Что такое взрыволёт? Бомба, которая откроет человечеству космос

30 ноября 12:00

13 минут на чтение

Все основоположники теоретической космонавтики, включая Константина Циолковского, утверждали, что Солнечная система покорится землянам, а межзвёздные перелёты станут возможными только в том случае, если удастся освоить «внутриатомную» энергию. Вместе с тем учёные верили, что достаточно будет научиться напрямую превращать радиоактивные элементы в энергию и это позволит разогнать любой космический аппарат до субсветовых скоростей. Практика, разумеется, внесла свои коррективы: управлять вырывающейся энергией цепной ядерной реакции оказалось технически очень сложно, а потому осваивать эту энергию начали с создания оружия — атомных бомб. Но и здесь учёные смогли найти решение, и появился проект, который по сей день волнует воображение энтузиастов космонавтики.

Могучий «Орион»

Так мог бы выглядеть взрыволёт «Орион»

NASA

В 1946 году польский математик Станислав Улам, работавший в группе Эдварда Теллера (в рамках Манхэттенского проекта она занималась проблемой создания термоядерной бомбы), задумался о том, можно ли использовать разрушительную силу атомных взрывов в мирных целях: например, чтобы ускорять летательный аппарат. Допустим, если сбросить бомбу позади него и взорвать её, то ударная волна испарившейся оболочки толкнёт аппарат вперёд.

Улам прикинул расчёты и убедился, что с точки зрения физики такая конструкция выглядит вполне реалистично. Коллеги вскоре узнали о его необычной идее, но отнеслись к ней скептически: им казалось, что радиоактивное загрязнение и колоссальные перегрузки, которые будут действовать на разгоняемый взрывами аппарат, поставят на ней крест.

Улам не отказался от замысла и в августе 1955 года совместно с Корнелиусом Эвереттом подготовил записку «О способе толкания снарядов посредством внешних ядерных взрывов». Авторы предлагали построить беспилотный комплекс в виде летающей «тарелки», который будет разгоняться с помощью небольших атомных бомб и сможет доставить крупный термоядерный заряд в другое полушарие или вывести спутник на орбиту. Наиболее сложным представлялось сохранить целостность комплекса под воздействием взрыва, но у авторов записки была идея о том, как решить эту проблему. Они планировали сделать прокладку из пластиковых контейнеров с водой. Испаряясь в атомном огне, они бы передавали импульс «тарелке» и смягчали удар.

В дальнейшем математик доработал проект: «тарелка» превратилась в цилиндр с конусообразным носом, а бомбы сбрасывались через трубу, которая проходила через весь комплекс и набор прокладок на корме.

Если бы «Орион» всё-таки полетел, оторваться от земли ему бы помогла ракета «Сатурн-5»

NASA

Идеей заинтересовался физик Теодор Тейлор; он тоже работал над американской атомной программой — занимался теорией движения нейтронов. Летом 1956 года он перешёл в компанию General Atomics, которая была создана для коммерциализации технологического задела, накопленного в Манхэттенском проекте. Осенью 1957-го, под впечатлением от запусков советских спутников, Тейлор начал размышлять о том, как можно совершить скачок в космической отрасли, и понял, что ничего лучше взрыволётной идеи не существует. Он придумал ядерно-импульсный космический корабль и окрестил его «Орионом» в честь самого красивого созвездия ночного неба.

Другие ведущие сотрудники General Atomics поддержали инициативу Тейлора, и компания заключила контракт с Агентством перспективных исследовательских проектов (ARPA) на разработку предварительной концепции.

Отчёт по первой версии «Ориона», получившей обозначение «Марк-1», был подготовлен в декабре 1958 года. Она представляла собой корабль, похожий на пистолетную пулю и способный вывести в космос груз массой 1000 тонн при собственном весе 4000 тонн. Внутренний объём был разделён на пять палуб, из которых четыре вмещали восемь конвейеров с 2200 атомными зарядами. В корме располагался стальной щит-толкатель с пневматическими амортизаторами, которые должны были рассеивать энергию взрыва, постепенно передавая импульс комплексу.

