Ядерный взрыволёт "Орион"

[Serg Ivanov]

 "Ракетная и космическая техника" - ДСПшная (открыта в
1990 г.) экспресс-информация ЦНИИМаш
Antares: КК для полета на Марс, с Земли стартует после разгона по
рельсовому пути длиной 24 км при скорости 600 м/с (на ТРД), затем полет на
ПВРД до 3 км/с, маршевый двигатель - ядерный, удельный импульс - 1000 с в
вакууме, стартовая масса - 5-10 тыс. т, полезный груз максимальный -
1250-2500 т, к Марсу - 800 т или 1000 т с дозаправкой на Луне...

Aldebaran: стартовая маса - 50 - 80 тыс. т, одноступенчатый
воздушно-космический гидросамолет, пр удельном импульсе 1500-3000 с
полезный груз - 30000 т или 25500 т на Луну, при удельном импульсе 1500 с -
10000 т на низкую околоземную орбиту;)

ЭМИ при ЯВ возникает отнюдь не неизбежно- только при наземных/надатмосферных взрывах, т.е. когда есть явная несимметричность взрыва.
Сколь-нибудь серьезный ЭМИ возникает при космических взрывах мегатонного класса, для поражения электроники планировались единичные космические взрывы более 10мгт. ЭМИ от множества малых взрывов не суммируется- в отличии от радионуклидов.
В проекте Орион предполагалась мощность максимум в десятки килотонн - при пуске над океаном про ЭМИ можно не вспоминать.
Альдебаран рядом с лайнером Юнатед Стейтс-

[Serg Ivanov]

Для лучших ракет на химическом топливе (криогенные кислородно-водородные двигатели) величина Isp составляет около 450 секунд. В проекте NERVA удавалось только удвоить эту величину, несмотря на огромное потенциальное превосходство калорийности ядерного горючего. Основные проблемы были связаны с тем, что реактор работает при постоянной температуре, и эта температура ограничена температурой плавления основных материалов (около 3 000°С).

В 50-е годы было предложено значительное количество проектов, в которых пытались обойти температурное ограничение и более основательно использовать огромную мощность атомной бомбы. Компания Маrtin проектировала ядерный импульсный ракетный двигатель на основе "камеры сгорания" диаметром в 40 м. В этой камере должны были взрываться небольшие атомные бомбы с энерговыделением в 0,1 кт со скоростью один взрыв в сек. В камеру должна была также поступать вода, которая использовалась как рабочее вещество ракетного двигателя. Подобный двигатель обладал Isp = 1150 секунд и мог создавать максимальную скорость в 8 км/с. Предполагалось, что до высоты в 240 км аппарат будет выводиться ракетами на химическом топливе. Подобный проект рассматривался в это время и в LLNL; он известен под названием проект Helios.

В секретной работе 1955 года Станислав Улам и Корнелиус Эверетт исключили из проекта камеру сгорания. Вместо этого бомбы выбрасывались в пространство после специальных разгоняющих дисков. Взрывы испаряли эти диски, и образующаяся плазма ударяла по толкающей платформе, на которой размещался космический аппарат. Преимущество этой системы состояло в том, что она не накладывала ограничений на взрывы, предполагая, что в ней могут быть использованы бомбы с относительно большим энерговыделением. Такие системы не имели исходных (заложенных в них по существу) ограничений по температуре или мощности энерговыделения. Улам, по-видимому, использовал возможности наземных ядерных испытаний на атолле Эниветак, когда в 10 метрах от центра взрыва размещались стальные сферы с графитовым покрытием. Эти сферы были найдены после взрыва сохранившимися, при этом с них был унесен тонкий слой графита.

Проект Orion был следующим шагом в реализации этих идей. Он появился в 1958 году в компании General Atomic. Эта компания была основана Фредериком де Хоффманом для производства коммерческих ядерных реакторов. Руководителем проекта был Теодор Тейлор, один из ветеранов военных программ Лос-Аламоса. Де Хоффман убедил принять участие в проекте Фримена Дайсона, известного теоретика из Принстона.

