Молекулы газа в камере двигателя налетают на стенку и отскакивают от неё, передавая импульс и создавая давление. Чем быстрее и тяжелее каждая молекула, тем больший импульс она передаст стенке. А ещё — чем быстрее молекулы, тем больше их при прочих равных столкнется со стенкой за секунду. Тем больше суммарный переданный импульс, который нас интересует.
Отскочив, молекулы покидают двигатель через отсутствующую четвертую стену. Чем быстрее и тяжелее молекулы, тем больше секундный расход массы. Который хотелось бы минимизировать.
Одно «тяжелее» в плюс, одно «тяжелее» в минус. Неважно.
Одно «быстрее» в минус, два «быстрее» в плюс. Важно. Нужны быстрые молекулы.
E=mv²/2. Быстрая молекула — молекула с большой энергией. Особенно если тяжелая. А энергии всегда мало там, где надо, и непонятно куда её девать там, где не надо.
Энергии мало, потому что калорийность топлива ограничена — и ограничена весьма фундаментально, если оно химическое. Каких-то прорывных открытий тут можно ожидать примерно с тем же успехом, что и в таблице умножения. Химия вообще очень близка к математике. Это наука о поведении атомов, имеющих N положительно заряженных протонов в ядре и N же электронов на орбиталях вокруг — и химия совершенно точно перебрала все N от одного до сотни и немного дальше и ни одного не потеряла. Несколько раз перепроверили. К сожалению, надежды на более калорийных топливах сродни фантазиям об обнаружении нового целого числа между 6 и 7.
Энергию некуда девать, потому что сталкивающиеся со стенкой молекулы передают ей не только импульс, но и энергию тоже, и рано или поздно энергии у молекул стенки может стать столько же. И тут возникает крайне неприятный вопрос — если в продукты сгорания вложена максимальная энергия химической связи, которую мы смогли найти, то какая же тогда химическая связь сможет удержать молекулы с этой же энергией в стенке? Обнаружение нового целого числа между 8 и 9 тоже маловероятно. У жаростойкости материалов и температуры их испарения тоже есть довольно фундаментальный предел.
(Возможно, кстати, в какой-то вселенной, где химические связи не столь изощренно разнообразны, самым жаростойким материалом являются продукты сгорания самого калорийного топлива. Маловероятно, впрочем, что в такой вселенной есть структуры достаточно сложные, чтобы этим заинтересоваться и оценить символизм).
В общем, энергию быстрой молекуле лучше бы иметь поменьше. Во-первых, из топлива её неоткуда брать. Во-вторых, если всё-таки откуда-то возьмем со стороны, то испарим двигатель.
А значит, молекулам надо быть легкими.
Последствия этого вывода оказываются чудовищно неудобными (привет, жидкий водород с плотностью 90 г/м³, привет, жидкий кислород, а это жидкий фтор, если не говорить ему «привет», есть небольшой шанс, что он нас не заметит…), но особого выбора нет. Скорость покидающих двигатель молекул очень важна. Экспонента ракетного уравнения компромиссы не ценит.
* * *
…добавь 10 секунд удельного импульса, и конструктор согласен на всякую модификацию, при 20 секундах он становится оживлённым, при 50 секундах положительно готов сломать себе голову, при 100 секундах попирает все экологические нормы, при 300 секундах нет такой токсичности топлива, с которой он не смирился бы.
Отскочив, молекулы покидают двигатель через отсутствующую четвертую стену. Чем быстрее и тяжелее молекулы, тем больше секундный расход массы. Который хотелось бы минимизировать.
Одно «тяжелее» в плюс, одно «тяжелее» в минус. Неважно.
Одно «быстрее» в минус, два «быстрее» в плюс. Важно. Нужны быстрые молекулы.
E=mv²/2. Быстрая молекула — молекула с большой энергией. Особенно если тяжелая. А энергии всегда мало там, где надо, и непонятно куда её девать там, где не надо.
Энергии мало, потому что калорийность топлива ограничена — и ограничена весьма фундаментально, если оно химическое. Каких-то прорывных открытий тут можно ожидать примерно с тем же успехом, что и в таблице умножения. Химия вообще очень близка к математике. Это наука о поведении атомов, имеющих N положительно заряженных протонов в ядре и N же электронов на орбиталях вокруг — и химия совершенно точно перебрала все N от одного до сотни и немного дальше и ни одного не потеряла. Несколько раз перепроверили. К сожалению, надежды на более калорийных топливах сродни фантазиям об обнаружении нового целого числа между 6 и 7.
Энергию некуда девать, потому что сталкивающиеся со стенкой молекулы передают ей не только импульс, но и энергию тоже, и рано или поздно энергии у молекул стенки может стать столько же. И тут возникает крайне неприятный вопрос — если в продукты сгорания вложена максимальная энергия химической связи, которую мы смогли найти, то какая же тогда химическая связь сможет удержать молекулы с этой же энергией в стенке? Обнаружение нового целого числа между 8 и 9 тоже маловероятно. У жаростойкости материалов и температуры их испарения тоже есть довольно фундаментальный предел.
(Возможно, кстати, в какой-то вселенной, где химические связи не столь изощренно разнообразны, самым жаростойким материалом являются продукты сгорания самого калорийного топлива. Маловероятно, впрочем, что в такой вселенной есть структуры достаточно сложные, чтобы этим заинтересоваться и оценить символизм).
В общем, энергию быстрой молекуле лучше бы иметь поменьше. Во-первых, из топлива её неоткуда брать. Во-вторых, если всё-таки откуда-то возьмем со стороны, то испарим двигатель.
А значит, молекулам надо быть легкими.
Последствия этого вывода оказываются чудовищно неудобными (привет, жидкий водород с плотностью 90 г/м³, привет, жидкий кислород, а это жидкий фтор, если не говорить ему «привет», есть небольшой шанс, что он нас не заметит…), но особого выбора нет. Скорость покидающих двигатель молекул очень важна. Экспонента ракетного уравнения компромиссы не ценит.
* * *
…добавь 10 секунд удельного импульса, и конструктор согласен на всякую модификацию, при 20 секундах он становится оживлённым, при 50 секундах положительно готов сломать себе голову, при 100 секундах попирает все экологические нормы, при 300 секундах нет такой токсичности топлива, с которой он не смирился бы.
Непросто по-настоящему осознать и прочувствовать, что практически ничего из того, что у ракеты видно снаружи, не имеет отношения к приводящей её в движение силе.
Ни корпус, плавность линий которого только минимизирует неизбежную помеху движению в атмосфере — и становится совершенно неважна за его пределами.
Ни пламя двигателей — хотя так и тянет делать его длиннее и ярче, если хочется нарисовать что-то получше и помощнее, а те ракеты, котором не повезло с визуальной эффектностью используемого топлива, выглядят со своим почти невидимым выхлопом как-то неодето. Этот газ покинул двигатель, он уже не имеет к тяге никакого отношения. Чем ярче он светится, тем больше энергии пролилось мимо бесполезным образом.
Ни уж тем более дымовой след, если он имеется. Хотя сложно избавиться от ощущения, что он как-то стабилизирует полёт — не то как оперение стрелы, не то как устойчивое пирамидальное основание, опирающееся на стартовую площадку.
Тяга создаётся только и исключительно давлением на стенки сопла и камеры сгорания. В которой под сотню атмосфер и более. Это непросто осознать и прочувствовать, потому что очень мало что поддерживается давлением под сотню атмосфер. Тем более на лету.
Дирижабль парит за счёт естественной разницы давлений воздуха у нижней и верхней поверхности. (Выталкивающая архимедова сила — это она и есть). Великий «Гинденбург» держало в воздухе приложенное снизу избыточное давление в несколько тысячных долей атмосферы.
Самолет тоже летит за счёт разницы давлений между нижней и верхней поверхностями крыла, но уже созданной искусственно. Сколько-то сотых долей атмосферы. До одной десятой. Это то, что не даёт упасть B777 и A380.
Океанский круизный лайнер с осадкой в десяток метров держит на плаву давление воды на этой глубине. Одна атмосфера.
Автомобиль с накачанными до штатных двух с половиной атмосфер колёсами держат эти самые две с половиной атмосферы, приложенные к пятнам контакта. По паре сотен квадратных сантиметров каждое. Как об этом иногда поэтически говорят, «машину несут четыре ладони».
Кажется, только одно транспортное средство уверенно обходит ракетный двигатель по рабочему давлению. Железнодорожный вагон. У катящегося по металлическому рельсу металлического колеса тоже есть пятно контакта. Его площадь — три-четыре квадратных сантиметра. Если двухтонный автомобиль держат четыре ладони, то восьмидесятитонный вагон держат подушечки восьми пальцев. И вот тут-то уже достигаются тысячи атмосфер.
По распределению нагрузки ракета даже отдалённо не похожа на что-то ещё летающее. Она где-то между автомобилем и локомотивом — хотя у неё нет опоры из асфальта или металла, а есть только газ, который ещё надо сделать из привезенного с собой топлива. It's not a bird. It's not a plane. Больше всего это, кажется, похоже на очень тяжелого паука, вынужденного балансировать на очень тонких ногах на крохотной площадке.
(Лёгкая арахнофобия уместна. Происходящего в ракетном двигателе стоит немного опасаться).
