Готовый перевод PROJECT ORION The True Story of the Atomic Spaceship / ПРОЕКТ ОРИОН: Подлинная история атомного взрыволета: 3 ДЕМОН УЛАМА

3 Демон Улама

Хотя роль Станислава Улама [Stanislaw Ulam] в изобретении Теллера-Улама, достаточно долго была предметом спора со стороны Эдварда Теллера [Теллер себя считал главным отцом идеи], зато Улам надежно зафиксирован историей как главный изобретатель космического движения с помощью ядерных бомб. "На следующий день после 'Тринити' он обнаружил, что непроизвольно возвращается к мысли, запустить что-нибудь этим способом по баллистической траектории», - рассказывал Тед. В 1959-ом году AEC запатентовала концепцию космического аппарата движимый бомбами на его имя и имя Корнелиуса Эверетта[Cornelius Everett]. «Это не имеет значения», — сказал однажды Улам в ответ на некое резюме по поводу проекта «Орион», в котором не было указано его отцовство. «В конце концов, это МОЙ патент!» Ядерное импульсное движение было всего лишь одной из идей Улама, в областях от чистой математики, через физику оружия, до того, что сейчас называется наукой о сложности. И всё это связано, благодаря Уламу, с его новой родиной в Санта-Фе.

«Он был индивидуалистом, очень сложным человеком, поляком и, прежде всего, служил образцом контрастов и противоречий», - говорит его жена Франсуаза. «Он жил в основном внутри своего разума». Но при этом он был очень общительным. «Многие из нас в лаборатории, кто был как-то связан с ним, знали, как сильно он не любил оставаться один, как он звал нас в нерабочее время, чтобы спастись от одиночества какого-нибудь гостиничного номера или просто от четырех стен своего офиса, после того как он исчерпывал свой ежедневный лимит междугородних звонков», — говорит его коллега-математик Джан-Карло Рота [Gian-Carlo Rota]. «Однажды я набрался смелости спросить его, почему он постоянно ищет компанию, и его ответ сдал его. 'Когда я один', — признался он, - 'это вынуждает меня думать изо-всех сил».

«Улам что-то знает, буквально, обо всем», — говорит Брайан Данн [Brian Dunne], который вспоминает, как возил Уламов в Пойнт-Лому из Ла-Хойи на своем "Фольксвагене", чтобы показать запуск одной из моделей "Ориона" с помощью химической взрывчатке, что проводились в 1959-ом году. Качество полета зависело от точности рассчитанных по времени последовательных подрывов, и Улам помог получить кое-какие из детонаторов с низким разбросом качества, разработанных в Лос-Аламосе, там они обеспечивали идеально симметричную имплозию, которая запускает взрыв бомбы. «Он был настоящей уникум во многих отношениях», — подтверждает Бруно Огенштейн [Bruno Augenstein], аналитик RAND и архитектор программы США по МБР, который периодически пересекался с Уламом в годы эпохи водородной бомбы. «Он был одновременно одним из самых умных людей, которых я когда-либо встречал, и, одновременно, одним из самых ленивых — интересное сочетание». Франсуаза не согласна с этим: «Своей аристократической небрежностью он производил впечатление ленивого, но на самом деле он все время напрягал себя умственно». В 1953-ом году Клэр Улам, которой было девять лет, была подслушана взрослыми, когда сказала своей подруге: «Мой папа только и делает, что думает, думает, думает!»

Улам эмигрировал из Польши в США в 1935-ем году, чтобы присоединиться к фон Нейману в Институте перспективных исследований. В 1941-ом году, получив гражданство США, он попытался поступить на службу в ВВС, надеясь стать штурманом, если не пилотом, но из-за возраста и несовершенного зрения его заявление было отклонено. В 1943-м году он обратился к фон Нейману, мол, как бы он мог помочь в военных действиях, и, как вспоминает Улам, «Джонни намекнул, что ведется интересная работа - он не мог сказать мне, где». Через время Улам получил приглашение, подписанное Гансом Бете, «присоединиться к некому проекту, который проводил важную работу в области физики, имевшей какое-то отношение к внутреннему строению звезд». Он принял приглашение, опираясь на репутацию Бете, не зная, на что он согласился и где всё это будет. «Вскоре после этого, другие люди, которых я хорошо знал, начали просто исчезать один за другим. Наконец я узнал, что мы направляемся в Нью-Мексико, в некое место недалеко от Санта-Фе».

