологией, которая потенциально может соответствовать экстремальным требованиям к мощности для обеспечения обоих показателей одновременно (см. двигательные установки космических аппаратов для получения более спекулятивных систем).
Удельный импульс ( I sp ) измеряет, сколько тяги можно получить из заданной массы топлива, и является стандартным показателем качества для ракетной техники. Для любого ракетного двигателя, поскольку кинетическая энергия выхлопных газов увеличивается с квадратом скорости ( кинетическая энергия = 1/2 mv 2 ), тогда как импульс и тяга растут со скоростью линейно ( импульс = mv), получение определенного уровня тяги (как в ряде ускорений g ) требует гораздо большей мощности каждый раз, когда скорость истечения и I sp значительно увеличиваются в целевом проекте. (Например, самая фундаментальная причина того, что электрические двигательные системы с высоким I sp, как правило, имеют низкую тягу, заключается в их ограничениях по доступной мощности. Их тяга на самом деле обратно пропорциональна I sp, если мощность, поступающая в выхлоп, постоянна или находится на своем пределе из-за потребностей в рассеивании тепла или других инженерных ограничений.) [18] Концепция Orion детонирует ядерные взрывы снаружи со скоростью высвобождения энергии, которая выходит за рамки того, что ядерные реакторы могли бы выдержать внутри с известными материалами и конструкцией.
Поскольку вес не имеет ограничений, корабль Orion может быть чрезвычайно прочным. Беспилотный корабль может выдерживать очень большие ускорения, возможно, 100 g . Однако пилотируемый человеком Orion должен использовать некую систему амортизации за толкающей пластиной, чтобы сгладить почти мгновенное ускорение до уровня, который люди могут комфортно выдержать — обычно около 2–4 g .
Высокая производительность зависит от высокой скорости истечения, чтобы максимизировать силу ракеты для данной массы топлива. Скорость плазменного мусора пропорциональна квадратному корню 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 практическая конструкция также должна ограничивать разрушительный радиус огненного шара. Диаметр ядерного огненного шара пропорционален квадратному корню взрывной мощности бомбы.
Форма реакционной массы бомбы имеет решающее значение для эффективности. Первоначальный проект разрабатывал бомбы с реакционной массой из вольфрама . Геометрия и материалы бомбы фокусировали рентгеновские лучи и плазму из ядра ядерного взрывчатого вещества для удара по реакционной массе. По сути, каждая бомба представляла собой ядерный кумулятивный заряд .
Бомба с цилиндром реакционной массы при взрыве расширяется в плоскую, дискообразную волну плазмы. Бомба с дисковой реакционной массой расширяется в гораздо более эффективную сигарообразную волну плазменного мусора. Сигарообразная форма фокусирует большую часть плазмы, чтобы она ударялась о толкающую пластину. [19] 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 двигателя «Ориона» обычно равен:
где C 0 — коэффициент коллимации (какая доля осколков плазмы взрыва фактически попадет в пластину поглотителя импульсов при взрыве импульсного блока), V e — скорость осколков плазмы ядерного импульсного блока, а g n — стандартное ускорение свободного падения (9,81 м/с 2 ; этот коэффициент не нужен, если I sp измеряется в Н·с/кг или м/с). Коэффициент коллимации около 0,5 может быть достигнут путем сопоставления диаметра пластины толкателя с диаметром ядерного огненного шара, созданного взрывом ядерного импульсного блока.
Чем меньше бомба, тем меньше будет каждый импульс, поэтому тем выше частота импульсов и больше, чем нужно для достижения орбиты. Меньшие импульсы также означают меньший удар g на толкающую пластину и меньшую потребность в демпфировании для сглаживания ускорения.
Оптимальная мощность бомбы двигателя «Орион» (для пилотируемой базовой конструкции массой 4000 тонн) была рассчитана как около 0,15 кт, при этом на орбиту требовалось около 800 бомб, а скорость сброса бомб составляла около 1 в секунду. [20]
Следующее можно найти в книге Джорджа Дайсона . [19] Цифры для сравнения с Сатурном V взяты из этого раздела и переведены из метрической системы (кг) в короткие тонны США (здесь сокращенно «т»).