Ни корпус, плавность линий которого только минимизирует неизбежную помеху движению в атмосфере — и становится совершенно неважна за его пределами.
Ни пламя двигателей — хотя так и тянет делать его длиннее и ярче, если хочется нарисовать что-то получше и помощнее, а те ракеты, котором не повезло с визуальной эффектностью используемого топлива, выглядят со своим почти невидимым выхлопом как-то неодето. Этот газ покинул двигатель, он уже не имеет к тяге никакого отношения. Чем ярче он светится, тем больше энергии пролилось мимо бесполезным образом.
Ни уж тем более дымовой след, если он имеется. Хотя сложно избавиться от ощущения, что он как-то стабилизирует полёт — не то как оперение стрелы, не то как устойчивое пирамидальное основание, опирающееся на стартовую площадку.
Тяга создаётся только и исключительно давлением на стенки сопла и камеры сгорания. В которой под сотню атмосфер и более. Это непросто осознать и прочувствовать, потому что очень мало что поддерживается давлением под сотню атмосфер. Тем более на лету.
Дирижабль парит за счёт естественной разницы давлений воздуха у нижней и верхней поверхности. (Выталкивающая архимедова сила — это она и есть). Великий «Гинденбург» держало в воздухе приложенное снизу избыточное давление в несколько тысячных долей атмосферы.
Самолет тоже летит за счёт разницы давлений между нижней и верхней поверхностями крыла, но уже созданной искусственно. Сколько-то сотых долей атмосферы. До одной десятой. Это то, что не даёт упасть B777 и A380.
Океанский круизный лайнер с осадкой в десяток метров держит на плаву давление воды на этой глубине. Одна атмосфера.
Автомобиль с накачанными до штатных двух с половиной атмосфер колёсами держат эти самые две с половиной атмосферы, приложенные к пятнам контакта. По паре сотен квадратных сантиметров каждое. Как об этом иногда поэтически говорят, «машину несут четыре ладони».
Кажется, только одно транспортное средство уверенно обходит ракетный двигатель по рабочему давлению. Железнодорожный вагон. У катящегося по металлическому рельсу металлического колеса тоже есть пятно контакта. Его площадь — три-четыре квадратных сантиметра. Если двухтонный автомобиль держат четыре ладони, то восьмидесятитонный вагон держат подушечки восьми пальцев. И вот тут-то уже достигаются тысячи атмосфер.
По распределению нагрузки ракета даже отдалённо не похожа на что-то ещё летающее. Она где-то между автомобилем и локомотивом — хотя у неё нет опоры из асфальта или металла, а есть только газ, который ещё надо сделать из привезенного с собой топлива. It's not a bird. It's not a plane. Больше всего это, кажется, похоже на очень тяжелого паука, вынужденного балансировать на очень тонких ногах на крохотной площадке.
(Лёгкая арахнофобия уместна. Происходящего в ракетном двигателе стоит немного опасаться).
Из того, что вся тяга ракеты создается двигателем, только двигателем и ничем, кроме двигателя, есть несколько очевидных следствий. Во-первых, двигатель должен быть прочным. Во-вторых, должно быть прочным крепление двигателя к ракете. На этот узел, несколько теряющийся на фоне её общего размера, приходится весь её вес, помноженный на стартовую перегрузку. Не то чтобы эта ситуация была необычной с инженерной точки зрения – что-то подобное найдется почти везде. Бросающее авиалайнер в разгон усилие норовит погнуть и оторвать лопатки вентилятора, вертолёт висит на гайке, фиксирующей ротор на валу, велосипедист при внимательном рассмотрении оказывается подвешенным на паре десятков спиц, как парашютист – на паре десятков строп. Качественные материалы, которым придана правильная форма, могут выдержать многое.
В-третьих, ракету можно аккуратно поставить на её двигатели, и с ней должно быть всё хорошо: она не помнётся, крепление не погнётся, распределение нагрузки при этом будет точно таким же, что и в полете. Собственно, чаще всего на старте примерно так и делается, изящно подхватываемый за талию «Союз» скорее исключение, а объятия башен обслуживания страхуют только от порывов ветра. Тот же Шаттл непосредственно перед запуском стоял, простоя опираясь на основания твердотопливных ускорителей, прикрученные к стартовому столу восемью гайками.
(Перед самым стартом, уже после запуска двигателей, гайки подрывались пиропатронами и распадались на две половинки. За историю полётов Шаттлов было несколько десятков случаев, когда одна из гаек по не вполне понятным причинам не срабатывала. Каждый раз Шаттл благополучно срывал резьбу и улетал. Было два случая — в ноябре 1981-го и в октябре 2000-го — когда не сработали две гайки. Шаттл справился и с этим. NASA выражало некоторую озабоченность тем, что если не сработают четыре гайки, выдерживающие тонн по семьсот каждая, то получится как-то совсем нехорошо, но вероятность этого увлекательного сценария реализоваться не успела).
Качественные материалы способны на многое, но иногда нужно больше. Особенно часто желание большего возникает в мечтах об удержании в двигателе плазмы ядерного взрыва или чего похлеще. И тогда в фантазиях рождается, скажем, магнитное сопло, которое должно отделить заветное море энергии от бренного сопромата. Но третий закон Ньютона никуда не девается.
Если магнитное поле способно удержать разлёт плазмы — значит, оно обладает соответствующим давлением, и это давление разрывает создающий его электромагнит. Если магнитное поле ловит вспышку ядерного взрыва, как бабочку в сачок — значит, весь пойманный импульс будет передан не куда-нибудь, а на витки электромагнита. Если вы не вполне понимаете, в результате какого взаимодействия частиц, полей и токов это произойдет — это нормально (магнитогидродинамика совершенно не предназначена для человеческой интуиции), но тем хуже для вас. Прикрепляйте магнит тщательно.
Если вы придумали двигатель с невероятной тягой — убедитесь, что эту тягу выдержит та гайка, которой он прикручен к вашему звездолёту. И да, это не только инженерный совет, но и метафора широкого спектра.
В-третьих, ракету можно аккуратно поставить на её двигатели, и с ней должно быть всё хорошо: она не помнётся, крепление не погнётся, распределение нагрузки при этом будет точно таким же, что и в полете. Собственно, чаще всего на старте примерно так и делается, изящно подхватываемый за талию «Союз» скорее исключение, а объятия башен обслуживания страхуют только от порывов ветра. Тот же Шаттл непосредственно перед запуском стоял, простоя опираясь на основания твердотопливных ускорителей, прикрученные к стартовому столу восемью гайками.
(Перед самым стартом, уже после запуска двигателей, гайки подрывались пиропатронами и распадались на две половинки. За историю полётов Шаттлов было несколько десятков случаев, когда одна из гаек по не вполне понятным причинам не срабатывала. Каждый раз Шаттл благополучно срывал резьбу и улетал. Было два случая — в ноябре 1981-го и в октябре 2000-го — когда не сработали две гайки. Шаттл справился и с этим. NASA выражало некоторую озабоченность тем, что если не сработают четыре гайки, выдерживающие тонн по семьсот каждая, то получится как-то совсем нехорошо, но вероятность этого увлекательного сценария реализоваться не успела).
Качественные материалы способны на многое, но иногда нужно больше. Особенно часто желание большего возникает в мечтах об удержании в двигателе плазмы ядерного взрыва или чего похлеще. И тогда в фантазиях рождается, скажем, магнитное сопло, которое должно отделить заветное море энергии от бренного сопромата. Но третий закон Ньютона никуда не девается.
Если магнитное поле способно удержать разлёт плазмы — значит, оно обладает соответствующим давлением, и это давление разрывает создающий его электромагнит. Если магнитное поле ловит вспышку ядерного взрыва, как бабочку в сачок — значит, весь пойманный импульс будет передан не куда-нибудь, а на витки электромагнита. Если вы не вполне понимаете, в результате какого взаимодействия частиц, полей и токов это произойдет — это нормально (магнитогидродинамика совершенно не предназначена для человеческой интуиции), но тем хуже для вас. Прикрепляйте магнит тщательно.
Если вы придумали двигатель с невероятной тягой — убедитесь, что эту тягу выдержит та гайка, которой он прикручен к вашему звездолёту. И да, это не только инженерный совет, но и метафора широкого спектра.
Самым крупным успехом PR-отдела магнетизма надо признать понятие линии магнитного поля. Любое поле очень удобно изображать силовыми линиями, но только магнитное собрало такую коллекцию связанных с ними образов и устойчивых описаний. Линии вмораживаются в плазму и выталкиваются из сверхпроводников, линии нанизывают на себя спиральные траектории заряженных частиц и перезамыкаются в солнечной короне, линии закручиваются в головоломную конфигурацию обмотками стелларатора и формируют контуры северного сияния, и, конечно же, линии выстраивают железные опилки у полюсов магнита, становясь видимыми и убеждая в своей реальности. Каждый магнит обретает незримые тентакли, а при взгляде на типичный рисунок земной магнитосферы и кажется, что можно отправиться куда-то за полярный круг и найти там то самое место, где из вечной мерзлоты поднимается и уходит в небо одна из Великих Линий Поля. Втягивая в себя железные опилки и ржавые тракторы.
Линия магнитного поля — исключительно хороший и наглядный образ. И, как любой хороший образ, в какой-то момент он из опоры превращается в крепкую решетку, через которую очень сложно просочиться на следующий уровень понимания.
