Проєкт «Оріон» — проєкт міжзоряного космічного апарата, рушієм якого слугують атомні бомби, що підриваються за апаратом. Ранні версії цього транспортного засобу пропонувалося запускати з Землі (зі значними супутніми ядерними опадами); пізніші версії передбачали використання лише в космічному просторі. За допомогою моделей було проведено шість неядерних випробувань. Зрештою від цього проєкту відмовились з багатьох причин, таких як Договір про часткову заборону випробувань, який забороняв ядерні вибухи в космосі, а також занепокоєння з приводу радіаційного забруднення.
Ідея апарата, що рухається від атомних вибухів, належить Роберту Гайнлайну, який описав її у повісті 1940 року «Вибух може статись». Реальні пропозиції з побудови такого апарата вперше зроблені Станіславом Уламом в 1946 році, а попередні розрахунки виконані Ф. Райнесом і Уламом в меморандумі Лос-Аламоса від 1947 року. Реальний проєкт розпочатий в 1958 році під керівництвом Теда Тейлора в General Atomics та фізика Фрімена Дайсона, який на прохання Тейлора взяв рік від Інституту перспективних досліджень в Принстоні для роботи над проєктом.
Концепція «Оріона» пропонувала одночасно високу тягу та високий питомий імпульс, або ефективність пального. Безпрецедентні екстремальні вимоги до енергії для цього задовольняються ядерними вибухами такої потужності відносно маси транспортного засобу, щоб рухатися лише за допомогою зовнішніх детонацій, не намагаючись утримувати їх у внутрішніх конструкціях. Як якісне порівняння, традиційні хімічні ракети — такі, як « Сатурн V», яку використовувала програма « Аполлон» для польотів на Місяць — виробляють високу тягу з низьким питомим імпульсом, тоді як електричні іонні двигуни виробляють невелику тягу, зате дуже ефективно. «Оріон» запропонував би ефективність більшу, ніж найдосконаліші звичайні або атомні ракетні двигуни, що розглядалися тоді. Прихильники проєкту «Оріон» вважали, що він має потенціал для дешевих міжпланетних подорожей, але він втратив політичне схвалення через занепокоєння щодо наслідків його руху.
Загалом визнано, що Договір про часткову заборону випробувань 1963 року закінчив проєкт. Однак проєкти «Longshot», «Daedalus», «Mini-Mag Orion» та інші продовжили спиратися на концепцію атомного вибуху як рушійної сили міжзоряних польотів. Такі пізніші пропозиції, як правило, модифікують основний принцип, передбачаючи обладнання, що шляхом поділу чи синтезу атомного ядра створює вибуху в меншому об'ємі, на відміну від більших блоків ядерних імпульсів проєкту «Оріон» (повноцінних атомних бомб), заснованих на менш спекулятивній технології.
Основні принципи Ядерний імпульсний привід Orion поєднує дуже високу швидкість вихлопу, від 20 до 30 км/с (від 13 до 20 миль/с) у типових міжпланетних конструкціях, з меганьютонами тяги. Багато рушійних приводів космічних кораблів можуть досягти того чи іншого, але ядерні імпульсні ракети — це єдина запропонована технологія, яка потенційно може відповідати надзвичайним вимогам до потужності для доставлення обох (див. Рушійний апарат космічних ракет для більш спекулятивних систем).
Конкретний імпульс (I sp) вимірює, скільки тяги можна отримати від заданої маси палива, і є стандартним показником гідності ракетної техніки. Для будь-якого ракетного рушія, оскільки кінетична енергія вихлопних газів зростає із швидкістю в квадраті (кінетична енергія = ½ mv 2), тоді як імпульс та тяга зростають зі швидкістю лінійно (імпульс = mv), отримуючи певний рівень тяги (як у кількість g прискорення) вимагає набагато більшої потужності щоразу, коли швидкість вихлопу і I sp значно збільшуються в проектних цілях. (Наприклад, найбільш фундаментальна причина що поточні та пропоновані електричні рушійні системи з високим I sp мають тенденцію до низької тяги через їх обмеження доступної потужності. Їхня тяга насправді обернено пропорційна I sp, якщо потужність, що надходить у вихлоп, є постійною або на межі від потреб розсіювання тепла або інших технічних обмежень.) Концепція Orion детонує ядерні вибухи зовні зі швидкістю виходу енергії, що перевищує ядерні реактори можуть виживати внутрішньо за допомогою відомих матеріалів та конструкції.
