Забытая история об ядерно-импульсном двигателе

Давно искал подробности об первом (и единственном!) запуске спутника с помощью «ядерно-импульсного двигателя». И вот нашёл…

Текст не мой, ссылка на источник — в конце.

Предыстория

Итак, всё началось с идеи «одноточечной системы безопасности». Смысл идеи прост: если какая-то атомная боеголовка хочет взорваться, а не должна, то надо дать ей это сделать, но с наименьшим ущербом.

Как это работает? В норме для получения атомного взрыва нужно обжать кусок делящегося вещества снаружи мощным зарядом обычной взрывчатки. Заряд создаёт ударную волну, сжимающую ядерную взрывчатку со всех сторон; когда этот процесс достигает пиковой эффективности, снаружи в сжатое ядро забрасывается порция нейтронов или очень жёстких гамма-лучей, дополнительно провоцирующих деление атомов. Ядро сжимается при этом до таких маленьких размеров, что нейтронам буквально некуда бежать из него, а те, которые всё-таки убежали. ловит и возвращает назад бериллиевый отражатель, окружающий ядро. Происходит шесть или семь стадий цепной реакции, на седьмой энергия, выделяющаяся в виде излучения, всё же расталкивает сжатую массу ядра в разные стороны и позволяет накопившемуся внутри излучению вырваться наружу — происходит взрыв.

Из этой простой схемы логично вытекает идея, что обычная взрывчатка должна сжимать ядро бомбы более или менее равномерно со всех сторон. «Равномерно» — не значит симметрично, можно и нужно делать такие конструкции, которые из-за шизоидной геометрии ядра сжимаются и взрываются в очень странных формах; но ключевой смысл остаётся тем же самым — отражатель и толстая оболочка ядра (толкатель) должны сжимать зону будущего атомного взрыва со всех сторон как можно дольше, пока не прореагирует достаточное количество вещества и всё не бабахнет как следует. Самым простым способом достичь такого эффекта было и остаётся сжатие шарообразного ядра мощными направленными взрывами («точками») со многих сторон строго одновременно. В первой атомной бомбе «Гаджет» таких взрывчатых устройств было 32, впоследствии их число увеличивали до 60 и даже до 96, а для обеспечения одновременности взрыва применяли сложные сверхскоростные делители электрического импульса — криотроны. Позже идею модифицировали: заряд окружали монолитным шаром из взрывчатки, а снаружи этого шара помещали ещё один взрывчатый заряд, имевший продолговатую, как у дыни, форму, с двумя взрывателями на острых концах. Взрыватели поджигали внешний заряд, ударная волна от него доходила до внутреннего шара строго одновременно, заставляя внутренний заряд детонировать и равномерно сжать атомную взрывчатку внутри. У такой схемы было всего две «точки» инициации.

Логично видеть, что при подобной системе подрыв только одной «точки» должен был приводить не к сжатию ядра, а к его выбиванию из заряда, строго рассчитанного геометрически и оптически, к разрушению взрывчатой зоны и рассеиванию ядерных материалов. Такой подрыв заряда только с одной стороны, производимый специально, и получил название «одноточечной системы безопасности». С ходу у этой системы было два серьёзных минуса: во-первых, расчёты показывали, что в сжатой системе ядра всё же возможны ядерные реакции, а во-вторых, в случае их отсутствия в месте взрыва, особенно наземного или слегка заглублённого, оставались солидные запасы обогащённого делящегося вещества. На территории потенциального противника это был просто подарок его атомщикам! Поразмыслив над этими проблемами, учёные из конкурирующих атомных лабораторий США (в Америке в 50-е годы разработкой атомных устройств занимались две конторы: Лос-Аламосская, бывший проект «Манхэттен», и вечные неудачники из Калифорнийского университета, будущий «Лоуренс Ливермор») пришли к выводу, что минус на минус даёт плюс: надо позволить атомной реакции начаться, но не закончиться при одноточечном подрыве, чтобы загрязнить место падения снаряда достаточным количеством продуктов распада, но не позволить при этом атомной энергии выделяться бесконтрольно и править бал. Так родился проект эксперимента «Паскаль», ставший частью операции «Отвес» (Plumbbob), проводившейся на Невадском ядерном полигоне в июле и августе 1957 года.

Первая серия. Римская свеча

Фейерверк решили проводить не на открытом воздухе, а в свежевырытом подземном колодце глубиной 500 футов (около 165 метров) с бетонными стенками. Изначально предполагалось сунуть туда готовую термоядерную боеголовку со склада, вынув из неё предварительно вторичный узел — термоядерный заряд, и оставив только атомный детонатор. Потом решили провести испытание на специально собранном устройстве. Предсказанное энерговыделение ядерной реакции было ничтожным, 1-2 фунта (полкило) в тротиловом эквиваленте. Не следует, однако, думать, что это была какая-то там пшикалка; как всякая атомная бомба, заряд содержал в себе достаточно обычной взрывчатки, чтобы снести девятиэтажку. Поэтому шахту заткнули сверху бетонной пробкой, в которой было просверлено отверстие — в отверстие свешивались разные приборы, а сама бомба свисала из-под пробки в специальном гамаке, не касаясь стенок и дна колодца.