Уламы с дочерью Клэр прибыли в Лос-Аламос в феврале 1944-го года. «За всю историю науки не было ничего даже отдаленно приближающегося к такой концентрации умов», - отметил он, пораженный командой ученых, которую Оппенгеймер собрал на плато над Санта-Фе. «В тридцать четыре года я уже был уже одним из стариков». Улам нашел военнизированный Лос-Аламос освежающим в контрасте с академической жизнью. «Люди здесь были готовы взять на себя второстепенные роли ради внесения вклада в общее дело», - отметил он. «Жюль Верн предвидел это, когда писал о необходимых коллективных усилиях для его 'Путешествия на Луну'». Знакомство Улама с физикой выявило в нём таланты, которые в противном случае могли бы остаться незамеченными на столь позднем этапе математической карьеры. «Я обнаружил, что основная необходимая способность - это визуальный, а также почти тактильный способ представления физической ситуации, а не просто логическая картина проблемы. Можно представить себе субатомный мир почти осязаемо и манипулировать картиной размерно и качественно, прежде чем вычислять более точные соотношения».

В течение более чем полувека мы неизменно разделяли использование ядерной энергии на два различных категории: реакторы и бомбы. Современный ядерный истеблишмент делает все возможное, чтобы сохранить эту дихотомию: убедиться, что бомбы взрываются, а реакторы нет. Однако спектр между реакторами и бомбами представляет собой некий континуум вариантов гибридных решений. Некоторые из самых ранних идей ядерного движения, можно сказать, были в середине этого спектра, где-то между сильно перегретым реактором и бомбой деления, которая сделал "пшик". В протоколе одного неформального совещания по ядерным ракетам, состоявшегося в Лос-Аламосе 17 января 1949-го года и записанного Фредериком де Хоффманном [Frederic de Hoffmann], отмечается, что «группа исходила из того, что должен быть доступен эффективный метод доставки ядерных бомб», и рассматривала, по крайней мере, одну конструкцию, в которой «ядерный двигатель становился бомбой в точке падения», заключив, что полученный гибрид будет неэффективен и как ракета, и как бомба. «Также была отмечена возможно запустить это к Луне и, таким образом, получить интересные физические данные», - добавлено в протоколе работы группы. Среди участников были Георгий Гамов[George Gamow], Эдвард Теллер и Фред Рейнес[Fred Reines], а также Улам и де Хоффман.

«Идея использовать ядерную энергию для движения космических аппаратов родилась сразу, как только ядерная энергия стала реальностью», - вспоминает Улам. «Это была вполне очевидная мысль- попытаться использовать эту куда большую концентрацию энергии для приведения в движение космических кораблей с очень большой полезной нагрузкой для амбициозных космических исследований или даже для экскурсий на Луну. Я думаю, Фейнман был первым в Лос-Аламосе во время войны, кто заговорил об использовании атомного реактора, который нагревал бы водород и выбрасывал этот газ на высокой скорости». Именно эта идея легла в основу долговременных усилий Ливермора и Лос-Аламоса, позже объединенных в проект "Ровер" [Project Rover] (названный Гербертом Йорком [Herbert York] в честь вымышленных Ровер-боев [Rover Boys]) и программу NERVA (Nuclear Energy for Rocket Vehicle Application), которая активной развивалась до 1973-го года. Все эти ядерные ракеты (и параллельный им разные проект по созданию атомного самолета) были бы грязными даже в лучшем случае безаварийного полёта и привели бы к сильной радиоактивной катастрофе, если бы что-то пошло не так. «Выделяющееся при распаде продуктов деления тепло приведет к расплавлению и/или испарению реактора в течение примерно 30 секунд после остановки, если подача охлаждающей жидкости будет прекращена или закончится.» — отметил Р. В. Буссард [R. W. Bussard], рассматривая перспективы создания ядерной ракеты «Атлас» в 1956-м году.

Впервые Стэн Улам начал серьёзно размышлять о движении с помощью внешних ядерных взрывов в 1946-ом. Предварительные расчеты были записаны в до сих пор засекреченном меморандуме, написанном в соавторстве с Фредом Рейнесом [Fred Reines] в 1947-ом. Джондейл Солем [Johndale Solem], физик из Лос-Аламоса, изучающий сейчас возможность применить корабли типа «Орион» для отклонения астероидов от столкновения с Землей, подтверждает, что видел оригинал меморандума, когда чистил сейф T-дивизиона. «Я спросил об этом Фреда Рейнеса, и он сказал: 'Ну, Стэн уговорил меня на это'. Он явно не хотел признавать, что был причастен к зарождению идеи «Ориона». То, что мы тогда раскопали во время чистки, потом ушло куда-то в архивы».

«Я слышал, как Стэн говорил об этом в...эм... может быть, это было в 1948 году?» — вспоминает Харрис Майер [Harris Maye], коллега из Лос-Аламоса, чьи идеи о непрозрачности материи при высоких температурах были актуальны как для "Ориона", так и для водородной бомбы. «Мы много знали о ядерных бомбах. В то время мы не знали о водородных бомбах. Но его идея была очень простой. Если вы выбросите ядерную бомбу из задней части ракетного корабля, она взорвется и даст ему толчок. Теперь он думал о ракетном корабле обычного размера и класса, что-то вроде "Атлас"; весь корабль весит, может быть, 100 тонн. Мы просто провели мозговой штурм. Вот на каком уровне это было! И сразу поняли, что это не пилотируемый корабль. Ускорения просто раздавят человека в кляксу. Поэтому мы не беспокоились обо всех остальных вещах, радиоактивности и так далее. Поэтому никто ничего не предпринял дальше по этому поводу».

