Układ Słoneczny w zasięgu ręki- historia Projektu Orion (1958-1964)

fot: Adrian Mann za bezpośrednią zgodą autora.

fot: Adrian Mann za bezpośrednią zgodą autora.

Poniższy artykuł po zmianach redakcyjnych został opublikowany w czasopiśmie AstroNautilus Nr 6/2012 (23). Z racji zamknięcia wydawania magazynu a chęci zapoznania Was z tą niesamowitą historią postanowiłem zamieścić go na swojej stronie w oryginalnej wersji w jakiej przesłałem tekst do redakcji.

    W sierpniu 1963 roku po długich negocjacjach podpisano układ o zakazie prób z bronią nuklearną w atmosferze, w przestrzeni kosmicznej i pod wodą. Głównymi sygnatariuszami tego postanowienia były Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, oraz Związek Radziecki. Powodem dla którego zdecydowano się porozumieć pomimo trwającej Zimnej Wojny były obawy przed skażeniem atmosfery w wyniku rosnącej ilości prób jądrowych coraz to większych ładunków. W ich wyniku stężenie radioaktywnego izotopu węgla 14C w atmosferze na początku lat sześćdziesiątych było dwukrotnie wyższe niż przed okresem prób Nikt praktycznie wtedy nie wiedział (a i mało osób wie dzisiaj), że układ ten zastopował ściśle tajne prace nad statkiem kosmicznym o jądrowym napędzie impulsowym znanym jako Projekt Orion. Gdyby pomysł ten doszedł do skutku pojazdy kosmiczne od 40 lat bardziej przypominałyby te znane z filmów fantastycznych latając do Marsa, Jowisza i Saturna, niż latające dzisiaj małe kapsuły wykonujące misje na niskiej orbicie ziemskiej.

***Bombowy pomysł***

    Podstawy koncepcji pulsacyjnego silnika jądrowego zostały zaproponowane w 1946 (inne źródła podają 1944) roku przez polskiego matematyka urodzonego we Lwowie Stanisława Ulama (w tamtym czasie pracującego przy projekcie Manhattan w USA). Po skonstruowaniu bomby jądrowej postanowiono poszukać innych jej zastosowań niż zrzucanie na miasta. Jedna z propozycji zakładała, żeby użyć wybuchów nuklearnych do napędu rakiet nośnych. Na jej bazie powstała wizja załogowego statku kosmicznego, który wykorzystywałby taki napęd. W 1958 roku projekt zyskał oficjalne finansowanie rządowej agencji ARPA (Advanced Research Projects Agency) co było znakiem, że zabrano się do koncepcji na poważnie. Nadano mu oficjalny kryptonim “Orion” z rozwinięciem “Study of Nuclear-Pulse-Propelled Space Vehicles”.

elements

Idea napędu statku jest dosyć prosta. Gdy znajduje się on na orbicie (rozważano też bezpośredni start z Ziemi) wystrzeliwuje za siebie mały ładunek atomowy. Urządzenie w swojej konstrukcji zawierałoby substancję, która podczas wybuchu zamieniłaby się w wysokoenergetyczną plazmę. Rozpędzona eksplozją wpadłaby na rufę statku popychając go do przodu. Konstrukcja pojazdu byłaby przygotowana na to uderzenie, gdyż za tarczą przyjmującą na siebie powstałe siły (dalej będę posługiwał się terminem płyta napędowa) znajdować się miały potężne amortyzatory, które rozłożyłyby siłę przyspieszenia w czasie tak, żeby znajdująca się na przodzie statku część z ładunkiem, osprzętem i załogą mogła bezpiecznie i relatywnie komfortowo znieść proces przyspieszania. Moc ładunku musiałaby być tak dobrana, żeby każdorazowe przyspieszenie w przypadku wersji załogowej nie przekraczało 2-4g. Operacja wystrzeliwania i wybuchów ładunków zostałaby powtórzona w krótkich interwałach czasowych do osiągnięcia zaplanowanych parametrów lotu. Opracowano koncepcję atomowych ładunków napędowych NPU (Nuclear Pulse Unit), tak zaprojektowanych, że zaabsorbowałyby większość szkodliwego promieniowania. Oznaczało to, że płyta napędowa mogłaby być wykonana ze zwykłej stali. Przy teoretycznych wyliczeniach okazało się, że można by tę konstrukcję rozpędzić do 10% prędkości światła przy bezzałogowej misji poza Układ Słoneczny.