Как обычно, неточности в научных расчётах немного усугубились типичной для американцев организацией ядерного испытания. Известно, что, если физик Джон Доу хочет бахнуть заряд ровно в килотонну, то электрик Ричард Роу, чтобы не тратить время и деньги, прикрепит к его заряду внешний нейтронный инициатор своей конструкции, который увеличит выход мощности раза в два с половиной. Гидродинамик Джон Кью Паблик с теми же целями засунет заряд в сборку ядра новой конструкции, которая тоже даст прирост мощности раза в два, а химики возьмут да и заменят начинку заряда с плутониевой на уран-233 или ещё что похуже. В итоге, выходная мощность может как возрасти настолько, что разрушит всю инструментальную аппаратуру Джона Доу, настроенную на строго определённые параметры взрыва, так и упасть до смешных цифр (так было с тестом «Рут», куда экспериментаторы из Калифорнийского университета ухитрились запихнуть дорогущий дейтерид урана, надеясь разом получить ядерный и термоядерный взрывы в одном флаконе — бомба всё-таки взорвалась, но не смогла даже разрушить толком стальную вышку, на которой её установили). Так вышло и с «Паскалем»: разные отделы всё приделывали к многострадальному заряду или убирали из него разные части в соответствии со своими нуждами.

Наконец, настал финальный момент: 26 июля 1957 года, ровно восемь по Гринвичу (в Неваде глубокая ночь). Не желая получить в рожу заряд радиации, экспериментаторы отошли от края открытой шахты — и правильно сделали. Бабах! Одноточечная система сработала как надо, а вместе с ней сработали разные обвески, нейтронные инициаторы и прочее оборудование, которое напихали в заряд. Вместо обещанного килограмма атомное энерговыделение «Паскаля» оказалось чуть большим, чем ожидалось, хотя всё-таки не таким уж большим: всего-то 55 тонн тротила!

Здесь стоит предоставить слово физику Роберту Кэмпбеллу, автору и руководителю испытания, впоследствии давшему интервью для книги «Сажаем дракона в клетку»:

Кэмпбелл:Первое, что мы в Лос-Аламосе долбанули в шахте, называлось потом Pascal-A.

Шахта была 500 футов глубиной, прикрытая. Мы поставили бомбу на дно и не закрыли крышку. Итак, мы её рванули! Самая большая римская свеча, которую вы когда-нибудь могли бы увидеть! Это было прекрасно. Яркое голубое свечение в небе… Билл Огл был там, на временной станции наблюдения. Когда он увидел, как эта штука вылетела из-под земли, он понял, что не уже не сможет вернуться на юг тем же путём, каким мы приходили, что у него будут проблемы… Он реально разволновался, что они не смогут возвратиться… В итоге, им чертовски повезло, что они не вляпались в это жуткое облако…

Каррутерс: А почему вы не запечатали шахту?

Кэмпбелл: Не видели необходимости. Мы и так прикрыли эту дыру крышкой. С тех пор никто этой крышки больше не видел. Мы так и не нашли её потом. На этой крышке был один из детекторов Джонни Малика, мы хотели измерить некоторые реакции сквозь неё. В шахте была какая-то пробка. Насколько я помню, это было в паре сотен футов от дна. Это был бетонный цилиндр с отверстием в центре, куда смотрел детектор Джонни. В пробке было кольцевое отверстие, чтобы можно было что-то спустить внутрь. Там же свисал ремень безопасности, в котором находилась бомба. Собственно, это был скорее коллиматор, а не пробка, которая должна была закрыть шахту. Мы так и не нашли потом этот коллиматор, а ведь он был толщиной около пяти футов.

Другой участник испытания, астрофизик Браунли, рассказывает про эту историю чуть жёстче, чем руководитель проекта (к чему бы это?).

Ребята работали, пытаясь подготовить тест как надо, но было много неприятностей. По моим воспоминаниям, они, наконец, сунули бомбу в шахту около десяти вечера. Оставалось немного времени, чтобы вернуться в Меркьюри, лечь спать и встать на следующее утро, чтобы взорвать заряд, поэтому кто-то сказал: «Почему бы нам просто не долбануть эту штуку сейчас сейчас, а потом пойти спать?» Получилась лучшая в мире римская свеча, потому что ночью все было очень хорошо видно. Голубой огонь выстрелил в воздух на сотни футов. Всех наших, кто был в этом районе взрыва, повалило на землю, а потом они попрыгали в свои машины и погнали оттуда как сумасшедшие, просто наплевав, кто остался там и кто ещё должен был выходить из этого района.