Через полгода появился «Марк-2» полусферической формы. Количество атомных зарядов мощностью 5 килотонн в тротиловом эквиваленте уменьшили до 1400, расположив их на двух палубах и снабдив небольшими ракетными двигателями, предназначенными для более точного позиционирования взрыва за толкателем. Ещё 600 зарядов собирались выводить на орбиту в составе полезной нагрузки, чтобы затем использовать при осуществлении межпланетной миссии. Тогда же возникла идея «центральной пушки», которая выстреливает заряд точно по оси вращения корабля. Этот способ доставить заряд в нужное место за кормой казался самым простым, однако у идеи был существенный недостаток: в щите пришлось бы проделать отверстие, что резко снизило бы прочность.

Так выглядела схема взрыволёта «Орион»

NASA

Авторы проекта хорошо понимали, что наиболее уязвимый для критики элемент «Ориона» — щит-толкатель с системой амортизации. Прокладки с водой или надувные подушки снижали бы перегрузку с тысяч до сотни g, но этого было явно недостаточно для пилотируемого корабля. Тогда физики придумали использовать двухступенчатый амортизатор: щит-толкатель прикреплялся бы к надувным подушкам, а они через промежуточную платформу — к пневматическим поршням. Расчёты показали, что такая система снизит перегрузку на жилой палубе до 4 g.

Чтобы проверить технические решения, нужно было провести натурные эксперименты с моделями. Испытания начались во второй половине 1958 года на полигоне в Пойнт-Ломе (Сан-Диего) и продолжались до ноября 1959-го. Понятно, что модели в воздух поднимали не атомными зарядами, а обычной взрывчаткой, и всё же эксперименты убедительно доказали: частые последовательные взрывы не разрушают аппарат с щитом-толкателем.

Поскольку всё шло более-менее по плану, авторы «Ориона» разработали программу дальнейших испытаний — с прототипами корабля. Сначала предлагалось построить огромный стенд в скальном утёсе, чтобы разместить там толкатель с системой амортизации или даже весь корабль целиком. Затем планировались полёты в ближний космос прототипа, снабжённого пятью десятками плутониевых зарядов. При этом ядерно-импульсный двигатель должен был включаться на высоте около 120 км, куда корабль доставила бы сверхтяжёлая ракета-носитель «Сатурн-5» — её в то время как раз создавали для американской лунной программы. Физики считали, что им хватит девяти ракет: трёх для испытаний двигательных модулей в высотных полётах, трёх для орбитальных полётов беспилотного прототипа и трёх для стартов с экипажами.

Начать запуски пилотируемой версии «Ориона» собирались не позднее 1976 года, а первая высадка на Луну должна была состояться в 1980 году.

Взрыволётом на Марс

«Орион» мог стать основой первой пилотируемой миссии на Марс и доставить к соседней планете восемь человек

NASA

К 1962 году прототип взрыволёта обрёл завершённый вид. Общая масса была прежней: 4000 тонн, но конструкция стала более вытянутой и изящной, а сбрасывать заряды решили всё-таки с помощью центральной пушки. Для этого щит усилили и придали ему форму, уменьшающую концентрацию напряжений. А также для того, чтобы сохранить внешний слой щита, его собирались опрыскивать минеральным маслом.

Военные, финансируя разработку «Ориона», рассчитывали получить транспортное средство, которое будет выполнять задачи обороны и нападения. Взрыволёт мог стать всепогодным спутником-разведчиком, платформой для размещения противоракетных или, наоборот, ракетных систем, глобальным постановщиком помех или даже «оружием возмездия», способным нанести ответный удар из космоса в случае внезапного массированного нападения Советского Союза на Соединённые Штаты. Военно-воздушные силы США планировали заказать не менее 20 взрыволётов различной грузоподъёмности с гарантийным сроком жизни на орбите от 15 до 20 лет. Функциональность обеспечивали бы сменные экипажи численностью до 30 человек. Считалось, что враг не сумеет незаметно атаковать взрыволёты: подготовка к атаке будет заблаговременно выявлена и пресечена. Если бы на орбите удалось разместить множество разведывательных и ударных «Орионов», Штаты могли бы отказаться от содержания дорогостоящей ядерной триады: стратегических бомбардировщиков, а также баллистических ракет в наземных шахтах и на субмаринах.