Линии магнитного поля не существуют как физические объекты. Это абстракция. Поле вполне однородно в каждой точке пространства, это каша без комочков, а не набор макаронин. Железные опилки лгут.
Избавиться от мысленной волосатости магнитного поля сложно, но стоит о её иллюзорности помнить и профилактики ради почаще пробовать думать таким же образом о других полях.
…вот, например, сосульки. Они визуализируют линии гравитационного поля Земли.
Линия магнитного поля — исключительно хороший и наглядный образ. И, как любой хороший образ, в какой-то момент он из опоры превращается в крепкую решетку, через которую очень сложно просочиться на следующий уровень понимания.
Линии магнитного поля не существуют как физические объекты. Это абстракция. Поле вполне однородно в каждой точке пространства, это каша без комочков, а не набор макаронин. Железные опилки лгут.
Избавиться от мысленной волосатости магнитного поля сложно, но стоит о её иллюзорности помнить и профилактики ради почаще пробовать думать таким же образом о других полях.
…вот, например, сосульки. Они визуализируют линии гравитационного поля Земли.
Когда средней руки писателю-фантасту, геймдизайнеру или еще какому-нибудь прикладному демиургу приходит в голову, что обычный ракетный двигатель как-то не соответствует размаху поставленной задачи — неубедителен, неэстетичен или недостаточно престижен — он меняет ему цвет выхлопа на более современный и впечатляющий, называет его «атомным» и рисует на нем трилистник ☢️
Как так получилось, что слово «атомный» стало синонимом «магического» в смысле полной свободы от необходимости что-то объяснять, а символ радиационной опасности, столь же утилитарный, как дорожный знак 1.26 «Перегон скота», превратился не то в пентаграмму, открывающую путь демонам ада, не то в запретную руну всемогущества — вопрос, требующий обстоятельного исследования коллективом историков, психологов, политологов и физиков, которые будут пристально смотреть друг за другом и бить друг друга по рукам, когда кто-то начнёт нести чушь (то есть сразу и непрерывно). Я тут одна, поэтому ограничусь предложением заглянуть внутрь себя, найти там нерассуждающий восторженный страх перед атомным сиянием, и попробовать вспомнить, кто и когда вам этот Белый Цветок показал.
Скорее всего, конечно, к этому имело какое-то отношение назойливое информирование о последствиях подрыва десятимегатонного термоядерного заряда над мегаполисом и не менее навязчивое сравнение всего и вся непредставимого с хиросимской бомбой, что, как писал классик, привело общество к «восприятию А-бомбы не как оружия (сопоставимого по разрушительной силе с другими средствами ведения войны), а как всесокрушающего божественного гнева, который не измеряется в цифрах». Сами слова «килотонна» и «мегатонна» приобрели какой-то нездоровый оттенок, как будто они имеют отношение к неким социально осуждаемым, но втайне желанным действиям, что восхитительно абсурдно само по себе — где еще оказывается достаточным умножить что-то на тысячу, чтобы перейти от бытового к сверхъестественному? Как так вышло, что восемнадцать тонн — это фура с картошкой, а восемнадцать килотонн — Великий Ужас?
(А восемнадцать мегатонн — Великий Ужас Побольше).
Ядерная энергия отличается от химической тем, что её очень много. («Очень» — это пара миллионов, а не что-то трансцендентное и непознаваемое). Она, увы, не отличается от химической тем, что выделяется совершенно хаотическим и ненаправленным образом, и поэтому двигатель сделать по-прежнему гораздо сложнее, чем бомбу. Её надо как-то удержать в замкнутом объеме, создав давление, и потом сломать у этого объема четвертую стену, чтобы асимметричное давление создало тягу. И вот тут-то возникает проблема.
Всё вокруг нас, в том числе конструируемый двигатель, существует как объекты благодаря химическим связям. Химическая связь может удержать химическую же энергию, если не халтурить при проектировании системы охлаждения. Но невозможно химической связью удержать атом в стенке сопла, если по нему бьёт налетающий атом с энергией ядерной. У двигателя, кажется, нет шансов не испарить себя.
…писатель-фантаст, будь добр, покажи чертёж «атомного», а?
Как так получилось, что слово «атомный» стало синонимом «магического» в смысле полной свободы от необходимости что-то объяснять, а символ радиационной опасности, столь же утилитарный, как дорожный знак 1.26 «Перегон скота», превратился не то в пентаграмму, открывающую путь демонам ада, не то в запретную руну всемогущества — вопрос, требующий обстоятельного исследования коллективом историков, психологов, политологов и физиков, которые будут пристально смотреть друг за другом и бить друг друга по рукам, когда кто-то начнёт нести чушь (то есть сразу и непрерывно). Я тут одна, поэтому ограничусь предложением заглянуть внутрь себя, найти там нерассуждающий восторженный страх перед атомным сиянием, и попробовать вспомнить, кто и когда вам этот Белый Цветок показал.
Скорее всего, конечно, к этому имело какое-то отношение назойливое информирование о последствиях подрыва десятимегатонного термоядерного заряда над мегаполисом и не менее навязчивое сравнение всего и вся непредставимого с хиросимской бомбой, что, как писал классик, привело общество к «восприятию А-бомбы не как оружия (сопоставимого по разрушительной силе с другими средствами ведения войны), а как всесокрушающего божественного гнева, который не измеряется в цифрах». Сами слова «килотонна» и «мегатонна» приобрели какой-то нездоровый оттенок, как будто они имеют отношение к неким социально осуждаемым, но втайне желанным действиям, что восхитительно абсурдно само по себе — где еще оказывается достаточным умножить что-то на тысячу, чтобы перейти от бытового к сверхъестественному? Как так вышло, что восемнадцать тонн — это фура с картошкой, а восемнадцать килотонн — Великий Ужас?
(А восемнадцать мегатонн — Великий Ужас Побольше).
Ядерная энергия отличается от химической тем, что её очень много. («Очень» — это пара миллионов, а не что-то трансцендентное и непознаваемое). Она, увы, не отличается от химической тем, что выделяется совершенно хаотическим и ненаправленным образом, и поэтому двигатель сделать по-прежнему гораздо сложнее, чем бомбу. Её надо как-то удержать в замкнутом объеме, создав давление, и потом сломать у этого объема четвертую стену, чтобы асимметричное давление создало тягу. И вот тут-то возникает проблема.
Всё вокруг нас, в том числе конструируемый двигатель, существует как объекты благодаря химическим связям. Химическая связь может удержать химическую же энергию, если не халтурить при проектировании системы охлаждения. Но невозможно химической связью удержать атом в стенке сопла, если по нему бьёт налетающий атом с энергией ядерной. У двигателя, кажется, нет шансов не испарить себя.
…писатель-фантаст, будь добр, покажи чертёж «атомного», а?
Интермедия килотонная
«Little Boy» достоин быть представленным в музее метрологии, если не в самой Палате мер и весов. С ним сравнивают энергию грозовых облаков, извержений вулканов, падений метеоритов и т.д. и т.п. Символ смерти, полного, абсолютного конца всего. По крайней мере, некоего города.
Но что всё-таки осталось от Хиросимы после того, как над ней на высоте 600 метров взорвался ядерный заряд с ТЭ 13–18 килотонн?
Ответ — на архивных фото «после». Красная точка — эпицентр. Вы не находите, что эти строения выглядят озадачивающе и, не побоюсь этого слова, десакрализующе?
Последнее фото — вид типичного хиросимского квартала «до».
Хиросима очень хорошо горела. Но взрыв «Little Boy» в принципе не имел пресловутой «зоны полного разрушения», а многими из неявно приписанных ему свойств обладают лишь термоядерные заряды на пару порядков мощнее.
…над современным городом тактическому ядерному заряду будет очень сложно оправдать свою репутацию. Я надеюсь, что это лучшая страховка от его применения.
«Little Boy» достоин быть представленным в музее метрологии, если не в самой Палате мер и весов. С ним сравнивают энергию грозовых облаков, извержений вулканов, падений метеоритов и т.д. и т.п. Символ смерти, полного, абсолютного конца всего. По крайней мере, некоего города.
Но что всё-таки осталось от Хиросимы после того, как над ней на высоте 600 метров взорвался ядерный заряд с ТЭ 13–18 килотонн?
Ответ — на архивных фото «после». Красная точка — эпицентр. Вы не находите, что эти строения выглядят озадачивающе и, не побоюсь этого слова, десакрализующе?
Последнее фото — вид типичного хиросимского квартала «до».
Хиросима очень хорошо горела. Но взрыв «Little Boy» в принципе не имел пресловутой «зоны полного разрушения», а многими из неявно приписанных ему свойств обладают лишь термоядерные заряды на пару порядков мощнее.
…над современным городом тактическому ядерному заряду будет очень сложно оправдать свою репутацию. Я надеюсь, что это лучшая страховка от его применения.
Интермедия мегатонная
Что с современным городом сделает термоядерный заряд на три мегатонны — можно прикинуть на NukeMap. Он, пожалуй, свою репутацию всё-таки оправдает — хотя чёрт его знает, ожидания настолько завышены, что, может, и миллион погибших и три-четыре миллиона пострадавших вызовут реакцию «почему не пять?». В общем, штука и вправду чудовищная.