Специальностью Тейлора в Лос-Аламосе было исследование эффектов ядерного взрыва. Он был специалистом по ядерным зарядам, имевшим относительно небольшую мощность, в то время когда магистральной линией было создание зарядов с очень большим энерговыделением. Он также знал о технологиях направленного взрыва, когда продукты взрыва разлетаются преимущественно в одном направлении. Тейлор использовал идею Улама о "толкающей платформе", но вместо разгоняющих дисков он предложил использовать вещество для разгона и ядерный заряд в едином модуле. В качестве разгоняющего вещества предполагалось использовать пластик, вероятно, полиэтилен. Преимущество системы с "толкающей платформой" состояло в том, что в ней одновременно можно было произвести мощный толчок и обеспечить высокую скорость. Эффективность Isp составляла в ней более 10 000 секунд. Сила, воздействующая на платформу, была огромной, и она порождала неприемлемые перегрузки для пилотируемого аппарата. Поэтому между платформой и собственно аппаратом размещалась зона для гашения ударных волн.

В рамках проекта Orion было построено несколько моделей для испытаний платформы из алюминия; вопрос состоял в том, выдержит ли она быстрый рост температуры и давления, создаваемых химическими взрывами. Некоторые испытания были неудачными, но в ноябре 1959 года состоялся 100-метровый полет платформы, обеспеченный шестью последовательными взрывами, который был удачным и продемонстрировал, что импульсный режим полета может быть стабильным. В экспериментах было показано также, что платформа может иметь профилированную толщину (толще в центре, тоньше по краям) для получения максимума эффективности при минимуме веса.

Сохранность и долговременность работы платформы были одним из главных условий. Облако расширяющейся плазмы взрыва могло иметь температуру в десятки тысяч градусов, даже когда взрыв происходил на расстоянии около 100 м от платформы. В некоторых вариантах проект предусматривал нанесение между взрывами на поверхность платформы защитного слоя (вероятно, на основе графита). Неизвестно, сохранился ли этот подход в поздних версиях проекта Orion. Специальные эксперименты проводились по изучению процессов разрушения взрывами платформы с помощью применения взрывных плазменных генераторов на основе гелия. Эксперименты показали, что платформа подвергалась воздействию максимальных температур в течение одной миллисекунды от действия каждого взрыва, и что абляция захватывала только тонкий поверхностный слой платформы. Воздействие высоких температур было столь кратковременным, что поток тепла в платформу был невелик и специального охлаждения платформы, по-видимому, не требовалось. Эксперименты показали, что такие материалы, как алюминий или сталь, подходят для изготовления платформы.

Правительство США на ранних стадиях проекта Orion проявило к нему интерес и его агентство APRA в составе Министерства обороны согласилось его финансировать в 1958 году с начальным уровнем в один миллион долларов в год.

Тейлор и Дайсон были убеждены, что подход NASA к проблеме запуска космических кораблей являлся неправильным. Ракеты на химическом топливе были очень дорогими, имели крайне ограниченную полезную нагрузку и не могли использоваться для полетов за пределы Луны.

Тейлор первоначально предполагал возможность наземного запуска корабля Orion, вероятно, с территории Невадского полигона. Корабль был похож на наконечник пули высотой в 16 этажей с платформой в 40 м в диаметре. Интуитивно казалось, что чем больше будет платформа, тем более эффективной будет система.

В 1959 году администрация США приняла решение, что все гражданские проекты, связанные с космосом, регулируются правительством, и что ВВС США отвечают за все проекты, связанные с военными применениями в космосе. APRA прекратила поддержку проекта Orion, поскольку он не имел отношения к решению военных задач, а NASA в 1959 году приняло стратегическое решение о том, что космические программы должны быть неядерными (по крайней мере, в ближайшем будущем). В конце концов, ВВС США решили поддержать проект Orion, но только в том случае, если для него будет найдено военное применение.

Обсуждалось, что корабль Orion мог бы использоваться как военная платформа, двигающаяся по орбите, проходящей через полюса. В этом случае со временем она оказалась бы над любой точкой земной поверхности. Его преимуществом было также то, что он мог обеспечить собственную защиту (благодаря большой полезной нагрузке) против ракетной атаки противника. Эта идея имела конкурентов в виде проекта использования "обычных спутников" в качестве носителей оружия. Вместе с тем, как США, так и СССР, развертывали в это время МБР, способные доставить к цели за 15 минут заряды с энерговыделением в несколько Мт, и вопросы о развертывании в космосе платформ с ядерными боеголовками стали неактуальными.