В конце 1958 — начале 1959 года было решено, что наименьший практический аппарат будет определяться наименьшей достижимой мощностью бомбы. Использование бомб мощностью 0,03 кт (мощность на уровне моря) дало бы массу аппарата в 880 тонн. Однако это было сочтено слишком малым для чего-либо, кроме орбитального испытательного аппарата, и вскоре команда сосредоточилась на «базовой конструкции» массой 4000 тонн.
В то время детали конструкций малых бомб были окутаны тайной. Во многих отчетах о проектах Orion все детали бомб были удалены перед выпуском. Сравните приведенные выше детали с отчетом General Atomics 1959 года [24] , в котором исследовались параметры трех различных размеров гипотетических космических кораблей Orion:
Самый большой проект выше — это проект «супер» Ориона; при весе в 8 миллионов тонн он легко мог бы стать городом. [25] В интервью проектировщики рассматривали большой корабль как возможный межзвездный ковчег . Этот экстремальный проект мог быть построен с использованием материалов и технологий, которые можно было получить в 1958 году или, как ожидалось, станут доступны вскоре после этого.
Большая часть из трех тысяч тонн каждого из двигателей «супер» Ориона будет состоять из инертного материала, такого как полиэтилен или соли бора , используемые для передачи силы детонации двигателей на толкающую пластину Ориона и поглощения нейтронов для минимизации радиоактивных осадков. Один из проектов, предложенных Фрименом Дайсоном для «Супер Ориона», предусматривал, что толкающая пластина будет состоять в основном из урана или трансуранового элемента , чтобы по достижении ближайшей звездной системы пластина могла быть преобразована в ядерное топливо.
Конструкция ядерной импульсной ракеты Orion имеет чрезвычайно высокие характеристики. Ядерные импульсные ракеты Orion, использующие импульсные блоки ядерного деления, изначально предназначались для использования в межпланетных космических полетах.
Миссии, которые были разработаны для корабля «Орион» в первоначальном проекте, включали одноступенчатый полет (т.е. непосредственно с поверхности Земли) на Марс и обратно, а также полет на один из спутников Сатурна. [25]
Фримен Дайсон выполнил первый анализ того, какие типы миссий Ориона были возможны для достижения Альфа Центавра , ближайшей к Солнцу звездной системы . [26] Его статья 1968 года «Межзвездный транспорт» ( Physics Today ) [27] сохранила концепцию больших ядерных взрывов, но Дайсон отошел от использования атомных бомб и вместо этого рассмотрел использование взрывов термоядерного синтеза дейтерия мощностью в одну мегатонну . Его выводы были просты: скорость обломков термоядерных взрывов, вероятно, находилась в диапазоне 3000–30 000 км/с, а отражающая геометрия полусферической толкающей пластины Ориона сократила бы этот диапазон до 750–15 000 км/с. [28]
Чтобы оценить верхний и нижний пределы того, что можно было сделать с помощью технологий 1968 года, Дайсон рассмотрел два проекта звездолета. Более консервативная конструкция толкающей пластины с ограниченной энергией просто должна была поглощать всю тепловую энергию каждого падающего взрыва (4×10 15 джоулей, половина из которых поглощалась бы толкающей пластиной) без расплавления. Дайсон подсчитал, что если бы открытая поверхность состояла из меди толщиной 1 мм, то диаметр и масса полусферической толкающей пластины должны были бы составлять 20 километров и 5 миллионов тонн соответственно. Потребовалось бы 100 секунд, чтобы медь остыла за счет излучения перед следующим взрывом. Затем потребовалось бы порядка 1000 лет, чтобы конструкция теплоотвода Orion с ограниченной энергией достигла Альфы Центавра.