Но вот какое дело. Три мегатонны тротилового эквивалента — по очень расплывчатым, конечно, оценкам, не стоит это воспринимать как запись в журнале учёта — это суммарное количество взрывчатых веществ, использованных в составе довольно примитивных по нынешним временам вооружений в ходе Второй мировой войны. Результаты которой, мягко говоря, не сводятся к одному уничтоженному городу. Счёт погибших в которой идёт на многие десятки миллионов.
Термоядерный заряд имеет жутковатую плотность смерти на единицу массы, на единицу времени и на единицу отданных команд на запуск.
Возможно, имеет неплохую отдачу на вложенный доллар, хотя тут сложно сказать определённо, корректно посчитать стоимость военной техники вообще и ядерного вооружения в особенности — задача безнадежно неблагодарная.
Но при этом это запредельно неэффективное средство разрушения в смысле плотности смерти на единицу энергии. Уничтожая тонкий слой цивилизации на поверхности земли, оно рассеивает многие петаджоули вообще без какого-либо эффекта, в прямом смысле слова впустую сотрясая воздух верхних слоёв атмосферы. Пулемётный огонь в темноту, бьющая наугад артиллерия, вслепую вываливаемые в сплошную облачность авиабомбы работали точнее и адреснее. Это не абсолютное оружие — это самое тупое, самое неспособное к прицеливанию оружие за всю историю. Даже пушку на воробьёв всё-таки можно навести. Ядерной энергии столько, что после её выделения повлиять на её идеально сферически симметричное распространение невозможно никак.
…на её основе, кажется, сложновато сделать двигатель.
Что с современным городом сделает термоядерный заряд на три мегатонны — можно прикинуть на NukeMap. Он, пожалуй, свою репутацию всё-таки оправдает — хотя чёрт его знает, ожидания настолько завышены, что, может, и миллион погибших и три-четыре миллиона пострадавших вызовут реакцию «почему не пять?». В общем, штука и вправду чудовищная.
Но вот какое дело. Три мегатонны тротилового эквивалента — по очень расплывчатым, конечно, оценкам, не стоит это воспринимать как запись в журнале учёта — это суммарное количество взрывчатых веществ, использованных в составе довольно примитивных по нынешним временам вооружений в ходе Второй мировой войны. Результаты которой, мягко говоря, не сводятся к одному уничтоженному городу. Счёт погибших в которой идёт на многие десятки миллионов.
Термоядерный заряд имеет жутковатую плотность смерти на единицу массы, на единицу времени и на единицу отданных команд на запуск.
Возможно, имеет неплохую отдачу на вложенный доллар, хотя тут сложно сказать определённо, корректно посчитать стоимость военной техники вообще и ядерного вооружения в особенности — задача безнадежно неблагодарная.
Но при этом это запредельно неэффективное средство разрушения в смысле плотности смерти на единицу энергии. Уничтожая тонкий слой цивилизации на поверхности земли, оно рассеивает многие петаджоули вообще без какого-либо эффекта, в прямом смысле слова впустую сотрясая воздух верхних слоёв атмосферы. Пулемётный огонь в темноту, бьющая наугад артиллерия, вслепую вываливаемые в сплошную облачность авиабомбы работали точнее и адреснее. Это не абсолютное оружие — это самое тупое, самое неспособное к прицеливанию оружие за всю историю. Даже пушку на воробьёв всё-таки можно навести. Ядерной энергии столько, что после её выделения повлиять на её идеально сферически симметричное распространение невозможно никак.
…на её основе, кажется, сложновато сделать двигатель.
Чтобы по своему желанию добыть здесь и сейчас химическую энергию из углеводородов — надо освоить цепные реакции окисления. Достаточно как-то начать, ну а дальше из искры возгорится пламя. Или нет. Как знают разводившие костёр — есть нюансы.
Чтобы добыть здесь и сейчас ядерную энергию из подходящих изотопов тяжелых элементов — надо освоить цепную реакцию деления. Ту самую, про которую обычно рисуют картинку с нейтроном, попадающим в ядро урана, разваливающим его на два осколка и пару-тройку новых нейтронов, которые попадают в другие ядра, разваливают их, и так далее. Хотите погорячее — наберите критическую массу и продолжайте в том же духе, хотите притормозить — дайте части нейтронов улететь прочь.
Есть нюансы.
Данная нам в эксперименте реальность наносит по этой картинке сокрушительный удар уже хотя бы тем, что длина волны де Бройля достаточно медленного нейтрона, определяющая его «радиус действия», может быть сравнима с размерами атома, а отнюдь не его ядра. (Да, нейтрон может «иметь размер» в десятки тысяч раз больше, чем ядро, в котором этих нейтронов больше сотни. Никто не обещал, что будет легко). Из аккуратного гладкого бильярдного шара, точным ударом разбивающего ядро-пирамиду, нейтрон превращается в экстравертного гопника с непредсказуемым поведением, озирающегося по сторонам на предмет до какой бы ядерной компании докопаться. (Если вы занимаетесь проблемами радиационной защиты, то примерно так вы нейтроны и воспринимаете).
Ну а дальше вообще всё столь же просто и интуитивно понятно, как в мультфильме «Ух ты, говорящая рыба!»:
— эффективный «размер» нейтрона зависит от его скорости;
— немонотонным причем образом, дело не сводится к «чем медленнее, тем больше», есть конкретные значения скорости, на которых нейтрон особенно общителен;
— скорость у нейтронов бывает разная с самого начала, а также теряется во взаимодействиях с другими ядрами;
— …количество которых, естественно, зависит от его скорости;
— некоторые нейтроны вываливаются из осколков расщепленных ядер с запозданием;
— …а некоторые ещё позже;
— в нагревшемся из-за деления ядер веществе ядра начинают ёрзать тепловым движением и, как правило, отвлекаться от взаимодействия с нейтронами;
— …но иногда парадоксальным образом наоборот;
— сколько-то нейтронов улетает из куска вещества наружу, а сколько именно — зависит от его формы;
— когда кусок нагреется, расширится и станет менее плотным, улетать станет больше. А если кусок оплавится и поменяет форму, то чёрт его знает;
— …но сколько-то может и вернуться, снаружи ведь тоже что-то есть. Отразиться от чего-то нейтрон в строгом смысле слова не может, но иногда результат довольно похож;
— в образце могут быть примеси, при виде некоторых из них нейтроны теряют волю и теряются для общества;
— причем эти примеси могут быть промежуточными продуктами распада, и тогда их количество зависит от того, с какой скоростью цепная реакция шла последние несколько часов;
— вот, скажем, ксенон-135; «ксенон-135», скажу я вам — идеальное название для пивбара рядом с офисом, паблика со смешными мемами, раздела с политическим офтопиком на форуме и того чувака, который одним своим появлением может парализовать работу коллектива…
Хватит. Короче, всё плохо.
Пресловутая «критическая масса» — понятие редкой абстрактности и прикладной бесполезности. Она определена не просто для некоего сверхчистого сферического плутония в вакууме — в самом буквальном смысле — но еще и имеющего строго определенную температуру.
От картинки «из одного нейтрона получилось два» до осознанного управления цепной реакцией — дистанция примерно как от тезиса «больше цена — меньше спрос» до какого-нибудь особенно сложносочиненного биржевого коллапса международных масштабов.
Чтобы добыть здесь и сейчас ядерную энергию из подходящих изотопов тяжелых элементов — надо освоить цепную реакцию деления. Ту самую, про которую обычно рисуют картинку с нейтроном, попадающим в ядро урана, разваливающим его на два осколка и пару-тройку новых нейтронов, которые попадают в другие ядра, разваливают их, и так далее. Хотите погорячее — наберите критическую массу и продолжайте в том же духе, хотите притормозить — дайте части нейтронов улететь прочь.
Есть нюансы.
Данная нам в эксперименте реальность наносит по этой картинке сокрушительный удар уже хотя бы тем, что длина волны де Бройля достаточно медленного нейтрона, определяющая его «радиус действия», может быть сравнима с размерами атома, а отнюдь не его ядра. (Да, нейтрон может «иметь размер» в десятки тысяч раз больше, чем ядро, в котором этих нейтронов больше сотни. Никто не обещал, что будет легко). Из аккуратного гладкого бильярдного шара, точным ударом разбивающего ядро-пирамиду, нейтрон превращается в экстравертного гопника с непредсказуемым поведением, озирающегося по сторонам на предмет до какой бы ядерной компании докопаться. (Если вы занимаетесь проблемами радиационной защиты, то примерно так вы нейтроны и воспринимаете).