Przekrój statku Orion. Jak widać konstrukcja jest tak prosta jak...amortyzator samochodowy.

Przekrój statku Orion. Jak widać konstrukcja jest tak prosta jak…amortyzator samochodowy.

***Nie dla rakiet konwencjonalnych!***

    W tym samym roku w którym projekt Orion stał się oficjalnym przedsięwzięciem utworzono również NASA. Główni naukowcy zajmujący się Orionem w tym czasie: Freeman Dyson i Theodore Taylor, stali w opozycji względem drogi rozwoju obranej przez Wernera von Brauna. Już wtedy twierdzili, że możliwości rakiet chemicznych są niewspółmiernie małe do ich ceny i nie pozwolą wysłać człowieka poza układ Ziemia – Księżyc.Problem ten wydaje się być dzisiaj bardziej aktualny niż kiedykolwiek w kontekście zakończenia programu STS i szukania nowych celów załogowej eksploracji przestrzeni kosmicznej poza LEO w ramach propozycji Flexible Path.

***Wojsko lubi atom***

W roku 1959 ARPA nie mogło udźwignąć finansowania programu w dotychczasowej formie, więc kierownictwo projektu musiało zwrócić się do wojska żeby uratować przedsięwzięcie. Statek stracił swój cywilny charakter i miał stać się platformą bojową umieszczoną na orbicie polarnej. W ten sposób w zasięgu środków rażenia znalazłby się każdy obszar ziemi na naszej planecie. Najprawdopodobniej szczęśliwie dla nas a nie do końca dla projektu takie rozwiązanie w latach sześćdziesiątych wiązałoby się z szeregiem problemów, które polegały na zbyt małym technicznym zaawansowaniu samej broni, którą Orion miał przewozić. Przede wszystkim nie istniał system naprowadzania głowic z przestrzeni kosmicznej na obiekty na Ziemi. Orbita polarna miała swoje plusy, ale wojsko chciało mieć możliwość wystrzelenia swoich pocisków w ZSRR w ciągu 15 minut czego nie można było zapewnić. W ten sposób projekt przestał cieszyć się zainteresowaniem Sił Powietrznych USA.

***Kompromisy***

Z realnych opcji kontynuowania prac została NASA i współpraca z von Braunem. Ten ostatni dał się przekonać do koncepcji i poparł projekt. Kształt statku jednak uległ zmianie. Jego elementy miały zostać wyniesione przez rakiety Saturn V ,więc cały pojazd zmalał do wymiarów akceptowalnych przez rakietę nośną. Płyta napędowa miała mieć średnicę 10 metrów a reszta pojazdu musiała być do tego rozmiaru przeskalowana. Statek w takiej konfiguracji stanowił najbardziej dojrzałą konstrukcję, która została przedstawiona w odtajnionych dokumentach NASA w 1964 roku dzięki staraniom zarządzającego umierającym projektem Jamesa Nancea. Ten ostatni zdawał sobie sprawę, że układ o zakazie prób jądrowych czynił Oriona „nielegalnym” niejako przez przypadek (ze względu na tajność projektu o jego istnieniu wiedziało bardzo niewielu ludzi) i chciał, żeby koncepcja tego statku stała się znana mając nadzieję na zrobienie wyjątku w obowiązującym prawie. Pomimo, iż często przyjmuje się, że to układ moskiewski był gwoździem do trumny Projektu Orion to prawda ukryta w szczegółach pozwala dostrzec jeszcze jeden powód decyzji o jego zakończeniu. Podpisanie układu odbyło się w sierpniu 1963 roku, ale program pomimo niezgodności z prawem międzynarodowym nie został zamknięty natychmiast. Stało się to w grudniu 1964 roku, gdy za sprawą wymagającego coraz większej ilości środków finansowych Programu Apollo, NASA nie przydzieliła Orionowi funduszy na dalsze badania.

Pomimo ambitnych początków (papier wszystko przyjmie) nabliższa realizacji była wersja z płytą napędową 10 metrowej średnicy dopasowanej do rakiet Saturn V.

Pomimo ambitnych początków (papier wszystko przyjmie) nabliższa realizacji była wersja z płytą napędową 10 metrowej średnicy dopasowanej do rakiet Saturn V.

