Введение

Гипотетическая космическая тяга за счет непрерывных ядерных взрывов. Ядерно-импульсная тяга или внешняя импульсная плазменная тяга – это гипотетический метод движения космического аппарата, использующий ядерные взрывы для создания тяги. Идея возникла в рамках проекта "Орион" при поддержке DARPA, после предложения Станислава Улама в 1947 году. Более поздние разработки, основанные на инерционном термоядерном синтезе, легли в основу большинства последующих проектов, включая "Дэдал" и "Longshot".

Лос-Аламос

Расчеты, касающиеся возможного применения этой технологии, проводились в лаборатории с конца 1940-х годов до середины 1950-х годов.

Проект "Орион"

Проект «Орион» стал первой серьезной попыткой создания ядерной импульсной ракеты. В конце 1950-х и начале 1960-х годов в General Atomics была разработана концепция использования небольших направленных ядерных взрывчатых веществ, основанных на варианте двухкаскадной схемы Теллера — Улама, для воздействия на большую стальную толкающую плиту, прикрепленную к космическому кораблю посредством амортизаторов. Эффективные направленные взрывы максимизировали передачу импульса, обеспечивая удельные импульсы в диапазоне секунд, что примерно в тринадцать раз превышает удельный импульс основных двигателей космического шаттла. При доработке теоретически можно было бы достичь максимального удельного импульса в (1 МН·с/кг). Тяга достигала миллионов тонн, что позволяло строить космические аппараты массой более 8 тонн из материалов, доступных в 1958 году. Оригинальный проект предполагал конструкцию из стали с использованием технологии, аналогичной подводному судостроению, экипаж более 200 человек и взлетную массу в несколько тысяч тонн. Эта одноступенчатая эталонная конструкция могла бы достичь Марса и вернуться на Землю за четыре недели (по сравнению с 12 месяцами для текущей химической эталонной миссии НАСА). Тот же корабль мог бы посетить спутники Сатурна за семь месяцев (по сравнению с химическими миссиями, которые занимают около девяти лет). К заметным инженерным проблемам относились радиационная защита экипажа и срок службы толкающей плиты. Несмотря на то, что система казалась работоспособной, проект был закрыт в 1965 году, главным образом из-за Договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой, который сделал его незаконным. Фактически, до подписания договора США и Советский Союз уже провели отдельные испытания, взорвав в космосе, то есть на высоте более 100 км, не менее девяти ядерных бомб, включая термоядерные. Этические вопросы осложняли запуск такого аппарата в магнитосфере Земли: расчеты, основанные на (дискуссионной) линейной модели безпорогового воздействия радиации, показали, что радиоактивные осадки от каждого запуска могли бы привести к гибели от 1 до 10 человек. Согласно пороговой модели, такие чрезвычайно низкие уровни рассеянной радиации не оказывали бы никакого вредного воздействия, а в рамках моделей гормеза такие крошечные дозы могли бы быть незначительно полезными. Использование менее эффективных «чистых» ядерных бомб для выхода на орбиту, а затем более эффективных, но «грязных» бомб с большей мощностью для межпланетных перелетов значительно уменьшило бы количество радиоактивных осадков при запуске с Земли. Одной из полезных задач было бы отклонение астероида или кометы, движущейся к Земле, что драматично показано в фильме «Армагеддон» 1998 года. Высокая производительность позволила бы добиться успеха даже при позднем запуске, и аппарат мог бы эффективно передать астероиду большое количество кинетической энергии посредством простого столкновения. Перспектива неминуемого столкновения с астероидом устранила бы опасения по поводу нескольких прогнозируемых смертей от радиоактивных осадков. Автоматическая миссия решила бы проблему разработки амортизатора для защиты экипажа. «Орион» — один из немногих межзвездных двигателей, которые теоретически можно построить с использованием существующих технологий, как обсуждалось в статье 1968 года «Межзвездный транспорт» Фримена Дайсона.

Проект Дедал

Проект «Дедал» был исследованием, проведенным с 1973 по 1978 год Британским межпланетным обществом (BIS) для разработки межзвездного беспилотного космического аппарата, способного достичь ближайшей звезды примерно за 50 лет. Над проектом работали дюжина ученых и инженеров под руководством Алана Бонда. В то время исследования в области термоядерного синтеза, казалось, достигали значительных успехов, и, в частности, инерциальный термоядерный синтез (ИТС) представлялся пригодным для использования в качестве ракетного двигателя. ИТС использует небольшие гранулы термоядерного топлива, обычно литийдейтерид (6Li2H) с небольшим дейтерий/тритиевым инициатором в центре. Гранулы помещаются в реакционную камеру, где они облучаются со всех сторон лазерами или другим видом направленной энергии. Тепло, генерируемое лучами, взрывообразно сжимает гранулы до точки, в которой происходит термоядерный синтез. В результате образуется горячая плазма и очень небольшой «взрыв» по сравнению с минимальным размером бомбы, необходимой для создания требуемого количества энергии деления. Для «Дедала» этот процесс должен был происходить внутри большого электромагнита, формирующего ракетный двигатель. После реакции, инициированной электронными пучками, магнит направлял горячий газ назад для создания тяги. Часть энергии отводилась на питание корабельных систем и двигателя. Для обеспечения безопасности и энергоэффективности «Дедал» должен был питаться гелием-3, добываемым с Юпитера.

Медуза

Конструкция "Медузы" больше похожа на солнечные паруса, чем на обычные ракеты. Она была предложена Джондейлом Солемом в 1990-х годах и опубликована в журнале Британского межпланетного общества (JBIS). Космический корабль "Медуза" развернет перед собой большой парус, прикрепленный независимыми тросами, а затем запустит ядерные взрывчатые вещества вперед для детонации между собой и парусом. Парус будет ускоряться плазмой и фотонным импульсом, разматывая тросы подобно тому, как рыба убегает от рыбака, и генерируя электричество на "катушке". Космический корабль будет использовать часть сгенерированной электроэнергии для подтягивания себя к парусу, постоянно и плавно ускоряясь в процессе. В оригинальной конструкции предусматривалось несколько тросов, соединенных с несколькими мотор-генераторами. Преимущество использования нескольких тросов перед одним заключается в увеличении расстояния между взрывом и тросами, что снижает повреждения последних. Для тяжелых полезных нагрузок производительность можно повысить, используя лунные материалы, например, обернув взрывчатку лунной породой или водой, предварительно запасенными в стабильной точке Лагранжа. "Медуза" превосходит классическую конструкцию "Орион" тем, что её парус перехватывает большую часть взрывного импульса, ход амортизатора значительно больше, а основные конструкции находятся в напряжении, что позволяет сделать их достаточно легкими. Корабли типа "Медуза" смогут достигать удельного импульса (500–1000 кН·с/кг). "Медуза" стала широко известна благодаря документальному фильму BBC "К Марсу с бомбой: Секретная история проекта «Орион»". В коротком фильме показана художественная интерпретация работы космического корабля "Медуза", заключающаяся в "бросании бомб в парус, находящийся впереди".

Проект "Длинный выстрел"

Проект Longshot был исследовательским проектом, спонсируемым НАСА и проводившимся совместно с Военно-морской академией США в конце 1980-х годов. Longshot в некотором смысле являлся развитием базовой концепции Daedalus, поскольку также использовал инерциальный термоядерный синтез с магнитным удержанием плазмы (ICF). Главное отличие заключалось в том, что разработчики посчитали невозможным использовать энергию реакции для питания как ракеты, так и бортовых систем, и поэтому включили в конструкцию обычный ядерный реактор мощностью 300 кВт для обеспечения работы корабля. Дополнительный вес реактора несколько снизил характеристики, но даже при использовании топлива LiD корабль смог бы достичь ближайшей звезды Альфа Центавра за 100 лет (приблизительная скорость – 13 411 км/с, расстояние – 4,5 световых года, что соответствует 4,5% скорости света).

Ядерная реакция, катализированная антивеществом

В середине 1990-х годов исследования, проведенные в Университете штата Пенсильвания, привели к концепции использования антиматерии для катализа ядерных реакций. Антипротоны будут взаимодействовать внутри ядра урана, высвобождая энергию, которая разрушает ядро, подобно обычным ядерным реакциям. Даже небольшое количество таких реакций способно запустить цепную реакцию, для поддержания которой в противном случае потребовалось бы значительно большее количество топлива. В то время как "обычная" критическая масса плутония составляет около 11,8 килограммов (для сферы при стандартной плотности), при использовании антиматерии в качестве катализатора она может быть менее одного грамма. Было предложено несколько конструкций ракет, использующих эту реакцию: одни – для межпланетных миссий, основанные исключительно на реакциях деления, другие – для межзвездных миссий, использующие деление-синтез (по сути, сильно уменьшенную версию бомб "Орион").

Импульсный двигатель с делением и синтезом

Движение на импульсном делении-синтезе (PuFF) основано на принципах, аналогичных магнитоинерциальному синтезу. Оно направлено на решение проблемы экстремальных напряжений, возникающих при удержании в двигателе, подобном Orion, путем выбрасывания плазмы, полученной из небольших топливных шариков, которые подвергаются автокаталитическим реакциям деления и синтеза, инициированным Z-щипком. Это теоретическая двигательная установка, исследуемая в рамках программы NIAC Университетом Алабамы в Хантсвилле. По сути, это термоядерный ракетный двигатель, использующий конфигурацию Z-пинча, но в сочетании с реакцией деления для усиления процесса синтеза. Топливный шарик PuFF диаметром около 1 см состоит из двух компонентов: цилиндра плазмы из дейтерия-трития (D-T), называемого мишенью, который подвергается синтезу, и окружающей оболочки из U-235, которая подвергается делению, заключенной в литиевую оболочку. Жидкий литий, выполняющий роль замедлителя, заполняет пространство между D-T цилиндром и урановой оболочкой. Через жидкий литий пропускается ток, генерируется сила Лоренца, которая затем сжимает D-T плазму в 10 раз, что известно как Z-щипок. Сжатая плазма достигает критичности и запускает реакции синтеза. Однако, коэффициент усиления энергии синтеза (Q) в этих реакциях значительно ниже точки безубыточности (Q < 1), что означает, что реакция потребляет больше энергии, чем производит. В конструкции PuFF быстрые нейтроны, высвобождаемые в результате первоначальной реакции синтеза, индуцируют деление в оболочке U-235. Выделяющееся тепло заставляет оболочку расширяться, увеличивая скорость ее сжатия на D-T ядро и дополнительно сжимая его, высвобождая больше быстрых нейтронов. Те, в свою очередь, усиливают скорость деления в оболочке, делая процесс автокаталитическим. Предполагается, что это приведет к полному выгоранию как делящегося, так и синтезирующегося топлива, что сделает PuFF более эффективным, чем другие концепции ядерного импульсного движения. Подобно магнитоинерциальному термоядерному ракетному двигателю, эффективность двигателя зависит от степени увеличения коэффициента усиления синтеза в D-T мишени. Один "импульс" состоит из впрыска топливного шарика в камеру сгорания, его потребления в результате серии реакций деления и синтеза и, наконец, выброса высвобожденной плазмы через магнитное сопло, тем самым создавая тягу. Ожидается, что один импульс займет лишь долю секунды.