Чтобы улучшить эту производительность, одновременно уменьшив размер и стоимость, Дайсон рассмотрел альтернативную конструкцию толкающей пластины с ограничением импульса , в которой абляционное покрытие открытой поверхности заменяется для избавления от избыточного тепла. Затем ограничение устанавливается способностью амортизаторов передавать импульс от импульсно ускоренной толкающей пластины к плавно ускоряемому 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 должно ускоряться со скоростью 1 земного притяжения (9,81 м/с2 ) с такой передачей скорости, то частота импульсов составляет один взрыв каждые три секунды. [29] Размеры и производительность транспортных средств Дайсона приведены как:
Более поздние исследования показывают, что максимальная крейсерская скорость, которая теоретически может быть достигнута, составляет несколько процентов от скорости света (0,08–0,1c). [30] [ требуется проверка ] Атомный (делящийся) Орион может достичь, возможно, 9–11% скорости света. Звездолет с ядерным импульсным двигателем, работающий на ядерных импульсных двигателях, катализируемых термоядерным синтезом и антиматерией, будет также находиться в диапазоне 10%, а ракеты с аннигиляцией чистой материи и антиматерии теоретически способны развивать скорость от 50% до 80% скорости света . В каждом случае экономия топлива на замедление вдвое уменьшает максимальную скорость. Концепция использования магнитного паруса для замедления космического корабля по мере приближения к месту назначения обсуждалась как альтернатива использованию топлива; это позволило бы кораблю двигаться вблизи максимальной теоретической скорости. [31]
При 0,1 c термоядерным 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 0,1 c звездолету Ориона потребуется 100 лет, чтобы преодолеть 10 световых лет. Астроном Карл Саган предположил, что это было бы отличным применением для запасов ядерного оружия. [32]
В рамках разработки проекта «Орион», чтобы получить финансирование от военных, в 1960-х годах ВВС США обсуждали создание космической ракетно-ядерной платформы с ядерным оружием, защищенной от ядерного взрыва. Она должна была включать в себя «Силы бомбардировки дальнего космоса» ВВС США. [33] [34] [35]
Концепция, похожая на Orion, была разработана Британским межпланетным обществом (BIS) в 1973–1974 годах. Проект Daedalus должен был стать роботизированным межзвездным зондом к звезде Барнарда , который должен был двигаться со скоростью 12% от скорости света. В 1989 году похожая концепция изучалась ВМС США и НАСА в проекте Longshot . Обе эти концепции требуют значительных достижений в технологии термоядерного синтеза и поэтому не могут быть построены в настоящее время, в отличие от Orion.
С 1998 года по настоящее время кафедра ядерной инженерии Университета штата Пенсильвания разрабатывает две усовершенствованные версии проекта Orion, известные как проект ICAN и проект AIMStar, с использованием компактных ядерных импульсных двигательных установок, катализируемых антиматерией [36], а не больших систем зажигания термоядерного синтеза с инерционным удержанием, предложенных в проектах Daedalus и Longshot. [37]
Расходы на необходимые расщепляемые материалы считались высокими, пока физик Тед Тейлор не показал, что при правильной конструкции взрывчатых веществ количество расщепляемых материалов, используемых при запуске, было близким к постоянному для каждого размера Orion от 2000 тонн до 8 000 000 тонн. Более крупные бомбы использовали больше взрывчатых веществ для сверхсжатия расщепляемых материалов, что увеличивало эффективность. Дополнительный мусор от взрывчатых веществ также служит дополнительной массой для движения.
Основная часть расходов на исторические программы ядерной обороны приходилась на системы доставки и поддержки, а не на стоимость производства бомб напрямую (согласно одному исследованию, боеголовки составляли 7% от общих расходов США в 1946–1996 годах). [38] После первоначального развития инфраструктуры и инвестиций предельная стоимость дополнительных ядерных бомб в массовом производстве может быть относительно низкой. В 1980-х годах некоторые американские термоядерные боеголовки имели оценочную стоимость в 1,1 миллиона долларов каждая (630 миллионов долларов за 560). [39] Для, возможно, более простых блоков импульсов деления, которые должны были использоваться в одной конструкции Orion, источник 1964 года оценил стоимость в 40 000 долларов или меньше каждая в массовом производстве, что составило бы примерно 0,3 миллиона долларов каждая в современных долларах с учетом инфляции. [39] [40]
Проект Дедал позже предложил термоядерную взрывчатку ( таблетки дейтерия или трития ), детонирующую с помощью инерционного удержания электронного пучка. Это тот же принцип, что и в термоядерном инерционном удержании . Теоретически, его можно было бы масштабировать до гораздо меньших взрывов и требовать небольших амортизаторов.