В известном романе Нила Стивенсона «Анафем» (2008) огромный межзвёздный корабль, созданный по схеме «Ориона», стал одним из ключевых «персонажей» в сюжете

Впрочем, физики, занятые в проекте, мечтали не о боевых платформах, нацеленных на Землю, а о полётах к другим планетам, прежде всего к Марсу. Для достижения этой цели они разработали конкретный план. Сначала на околоземной орбите следовало собрать два больших взрыволёта. Каждый из них мог бы доставить к соседней планете экипаж из восьми человек, запасы системы жизнеобеспечения рассчитывались на экспедицию продолжительностью 450 суток. Обитаемый модуль, который состоял бы из жилого отсека и транспортного корабля, собирались разместить наверху несущей соединительной конструкции — на неё навешивались бы кассеты с ядерными зарядами и другая полезная нагрузка. Там же планировали пристыковать марсианскую посадочную ракету и спускаемую капсулу для того, чтобы экипаж в ней мог вернуться на Землю. От радиации астронавтов защищало бы толстое свинцовое покрытие модуля и контейнеры с водой.

В случае аварии на любом из этапов межпланетного полёта экипажу следовало перейти из жилого отсека в транспортный корабль, и тот направился бы в сторону Земли с помощью твердотопливных ускорителей. Покинув обречённый «Орион», астронавты должны были определить оптимальный путь домой и скорректировать траекторию с помощью жидкостных двигателей маневрирования. Если никаких серьёзных проблем по дороге бы не возникло, астронавты могли провести на Марсе около месяца, попав на его поверхность с помощью посадочной ракеты вместимостью до трёх человек.

Для завершающего этапа экспедиции разработчики проекта тоже предусмотрели несколько вариантов: астронавты при сближении с Землёй могли либо пристыковаться к ожидающему их эвакуационному кораблю, либо покинуть «Орион» внутри спускаемой капсулы, либо вывести взрыволёт на эллиптическую орбиту для использования в будущем.

Схема ядерного взрыволёта Сахарова

Росатом

Советские физики не остались равнодушными к этой теме. Хотя проект «Орион» был засекречен, о его существовании, вероятно, узнала разведка. В июле 1961 года на совещании в Кремле академик Андрей Сахаров изложил главе государства Никите Хрущёву свои соображения о возможности создания стомегатонного термоядерного заряда («Царь-бомбы») и ядерно-импульсного пилотируемого комплекса (ПК).

Конструктивно взрыволёт Сахарова состоял из отсека управления, отсека экипажа, отсека для размещения атомных зарядов, основной двигательной установки, экрана-толкателя и жидкостных ракетных двигателей. Он также имел систему подачи зарядов и систему демпфирования для выравнивания комплекса после взрывов. Стартовать предполагалось с использованием жидкостных двигателей, размещённых на нижних опорах. На высоте в несколько десятков километров включалась основная двигательная установка.

При работе над взрыволётом были рассмотрены несколько вариантов конструкции. Например, ПК-3000 со стартовой массой 3000 тонн мог выводить на орбиту 800 тонн, ПК-5000 со стартовой массой 5000 тонн — 1300 тонн. В качестве стартовой площадки для взрыволёта определили один из районов Крайнего Севера: конструкторы полагали, что для запусков нового корабля придётся строить специальный космодром. Место для него выбрали по двум основным соображениям. Во-первых, в северных широтах трасса полёта пролегала бы над труднодоступными малонаселёнными районами, что в случае аварии позволило бы избежать жертв. Во-вторых, запуск двигателя вдали от плоскости экватора, вне зоны так называемой геомагнитной ловушки, предотвращал бы появление искусственных радиационных поясов.

Межзвёздный транспорт

Проект «Дедала» был наиболее реалистичным среди программ межзвёздных путешествий

Дальнейшему развитию проекта «Орион» и взрыволёта Сахарова помешал Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, который 5 августа 1963 года подписали в Москве представители Советского Союза, Соединённых Штатов и Великобритании. Все исследования по практическому применению атомных бомб в интересах космонавтики были свёрнуты.