Ну а дальше вообще всё столь же просто и интуитивно понятно, как в мультфильме «Ух ты, говорящая рыба!»:
— эффективный «размер» нейтрона зависит от его скорости;
— немонотонным причем образом, дело не сводится к «чем медленнее, тем больше», есть конкретные значения скорости, на которых нейтрон особенно общителен;
— скорость у нейтронов бывает разная с самого начала, а также теряется во взаимодействиях с другими ядрами;
— …количество которых, естественно, зависит от его скорости;
— некоторые нейтроны вываливаются из осколков расщепленных ядер с запозданием;
— …а некоторые ещё позже;
— в нагревшемся из-за деления ядер веществе ядра начинают ёрзать тепловым движением и, как правило, отвлекаться от взаимодействия с нейтронами;
— …но иногда парадоксальным образом наоборот;
— сколько-то нейтронов улетает из куска вещества наружу, а сколько именно — зависит от его формы;
— когда кусок нагреется, расширится и станет менее плотным, улетать станет больше. А если кусок оплавится и поменяет форму, то чёрт его знает;
— …но сколько-то может и вернуться, снаружи ведь тоже что-то есть. Отразиться от чего-то нейтрон в строгом смысле слова не может, но иногда результат довольно похож;
— в образце могут быть примеси, при виде некоторых из них нейтроны теряют волю и теряются для общества;
— причем эти примеси могут быть промежуточными продуктами распада, и тогда их количество зависит от того, с какой скоростью цепная реакция шла последние несколько часов;
— вот, скажем, ксенон-135; «ксенон-135», скажу я вам — идеальное название для пивбара рядом с офисом, паблика со смешными мемами, раздела с политическим офтопиком на форуме и того чувака, который одним своим появлением может парализовать работу коллектива…
Хватит. Короче, всё плохо.
Пресловутая «критическая масса» — понятие редкой абстрактности и прикладной бесполезности. Она определена не просто для некоего сверхчистого сферического плутония в вакууме — в самом буквальном смысле — но еще и имеющего строго определенную температуру.
От картинки «из одного нейтрона получилось два» до осознанного управления цепной реакцией — дистанция примерно как от тезиса «больше цена — меньше спрос» до какого-нибудь особенно сложносочиненного биржевого коллапса международных масштабов.
Цепные реакции окисления при повышении температуры ускоряются. Это, собственно, и делает окисление воспламенением и горением. А ещё, поскольку окислитель чаще всего где-то снаружи и вступать в реакцию может только на поверхности — горение очень любит разливание, измельчение, распыление, испарение и прочее перемешивание. Если выделившаяся энергия приведёт к взрыву и разбросает вещество — тем лучше. Гори-гори ясно.
Цепная реакция деления при повышении температуры, как правило, тормозится — тепловые нейтроны в горячем веществе недозамедляются, атомы интенсивно шевелятся, сечение захвата уменьшается. И она очень не любит расширение, растекание и прочее рассосредоточение, позволяющее нейтронам разбежаться. А поскольку ядерной энергии в веществе очень много, и мизерной её доли хватит на то, чтобы его нагреть, расплавить, испарить и раскидать — цепная реакция сделает всё, чтобы остановиться как можно быстрее.
Если вы случайно подожгли лежащий перед вами кусок чего-то горючего — велики шансы, что он будет полыхать, пока горючее не закончится. И, возможно, в процессе с повышением температуры обнаружится, что горючего в комнате гораздо, гораздо больше, чем вы думали.
Если вы случайно разогнали цепную реакцию деления в лежащем перед вами шарике плутония, переведя его в слегка надкритическое состояние (не буду показывать отвёрткой, на что я намекаю) то произойдёт вот что: нейтроны будут размножаться, ядра — делиться, шарик — стремительно греться, и в какой-то момент он нагреется достаточно, чтобы сечение поглощения нейтронов упало и цепная реакция начала затухать. И произойдет это всё гораздо быстрее, чем вы успеете сказать «бля» и предпринять какие-то действия для исправления своей ошибки.
(Впрочем, лучше все-таки что-то сделать. Шарик ведь рано или поздно остынет).
Совсем детальный и исчерпывающий разбор инцидентов с Demon Core найти затруднительно, поскольку он требует рассказать читателю про свойства плутония несколько больше, чем это социально одобряемо, но кое-какие итоговые результаты доступны. Из них, в частности, видно, что пиковая интенсивность цепной реакции продолжалась не более нескольких миллисекунд, а потом уменьшалась на два-три порядка (что, безусловно, всё ещё слишком много, чтобы безнаказанно стоять рядом и говорить о погоде) и стабилизировалась. Быстро — по человеческим меркам — снимая с шарика то, что на него упало, Даглян и Слотин действовали в интересах себя и присутствующих, но не предотвращали какое-то дальнейшее катастрофическое развитие ситуации и уж тем более ядерный взрыв™. Это плутоний сделал самостоятельно и гораздо быстрее.
Цепная реакция деления при повышении температуры, как правило, тормозится — тепловые нейтроны в горячем веществе недозамедляются, атомы интенсивно шевелятся, сечение захвата уменьшается. И она очень не любит расширение, растекание и прочее рассосредоточение, позволяющее нейтронам разбежаться. А поскольку ядерной энергии в веществе очень много, и мизерной её доли хватит на то, чтобы его нагреть, расплавить, испарить и раскидать — цепная реакция сделает всё, чтобы остановиться как можно быстрее.
Если вы случайно подожгли лежащий перед вами кусок чего-то горючего — велики шансы, что он будет полыхать, пока горючее не закончится. И, возможно, в процессе с повышением температуры обнаружится, что горючего в комнате гораздо, гораздо больше, чем вы думали.
Если вы случайно разогнали цепную реакцию деления в лежащем перед вами шарике плутония, переведя его в слегка надкритическое состояние (не буду показывать отвёрткой, на что я намекаю) то произойдёт вот что: нейтроны будут размножаться, ядра — делиться, шарик — стремительно греться, и в какой-то момент он нагреется достаточно, чтобы сечение поглощения нейтронов упало и цепная реакция начала затухать. И произойдет это всё гораздо быстрее, чем вы успеете сказать «бля» и предпринять какие-то действия для исправления своей ошибки.
(Впрочем, лучше все-таки что-то сделать. Шарик ведь рано или поздно остынет).
Совсем детальный и исчерпывающий разбор инцидентов с Demon Core найти затруднительно, поскольку он требует рассказать читателю про свойства плутония несколько больше, чем это социально одобряемо, но кое-какие итоговые результаты доступны. Из них, в частности, видно, что пиковая интенсивность цепной реакции продолжалась не более нескольких миллисекунд, а потом уменьшалась на два-три порядка (что, безусловно, всё ещё слишком много, чтобы безнаказанно стоять рядом и говорить о погоде) и стабилизировалась. Быстро — по человеческим меркам — снимая с шарика то, что на него упало, Даглян и Слотин действовали в интересах себя и присутствующих, но не предотвращали какое-то дальнейшее катастрофическое развитие ситуации и уж тем более ядерный взрыв™. Это плутоний сделал самостоятельно и гораздо быстрее.
Делящееся вещество норовит покинуть ситуации, в которых ему предлагается поделиться поинтенсивнее, столь же быстро и решительно, как мифическая лягушка, мысленно брошенная в кипяток ради поучительной метафоры. Оно греется и расширяется, что ещё куда ни шло, но миллионной доли его энергии хватит и на то, чтобы расплавиться и испариться вместе с окружающими крепежными элементами, что обычно уже очень плохо сочетается с любым конструкторским замыслом.
Принципиально различных способов всё-таки вытащить из вещества почти всю энергию, а не миллионную её долю, всего два. Один совпадает с предлагающимся в байке о лягушке — делать всё медленно, не допуская резких изменений состояния. То есть всяко не расплавлять и тем более не испарять. То есть ограничиться температурами в пару тысяч градусов от силы — на этом месте конструктор показывает вам кулак — а скорее намного меньше. В таком раскладе мы можем разгонять цепную реакцию, пока она не станет выделять больше мощности, чем мы сможем унести — в самом буквальном смысле, унести прочь теплоносителем. А это задача сама по себе крайне непростая. (Достаточно послушать кулер на видеокарте, чтобы оценить, насколько).
Получился ядерный реактор. Охлаждением обычно получается уносить никак не более гигаватта мощности с кубометра объема, температура обычно не превышает нескольких сотен градусов — и всё это не очень-то сильно отличается от обычного мощного парового котла. Тут рождается популярное разочарование «как же так, ядерный — ядерный! — реактор просто кипятит воду». Да, необходимость оставаться в твёрдом состоянии сводит реактор к кипятильнику, да, это как-то не очень вяжется с демоническими оттенками смысла слова «ядерный». Но эти оттенки оно приобрело по результатам извлечения энергии другим способом.
Другой способ всё-таки сварить лягушку целиком байка не предлагала — он, вероятно, недостаточно поучителен. Лягушку можно либо кидать в кипяток с очень большой скоростью (т.н. пушечная схема), либо быстро залить кипятком одновременно со всех сторон (схема имплозивная)…
Речь о ядерном взрыве, да.
Идея проста — если расплавление и испарение неизбежно, надо сделать так, чтобы это не было проблемой. Не успело стать проблемой. И тут очень играет на руку то, что нейтроны, во-первых, слабо взаимодействуют с веществом и могут перелетать от одной части заряда к другой, и, во-вторых, делают это быстро — скорость свежеиспущенных нейтронов составляет до нескольких процентов от световой, а тяжелые осколки деления тут же рассеивают свою энергию во взаимодействиях с пока ещё холодными соседними атомами. Визуализировать цепную реакцию в ядерной бомбе надо в стиле «Матрицы» — нейтроны летят сквозь застывшее время среди еле шевелящихся ядер. Если коэффициент размножения будет достаточно высок, они успеют расщепить их почти все, прежде чем что-то существенно изменится. Нейтроны можно сравнить с разносящимися над толпой воплями, которые способны привести её в состояние паники еще до того, как кто-то двинется с места.