С 1957 по 1964 год эта информация использовалась для проектирования двигательной установки космического корабля под названием Orion, в которой ядерная взрывчатка забрасывалась за толкающую пластину, установленную на днище космического корабля, и взрывалась. Ударная волна и излучение от детонации воздействовали на нижнюю часть толкающей пластины, давая ей мощный толчок. Толкающая пластина устанавливалась на больших двухступенчатых амортизаторах , которые плавно передавали ускорение остальной части космического корабля.
Во время взлета были опасения, что жидкая шрапнель [ требуется разъяснение ] может отразиться от земли. Одним из предложенных решений было использовать плоскую пластину обычной взрывчатки, распределенную по толкающей пластине, и взорвать ее, чтобы поднять корабль над землей, прежде чем взорвать ядерный взрыв. Это подняло бы корабль достаточно высоко в воздух, чтобы первый сфокусированный ядерный взрыв не создал обломков, способных повредить корабль.
Был разработан предварительный проект ядерного импульсного блока. Он предлагал использовать кумулятивный заряд деления, усиленный термоядерным синтезом. Взрывчатое вещество было обернуто в канальный наполнитель из оксида бериллия , который был окружен урановым радиационным зеркалом. Зеркало и канальный наполнитель были открытыми, и в этот открытый конец была помещена плоская пластина вольфрамового топлива. 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 из торгового автомата по продаже безалкогольных напитков; по проекту консультировались с Coca-Cola. [41]
Через 1 микросекунду после зажигания плазма гамма-бомбы и нейтроны нагревали наполнитель канала и в некоторой степени удерживались урановой оболочкой. Через 2–3 микросекунды наполнитель канала передавал часть энергии топливу, которое испарялось. Плоская пластина топлива образовывала сигарообразный взрыв, направленный на толкающую пластину.
Плазма остынет до 25 200 °F (14 000 °C) по мере прохождения расстояния в 82 фута (25 м) до толкающей пластины, а затем снова нагреется до 120 600 °F (67 000 °C), когда примерно через 300 микросекунд она ударится о толкающую пластину и снова сожмется. Эта температура испускает ультрафиолетовый свет, который плохо проходит через большинство плазм. Это помогает поддерживать толкающую пластину холодной. Сигарообразный профиль распределения и низкая плотность плазмы уменьшают мгновенный удар по толкающей пластине.
Поскольку импульс, передаваемый плазмой, наибольший в центре, толщина толкающей пластины уменьшится примерно в 6 раз от центра к краю. Это гарантирует, что изменение скорости будет одинаковым для внутренней и внешней частей пластины.
На низких высотах, где окружающий воздух плотный, гамма-рассеяние может потенциально нанести вред экипажу без радиационного щита; радиационное убежище также будет необходимо в длительных миссиях, чтобы пережить солнечные вспышки . Эффективность радиационной защиты увеличивается экспоненциально с толщиной щита, см. гамма-лучи для обсуждения экранирования. На кораблях с массой более 2 200 000 фунтов (1 000 000 кг) структурная масса корабля, его запасы вместе с массой бомб и топлива обеспечат более чем достаточную защиту для экипажа. Первоначально считалось, что устойчивость является проблемой из-за неточностей в размещении бомб, но позже было показано, что эффекты будут нейтрализованы. [42] [43]
Многочисленные летные испытания моделей с использованием обычных взрывчатых веществ были проведены в Пойнт-Лома, Сан-Диего в 1959 году. 14 ноября 1959 года однометровая модель, также известная как «Hot Rod» и «putt-putt», впервые поднялась в воздух с использованием RDX (химической взрывчатки) в управляемом полете в течение 23 секунд на высоту 184 футов (56 м). Фильм испытаний был транскрибирован на видео [44] и был показан в программе BBC TV «To Mars by A-Bomb» в 2003 году с комментариями Фримена Дайсона и Артура К. Кларка . Модель приземлилась на парашюте неповрежденной и находится в коллекции Смитсоновского национального музея авиации и космонавтики.
Первым предложенным амортизатором была кольцевая подушка безопасности. Вскоре стало понятно, что если взрыв не удастся, толкающая пластина весом 1 100 000–2 200 000 фунтов (500 000–1 000 000 кг) оторвет подушку безопасности при отскоке. Поэтому была разработана двухступенчатая расстроенная пружинно-поршневая конструкция амортизатора. В эталонной конструкции механический амортизатор первой ступени был настроен на частоту импульсов в 4,5 раза, в то время как газовый поршень второй ступени был настроен на частоту импульсов в 0,5 раза. Это позволяло допускать временные допуски в 10 мс при каждом взрыве.