Оскільки вага не є обмеженням, судно Orion може бути надзвичайно міцним. Безлюдне судно може терпіти дуже великі прискорення, можливо, 100 г. У людини-Оріон з екіпажем, проте, необхідний використовувати будь — то демпфірування системи за штовхає пластиною, щоб згладити миттєве прискорення поблизу до рівня, який люди можуть комфортно витримувати — зазвичай приблизно від 2 до 4 г.
Висока продуктивність залежить від високої швидкості вихлопу, щоб максимізувати силу ракети для даної маси пального. Швидкість сміття плазми пропорційна квадратному кореню зміни температури (T c) ядерної вогненної кулі. Оскільки вогненні кулі зазвичай досягають десяти мільйонів градусів Цельсія або більше менш ніж за мілісекунду, вони створюють дуже високі швидкості. Однак практична конструкція повинна також обмежувати радіус руйнування вогненної кулі. Діаметр ядерного вогняного кулі пропорційний квадратному корінцю вибухового вибуху бомби.
Форма реакційної маси бомби є критичною для ефективності. Оригінальний проект розробив бомби з реакційною масою з вольфраму. Геометрія та матеріали бомби фокусували рентгенівські промені та плазму від ядра ядерної вибухової речовини, щоб потрапити в реакційну масу. Фактично кожна бомба була б ядерним зарядом.
Бомба з циліндром реакційної маси при вибуху розширюється в плоску хвилеподібну хвилю плазми. Бомба з дископодібною реакційною масою розширюється до набагато ефективнішої сигарної хвилі плазмового сміття. Форма сигари фокусує велику частину плазми, щоб потрапити на пластину штовхача. Для найбільшої ефективності місії ракетне рівняння вимагає, щоб найбільша частка вибухової сили бомби була спрямована на космічний корабель, а не витрачалася ізотропно.
Максимально ефективний питомий імпульс I sp імпульсного приводу Оріона, як правило, дорівнює:
де C 0 — коефіцієнт колімації (яка частка сміття плазми вибуху в дійсності потрапить на пластину поглинача імпульсу при вибуху імпульсного блоку), V e — швидкість сміття плазми сміття ядерного імпульсу, а g n — стандартне прискорення сили тяжіння (9,81 м/с 2 ; цей коефіцієнт не є необхідним, якщо I sp вимірюється в Н · с / кг або м/с). Колімаційний коефіцієнт майже 0,5 може бути досягнутий шляхом узгодження діаметра штовхальної пластини з діаметром ядерного вогняного кулі, створеного вибухом ядерного імпульсного блоку.
Чим менша бомба, тим меншим буде кожен імпульс, тому вища швидкість імпульсів і більше, ніж буде потрібно для досягнення орбіти. Менші імпульси також означають менше g удару на пластині штовхача і меншу потребу в демпфуванні, щоб згладити прискорення.
Оптимальний вихід бомбового приводу «Оріон» (для еталонної конструкції екіпажу 4000 тонн) було розраховано в районі 0,15 кт, приблизно 800 бомб потрібно на орбіту і швидкість бомби приблизно 1 в секунду. [ цитування ]
Розміри космічних апаратів Orion Наступне можна знайти в книзі Джорджа Дайсона. Цифри для порівняння з Сатурном V взяті з цього розділу і переведені з метричних (кг) в короткі тонни США (тут скорочено «t»).
Зображення найменшого космічного апарата «Оріон», який широко вивчався, і який міг мати корисне навантаження близько 100 тонн за 8 поїздок туди і назад до Марса. Ліворуч, варіант діаметром 10 метрів Saturn V «Boost-to-orbit», що вимагає складання на орбіті до того, як транспортний засіб Orion зможе рухатися під власною силовою установкою. Ультраправо — повністю зібрана конфігурація «підняття», в якій космічний апарат піднімався високо в атмосферу до початку імпульсного руху. Як зображено в документі NASA 1964 р. «Ядерно-імпульсний космічний апарат Том III — Концептуальні конструкції транспортних засобів та операційні системи». Орбітальний тестМіжпланетнийУдосконалений міжпланетнийСатурн VРакетна маса880 т4000 т10 000 т3350 тДіаметр космічного апарата25 м40 м56 м10 мВисота космічного апарата36 м60 м85 м110 мВибух бомби (рівень моря)0,03 кт0,14 кт0,35 ктн / дБомби (до 300 км низької орбіти Землі)800800800н / дКорисне навантаження (до 300 миль LEO)300 т1600 т6100 т130 тКорисне навантаження (до місячної посадки)170 т1200 т5700 т2 тКорисне навантаження (повернення з орбіти Марса)80 т800 т5300 т -Корисне навантаження (3 роки повернення Сатурна) - -1300 т - Наприкінці 1958 — на початку 1959 р. Було зрозуміло, що найменший практичний автомобіль визначатиметься найменшим досяжним вибухом бомби. Застосування бомб 0,03 кт (вихід на рівні моря) дало б машину масою 880 тонн. Однак це було розглянуто як замале для будь-чого іншого, крім орбітального випробувального автомобіля, і команда незабаром зосередилася на 4000-тонному «базовому дизайні».