…да будет свет.
* * *
Эти два способа принципиально различны, и, увы, между ними нет промежуточного варианта.
Фантаст, рисующий на Сияющей Технологии Будущего атомный трилистник, как правило, надеется, что Технология, с одной стороны, будет всё-таки не бомбой, а чем-то управляемым, но, с другой, даст энергию, ошеломительно превосходящую Скучную Технологию Настоящего. Это так не работает. Слегка превысивший удельную мощность парового котла ядерный реактор плавится и испаряется. Потерявшая концентрацию, фокус и состояние нейтронного потока ядерная бомба взрывается плохо, но всё равно взрывается. Энергию делящегося вещества можно добыть за годы, а можно за микросекунду. Выбирайте. Других опций не предлагается.
* * *
…удельная тепловая мощность камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, тем временем, может достигать десятка гигаватт на кубометр, обходя ядерный реактор на порядок. Кажется, подступиться к улучшению его показателей с Технологией Будущего будет сложно.
Впрочем, что там реактор. Удельная мощность ЖРД превосходит удельную мощность Сверхновой на пике светимости.
Принципиально различных способов всё-таки вытащить из вещества почти всю энергию, а не миллионную её долю, всего два. Один совпадает с предлагающимся в байке о лягушке — делать всё медленно, не допуская резких изменений состояния. То есть всяко не расплавлять и тем более не испарять. То есть ограничиться температурами в пару тысяч градусов от силы — на этом месте конструктор показывает вам кулак — а скорее намного меньше. В таком раскладе мы можем разгонять цепную реакцию, пока она не станет выделять больше мощности, чем мы сможем унести — в самом буквальном смысле, унести прочь теплоносителем. А это задача сама по себе крайне непростая. (Достаточно послушать кулер на видеокарте, чтобы оценить, насколько).
Получился ядерный реактор. Охлаждением обычно получается уносить никак не более гигаватта мощности с кубометра объема, температура обычно не превышает нескольких сотен градусов — и всё это не очень-то сильно отличается от обычного мощного парового котла. Тут рождается популярное разочарование «как же так, ядерный — ядерный! — реактор просто кипятит воду». Да, необходимость оставаться в твёрдом состоянии сводит реактор к кипятильнику, да, это как-то не очень вяжется с демоническими оттенками смысла слова «ядерный». Но эти оттенки оно приобрело по результатам извлечения энергии другим способом.
Другой способ всё-таки сварить лягушку целиком байка не предлагала — он, вероятно, недостаточно поучителен. Лягушку можно либо кидать в кипяток с очень большой скоростью (т.н. пушечная схема), либо быстро залить кипятком одновременно со всех сторон (схема имплозивная)…
Речь о ядерном взрыве, да.
Идея проста — если расплавление и испарение неизбежно, надо сделать так, чтобы это не было проблемой. Не успело стать проблемой. И тут очень играет на руку то, что нейтроны, во-первых, слабо взаимодействуют с веществом и могут перелетать от одной части заряда к другой, и, во-вторых, делают это быстро — скорость свежеиспущенных нейтронов составляет до нескольких процентов от световой, а тяжелые осколки деления тут же рассеивают свою энергию во взаимодействиях с пока ещё холодными соседними атомами. Визуализировать цепную реакцию в ядерной бомбе надо в стиле «Матрицы» — нейтроны летят сквозь застывшее время среди еле шевелящихся ядер. Если коэффициент размножения будет достаточно высок, они успеют расщепить их почти все, прежде чем что-то существенно изменится. Нейтроны можно сравнить с разносящимися над толпой воплями, которые способны привести её в состояние паники еще до того, как кто-то двинется с места.
…да будет свет.
* * *
Эти два способа принципиально различны, и, увы, между ними нет промежуточного варианта.
Фантаст, рисующий на Сияющей Технологии Будущего атомный трилистник, как правило, надеется, что Технология, с одной стороны, будет всё-таки не бомбой, а чем-то управляемым, но, с другой, даст энергию, ошеломительно превосходящую Скучную Технологию Настоящего. Это так не работает. Слегка превысивший удельную мощность парового котла ядерный реактор плавится и испаряется. Потерявшая концентрацию, фокус и состояние нейтронного потока ядерная бомба взрывается плохо, но всё равно взрывается. Энергию делящегося вещества можно добыть за годы, а можно за микросекунду. Выбирайте. Других опций не предлагается.
* * *
…удельная тепловая мощность камеры сгорания жидкостного ракетного двигателя, тем временем, может достигать десятка гигаватт на кубометр, обходя ядерный реактор на порядок. Кажется, подступиться к улучшению его показателей с Технологией Будущего будет сложно.
Впрочем, что там реактор. Удельная мощность ЖРД превосходит удельную мощность Сверхновой на пике светимости.
Январь 2023 года. Ядерный двигатель в заголовках СМИ — DARPA (известно танцующими робособаками) и NASA (известно как NASA) заявили о совместной работе над ним и намерены приступить к испытаниям в космосе через каких-то пять лет. (Haha, fat chance). Но эта история началась гораздо раньше. И порой кажется, что это буквально та же самая история. Посмотрите:
1961 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету Saturn V;
1969 — NASA завершает разработку ядерного ракетного двигателя NERVA; в 1978 году планируется использовать его в марсианской миссии;
конец 1972 — ночной старт Saturn V к Луне;
…
2011 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету SLS;
2019 — DARPA анонсирует ядерный ракетный двигатель ROAR (впоследствии DRACO); в 2027 году планируются первые испытания в космосе;
конец 2022 — ночной старт SLS к Луне;
Уважаемый академик Фоменко, как вы думаете — это действительно разные события?
…
1962 г. — солнечное затмение в Австралии, наблюдалось утром
2012 г. — солнечное затмение в Австралии, наблюдалось утром
всё очень серьёзно
как выбраться из временной петли
…
и мы ещё жалуемся, что в один и тот же сценарий отношений влипаем раз за разом
…
* * *
Про что эта история? Сочетание слов «ядерный» и «космос» звучит очень привлекательно — это, возможно, два самых жутковато-манящих слова, доставшихся нам от двадцатого века — но что NERVA/DRACO собой представляют?
Ядерный реактор. То есть высокотехнологичный нагревательный элемент. Опять кипятильник. Предлагается построить, по сути, паровой реактивный автомобиль Ньютона (1680 г.), использующий ядерную энергию вместо печи с углём. Конструктивно это почти обычный ЖРД, только высокая температура летящего из сопла газа обеспечивается не горением топлива, а пропусканием его через реактор, занимающий место камеры сгорания.
Сможет ли он обеспечить существенно более высокую температуру газа? Нет, потому что она ограничена скорее возможностями охлаждения сопла и конструкции двигателя в целом, чем недостатком химической энергии.
Сможет ли он обеспечить существенно бóльшую удельную и/или абсолютную мощность? Нет, она тоже упирается в проблему охлаждения.
Избавит ли он от необходимости тащить с собой тяжелый бак с топливом? Нет, только теперь это будет не «топливо», а «рабочее тело». Мало иметь энергию, надо ещё тратить её на отбрасывание чего-то.
Неспециалист начинает недоуменно скучать. В чём смысл?
Смысл только и исключительно в том, что из сопла такого двигателя может течь водород. H₂. Самое лёгкое вещество, с молярной массой 2 г/моль.
Если рабочим телом сделать воду — смысла не будет никакого. Ядерный тепловой реактивный двигатель вчистую проиграет классическому ЖРД, который ту же воду получает сразу нагретой при сгорании водорода. Но вода тяжелая. Не в смысле «тяжелая из-за дейтерия», а в смысле «тяжелая из-за кислорода». Оксид не может быть легче окислителя, на роль окислителя не годится ничего легче ¹⁶O. А чем тяжелее продукты сгорания — тем меньше их тепловая скорость.
ЯРД не вкладывает в водород больше энергии, чем выделяется при окислении того водорода. Вся штука в том, что водороду можно не окисляться и оставаться лёгким, и при равной температуре выхлопа ЯРД может примерно втрое обойти ЖРД по скорости его истечения. На практике получается скорее «вдвое», потому что той равной температуры ещё попробуй добейся. Лучшие водород-кислородные двигатели обеспечивают удельный импульс ~450 с, из ЯРД удаётся выжать 850-900 с.
Неспециалисту резко перестаёт казаться столь уж хорошей идея запускать в космос ядерный реактор ради увеличения какого-то параметра всего в два раза. И он, в сущности, прав.
Но этот параметр стоит в показателе экспоненты. Он даёт шанс сократить массу топлива раз в пять. Или в пять раз увеличить полезную нагрузку. Или получить в два раза больше скорости, что по законам небесной механики может означать сокращение времени перелета гораздо больше, чем в два раза. (Без всяких релятивистских эффектов).
Если вам позарез (как вам кажется) надо на Марс, а в доме нет ничего грузоподъёмнее Saturn V — вы начинаете конструировать NERVA.
1961 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету Saturn V;
1969 — NASA завершает разработку ядерного ракетного двигателя NERVA; в 1978 году планируется использовать его в марсианской миссии;
конец 1972 — ночной старт Saturn V к Луне;
…
2011 — NASA рвётся на Луну и проектирует сверхтяжелую лунную ракету SLS;
2019 — DARPA анонсирует ядерный ракетный двигатель ROAR (впоследствии DRACO); в 2027 году планируются первые испытания в космосе;
конец 2022 — ночной старт SLS к Луне;
Уважаемый академик Фоменко, как вы думаете — это действительно разные события?