Окончательная конструкция справлялась с отказом бомбы путем пролета и отскока в центральное положение. Таким образом, после отказа и при первоначальном наземном запуске необходимо было бы начать или перезапустить последовательность с устройством меньшей мощности. В 1950-х годах методы регулировки мощности бомбы находились в зачаточном состоянии, и было уделено много внимания предоставлению средств замены бомбы стандартной мощности на бомбу меньшей мощности в течение 2 или 3 секунд или предоставлению альтернативных средств для запуска бомб малой мощности. Современные устройства переменной мощности позволяют автоматически настраивать одно стандартизированное взрывчатое вещество (настраивать на меньшую мощность).
Бомбы должны были запускаться 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 пушек, высовывающихся за край толкающей пластины, до ракетных бомб, запускаемых с дорожек американских горок; однако в окончательном эталонном проекте использовалась простая газовая пушка для выстреливания устройств через отверстие в центре толкающей пластины.
Воздействие повторяющихся ядерных взрывов поднимает проблему абляции (эрозии) толкающей пластины. Расчеты и эксперименты показали, что стальная толкающая пластина будет аблироваться менее чем на 1 мм, если она не защищена. Если ее опрыскать маслом, она вообще не будет аблироваться (это было обнаружено случайно: на испытательной пластине были масляные отпечатки пальцев, и отпечатки пальцев не подверглись абляции). Спектры поглощения углерода и водорода минимизируют нагрев. Расчетная температура ударной волны, 120 600 °F (67 000 °C), испускает ультрафиолетовый свет. Большинство материалов и элементов непрозрачны для ультрафиолета, особенно при давлении 49 000 фунтов на кв. дюйм (340 МПа), которое испытывает пластина. Это предотвращает плавление или абляцию пластины.
Один из вопросов, который остался нерешенным по завершении проекта, заключался в том, приведет ли турбулентность, создаваемая комбинацией топлива и аблированной толкающей пластины, к значительному увеличению общей абляции толкающей пластины. По словам Фримена Дайсона, в 1960-х годах им пришлось бы провести испытание с реальным ядерным взрывчатым веществом, чтобы определить это; с помощью современных технологий моделирования это можно было определить довольно точно без такого эмпирического исследования.
Другая потенциальная проблема с толкающей пластиной — это отколы (осколки металла), которые могут отлетать от верхней части пластины. Ударная волна от ударной плазмы на нижней части пластины проходит через пластину и достигает верхней поверхности. В этот момент может произойти откол, повреждающий толкающую пластину. По этой причине альтернативные материалы — фанера и стекловолокно — были исследованы для поверхностного слоя толкающей пластины и сочтены приемлемыми.
Если обычная взрывчатка в ядерной бомбе сдетонирует, но ядерного взрыва не произойдет, осколки могут попасть в толкающую пластину и потенциально серьезно повредить ее.
Настоящие инженерные испытания систем корабля считались невозможными, поскольку несколько тысяч ядерных взрывов не могли быть выполнены в одном месте. Эксперименты были разработаны для испытания толкающих пластин в ядерных огненных шарах, а долгосрочные испытания толкающих пластин могли проводиться в космосе. Конструкции амортизаторов могли быть испытаны в полном масштабе на Земле с использованием химических взрывчатых веществ.
Однако главной нерешенной проблемой для запуска с поверхности Земли считались радиоактивные осадки . Фримен 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 из-за радиоактивных осадков. [45] Эта оценка основана на предположениях модели без порогового значения , методе, часто используемом при оценке статистических смертей от других видов промышленной деятельности. Каждые несколько миллионов долларов эффективности, косвенно полученные или потерянные в мировой экономике, могут статистически усреднять спасенные или потерянные жизни с точки зрения выгод от возможностей по сравнению с затратами. [46] Косвенные эффекты могут иметь значение для того, будет ли общее влияние космической программы на базе Ориона на будущую глобальную смертность людей чистым увеличением или чистым уменьшением, включая то, повлияют ли изменения в стоимости и возможностях запуска на исследование космоса , колонизацию космоса , шансы на долгосрочное выживание человеческого вида , солнечную энергию в космосе или другие гипотетические предположения.