Однако завораживающая идея, когда сведения о ней начали рассекречивать, привлекла внимание специалистов и общественности. Например, известный физик Фримен Дайсон, отдавший «Ориону» несколько лет жизни, в октябре 1968 года опубликовал статью «Межзвёздный транспорт». В ней он предлагал построить взрыволёт массой 400 000 тонн, который можно было разогнать до скорости 10 000 км/с (или 3,3% от скорости света). То есть он преодолевал бы один парсек за столетие, что сделало бы ближайшие звёзды доступными для потомков тех, кто решится отправиться в долгий полёт.

При этом Дайсон признавал, что вряд ли кто-нибудь в здравом уме будет всерьёз задумываться о строительстве таких космических кораблей. Тем не менее он отмечал, что в случае некоей глобальной катастрофы человечеству понадобится «ковчег» для сохранения своей цивилизации. Предполагалось, что он будет весить 40 миллионов тонн и сможет обеспечивать потребности 20 000 человек. При этом максимальная скорость корабля составит 1000 км/с, то есть парсек он преодолеет за тысячу лет, и двигать корабль вперёд будут не малые атомные бомбы, а мощные термоядерные заряды. Стоимость проекта Дайсон оценил в 600 миллиардов долларов, что в то время соответствовало валовому внутреннему продукту США.

Наличие экзопланеты в системе звезды Барнарда — до сих пор предмет споров

NASA, ESA, G. Bacon (STScI)

Самым проработанным с точки зрения межзвёздных экспедиций стал менее амбициозный и более реалистичный проект, известный под названием «Дедал». В январе 1973 года участники собрания Британского межпланетного общества решили исследовать практическую возможность достичь ближайших звёзд. Работой руководил инженер-ракетчик Алан Бонд — он встал во главе координационного комитета из 11 человек. Всего к проекту было привлечено 300 специалистов, и он официально завершился в 1978 году выпуском отчёта, где описана конструкция межзвёздного беспилотного корабля-зонда и дано научно-техническое обоснование всех этапов его создания.

При проектировании учитывали три основных принципа. Во-первых, предполагалось, что звездолёт разработают с учётом возможностей современных технологий или ожидаемых технологий ближайшего будущего. Во-вторых, это должен был быть относительно простой аппарат, который совершит путешествие в один конец и дистанционно передаст научные данные домой, на Землю. В-третьих, миссия звездолёта должна была быть выполнена в течение срока жизни его строителей.

В качестве цели выбрали звезду Барнарда, находящуюся на расстоянии 5,96 светового года от нас: в 1970-е считалось доказанным, что у неё есть планеты. Объясняя этот выбор, Алан Бонд добавлял, что если конструкция способна добраться до звезды Барнарда, то она тем более преодолеет расстояние до ближайшей системы Проксимы и альфы Центавра. Продолжительность миссии определили в 40 лет, но позднее увеличили до 49 лет.

По подсчётам учёных, юпитерианских запасов гелия-3 хватит на тысячу миллиардов таких звездолётов, как «Дедал»

NASA / JPL-Caltech / SwRI / MSSS / Kevin M. Gill [CC BY]

Специалисты взяли за основу схему «Ориона», однако почти сразу посчитали более рациональным воспользоваться не энергией цепной реакции распада, а термоядерным синтезом. В качестве топлива выбрали смесь из дейтерия и гелия-3: такой синтез даёт наименьшее радиоактивное загрязнение. Принцип действия был следующий. Маленькая сфера-мишень, содержащая эти изотопы, вбрасывается в двигатель специальной пушкой. В момент, когда сфера попадает в заданную точку полости двигателя, в неё одновременно выстреливают мощные лазеры — топливо нагревается до температуры, достаточной для инициирования синтеза, и взрывается. При этом образуется облако ионизированного газа, которое выталкивается наружу магнитным полем, ограниченным металлическими стенками камеры двигателя. Энергия взрыва создаёт тягу, но часть её отбирается с помощью индукционного соленоида (он размещён на выходе ускорительной части двигателя), чтобы перезарядить лазеры, после чего процесс повторяется. Частота взрывов может достигать 250 в секунду.