После смены администрации новое руководство Министерства обороны США прекратило поддержку проекта, так как было уверено в том, что он не имеет военного значения. Некоторая поддержка ему была оказана в NASA, так как проект Orion заинтересовал Вернера фон Брауна. Однако в NASA продолжала действовать стратегия об использовании в космосе ядерных технологий, а деятельность самого этого агентства была очень "прозрачной" и доступной для критики. Кроме того, в 1963 году был заключен Московский договор о запрещении ядерных испытаний в атмосфере, в космосе и под водой, и, с точки зрения международного права, проект Orion стал "незаконной" программой. В 1964 году проект Orion был закрыт.

[Stepa]

ЭМИ образуется так:

тепловое рентгеновское излучение огненного шара приводит к тому, что в атмосфере образуется большое количество свободных электронов в результате комптон-эффекта;
в результате взаимодействия электронов  с магнитным полем Земли образуется электрический ток большой силы;
этот электрический ток и является источником ЭМИ;
основные частоты, которые излучает ЭМИ - от 5 Гц до 25 кГц.
 
Высокоатмосферный (экзоатмосферный) ядерный взрыв наполняет электронами радиационные пояса, которые не живут постоянно из-за наличия атмосферы.

Также ток ЭМИ может вызвать локальное перемагничение силовых линий магнитного поля Земли.

[Serg Ivanov]

Правильно. На графике время жизни этих радиационных поясов, видно что запускать Орион надо в радиусе 1-1,5тыс км от магнитных полюсов Земли.
Один магнитный полюс лежит на побережье Антарктиды, на стыке Тихого и Индийского океанов. Другой- в Канаде, но постепенно движется в сторону России ;-)

[Serg Ivanov]

Вернемся к КПД "Ориона". Идея с параболическим "зеркалом" - хорошая, можно даже прикинуть, насколько это лучше, чем плоская плита. Идеи, как оценить - при подрыве заряда у нас повалят: нейтроны, электромагнитное излучение и горячая плазма от взрыва. Положим, что взрыв сферически-симметричный, тогда в экран уйдет приблизительно половина нейтронов, они, само-собой, поглотятся. С плазмой - насколько я помню, успевает прореагировать до 30% заряда, остальная масса - нет, так как наступает разрушение конструкции самого заряда. Итак, можно положить, что 30 % массы составят осколки деления - заряженные ионы, что-то типа иода (надо уточнить) соответствующих энергий. Остальные 70% - непрореагировавший материал заряда в виде горячей плазмы. Теперь надо будет учесть взаимодействие всего этого с параболоидом. Думаю, примерно половина от всего в экран стукнется. Попробуем (если времени хватит) хотя-бы прикинуть.

Проверяли давно эту идею. Взрыволет развивался от сферической камеры с соплом (100% энергии взрыва используется) через параболоиды/полусферы к плоской плите переменной толщины- единственному варианту не ограничивающему мощность двигателя.
Взрыв очень не симметричный за счет специальной конструкции заряда.

[Serg Ivanov]