Опасность для человеческой жизни не была причиной откладывания проекта. Среди причин были отсутствие требований миссии, тот факт, что никто в правительстве США не мог придумать ни одной причины для вывода тысяч тонн полезного груза на орбиту, решение сосредоточиться на ракетах для миссии на Луну и, в конечном итоге, подписание Договора о частичном запрещении испытаний в 1963 году. Опасность для электронных систем на земле от электромагнитного импульса не считалась значительной из-за предполагаемых субкилотонных взрывов, поскольку твердотельные интегральные схемы в то время не были широко распространены.
Из множества меньших детонаций, объединенных вместе, выпадение осадков для всего запуска 12 000 000-фунтового (5 400 000 кг) Orion равно детонации типичного 10- мегатонного (40 петаджоулей ) ядерного оружия в виде воздушного взрыва , поэтому большая часть его выпадений будет сравнительно разбавленными задержанными осадками . Предполагая использование ядерных взрывчатых веществ с высокой долей общего выхода от деления, это даст объединенный общий выпадений, аналогичный выходу поверхностного взрыва выстрела Mike из Operation Ivy , 10,4-мегатонного устройства, взорванного в 1952 году. Сравнение не совсем идеально, поскольку из-за своего поверхностного места взрыва Ivy Mike создал большое количество раннего загрязнения радиоактивными осадками. Исторические наземные испытания ядерного оружия включали 189 мегатонн выхода деления и вызвали среднюю глобальную дозу радиации на человека, достигшую пика в 1,0 × 10−5 бэр /кв. фут (0,11 мЗв/год) в 1963 году, с остаточным значением 6,5 × 10−7 бэр/кв. фут (0,007 мЗв/год) в настоящее время , наложенным на другие источники облучения, в первую очередь на 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. фут (6 мЗв/год) в некоторых высокогорных городах. [47] [48] Любое сравнение будет зависеть от того, как доза облучения населения зависит от мест детонации, при этом предпочтительными будут очень отдаленные места.
Тед Тейлор подсчитал, что с помощью специальных конструкций ядерного взрывчатого вещества выпадение продуктов деления можно было бы сократить в десять раз или даже до нуля, если бы вместо этого можно было создать чистое термоядерное взрывчатое вещество . Согласно рассекреченным документам правительства США, 100% чистое термоядерное взрывчатое вещество еще не было успешно разработано, хотя относительно чистые PNE ( мирные ядерные взрывы ) были испытаны для рытья канала Советским Союзом в 1970-х годах с 98% выходом термоядерного синтеза в испытательных устройствах Taiga мощностью 15 килотонн , 0,3 килотонны деления, [45] [49], которые вырыли часть предлагаемого канала Печора-Кама .
Двигательная установка транспортного средства и его испытательная программа нарушат Договор о частичном запрещении испытаний ядерного оружия 1963 года в его нынешней редакции, который запрещает все ядерные взрывы, за исключением тех, которые проводятся под землей, в попытке замедлить гонку вооружений и ограничить количество радиации в атмосфере, вызванной ядерными взрывами. Правительство США предприняло попытку внести исключение в договор 1963 года, чтобы разрешить использование ядерного топлива для космических полетов, но советские опасения относительно военного применения не позволили включить исключение в договор. 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 ядерной бомбы Orion с земли или низкой околоземной орбиты сгенерирует электромагнитный импульс , который может нанести значительный ущерб компьютерам и спутникам , а также затопить пояса Ван Аллена высокоэнергетическим излучением. Поскольку зона действия ЭМИ будет иметь ширину в несколько сотен миль, эта проблема может быть решена путем запуска из очень удаленных районов. Несколько относительно небольших космических электродинамических тросов могут быть развернуты для быстрого выброса энергичных частиц из углов захвата поясов Ван Аллена.