Хотя миссия не предусматривала торможение у цели (то есть планетную систему звезды Барнарда собирались изучать с пролётной траектории), а вся масса проектируемого зонда составляла всего лишь 450 тонн (столько же весит Международная космическая станция), для его разгона до скорости 10% от световой потребовалось бы большое количество топлива: около 50 000 тонн! В этом и заключалась основная проблема проекта: дейтерия на Земле (главным образом в морях) хватает, а вот запасы гелия-3 ничтожны. Сейчас он в небольших количествах нарабатывается в реакторах и стоит очень дорого: цена за килограмм может достигать нескольких миллионов долларов.

Понятно, что для снабжения «Дедала» нужно было найти какие-то другие источники. Например, лунный реголит — но и в нём запасы редкого изотопа невелики. К счастью, есть место, где его очень много: атмосфера Юпитера. Авторы проекта предложили разместить на орбите Каллисто, спутника этой планеты-гиганта, специальный аппарат для улавливания гелия-3 из окружающего пространства. И «Дедал» мог бы просто подобрать баки с ценным топливом, пролетая мимо Каллисто.

Тройная звёздная система альфа Центавра, состоящая из двух солнцеподобных звёзд (на снимке) и красного карлика проксимы Центавра, скорее всего, станет первой целью в истории межзвёздных миссий

ESA / NASA

Сам корабль-зонд должен был быть спроектирован по двухступенчатой схеме. Каждая ступень имела бы собственный ядерно-импульсный двигатель. В шести сферических баках первой ступени должно было храниться 46 000 тонн топлива; в четырёх таких же баках второй ступени — ещё 4000 тонн. Хотя вторая ступень была бы меньше первой, именно в ней находился бы полезный груз с приборами и роботами-смотрителями. Его следовало разместить в головной части, защищённой большим бериллиевым экраном от бомбардировки межзвёздной пылью. В полезный груз входили бы 18 малых космических зондов: именно они, как предполагалось, будут исследовать планетную систему. Управлять полётом должен был мощный искусственный интеллект, способный принимать решения без вмешательства человека. Ремонтом систем «Дедала» занимались бы роботы-смотрители с изотопными источниками энергии, собственными двигателями, манипуляторами и чувствительными элементами, позволяющими оценивать обстановку.

После пролёта цели корабль-зонд должен был начать передачу собранных данных в Солнечную систему. В его конструкции были предусмотрены четыре ядерных реактора, вырабатывающих энергию для радиостанции мощностью 5 мегаватт. Понадобилось бы около трёх лет на многократную трансляцию всей информации со скоростью 10 килобит/с и шесть лет на преодоление сигналами расстояния до Земли.

Хотя проект давно закрыт, его материалы всё ещё используются в образовательных программах, студенты пишут по нему курсовые и дипломные работы. Кроме того, «Дедал» всегда вспоминают, когда речь заходит о межзвёздных перелётах. К примеру, с 1987 по 1988 годы NASA и Военно-морская академия США прорабатывали проект Longshot, предполагавший отправку похожего зонда массой 396 тонн к альфе Центавра. Его реактор при номинальной мощности 300 киловатт должен был давать энергию лазерам, которые использовались бы для термоядерного синтеза, как и в «Дедале». Организационная разница состояла в том, что Longshot через сто лет после старта должен был выйти на орбиту вокруг звезды для углублённого изучения её планетной системы.

Проект «Икар» развивает идею взрыволётов

NASA

В 2009 году «Дедал» породил ещё одну разработку — проект «Икар», который взялась вести группа американских и британских учёных. Конкретная цель нового межзвёздного зонда, проектируемого по взрыволётной схеме, не определена: решено, что он просто должен добраться до любой звезды в пределах 15 световых лет. Интересно, что в проекте принял участие известный писатель-фантаст Стивен Бакстер, который имеет научные степени в области математики и инженерии.

Хотя «Икар» развивается вяло, есть надежда, что он как минимум повысит интерес нового поколения космических специалистов к идее межзвёздной экспедиции, как это в прошлом сделали «Орион» и «Дедал».

Взрыволёты можно встретить и в современной научной фантастике: например, в романе Нила Стивенсона «Анафем» (2008). Конечно, строительство подобных конструкций кажется делом отдалённого будущего, но человечество всё равно раньше или позже займётся ими — если собирается добраться до звёзд. Ведь других реалистичных способов преодолеть бескрайние космические пространства пока не придумали.