…
1962 г. — солнечное затмение в Австралии, наблюдалось утром
2012 г. — солнечное затмение в Австралии, наблюдалось утром
всё очень серьёзно
как выбраться из временной петли
…
и мы ещё жалуемся, что в один и тот же сценарий отношений влипаем раз за разом
…
* * *
Про что эта история? Сочетание слов «ядерный» и «космос» звучит очень привлекательно — это, возможно, два самых жутковато-манящих слова, доставшихся нам от двадцатого века — но что NERVA/DRACO собой представляют?
Ядерный реактор. То есть высокотехнологичный нагревательный элемент. Опять кипятильник. Предлагается построить, по сути, паровой реактивный автомобиль Ньютона (1680 г.), использующий ядерную энергию вместо печи с углём. Конструктивно это почти обычный ЖРД, только высокая температура летящего из сопла газа обеспечивается не горением топлива, а пропусканием его через реактор, занимающий место камеры сгорания.
Сможет ли он обеспечить существенно более высокую температуру газа? Нет, потому что она ограничена скорее возможностями охлаждения сопла и конструкции двигателя в целом, чем недостатком химической энергии.
Сможет ли он обеспечить существенно бóльшую удельную и/или абсолютную мощность? Нет, она тоже упирается в проблему охлаждения.
Избавит ли он от необходимости тащить с собой тяжелый бак с топливом? Нет, только теперь это будет не «топливо», а «рабочее тело». Мало иметь энергию, надо ещё тратить её на отбрасывание чего-то.
Неспециалист начинает недоуменно скучать. В чём смысл?
Смысл только и исключительно в том, что из сопла такого двигателя может течь водород. H₂. Самое лёгкое вещество, с молярной массой 2 г/моль.
Если рабочим телом сделать воду — смысла не будет никакого. Ядерный тепловой реактивный двигатель вчистую проиграет классическому ЖРД, который ту же воду получает сразу нагретой при сгорании водорода. Но вода тяжелая. Не в смысле «тяжелая из-за дейтерия», а в смысле «тяжелая из-за кислорода». Оксид не может быть легче окислителя, на роль окислителя не годится ничего легче ¹⁶O. А чем тяжелее продукты сгорания — тем меньше их тепловая скорость.
ЯРД не вкладывает в водород больше энергии, чем выделяется при окислении того водорода. Вся штука в том, что водороду можно не окисляться и оставаться лёгким, и при равной температуре выхлопа ЯРД может примерно втрое обойти ЖРД по скорости его истечения. На практике получается скорее «вдвое», потому что той равной температуры ещё попробуй добейся. Лучшие водород-кислородные двигатели обеспечивают удельный импульс ~450 с, из ЯРД удаётся выжать 850-900 с.
Неспециалисту резко перестаёт казаться столь уж хорошей идея запускать в космос ядерный реактор ради увеличения какого-то параметра всего в два раза. И он, в сущности, прав.
Но этот параметр стоит в показателе экспоненты. Он даёт шанс сократить массу топлива раз в пять. Или в пять раз увеличить полезную нагрузку. Или получить в два раза больше скорости, что по законам небесной механики может означать сокращение времени перелета гораздо больше, чем в два раза. (Без всяких релятивистских эффектов).
Если вам позарез (как вам кажется) надо на Марс, а в доме нет ничего грузоподъёмнее Saturn V — вы начинаете конструировать NERVA.
…нет, физика не бессердечная сука, физика-то как раз вполне ценит некую фривольность и полёт фантазии, главное придерживаться правил активного согласия и говорить математикой через формулы. Настоящий мрачный хмырь с мерзким характером, способным похоронить любую идею — материаловедение.
История о том, как Эдисон перепробовал пять тысяч материалов для лампы накаливания (слева), соперничает по популярности с насыщением пяти тысяч человек пятью хлебами. Ядерный тепловой ракетный двигатель (прототип Kiwi-A — справа) кое в чём похож на эту лампу. У них одинаковая рабочая температура.
Если доведётся где-нибудь в баре увидеть настоящую лампу Эдисона, а не светодиодную подделку — посмотрите на оранжевый свет её тонкого волокна, ощутите исходящее от неё тепло и попробуйте представить ядерный реактор в кубометр объема и пять тонн веса, раскаленный до той же степени.
(Расплавленный металл обычно заметно прохладнее).
История NERVA — в основном скучно выглядящий со стороны поиск материалов для примерно всего.
История о том, как Эдисон перепробовал пять тысяч материалов для лампы накаливания (слева), соперничает по популярности с насыщением пяти тысяч человек пятью хлебами. Ядерный тепловой ракетный двигатель (прототип Kiwi-A — справа) кое в чём похож на эту лампу. У них одинаковая рабочая температура.
Если доведётся где-нибудь в баре увидеть настоящую лампу Эдисона, а не светодиодную подделку — посмотрите на оранжевый свет её тонкого волокна, ощутите исходящее от неё тепло и попробуйте представить ядерный реактор в кубометр объема и пять тонн веса, раскаленный до той же степени.
(Расплавленный металл обычно заметно прохладнее).
История NERVA — в основном скучно выглядящий со стороны поиск материалов для примерно всего.
На лампочку ядерный тепловой двигатель оказался похож не только по рабочей температуре, но и по материалу ключевой детали. Причем не на почти-уже-безнадежно-устаревшую лампу накаливания с вольфрамовой нитью, а именно на настолько-устаревшую-что-уже-опять-модную лампу Эдисона с угольной. Выбор материалов, способных хоть как-то работать при 2400 К, вообще крайне невелик, а все звучные имена из благородного рода тугоплавких металлов — молибден, тантал, вольфрам — не очень совместимы с ядерным реактором, потому что поглощают нейтроны как не в себя. Как и первый ядерный реактор Chicago Pile-1, реактор первого ядерного теплового двигателя состоял в основном из графита. Будущее творилось перемазанными руками.
(Поразительное всё-таки вещество. Никакая механическая прочность при нормальных условиях — и ровно та же никакая прочность в условиях, в которых всё остальное уже растворилось, расплавилось, а то и испарилось. Скромный неубиваемый хоббит мира конструкционных материалов).
Легко всё равно не было. В среде раскаленного водорода под давлением корродирует даже графит. Блоки покрыли карбидом ниобия. В процессе пришлось сильно усовершенствовать CVD-технологию химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Покрытие вполне ожидаемо трескалось от перепада температуры. Пришлось разработать способ изготовления графита со специальными присадками, подгоняющими его собственный коэффициент теплового расширения под NbC.
В качестве собственно ядерного топлива сначала использовались микрочастицы оксида высокообогащенного урана UO₂, которые при запекании в графитовых блоках превращались в карбид UС₂. Оказалось, однако, что в холодном двигателе на хранении UС₂ охотно окисляется обратно при контакте с воздухом (особенно со влажным воздухом) — и при каждом цикле нагрев-охлаждение часть углерода улетучивается в виде CO. Ладно циклы — в конце концов, при реальном применении после запуска двигатель больше не увидел бы влажного воздуха никогда — но даже просто лежащие на складе топливные элементы от окисления разбухали на несколько процентов, сильно затрудняя последующий процесс вставки детали А в отверстие B при сборке. Решением стало покрытие 150-микронных частиц UС₂ 25-микронным слоем пиролитического графита. Потом развитие этой технологии приведёт к созданию TRISO, «самого прочного ядерного топлива» — микросфер с керамическим покрытием, надёжно удерживающих продукты деления внутри себя и слишком маленьких, чтобы их могло повредить какое-то внешнее воздействие. На их основе лениво разрабатываются проекты реакторов с газовым теплоносителем, приходящиеся NERVA дальними потомками, нашедшими нормальную работу™.
…но великий предок, похоже, остаётся непревзойденным. Phoebus-2A с объемом активной зоны в два кубометра был спроектирован на 5.3 ГВт — и 26 июня 1968 года успешно проработал двенадцать минут на 80% мощности.
Реакторов с тепловой мощностью три-четыре гигаватта — но при этом в сотни раз большего объема — немало. Реакторов более-менее постоянного действия с мощностью в пять гигаватт, кажется, нет. Получается, Phoebus-2A — не просто воплощенный довольно-таки безумный концепт ядерного реактивного двигателя, но и в принципе самый мощный ядерный реактор в истории.
(Поразительное всё-таки вещество. Никакая механическая прочность при нормальных условиях — и ровно та же никакая прочность в условиях, в которых всё остальное уже растворилось, расплавилось, а то и испарилось. Скромный неубиваемый хоббит мира конструкционных материалов).
Легко всё равно не было. В среде раскаленного водорода под давлением корродирует даже графит. Блоки покрыли карбидом ниобия. В процессе пришлось сильно усовершенствовать CVD-технологию химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ). Покрытие вполне ожидаемо трескалось от перепада температуры. Пришлось разработать способ изготовления графита со специальными присадками, подгоняющими его собственный коэффициент теплового расширения под NbC.