На той час деталі конструкцій невеликих бомб були закриті таємницею. У багатьох звітах про дизайн «Оріона» були вилучені всі деталі бомб перед випуском. Порівняйте вищезазначені деталі із звітом General Atomics 1959 року, який досліджував параметри трьох різних розмірів гіпотетичного космічного апарата «Оріон»: «Супутник» Оріона«Середньочастотний» Оріон«Супер» ОріонДіаметр космічного апарата17–20 м40 м400 мМаса космічного апарата300 т1000–2000 т8 000 000 тКількість бомб54010801080Індивідуальна бомбова маса0,22 т0,37–0,75 т3000 т Найбільший дизайн вище — це «супер» дизайн Orion; вагою 8 мільйонів тонн, це може бути місто. В інтерв'ю дизайнери розглядали великий корабель як можливий міжзоряний ковчег. Цей надзвичайний дизайн міг бути побудований на матеріалах та техніках, які можна було отримати в 1958 році, або, як очікувалося, будуть доступні незабаром.
Більшість з трьох тисяч тонн кожної «супер» рушійної установки «Оріон» представляла б собою інертний матеріал, такий як поліетилен або солі бору, що використовуються для передачі сили детонації силових агрегатів на штовхач Оріона та поглинання нейтронів для мінімізації випадінь. Одна конструкція, запропонована Фріменом Дайсоном для «Супер Оріона», передбачала, щоб штовхальна пластина складалася переважно з урану або трансуранового елемента, щоб, досягнувши сусідньої зоряної системи, пластина могла бути перетворена на ядерне паливо.
Теоретичні додатки Ядерна імпульсна ракета Orion має надзвичайно високі показники. Ядерні імпульсні ракети «Оріон», що використовують імпульсні установки типу ядерного поділу, спочатку були призначені для використання на міжпланетних космічних польотах.
Місії, розроблені для транспортного засобу «Оріон» у початковому проекті, включали один етап (тобто безпосередньо з поверхні Землі) на Марс і назад, а також подорож до однієї з супутників Сатурна.
Фрімен Дайсон провів перший аналіз того, які місії Оріона можна було досягти Альфа Центавра, найближчої до Сонця зоряної системи. його статті 1968 р. «Міжзоряний транспорт» (Physics Today, жовтень 1968 р., С. 41–45) зберігається концепція великих ядерних вибухів, але Дайсон відійшов від використання бомб, що ділилися, і розглядав можливість використання одного мегатона замість цього вибухи синтезу дейтерію. Його висновки були простими: швидкість сміття при вибухах термоядерних речовин, мабуть, була в діапазоні 3000–30 000 км/с, а відображаюча геометрія напівсферичної штовхальної пластини Оріона зменшила б цей діапазон до 750–15 000 км/с.
Щоб оцінити верхню і нижню межі того, що можна зробити за допомогою сучасних технологій (у 1968 р.), Дайсон розглянув дві конструкції зорельотів. Більш консервативна конструкція штовхальної пластини з обмеженою енергією просто повинна була поглинати всю теплову енергію кожного вибуху, що зіштовхується (4 × 10 15 джоулів, половина з яких поглинається штовхальною пластиною) без плавлення. Дайсон підрахував, що якби відкрита поверхня складалася з міді товщиною 1 мм, тоді діаметр та маса напівсферичної штовхальної пластини мали б становити 20 кілометрів та 5 мільйонів тонн відповідно. Щоб дати міді радіаційно охолонути до наступного вибуху, знадобиться 100 секунд. Тоді для енергообмеженого тепловідводу піде близько 1000 років Дизайн Оріона для досягнення Альфа Центавра.