Импульсный ЯРД был разработан в соответствии с принципом, предложенным в 1945 г. д-ром С.Уламом из Лос-Аламосской научно-исследовательской лаборатории, согласно которому в качестве источника энергии (горючего) высокоэффективной космической ракетной установки предлагается использовать ядерный заряд. В те дни, как и в последующие многие годы, ядерные и термоядерные заряды были самыми мощными и компактными источниками энергии по сравнению с любыми другими. Как известно, в настоящее время мы находимся на пороге открытия способов управления еще более концентрированным источником энергии, поскольку мы уже достаточно далеко продвинулись в области разработки первого агрегата с использованием антивещества. Если исходить только из количества располагаемой энергии, то ядерные заряды обеспечивают удельную тягу более 200000 сек, а термоядерные - вплоть до 400000 сек. Такие значения удельных тяг чрезмерно высоки для большинства полетов в пределах солнечной системы. Более того, при использовании ядерного горючего в "чистом" виде возникает очень много проблем, которые даже в настоящее время еще не решены в полном объеме. Итак, энергия, выделяемая при взрыве, должна передаваться рабочему телу, которое нагревается и затем истекает из двигателя, создавая тягу. В соответствии с обычными методами решения такой задачи ядерный заряд помещается в "камеру сгорания", наполненную рабочим телом (например, водой или другим жидким веществом), которое испаряется и затем расширяется с большей или меньшей степенью диабатичности в сопле. Такая система, которую мы называем импульсным ЯРД внутреннего действия, очень эффективна, поскольку все продукты взрыва и вся масса рабочего тела используются для создания тяги. Нестационарный цикл работы позволяет такой системе развивать более высокие давления и температуры в камере сгорания, а как следствие и более высокую удельную тягу по сравнению с непрерывным циклом работы. Однако сам факт, что взрывы происходят внутри некоторого объема, налагает существенные ограничения на давление и температуру в камере, а следовательно, и на достижимую величину удельной тяги. Ввиду этого, несмотря на многие достоинства импульсного ЯРД внутреннего действия, импульсный ЯРД внешнего действия оказался проще и эффективнее благодаря использованию гигантского количества энергии, выделяемой при ядерных взрывах. В ЯРД внешнего действия не вся масса горючего и рабочего тела принимает участие в создании реактивной тяги. Однако здесь даже при меньшем к.п.д. используется большее количество энергии, что позволяет получить более эффективные характеристики систем. Импульсный ЯРД внешнего действия (называемый далее просто импульсным ЯРД) использует энергию взрыва большого количества небольших ядерных зарядов, находящихся на борту ракеты. Эти ядерные заряды последовательно выбрасываются из ракеты и подрываются за ней на некотором расстоянии (фиг.24). При каждом взрыве некоторая часть расширяющихся газообразных осколков деления в виде плазмы с высокой плотностью и скоростью сталкивается с основанием ракеты - толкающей платформой. Количество движения плазмы передается толкающей платформе, которая движется вперед с большим ускорением. Ускорение уменьшается демпфирующим устройством до нескольких g в носовом отсеке ракеты, что не превышает пределов выносливости человеческого организма. После цикла сжатия демпфирующее устройство возвращает толкающую платформу в начальное положение, после чего она готова к воздействию очередного импульса. Суммарное приращение скорости, приобретаемое космическим кораблем (фиг.25, заимствованная из работы [66]), зависит от количества взрывов и, следовательно, определяется количеством ядерных зарядов, израсходованных при данном маневре. Систематическая разработка проекта такого ЯРД была начата д-ром Т. Б. Тейлором (отделение "Дженерал атомик" фирмы "Дженерал дайнемикс") и продолжалась при поддержке Управления перспективного планирования научно-исследовательских работ (ARPA), ВВС США, НАСА
 
http://www.astronaut.ru/bookcase/books/spaceage/text/11.htm

[Serg Ivanov]

Интересные картинки на http://www.bisbos.com/rocketscience/orion/orion_images.html
Строительство звездолета- диаметр 400м, вес 500000тонн.

[Serg Ivanov]

Ряд Орионов с форума ему посвященному - http://projectorion.proboards28.com/index.cgi?board=build
Микроорион 6,4т http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Longshot

[Serg Ivanov]

Принципиальная схема движка

[Serg Ivanov]

Один из вариантов взрыволета- без отверстия в абляционной плите, диаметром 135 футов= 41м
Другой диаметром 24м весом 3600-4000т

[Serg Ivanov]

Деталь вызывающая больше всего споров- плита воспринимающая удар плазмы ЯВ, крепиться на тороидальных наддутых газом амортизаторах:
График ускорения корабля после двухступенчатой системы амортизации:

[Serg Ivanov]

Марсианский проект диаметром 10м- мог запускаться одной модернизированной Сатурн-5.
1.Сброс пустых магазинов.
2.Отделение посадочных модулей
3.Схема посадочного модуля
4.Старт с поверхности Марса.

[Serg Ivanov]

То же

[bibliograf]