Pomimo być może niekorzystnego pierwszego wrażenia jakie robi pomysł napędu polegający na wielokrotnych eksplozjach jądrowych kilkadziesiąt metrów od pomieszczeń z załogą to koncepcja ta ma szereg zalet, których trudno wymagać od innych rozwiązań. Pomimo formalnie jądrowego typu napędu, przedział napędowy nie grozi promieniowaniem i skażeniem, gdyż nie ma w nim pracującego ciągle stosu atomowego. Ładunki napędowe są proste w konstrukcji i ich składowanie nie przysporzyłyby żadnych kłopotów nawet w planowanej liczbie dziewięciuset sztuk dla podstawowej konfiguracji umożliwiającej przelotu wokół Marsa (do 1991 roku atomowe pociski artyleryjskie były w użyciu przez USA) Dostęp człowieka do tego segmentu byłby nieograniczony, gdyby zaszła taka potrzeba i praktycznie natychmiastowy. Jedynie operacje przy samej płycie napędowej wymagałyby odczekania kilku godzin od wybuchu ostatniego ładunku. W stosunku do znanych nam typów pojazdów rozwiązania zastosowane w module napędowym wydają się być niestosownie toporne. Nie znajdziemy tu żadnych nieznanych jeszcze materiałów i wyszukanej inżynierii. Najbardziej wymagającym elementem byłby system wystrzeliwania NPU przez otwór w płycie napędowej. Eksplozje musiałyby być zsynchronizowane co jest krytyczne dla przebiegu misji. System ten wydaje się być jedyną piętą achillesową konstrukcji pod względem niezawodności. Gdyby okazało się, że nawet pewien procent ładunków napędowych jest niesprawny łatwo można zamienić je na inne. Jednak gdyby pojawiła się krytyczna usterka w urządzeniu wystrzeliwującym ładunki to oznaczałoby wyrok dla załogi. W wypadku awarii rozpędzonego statku załoga nie miałaby możliwości jego wyhamowania, gdyż paliwo chemiczne znajdujące się w statku ewakuacyjnym/kapsule powrotnej nie byłoby w stanie zmniejszyć prędkości nadanej przez kilkaset ładunków jądrowych. Jedynym rozwiązaniem tego typu sytuacji byłby lot dwóch pojazdów w szyku. W przypadku awarii jednego z nich załoga przesiadłaby się do sprawnego. Jak deklarują projektanci wszystkie inne mechaniczne usterki byłyby w pełni naprawialne w locie za pomocą znajdujących się w kontenerze części zapasowych. Nad przedziałem napędowym znaleźć miałaby się część z ładunkiem, oraz moduły załogi i nawigacji. Jak podają dokumenty kształt tej części pojazdu byłby zdefiniowany przez dwa podstawowe wymagania. Nadanie takiej powierzchni przeznaczonej do pracy i życia, żeby umożliwiło załodze komfortową podróż trwającą około jednego roku, oraz zapewnienie jej ochrony przed promieniowaniem. Tutaj napęd impulsowy daje pewną przewagę nad innymi typami rakiet nuklearnych. Czas w którym załoga narażona byłaby na promieniowanie to czas działania napędu czyli 3 – 15 minut. Ustalono, że technicznie możliwe byłoby ograniczenie napromieniowania kabiny załogowej do 50 remów przyjętych przez załogę w trakcie całej misji.

OrionAtIo1280

Grafika Ben Margolis. Publikacja za bezpośrednią zgodą autora.

Kwestia użytego napędu i promieniowania zwraca na siebie uwagę nie tylko podczas rutynowego lotu pod kątem bezpieczeństwa samej załogi. Nie mniej ważną sprawą był start i umieszczenie Oriona na orbicie. Uwagę naukowców zwróciły trzy główne scenariusze. Pierwszy przypadek zakładałby awarię rakiety nośnej podczas startu, gdy wynosiłaby moduł z ładunkami napędowymi. Stwierdzono, że siła wybuchu rakiety nie zapewniłaby odpowiednich warunków do wybuchu głowic jednak temperatura mogłaby spowodować wyparowanie plutonu i skażenie okolicy kosmodromu. Drugi scenariusz przewiduje awarię rakiety tuż przed dotarciem na orbitę, gdyby zawiódł górny stopień. Wtedy rozpocząłby się proces upadku całego zespołu na ziemię. Wywołałoby podobny efekt jak ten opisany powyżej z tą różnicą, że obszar na którym statek by się rozbił byłby przypadkowy. Ostatni z przewidywanych niekorzystnych scenariuszy zakładał awarię wystrzelonego ładunku napędowego na orbicie ziemskiej i brak jego reakcji na polecenie autodestrukcji. Dokumenty zapewniają, że nawet jego ogniste przejście przez atmosferę nie wywołałoby wybuchu jądrowego jednak ponownie należałoby się liczyć ze skażeniem.