Космический корабль Orion можно было бы поднять на более безопасное расстояние неядерными средствами, только активировав его двигатель на большом расстоянии от Земли и ее спутников. Пусковая петля Лофстрома или космический лифт гипотетически предоставляют превосходные решения; в случае космического лифта существующие композиты из углеродных нанотрубок , за возможным исключением углеродных трубок Colossal , пока не обладают достаточной прочностью на разрыв . Все конструкции химических ракет крайне неэффективны и дороги при запуске больших масс на орбиту, но могли бы быть использованы, если бы результат был экономически эффективным.
Испытание, похожее на испытание толкающей пластины, произошло как случайный побочный эффект испытания ядерного сдерживания под названием « Паскаль-Б », проведенного 27 августа 1957 года. [50] Экспериментальный конструктор испытания доктор Роберт Браунли выполнил весьма приблизительный расчет, который предполагал, что ядерное взрывчатое вещество малой мощности ускорит массивную (900 кг) стальную закрывающую пластину до шестикратной скорости убегания . [51] Пластина так и не была найдена, но доктор Браунли считает, что пластина никогда не покидала атмосферу; например, она могла испариться из-за компрессионного нагрева атмосферы из-за ее высокой скорости. Рассчитанная скорость была достаточно интересной, чтобы команда направила высокоскоростную камеру на пластину, которая, к сожалению, появилась только в одном кадре, что указывает на очень высокую нижнюю границу скорости пластины.
Первое появление этой идеи в печати, по-видимому, относится к рассказу Роберта А. Хайнлайна 1940 года « Взрывы случаются ».
Как обсуждал Артур Кларк в своих воспоминаниях о создании 2001: Космическая одиссея в Затерянных мирах 2001 года , рассматривалась ядерно-импульсная версия американского межпланетного космического корабля Discovery One . Однако Discovery в фильме не использовал эту идею, так как Стэнли Кубрик посчитал, что это может считаться пародией после создания Доктора Стрейнджлава, или Как я перестал волноваться и полюбил атомную бомбу . [52]
Космический корабль «Орион» занимает видное место в научно-фантастическом романе «Fotfall» Ларри Нивена и Джерри Пурнелла . Перед лицом инопланетной осады/вторжения на Землю люди должны прибегнуть к радикальным мерам, чтобы вывести боевой корабль на орбиту для противостояния инопланетному флоту.
Вступительная предпосылка сериала «Вознесение» заключается в том, что в 1963 году президент Джон Ф. Кеннеди и правительство США, опасаясь эскалации холодной войны и ее уничтожения, запустили « Вознесение» , космический корабль класса «Орион», для колонизации планеты, вращающейся вокруг Проксимы Центавра, и обеспечения выживания человеческой расы.
В научно-фантастическом романе « Ковчег » Стивена Бакстера герои используют корабль поколения класса «Орион», чтобы спастись от экологической катастрофы на Земле.
К завершению своей трилогии «Игры империи » Чарльз Стросс включает космический корабль, смоделированный по образцу проекта «Орион». Разработчики кораблей, ограниченные уровнем промышленных мощностей 1960-х годов, намереваются использовать его для исследования параллельных миров и в качестве ядерного сдерживающего фактора, опережая своих врагов с более современными возможностями.
В романе ужасов Torment Джереми Робинсона (написанном под псевдонимом Джереми Бишоп) главные герои спасаются от глобальной ядерной войны на корабле с ядерным импульсным двигателем . Этот корабль входит в число трех других; часть «Протокола Орион», механизма побега для членов федерального правительства. Корабли размещены в подземной камере под Эллипсом .
В научно-фантастическом романе « Проблема трех тел » и связанных с ним телешоу зонд запускается к приближающемуся инопланетному флоту, используя вариацию метода Ориона. [53]
Для вывода этого транспортного средства на орбиту потребовалось бы два или, возможно, три Saturn V, а также потребовалась бы некоторая сборка на орбите. Рассматривалось несколько профилей миссии - наиболее подробно разработанный был для миссии на Марс. Восемь астронавтов. С примерно 100 тоннами оборудования и припасов. могли бы совершить путешествие туда и обратно на Марс за 125 дней (большинство планов предусматривают время в одну сторону не менее девяти месяцев). Другая впечатляющая цифра заключается в том, что до 45% от общей массы транспортного средства на орбите Земли могло бы быть полезной нагрузкой.