В качестве собственно ядерного топлива сначала использовались микрочастицы оксида высокообогащенного урана UO₂, которые при запекании в графитовых блоках превращались в карбид UС₂. Оказалось, однако, что в холодном двигателе на хранении UС₂ охотно окисляется обратно при контакте с воздухом (особенно со влажным воздухом) — и при каждом цикле нагрев-охлаждение часть углерода улетучивается в виде CO. Ладно циклы — в конце концов, при реальном применении после запуска двигатель больше не увидел бы влажного воздуха никогда — но даже просто лежащие на складе топливные элементы от окисления разбухали на несколько процентов, сильно затрудняя последующий процесс вставки детали А в отверстие B при сборке. Решением стало покрытие 150-микронных частиц UС₂ 25-микронным слоем пиролитического графита. Потом развитие этой технологии приведёт к созданию TRISO, «самого прочного ядерного топлива» — микросфер с керамическим покрытием, надёжно удерживающих продукты деления внутри себя и слишком маленьких, чтобы их могло повредить какое-то внешнее воздействие. На их основе лениво разрабатываются проекты реакторов с газовым теплоносителем, приходящиеся NERVA дальними потомками, нашедшими нормальную работу™.
…но великий предок, похоже, остаётся непревзойденным. Phoebus-2A с объемом активной зоны в два кубометра был спроектирован на 5.3 ГВт — и 26 июня 1968 года успешно проработал двенадцать минут на 80% мощности.
Реакторов с тепловой мощностью три-четыре гигаватта — но при этом в сотни раз большего объема — немало. Реакторов более-менее постоянного действия с мощностью в пять гигаватт, кажется, нет. Получается, Phoebus-2A — не просто воплощенный довольно-таки безумный концепт ядерного реактивного двигателя, но и в принципе самый мощный ядерный реактор в истории.
Помимо рекордной мощности, реактор NERVA обладал системой управления невероятной, на мой вкус, красоты — как буквально-инженерной, так и метафорически-символической. На чертежах она напоминает схему магического ритуала высвобождения великих сил (почти как в «Пятом элементе», только элемент в центре круга двести тридцать пятый) и показывает, что внутренний стержень вполне можно заменить правильным окружением.
У раннего прототипа Kiwi-A внутренние стержни были, как и у большинства реакторов. Поглотители нейтронов двигались внутри полости в активной зоне, заполненной циркулирующей тяжелой водой, которая обеспечивала их охлаждение и заодно дополнительно замедляла нейтроны (в рамках терминологии проекта эта полость называлась "D₂O island", и, таким образом, являлась редким случаем острова, состоящего из воды). Система работала, но для летающего изделия не годилась — если для реактора на испытательном стенде еще можно придумать систему охлаждения, позволяющую засунуть что бы то ни было в дыру с температурой под три тысячи градусов, то вписать её в габаритные и массовые ограничения реального двигателя не представлялось возможным. Кроме того, сохранялась надежда сделать реактор частично многоразовым и переиспользуемым — а это требовало разработки «картриджной» конструкции, в которой активная зона вынималась и заменялась бы целиком, что тоже не очень сочеталось с какими-то входящими в неё стержнями.
(Уровень радиоактивности после работы на полной мощности, впрочем, душил эту надежду на корню — настолько, что позднейшие планы межпланетных миссий с использованием NERVA предусматривали захоронение единожды запущенного двигателя даже не на высокой околоземной орбите, а где-нибудь по возможности подальше).
Было принято решение управлять реактором, изменяя не количество нейтронов, поглотившихся внутри, а количество вернувшихся снаружи.
Слова «отражатель нейтронов» постоянно норовят быть понятыми несколько превратно, потому что «отражаться» в русском языке по умолчанию подразумевает зеркало. Но материалов, от которых нейтроны отскакивали бы, как мячик от стенки, не существует — нейтрон взаимодействует только с атомными ядрами, да и то очень нехотя, всё вещество для него явный вакуум с лёгкой дымкой вероятностных волн и в той или иной степени прозрачно, его мир состоит из цветного стекла (цветного, потому что сечения поглощения и рассеяния зависят от энергии нейтрона; как правило, они убывают с ростом энергии, т.е. стекло скорее фиолетовое; впрочем, эта аналогия заходит слишком далеко). Но стекло бывает более темным, если нейтроны в веществе поглощаются, и более матово-мутным, белёсым, если они в нем рассеиваются и, изменив направление движения несколько раз, с некоторыми шансами вылетают обратно. «Отражатель нейтронов» с точки зрения нейтрона — не зеркало, а скорее пушистое белоснежное облако. Слой ваты. Грубо побеленная шершавая стена.
Если ночью в комнате горит лампа, а большие окна не занавешены — часть света беспрепятственно уходит через них. Если задёрнуть плотные белые шторы — станет ощутимо светлее. Если реактор окружить слоем отражателя — часть нейтронов будет возвращаться в активную зону. Возможно, как раз та часть, которой не хватало, чтобы запустить разгон цепной реакции деления.
Любой реактор окружен слоем хоть чего-то, и отражательные свойства этого «чего-то» всегда учитываются при его расчёте, но обычно они более-менее постоянны и для управления не используются. Но такая возможность есть. То, что цепной реакцией можно управлять снаружи, просто меняя окружающую обстановку — и реакция отзовётся очень охотно — было наглядно продемонстрировано 21 августа 1945 г, когда Даглян уронил кирпич карбида вольфрама на Demon Core и вскоре умер. А потом еще раз ровно через девять месяцев, когда Злотин уронил на него же бериллиевую полусферу и тоже вскоре умер. И тот, и другой материал были отражателями. Задернутыми шторами, сделавшими светлее.
Активная зона Phoebus-2A была окружена бериллиевым корпусом 20-сантиметровой толщины, в каналах внутри которого располагались восемнадцать вращающихся цилиндров. С одной из сторон в цилиндрах были вставки карбида бора — одного из самых эффективных поглотителей нейтронов. В заглушенном состоянии цилиндры были повернуты «борной» стороной внутрь; с точки зрения нейтрона из активной зоны они выглядели как восемнадцать черных провалов. Потом сервоприводы поворачивали их бором наружу, а бериллием внутрь. Провалы закрывались, нейтроны отражались и возвращались в топливную сборку.
И становился свет.
(Уровень радиоактивности после работы на полной мощности, впрочем, душил эту надежду на корню — настолько, что позднейшие планы межпланетных миссий с использованием NERVA предусматривали захоронение единожды запущенного двигателя даже не на высокой околоземной орбите, а где-нибудь по возможности подальше).
Было принято решение управлять реактором, изменяя не количество нейтронов, поглотившихся внутри, а количество вернувшихся снаружи.
Слова «отражатель нейтронов» постоянно норовят быть понятыми несколько превратно, потому что «отражаться» в русском языке по умолчанию подразумевает зеркало. Но материалов, от которых нейтроны отскакивали бы, как мячик от стенки, не существует — нейтрон взаимодействует только с атомными ядрами, да и то очень нехотя, всё вещество для него явный вакуум с лёгкой дымкой вероятностных волн и в той или иной степени прозрачно, его мир состоит из цветного стекла (цветного, потому что сечения поглощения и рассеяния зависят от энергии нейтрона; как правило, они убывают с ростом энергии, т.е. стекло скорее фиолетовое; впрочем, эта аналогия заходит слишком далеко). Но стекло бывает более темным, если нейтроны в веществе поглощаются, и более матово-мутным, белёсым, если они в нем рассеиваются и, изменив направление движения несколько раз, с некоторыми шансами вылетают обратно. «Отражатель нейтронов» с точки зрения нейтрона — не зеркало, а скорее пушистое белоснежное облако. Слой ваты. Грубо побеленная шершавая стена.
Если ночью в комнате горит лампа, а большие окна не занавешены — часть света беспрепятственно уходит через них. Если задёрнуть плотные белые шторы — станет ощутимо светлее. Если реактор окружить слоем отражателя — часть нейтронов будет возвращаться в активную зону. Возможно, как раз та часть, которой не хватало, чтобы запустить разгон цепной реакции деления.
Любой реактор окружен слоем хоть чего-то, и отражательные свойства этого «чего-то» всегда учитываются при его расчёте, но обычно они более-менее постоянны и для управления не используются. Но такая возможность есть. То, что цепной реакцией можно управлять снаружи, просто меняя окружающую обстановку — и реакция отзовётся очень охотно — было наглядно продемонстрировано 21 августа 1945 г, когда Даглян уронил кирпич карбида вольфрама на Demon Core и вскоре умер. А потом еще раз ровно через девять месяцев, когда Злотин уронил на него же бериллиевую полусферу и тоже вскоре умер. И тот, и другой материал были отражателями. Задернутыми шторами, сделавшими светлее.
Активная зона Phoebus-2A была окружена бериллиевым корпусом 20-сантиметровой толщины, в каналах внутри которого располагались восемнадцать вращающихся цилиндров. С одной из сторон в цилиндрах были вставки карбида бора — одного из самых эффективных поглотителей нейтронов. В заглушенном состоянии цилиндры были повернуты «борной» стороной внутрь; с точки зрения нейтрона из активной зоны они выглядели как восемнадцать черных провалов. Потом сервоприводы поворачивали их бором наружу, а бериллием внутрь. Провалы закрывались, нейтроны отражались и возвращались в топливную сборку.
И становился свет.