 А вот как выглядел ядерный взрыв на высоте 400 км:
 http://en.wikipedia.org/wiki/Starfish_Prime
Фантазерам из проекта "Орион" следовало бы продвигать эту тему полвека назад - в научно-популярных
журналах для младшего и среднего возраста; там эти красивые картинки были бы вполне уместны.
Ну и в фантастических романах, разумеется:
      "Все  выскочили  из  машины  и  задрали  головы.  Быков с изумлением и
недоверием  смотрел  на  это  чудовище,  рожденное волей человека в черной
пустоте на верфях "Вэйдады Ю-и". Ничего подобного по масштабам и по  форме
ему еще не приходилось видеть.  Правда, на первый взгляд "Хиус",  пожалуй,
имел  некоторое  сходство  с  черепахой,  как  и  его  модель в московском
кабинете Краюхина.  Но вблизи  такое сравнение  просто не  могло прийти  в
голову.  Больше   всего  планетолет   походил,  кажется,   на   громоздкую
беседку-павильон  о  пяти  толстых  косых  колоннах.  Каждая  из   колонн,
величиной с водонапорную  башню, поддерживала крышу-корпус,  имеющий форму
выпукло-вогнутой  линзы.   Нижняя  вогнутая   поверхность  корпуса    была
зеркальной,  и,  зайдя  под  нее.  Быков  увидел над головой свое донельзя
искаженное и увеличенное отражение."
 Бр. Стругацкие "Страна Багровых Туч" (1962 год). Не правда ли похоже?
Еще пульсирующий ядерный двигатель предложил известный акад. Сахаров - он предлагал
оснастить им гигантскую торпеду, которая должна была нести 100 мегатонную термоядерную
боевую часть - и стрельнуть ей по Нью-Йорку, Сан-Франциско или Лос-Анджелосу. Это тоже 1962 год!
Веселое было время...

[Serg Ivanov]

А вот как выглядел ядерный взрыв на высоте 400 км:
 http://en.wikipedia.org/wiki/Starfish_Prime
Фантазерам из проекта "Орион" следовало бы продвигать эту тему полвека назад - в научно-популярных
журналах для младшего и среднего возраста; там эти красивые картинки были бы вполне уместны.
Ну и в фантастических романах, разумеется:
      "Все  выскочили  из  машины  и  задрали  головы.  Быков с изумлением и
недоверием  смотрел  на  это  чудовище,  рожденное волей человека в черной
пустоте на верфях "Вэйдады Ю-и". Ничего подобного по масштабам и по  форме
ему еще не приходилось видеть.  Правда, на первый взгляд "Хиус",  пожалуй,
имел  некоторое  сходство  с  черепахой,  как  и  его  модель в московском
кабинете Краюхина.  Но вблизи  такое сравнение  просто не  могло прийти  в
голову.  Больше   всего  планетолет   походил,  кажется,   на   громоздкую
беседку-павильон  о  пяти  толстых  косых  колоннах.  Каждая  из   колонн,
величиной с водонапорную  башню, поддерживала крышу-корпус,  имеющий форму
выпукло-вогнутой  линзы.   Нижняя  вогнутая   поверхность  корпуса    была
зеркальной,  и,  зайдя  под  нее.  Быков  увидел над головой свое донельзя
искаженное и увеличенное отражение."
 Бр. Стругацкие "Страна Багровых Туч" (1962 год). Не правда ли похоже?
Еще пульсирующий ядерный двигатель предложил известный акад. Сахаров - он предлагал
оснастить им гигантскую торпеду, которая должна была нести 100 мегатонную термоядерную
боевую часть - и стрельнуть ей по Нью-Йорку, Сан-Франциско или Лос-Анджелосу. Это тоже 1962 год!
Веселое было время...

Да... Время действительно было веселее чем сейчас...
План Орион был  не более фантастическим чем план Аполлон - ракета в 3000т на гремучей смеси. Решение было чисто политическим - экологистов тогда не было.
Но тогда это все было секретно.
А картинки, как ни странно, рисуют и сейчас на компах- новое поколение так сказать выбирает...
Сахаров предлагал и торпеду и взрыволет- но, ИМХО они никак не пересекались.
Божий дар и яичница

[Serg Ivanov]

Из современного творчества

[Александр Хороших]

Однако на рисунке "Альдебарана" плита полусферическая!

[Serg Ivanov]

Однако на рисунке "Альдебарана" плита полусферическая!

Если это плита или камера... Какая то она гофрированная - похоже это многокамерный резиновый амортизатор.
Иначе где амортизаторы?

[Serg Ivanov]

Сайт посвященный проекту "Орион" и нетолько- http://orion.ttsw.com/

[ivanij]

 В журнале Техника - молодёжи за № 7 от 2006 года статья "Межзвёздное путешествие. Аспекты проблем". Читал ли кто-нибудь из участников Форума? Что можете сказать, если читали?