Облако атомной дряни, вышвырнутое из шахты пятьюдесятью пятью тоннами «безопасного» тротилового эквивалента, под порывами северного ветра спокойно полетело вслед за беглецами в сторону городка Меркьюри. По счастью, налетевшая с севера внезапная гроза прибила всю дрянь к земле.

«Создатель послал грозу, чтобы избавить наших парней от опасности, — говорит по этому поводу «отец водородной бомбы» Эдвард Теллер. — Творец любит американцев!»

Оставшиеся в зоне испытаний без машин техники получили немного радиации, что не лучшим образом сказалось на их здоровье впоследствии. Но никто из них не умер от лучевой болезни, поэтому Комиссия по энергетике признала испытание безопасным, и история эта имела логическое продолжение.

Вторая серия. Стальная луна

Итак, место действия — та же Невада, те же действующие лица, и на полигоне идёт полным ходом подготовка к испытанию «Паскаль-Б». Теперь глупостей не будет: с заряда снят нейтронный инициатор, зато внутрь атомной взрывчатой сферы залит «бустер» — небольшая доза дейтерий-тритиевой смеси. При нормальном взрыве толика этой смеси вступает в термоядерную реакцию, добавляя существенную дозу быстрых нейтронов к общему нейтронному потоку и помогая увеличить мощность взрыва примерно вдвое. Здесь же расчёты показывают, что газ, используемый как стандартное оснащение боеголовок, послужит, наоборот, поглотителем нейтронов и доведёт максимальную мощность ядерной реакции до ожидаемых полкило тротила. Но на всякий случай наученные горьким опытом «Паскаля-А» экспериментаторы всё же затыкают шахту с бомбой бетонной затычкой, а поверх шахты дополнительно ставят толстую стальную плиту — вроде крышки канализационного люка, толщиной в десять сантиметров и весом во многие тонны…

27 августа 1957 года, три часа тридцать пять минут дня. Всё готово. Теперь испытателям даже пятьдесят пять тонн под ногами нипочём, но на всякий случай они отодвигаются от края колодца подальше и не спешат вылезать из машин…

Бабах!

Триста тонн тротилового эквивалента!

Если кто думает, что это копеечки, то пусть вспомнит, что перед взрывом «Гаджета» американцы калибровали свои измерительные устройства, рванув под Аламогордо сто тонн тротила, и вот как это выглядело:

https://youtu.be/7VANyY87-_Q

Здесь сила взрыва (атомного!) была в три раза больше. К счастью для наблюдателей, атомный взрыв совсем не так опасен, как взрыв обычной химической взрывчатки с эквивалентным энерговыделением: слишком много энергии при атомном взрыве тратится не на разрушительную работу, а на спецэффекты и разную бесполезную с точки зрения разрушительной активности фигню. И всё же наблюдатели, в памяти которых был ещё весьма жив и свеж «Паскаль-А», вновь почуяли что-то неладное, когда огненный фонтан ударил из шахты, а многотонная стальная крышка, весело сверкнув напоследок в небесах, полетела со сверхзвуковыми скоростями куда-то в сторону Лас-Вегаса.

Надо было как-то выкручиваться. Дела у ребят явно не шли в гору. Проштрафившихся учёных по головке традиционно не гладили; поэтому поражение следовало любой ценой превращать в победу. И выход был найден! Оказалось, что приборы, измерявшие скорость полёта стальной крышки, а заодно и газодинамические расчёты, показали, что она взлетела в небеса со скоростью, почти в шесть раз превышающей первую космическую!

Искусственный объект выведен за пределы земной атмосферы! Американцы — первые в космосе! Атомно-импульсный двигатель вывел американский щит на околосолнечную орбиту! Гип-гип-ура!

Испытатели обнаглели настолько, что стали представлять завышенную мощность взрыва как специальную задумку вышеупомянутого астрофизика Браунли, нуждавшегося в «космической пушке» для своих планов по выводу на орбиту новой американской луны. Однако ликованию не суждено было долго продлиться: специалисты по баллистике и сопромату, вооружившись карандашами, быстро подсчитали, с какой невероятной скоростью испарилась эта стальная плита во время путешествия сквозь плотные слои атмосферы. Американская мечта вспыхнула и потухла, как ядерный факел над Невадой.

А через два с половиной месяца после этого события «Спутник-1» вышел на орбиту Земли и недвусмысленно просигналил всему миру, кому и почему на самом деле принадлежит приоритет в области космических исследований.

Зато и янки больше не выпендривались, и всё-таки создали нормальную одноточечную систему безопасности, продемонстрированную в испытании «Паскаль-С» в декабре всё того же 1957 года. На этот раз, по открытым данным, энерговыделение всё же превысило расчётный килограмм в десять тысяч раз, но десять тонн — это не триста и даже не пятьдесят пять, поэтому до поры до времени американцы примирились с подобными результатами…