Z Projektem Orion nie wiążą się tylko nad wyraz oryginalne plany teoretyczne. Przeprowadzono również kilka eksperymentów praktycznych w tym najbardziej widowiskowe próby działającego modelu. Konstrukcja ważyła 105 kg i zawierała sześć ładunków konwencjonalnych z materiału C4 o wadze 1 kg. Po inicjującym odpaleniu ładunku prochowego, który oderwał pojazd od ziemi udało się przeprowadzić stabilny lot osiągając wysokość 105 metrów. Materiały filmowe na których zarejestrowano eksperyment dostępne są w internecie i dają pewne wyobrażenie o modelu lotu takiej konstrukcji.

Innym praktycznym testem był epizod w czasie trwania Operacji Blumbbob z roku 1957. Nie był on połączony z Projektem Orion jednak jego wyniki były wykorzystane w ramach programu. W trakcie jednej z prób (oznaczoną pod nazwą Pascal-B) nad bombą umieszczona została 900 kilogramowa stalowa płyta, która miała przetestować zdolność zmniejszenia skutków przypadkowego wybuchu bomby. W celu rejestracji testu użyto szybkobieżnej kamery i odpalono ładunek. Płyta została uchwycona tylko na jednej klatce. Obliczenia po wydarzeniu wykazały, że mogła osiągnąć ona nawet sześciokrotną prędkość ucieczki. Byłaby pierwszym obiektem wyniesionym w kosmos za pomocą napędu jądrowego, gdyby nie fakt, że najprawdopodobniej wyparowała w wyniku tarcia atmosferycznego (w każdym razie nie spadła z powrotem na ziemię).

102197_v1

Fotografia wykonana w czasie jednego z testów.

W chwili obecnej kwestia opracowania i wdrożenia do użytku nowego napędu wydaje się być paląca jeżeli ludzie będą chcieli w sensowny sposób podróżować do innych planet. Po zakończeniu programu STS przez NASA i czterdziestu latach spędzonych przez człowieka na niskiej orbicie naszej planety udanie się w głęboki kosmos wydaje się być koniecznością dziejową. Odrodzenia Projektu Orion nie możemy się wprawdzie spodziewać, jednak spełnił on w pewnym sensie ważne zadanie. Pokazał, że istniała realna alternatywa wobec dokonanego wtedy wyboru w jaki sposób człowiek będzie podróżował przez przestrzeń kosmiczną na bazie dostępnych technologii. Wprawdzie nie ma możliwości odgadnięcia jakby to było, gdyby historia potoczyła się innym torem jednak można odnieść wrażenie, że ta ostatnia zatoczyła koło i pyta się nas ponownie „Jak daleko chcecie się udać i co w tym kierunku macie zamiar zrobić?”

Przeczytajcie całe studium projektu w oryginale! Pisząc powyższy tekst opierałem się głównie na dokumencie NASA, które swego czasu można było ściągnąć z ich archiwum. Na wskutek dziwnej polityki agencji nie ma możliwości ściągnięcia tego dokumentu obecnie.  Poniżej cały dokument w PDF.

nn

GA-5009vIII

 

Reklamy

Informacje Orland Krzyżanowski
Witam na blogu tematycznym poświęconemu historii załogowej astronautyki. Wpisy będą miały charakter artykułów z zachowaniem poprawności formalnej w postaci podania źródeł bądź przypisów w wypadku korzystania z czyjejś pracy. W polskojęzycznym internecie nie ma wielu stron traktujących wybrane zagadnienia szczegółowo a dotyczących mniej znanych zagadnień w postaci koncepcji i różnych studiów dotyczących eksploracji przestrzeni kosmicznej w przeszłości.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s

%d blogerów lubi to: