2. rész – Egy atombomba átalakítása rakétahajtóművé. És ez nem vicc, hanem alcím.
Az Orion alapelve a cikksorozat első részben még viszonylag egyszerűnek tűnhetett: nukleáris töltetet kell kidobni az űrhajó mögé, felrobbantani, majd a robbanás impulzusával előrelökni a járművet. Amikor azonban a General Atomics mérnökei tényleges hajtóművet próbáltak készíteni ebből az elvből, hamar kiderült, hogy egy közönséges atomfegyver erre meglehetősen alkalmatlan. A feladat ugyanis nem egyszerűen nagy mennyiségű energia felszabadítása volt, hanem annak elérése, hogy az energia megfelelő része a megfelelő pillanatban, megfelelő irányban és megfelelő formában találkozzon a több ezer tonnás űrhajóval. Akkor nézzük meg, mire jutottak.
Az első probléma már abból következett, hogy az Orionnak a világűrben is működnie kellett. A földi atomrobbantások hatalmas tűzgömbjét és lökéshullámát nagyrészt a légkör hozza létre: a nukleáris reakcióból származó energia felmelegíti és ionizálja a környező levegőt, amely rendkívüli sebességgel kitágul. Vákuumban azonban nincs ilyen közeg, ezért az Orion nem támaszkodhatott egyszerűen egy nukleáris robbanás lökéshullámára. Az impulzusegységnek saját anyagot kellett magával vinnie, amely elnyeli a felszabaduló energia egy részét, plazmává alakul és óriási sebességgel a tolólap felé repül. A hajtóerőt tehát végső soron nem maga a nukleáris robbanás, hanem az általa felgyorsított anyag impulzusa szolgáltatta volna.
Ez volt az Orion egyik legfontosabb mérnöki felismerése, mert ettől kezdve a „bomba” már nem egyszerű robbanóeszköz volt, hanem egyetlen működési ciklus után megsemmisülő rakétahajtómű-elem. A program dokumentumaiban ezért nuclear pulse unit, nukleáris impulzusegység néven szerepelt. Minden egyes ilyen egységnek tartalmaznia kellett az energiaforrást és azt az anyagot, amelyből a tolólap felé haladó nagy sebességű plazma létrejött. A geometriát pedig úgy kellett kialakítani, hogy a felszabaduló energia ne egyszerűen gömbszimmetrikusan szétszóródjon, hanem használható hányada a jármű irányába koncentrálódjon.
Itt azonban fontos óvatosnak lenni a később megjelent Orion-ábrákkal és rekonstrukciókkal. Az impulzusegységek részletes felépítése közvetlenül kapcsolódott az amerikai nukleáris fegyvertechnológiához, ezért a program ezen részeinek jelentős része titkosított volt, és a nyilvánosságra került dokumentumok sem írnak le minden konstrukciót azonos részletességgel. Az alapvető fizika viszont ismert: az energiaforrás környezetében elhelyezett reakciótömeget rendkívül gyorsan kellett felhevíteni és felgyorsítani, majd az így létrejövő anyagáramot a tolólap felé irányítani.
Egy ilyen impulzus időskálája egészen más volt, mint egy hagyományos rakétahajtómű működéséé. A kémiai hajtómű égésterében másodperceken vagy perceken keresztül fennmaradhat a magas nyomás, az Orion esetében viszont az energia rendkívül rövid idő alatt szabadult fel. A tolólap ezért nem folyamatos erőt kapott, hanem egy rövid és rendkívül intenzív impulzust. Mechanikai szempontból az Orion hajtóműve tulajdonképpen óriási kalapácsütések sorozataként működött volna.
A tolólap feladata az volt, hogy ezekből az ütésekből a lehető legtöbb lendületet átvegye. Amikor a nagy sebességű anyag elérte a lemezt, lefékeződött és oldalirányba térült, miközben impulzust adott át neki. A lemez ennek hatására felfelé gyorsult, de itt rögtön jelentkezett az Orion talán legnehezebb mechanikai problémája: a tolólapot érő pillanatnyi gyorsulás nagyságrendekkel nagyobb lehetett annál, amit egy ember vagy akár az űrhajó legtöbb berendezése elviselhet.
A megoldás ezért nem az volt, hogy megpróbálják csökkenteni magát az impulzust, hiszen éppen abból származott a hajtóerő, hanem hogy időben széthúzzák annak átadását.
A tolólapot emiatt nem mereven rögzítették volna az űrhajóhoz. A klasszikus Orion-konstrukcióban a lemez és a jármű fő tömege között kétlépcsős mechanikus csillapítórendszer helyezkedett el. Az első fokozat közvetlenül a tolólap hirtelen mozgását fogta fel, majd a már mérsékeltebb és hosszabb ideig tartó mozgást egy második csillapítórendszer továbbította az űrhajó felső szerkezetének. A cél az volt, hogy mire a robbanásból származó mechanikai energia eléri a személyzetet, az eredeti rendkívül rövid gyorsulási csúcs helyett jóval kisebb, hosszabb ideig fennálló terhelés maradjon.
A fizikája lényegében ugyanaz, mint egy jármű futóművéé, csak extrém méretekben. Egy autó kereke egy úthibán áthaladva rövid idő alatt nagy függőleges gyorsulást kaphat, de a rugók és lengéscsillapítók megakadályozzák, hogy az utastér pontosan ugyanazt a mozgást kövesse. Az Orionnál a „kerék” egy több tíz méteres tolólap, az „úthiba” pedig egy nukleáris impulzus volt.
A rendszer működésének egyik bizarr tulajdonsága abból adódott, hogy a következő robbanás még azelőtt érkezhetett, hogy az előző által elindított teljes mechanikai ciklus befejeződött volna. A csillapítórendszer ezért nem egyszerűen minden robbanás után visszaállt nyugalmi helyzetébe: folyamatos periodikus mozgásba került volna, amelyet az impulzusok ritmusához kellett hangolni. Megfelelő frekvencia, rugózás és csillapítás mellett a tolólap impőulzív mozgása fölött elhelyezkedő fő járműtest már lényegesen egyenletesebb gyorsulással haladhatott.
Ez a megoldás azonban egy új problémát teremtett: az egész hajtóművet pontos ritmusban kellett működtetni. Ha az impulzus túl korán érkezik, a tolólap még rossz helyen lehet az előző ciklusból; ha túl későn, megváltozhat a rendszer dinamikája. Egy kihagyott impulzus sem feltétlenül jelentette volna a küldetés végét, de a vezérlésnek számolnia kellett azzal, hogy a következő detonáció már eltérő mechanikai állapotban találja a járművet.
Ehhez az impulzusegységeket először el kellett juttatni a megfelelő detonációs pontra. A nagy Orion-változatok ezért egy furcsa szerkezetet hordoztak volna a középvonaluk mentén: lényegében egy gyors működésű adagoló- és kilökőrendszert. A tárolóból érkező impulzusegységet a rendszer a tolólap közepén keresztül a jármű mögé juttatta volna, ahol a megfelelő pillanatban következik be a detonáció. Ezután már úton is kellett lennie a következő egységnek.
Egy több száz impulzust igénylő gyorsítás során mindennek újra és újra működnie kellett: egység kiválasztása, továbbítása, kilökése, távolság meghatározása, detonáció, tolólap mozgása, csillapítás, majd a következő ciklus. Az Orion ebből a szempontból legalább annyira hasonlított volna egy hatalmas automata gépre, mint egy hagyományos rakétára.
A rendszer vezérlése ráadásul lehetőséget adott volna a tolóerő szabályozására. Az Orionnak nem feltétlenül kellett minden pillanatban azonos energiájú impulzusokat azonos időközönként alkalmaznia. A tervezett változatoktól függően módosítható lett volna az impulzusok gyakorisága, energiája és a detonáció helye, így a jármű gyorsulását is a repülés adott szakaszához lehetett volna igazítani. Ez különösen a korai földi indítású Orionoknál számított volna, amelyeknél a felszállás kezdetén más körülmények uralkodtak, mint több tíz kilométeres magasságban vagy később a világűrben.
Az impulzusok irányának kismértékű megváltoztatása a jármű kormányzásában is szerepet kaphatott. Ha a plazma által átadott eredő erő nem pontosan a jármű tömegközéppontján halad át, forgatónyomaték keletkezik, amely lassan megváltoztathatja az Orion helyzetét. Egy több ezer tonnás űrhajónál természetesen nem arról volt szó, hogy minden robbanással hirtelen irányt váltanak, hanem sokkal inkább apró, egymásra épülő korrekciókról, miközben kisebb helyzetvezérlő rendszerek is segíthették volna az orientációt.
A tervezőknek közben egy másik, kevésbé látványos jelenséggel is számolniuk kellett: a tolólap minden impulzus után rezegni kezdett. Egy több tíz méter átmérőjű fémszerkezet nem tökéletesen merev tárgy, hanem saját rezgési módusokkal rendelkező rugalmas rendszer, ezért a plazma becsapódása hullámokat indíthatott el benne. Ha ezek frekvenciája kedvezőtlenül találkozik az impulzusok ismétlési frekvenciájával, rezonancia alakulhat ki, amely ismételt terhelés során komoly szerkezeti problémát okozhat. A tolólapot ezért nemcsak arra kellett méretezni, hogy egyetlen nagy ütést kibírjon, hanem arra is, hogy több száz vagy több ezer ciklus után se alakuljon ki veszélyes fáradás vagy rezonancia.
Ugyanez igaz volt a csillapítórendszerre. A dugattyúk, csuklók, rugózó elemek és tartószerkezetek minden egyes impulzusnál hatalmas terhelési ciklust kaptak volna, és egy hosszabb küldetés során ezt ezerszer vagy akár sok ezerszer meg kellett ismételniük. Egy Orion megbízhatóságát ezért nem lehetett egyszerűen azzal bizonyítani, hogy egy szerkezet túlél egy rendkívül nagy terhelést. Azt kellett bizonyítani, hogy ugyanazt a terhelési folyamatot újra és újra képes elviselni, miközben a geometria, a csillapítás és az időzítés végig az előírt tartományban marad.
Ezen a ponton érthető meg az Orion egyik legfontosabb műszaki sajátossága: a hajtómű és az űrhajó szerkezete gyakorlatilag nem választható szét. Egy Saturn V esetében beszélhetünk külön F–1 hajtóműről, amelyet egy rakétafokozatba építenek. Az Orion esetében viszont maga a tolólap, a csillapítórendszer, a jármű tömege, az impulzusegységek energiája és azok ismétlési frekvenciája együtt alkotta a meghajtórendszert. Ha megváltoztatjuk a jármű tömegét, megváltozik a mechanikai válasza; ha megváltoztatjuk az impulzus energiáját, újra kell hangolni a csillapítást; ha más frekvencián működtetjük a rendszert, figyelembe kell venni a szerkezet saját rezgéseit. Nem volt egyszerű ez a dolog.
A mérnököknek emellett azt is végig kellett gondolniuk, mi történik meghibásodáskor. Egy kimaradó impulzus kezelhető probléma lehetett, de egy rossz időpontban vagy rossz helyen bekövetkező detonáció már sokkal súlyosabb következményekkel járhatott. Különösen veszélyes lett volna, ha a következő impulzus akkor érkezik, amikor a tolólap és a csillapítórendszer még nem került megfelelő helyzetbe. Az Orion vezérlőrendszerének ezért nem egyszerűen időzítőként kellett működnie, hanem folyamatosan ismernie kellett a hajtómű mechanikai állapotát, és ehhez igazítani a következő ciklust.
Mindezek után válik érthetővé, miért dolgoztak az Orionon éveken keresztül úgy, hogy közben egyetlen nukleáris meghajtású prototípus sem épült. A nehézség nem abban rejlett, hogy egy atomrobbanás képes-e nagy tömeget megmozdítani – erre a válasz nyilvánvaló volt –, hanem abban, hogy a nukleáris robbanást ismételhető, szabályozható mérnöki folyamattá lehet-e alakítani. Egy valódi Orionnak több száz különálló, rendkívül energikus eseményt kellett volna úgy végrehajtania, hogy azok együttesen ugyanúgy viselkedjenek, mint egyetlen megbízható hajtómű.
Ha mindez működik, akkor valami egészen szokatlan történik. A jármű mögött nincs hosszú ideig működő égéstér, amelynek falát folyamatosan extrém hőmérsékleten kell tartani, és nincs olyan hagyományos fúvóka sem, amelyen keresztül a teljes hajtási teljesítményt át kell vezetni. A legnagyobb energiafelszabadulás szándékosan a járművön kívül történik. Ez tette lehetővé, hogy az Orion olyan pillanatnyi teljesítményszintekkel dolgozzon, amelyek egy hagyományos rakétahajtómű belsejében kezelhetetlenek lennének.
Ebből következett a program következő, szinte elkerülhetetlen kérdése. Ha már rendelkezésre áll egy olyan meghajtási elv, amelynél nem kell mindenáron néhány tíz tonnára leszorítani az űrhajó tömegét, akkor miért építsünk kicsi űrhajót?
A General Atomics tervezői erre meglehetősen határozott választ adtak: ne építsünk kicsit.
A következő részben ezért már a Project Orion valódi óriásai következnek: a több ezer tonnás referenciajárművek, az elképesztő hasznos terhek, a Holdra és Marsra tervezett expedíciók, valamint az a pont, ahol az Orion tervezői már nem rakétában, hanem lényegében önálló, bolygóközi hajókban kezdtek gondolkodni.
Források
General Atomics: Nuclear Pulse Vehicle Study – Condensed Summary Report, GA-4891 / NASA-CR-67367, 1965. Az Orion hajtórendszerének, impulzusegységeinek, tolólapjának, csillapításának és járműkonfigurációinak egyik legfontosabb korabeli műszaki összefoglalója.
George R. Schmidt, Joseph A. Bonometti, Paul J. Morton: Nuclear Pulse Propulsion – Orion and Beyond, NASA Marshall Space Flight Center, 2000. Az eredeti Orion-program és a külső nukleáris impulzushajtás későbbi NASA-elemzése.
T. W. Reynolds: Effective Specific Impulse of External Nuclear Pulse Propulsion Systems, NASA Lewis Research Center, 1972. A plazma irányítottságának, az impulzusátadásnak és a tolólappal való kölcsönhatásnak részletes elméleti vizsgálata.
NASA: Advanced Propulsion Study – Nuclear Fission Pulsed Rocket (Orion). Az Orion hajtórendszerének felépítését és a fejlett nukleáris hajtási rendszerek közötti helyét tárgyaló összehasonlító tanulmány.
General Atomics: az Orion impulzushajtásának mechanikai, szerkezeti és járműdinamikai vizsgálatairól készült korabeli műszaki jelentések.
