На взрыволёте к Юпитеру
Космонавтика,
Физика,
https://vk.com/hard_sci_fi_ideas
Ограниченность химических ракет была ясна ещё до начала регулярных космических пусков. Формула Циолковского прямо говорит, что на привычных нам двигателях можно слетать на Луну (стартуя на ракете тысячи в три тонн начальной массы и вернувшись в кораблике в несколько тонн), с огромным трудом долететь до Марса (с во много раз худшим соотношением начальной/конечной массы), но вот покорить Солнечную систему на химических ракетах нельзя. Поэтому уже в середине двадцатого века стали появляться альтернативные проекты, наиболее ярким из которых стал атомный взрыволёт (импульсная ракета). В этом посте мы поговорим о его конструкции, истории создания, перспективах в 21 веке, а ещё слетаем на нём к Юпитеру в Orbiter'е. https://habr.com/ru/post/225549/
Орион
Идея проекта
Реакции расщепления атома и атомного синтеза дали человечеству источник огромной энергии. Поэтому логично, что первыми придумали использовать атомные бомбы для движения в космосе разработчики атомного оружия. Согласно документу Лос-Аламосской лаборатории, Станислав Улам, участник Манхеттенского проекта, со-изобретатель схемы водородной бомбы Теллера-Улама, предложил идею ядерного ракетного двигателя в 1946 году. Согласно первоначальной идее, с корабля сбрасывалась атомная бомба, которая подрывалась и испаряла диск, сбрасываемый после бомбы. В 50-х годах эту идею развили Тед Тейлор и Фриман Дайсон (сфера Дайсона — тоже его идея). Полученный проект выглядел следующим образом:
Кормовая плита получала удар плазмы от ядерного заряда, и импульс плазмы через два уровня амортизаторов передавался на корабль. В качестве маршевых зарядов использовались атомные устройства, создающие направленный взрыв:
Формованная оболочка из оксида бериллия и урана делала взрыв ядерного заряда направленным, и вольфрам превращался в сигарообразный пучок плазмы, который бил по толкателю кормовой плиты. Толкатель отходил в крайне переднее положение, а затем, под действием системы амортизации, возвращался в исходное положение. Цикл повторялся.
История проекта
Проект «Орион» начался в 1958 году. Это была полноценная инженерная проработка, хотя, конечно, удивляющая своими масштабами — разрабатываемые проекты имели массу от 880 тонн для околоземного корабля до 8 000 000 тонн для «продвинутого межпланетного». Были построены масштабные модели корабля, использующие обычную взрывчатку, для проверки устойчивости полёта.
Очень короткое видео одного испытания:
Рассекреченная хроника 1958 года, испытания различных макетов:
В 60-х годах у проекта начались проблемы. Во-первых, аппарат получался большим и очень дорогим. В поисках денег выяснилось, что «Орион» заинтересовал военных, но поэтому его пришлось сделать вооруженным кораблём. Президент Кеннеди, увидев макет атомного взрыволёта с атомными пушками, ракетами и прочим вооружением, пришёл в ужас, и шансы на финансирование резко упали. Во-вторых, пуски всех типов кораблей, кроме самых маленьких, нужно было производить с Земли на маршевом ядерном двигателе, что означало сотни атомных взрывов в атмосфере, а это никого не вдохновляло на фоне общественных протестов против ядерных испытаний. В-третьих, испытания корабля затруднялись договором 1963 года о запрете ядерных испытаний в атмосфере, космосе и под водой. Тем не менее, плиту толкателя успели проверить на паре ядерных испытаний, и, в рамках единичных взрывов, расчеты подтверждались. В итоге, несмотря на то, что в какой-то момент проект «Орион» рассматривался как реальная альтернатива ракетам фон Брауна и лунной программе, в итоге «Орион» был закрыт в районе 1965 года.
Жизнь после закрытия
После закрытия проекта разработка переместилась в теоретическую плоскость. Атомно-импульсный привод обещал уникальные возможности, поэтому на его основе стали разрабатывать межзвездные корабли. Фриман Дайсон создал два проекта для исследования Альфы Центавра с пролётной траектории без торможения, один на сто тысяч тонн начальной массы (стомость 0,1 годового ВВП США, время полёта 133 года), другой на десять миллионов тонн (стоимость 1 годовой ВВП США, время полёта 1330 лет). Родственными «Ориону» являются проекты «Daedalus» и «Longshot», хотя они используют более сложные и ещё не освоенные двигатели. Также был придуман проект «Medusa», где вместо плиты толкателя использовался специальный парус-парашют. Несмотря на то, что к воплощению проектов никто не приступает и денег не дает, группы энтузиастов придумывают новые проекты. Например, в 2007 году вышла статья с описанием Mini-Mag Orion — небольшого «Ориона», в котором подрыв атомных зарядов осуществлялся магнитным полем.
Оценка проекта
Достоинства:
«Орион» реализуем уже на уровне технологий сорокалетней давности.
Уникальный двигатель, сочетающий большую тягу и большой удельный импульс. У химических ракет большая тяга, но маленький импульс, у ЭРД — большой импульс, но маленькая тяга.
Возможность межзвездных путешествий. Ядерный «Орион» теоретически может разогнаться до 3%-5% скорости света, термоядерный — 8%-10%, на термоядерном приводе с аннигиляционным катализом — 10% и на аннигиляции «материя-антиматерия» — 50%-80%. Полёт к Альфе Центавра на 0,1 с займет 44 года и по 36 дней на разгон/торможение с ускорением 1 g.
Недостатки:
Загрязнение Земли продуктами ядерных взрывов при старте с Земли и полёте в атмосфере.
Наличие движущихся частей, это требует безусловной надежности второго амортизатора при условиях тысяч взрывов.
Использование атомных зарядов — проблемы контроля и безопасности.
Большой и дорогой. Замкнутый круг — пока нет серьезной необходимости выводить тысячи тонн на орбиту, никто не даст денег на разработку агрегата, который эти тысячи тонн способен вывести, и необходимость так и не появится.
Немного размышлений
В ближайшие десятилетия вряд ли человечество приступит к постройке межзвездных кораблей, если, конечно, не случится каких-нибудь счастливых изобретений. Поэтому говорить о наиболее применимой технологии для межзвездных полётов сложно. Тем не менее, на текущем технологическом уровне «Орион» смотрится весьма неплохо относительно других методов движения. Проектный удельный импульс взрыволёта, согласно документу NASA, находился в диапазоне 1800-6000 секунд, а на 1980-е годы с развитием технологии обещали УИ 10 -20 тысяч секунд. Что весьма любопытно, сходных показателей уже достигли электрореактивные двигатели (уже летали ЭРД с УИ 1600 с, перспективные ЭРД обещают до 20 000 с). Может быть, Солнечную систему покорит не брутальный атомный взрыволёт, а «культурный» ЭРД. Но без атомных устройств на кораблях не обойтись — только они могут обеспечить требуемые объемы энергии для освоения Солнечной системы.
Полёт
Если вам не интересно слетать к Юпитеру на взрыволёте, посмотрите вот это видео о полёте к Марсу, чтобы иметь представление о том, чем мы планируем заняться, и можете проматывать остаток поста:
Подготовка к полёту
Кроме самого Orbiter'a нам потребуется только один аддон — Orion 1.22. Также предполагается, что вы хотя бы читали мои посты по тегу Orbiter и имеете представление о терминологии.
Немного теории
В космической баллистике есть понятие «Гомановская траектория» (Hohmann transfer orbit). Это траектория наиболее экономичного передвижения между орбитами. Она состоит из двух импульсов, первый из которых дается в перицентре и поднимает апоцентр до нужной высоты, а второй дается в апоцентре и поднимает перицентр до нужной высоты. Если же мы хотим перейти на более низкую орбиту, то действия обратные. Первое — опускание перицентра, второе — опускание апоцентра. Вот картинка, иллюстрирующая идею:
Очевидно, что, если мы летим, например, к Юпитеру, он далеко не всегда окажется в противоположной старту точке орбиты к моменту нашего прибытия туда. Поэтому гомановская траектория возможна только в определенные временные отрезки — стартовые окна. Вне стартового окна полёт возможен, но он потребует бОльших затрат топлива и будет сложнее.
Также, планируя наш полёт к Юпитеру, мы исходим из того, что летим мы «на глазок», вручную, без серьезных баллистических расчетов или дополнительных МФД. Поэтому наш полёт будет весьма неэффективным с точки зрения затрат топлива, но интересным, и мы прилетим с отличной для полёта «на глазок» точностью.
План полёта
Наш полёт будет состоять из следующих этапов:
Разгон с орбиты Земли.
Коррекция траектории после покидания зоны гравитационного влияния Земли.
Коррекция траектории — совмещение наклонений орбит (орбита Земли и орбита Юпитера имеют немного разное наклонение).
При необходимости — коррекция траектории при подлёте к Юпитеру.
Переход на орбиту вокруг Юпитера.
Этап 1. Разгон с орбиты Земли
Нам нужен сценарий «Orion 20m», в котором открыто стартовое окно к Юпитеру:
Русскую версию лаунчера можно взять здесь.
На первом этапе самым важным для нас является Transfer MFD. Переключим левый МФД в режим Transfer (Левый Shift — F1, Левый Shift — X). В качестве тела обращения выбираем Солнце (Левый Shift — R, выбрать Sun в меню). Выбираем режим старта с орбиты другого небесного тела (Левый Shift — S, выбрать Earth). MFD примет следующий вид:
Слева — оригинальный вид, справа — пояснение индикации.
Выберем в качестве цели Юпитер (Левый Shift — T, выбрать Jupiter в меню). Включим режим HTO (кнопка HTO на MFD), переместим точку старта чуть вперед от нашего местоположения (Левый Shift — </>) и установим расчетное приращение скорости до орбиты Юпитера клавишами Левый Shift — ±. Результат будет такой:
Небольшое несовпадение точки касания орбиты и положения Юпитера не страшно, мы его потом исправим.
Для разгона нам нужны два параметра:
Конечная скорость вычисляется как текущая орбитальная скорость OS + приращение скорости dV. Оба параметра подсвечены на скриншоте. Вычисляем: OS + dV = 7,558 k +8,839 k = 16, 397 k, т.е. 16,4 км/с. Учитывая, что мы будем отдаляться от Земли с каждой секундой, и наша скорость будет уменьшаться, лучше в качестве конечной скорости взять скорость на 1-2 км/с меньше, т.е. наша конечная скорость составит 15 км/с, потом поправим.
Направление вектора разгона. С точки зрения баллистики был бы нужен нулевой шаг — уменьшение наклонения орбиты или поправка на наклон орбиты при разгоне. К счастью, в сценарии наклонение начальной орбиты незначительное. Включаем режим автоподдержания положения по вектору орбитальной скорости (Prograde, [ ) Ждем, пока мы не окажемся на орбите на линии Солнце — Земля с наружной стороны (в тени), в этот момент короткая линия индикатора образует прямую с линией Солнце — Земля:
В этот момент стабилизируем корабль режимом KillRot (Num 5). Мы будем разгоняться на следующем витке. Двигатель «Ориона» очень мощный, поэтому начинаем разгон, когда до вектора орбитальной скорости будет 8-10 градусов:
Красиво:
По достижении требуемой скорости выключаем двигатель. На правом МФД видна гиперболическая орбита убегания.
Лететь нам далеко, так что вот эмбиент в дорогу:
Этап 2. Коррекция траектории после покидания зоны гравитационного влияния Земли
Ускорением времени проматываем полёт то тех пор, пока влияние Земли (G внизу правого МФД) не окажется меньше 0,05. Переключаем левый МФД в режим отслеживания нас, а не Земли (Левый Shift — S, By name, ввести имя корабля Lewis).
Упс, мы слишком разогнались. Значит, во-первых, надо затормозить.
Следующая проблема — несмотря на наши старания, Юпитер окажется позади нас, когда мы окажемся на его орбите. Поэтому нам надо сместить орбиту по часовой стрелке. Для этого мы занимаем положение под углом 90 градусов к вектору орбитальной скорости, вручную, автопилота такого нет.
Занимаем требуемое положение и включаем двигатель. Корабль на курсе 90 градусов надо удерживать вручную, к счастью, это не сложно. С точки зрения баллистики такой маневр — варварство, но, тем не менее, он работает:
Переключаем правый МФД в режим совмещения наклонений орбит (Правый Shift — F1, правый Shift — A), выбираем целью Юпитер (Правый Shift — T, Jupiter выбрать в меню).
Следующий узел у нас нисходящий (Descending Node), поэтому коррекция должна быть «вверх» от плоскости полёта. Подсказки игнорируем, проматываем время до нисходящего узла.
Этап 3. Коррекция траектории — совмещение наклонений орбит.
Оказывается, Земля нас ещё чуть-чуть затормозила. Поэтому, кроме совмещения орбит, выполним ещё и коррекцию траектории. Подсказка: у корабля очень мощные двигатели ориентации, небольшие смещения можно давать ими в линейном режиме.
Грубая коррекция проведена. Проведем здесь же точную коррекцию. Переключим правый МФД в режим Sync Orbit (Правый Shift — F1, правый Shift — Y, выбрать цель правый Shift — T, выбрать Jupiter) и, вспоминая пост о стыковке, маневрируя, уменьшаем параметр DTmin до значения близкого к нулю.
Как-то так. Значение будет колебаться, это нормально. Теперь уже включаем ускорение до подлёта к Юпитеру и долго ждём.
Этап 4. Коррекция траектории при подлёте к Юпитеру.
Мы провели хорошую коррекцию, поэтому этот этап не нужен. Но если у вас DTmin выросло больше миллиона, или появились другие признаки необходимости коррекции, можете её провести на подлёте к Юпитеру. Но не стремитесь свести DTmin совсем к нулю, иначе надо будет уклоняться от Юпитера, чтобы выйти на орбиту, а не врезаться в него.
Этап 5.Переход на орбиту вокруг Юпитера.
Подлетая к Юпитеру, переведем левый МФД в режим Orbit (Левый Shift — F1, левый Shift — O, выберем тело обращения левый Shift — R, Jupiter). Проверим, что мы пролетим мимо, а не врежемся в планету. В Orbiter'e Юпитер очень красивый, показан эффект вращающейся атмосферы. Дождемся перицентра, развернем корабль против вектора орбитальной скорости и начнём тормозить.
Всё, мы прилетели!