В 1955-ом Улам, совместно с Корнелиусом Эвереттом подготовил более подробный отчет «О методе приведения в движение снарядов с помощью внешних ядерных взрывов» [On a Method of Propulsion of Projectiles by Means of External Nuclear Explosions], опубликованный как секретный документ Лос-Аламоса LAMS-1955. Cлучайное совпадение номера документа с годом публикации было мелочью, которой Улам особенно гордился. «Повторяющиеся ядерные взрывы позади корпуса аппарата считаются средством ускорения таких объектов до скоростей порядка 10^6 см/сек [1000 км/с]... этого типа снаряды могут рассматриваются для применения в межконтинентальной войне, и, возможно, даже большего, для выхода из гравитационного поля Земли, в случае запуска беспилотных летательных аппаратов», — писали в этой отчёте Улам и Эверетт. Рассматривая ход мыслей, лежащий в основе этих идей, «некоторые из которых возникли еще десять лет назад», Улам и Эверетт проследили всю логическую последовательность, которая ведет от энергетических ограничений обычных ракет к температурным ограничениям ядерной ракеты с внутренним источником тепла и к прорыву, который становится возможным, если довести ядерный реактор до его крайней точки, взрыва как бомбы, и обеспечить при этом изоляцию возникающей высокой температуры от корабля. «Схема, предложенная в настоящем докладе, предполагает использование ряда одноразовых реакторов (бомб деления), выбрасываемых и взрываемых на значительном расстоянии от корабля, которые высвобождают необходимую энергию во внешнем «двигателе», состоящем, по сути, из пустого пространства. Критический вопрос в связи с таким методом - в его реальной способности использовать запас ядерной энергии, высвобождаемой при температурах бомбы, при этом не разрушив и не расплавив корабль».

Улам и Эверетт предложили выбрасывать диски из легкого пластикового топлива отдельно от бомб. «Предполагается, что корабль имеет форму блюдца, диаметром около 10 метров, что в любом случае достаточно для того, чтобы перехватить все или большую часть взрывающегося топлива. Его конечная масса составляет, возможно, 12 тонн... Бомбы выбрасываются с интервалом примерно в одну секунду из основания ракеты и детонируют на расстоянии около 50 метров от основания. Синхронно с этим выбрасываются дискообразные массы топлива таким образом, что расстояние между ракетой и топливом составляет около 10 метров в момент попадания в нее взрывающейся бомбы. Топливо нагревается до высокой температуры и, расширяясь, передает импульс кораблю». Корабль будет нести около пятидесяти бомб, каждая весом около полутонны, мощностью примерно в одну килотонну. «Ускорения порядка 10 000 g, безусловно, велики», — признали они. Транспортировка пассажиров и хрупких грузов будет невозможна, а механизмы управления должны быть защищены от ударов.

Услышав новость о запуске спутника, Тед Тейлор прежде всего начал думать о том как добавить в концепцию Улама амортизаторы, которые сделают импульс взрыва терпимым для человеческого экипажа. "В ту ночь размышлений об этом" - вспоминает он - "я вынес для себя ту идею, что если вы действительно соедините все требования, которые вы предъявляете к любому транспортному средству для исследования Солнечной системы, все что требуется, а не приблизительно, вы непременно придете к необходимой для осуществления этого энергий в масштабах того, что выделяется при взрыве большого количества ядерных зарядов. Придя к этому и думая о том, что же можно сделать, я начал себе говорить: 'Ого, вот о чем Стэн Улам говорил все эти годы'. Я уже прочёл его LAMS-1955, и мы со Стэном время от времени встречаясь у него дома, в его офисе или где-нибудь еще, обедая в кафе, к примеру, уже разговаривали о его идее двигателя и о том, как заинтересовать людей что бы начать ее воплощать».

Когда предложение о проекте «Орион» впервые было распространено в Вашингтоне в 1958-ом, его сразу поддержали и Ганс Бете, и Стэн Улам. Улам свидетельствовал в пользу «Ориона» перед Объединенным комитетом по атомной энергии, объяснив собравшимся конгрессменам в январе 1958-го года, что «это почти как идея Жюля Верна запустить ракету на Луну». В апреле он снова выступил перед комитетом, подчеркнув: «похоже, что большой корабль с полезной нагрузкой порядка 1000 или нескольких тысяч тонн может двигаться с помощью такой тяги... Эти планируемое транспортные средства — очень крупное сооружения. Тут речь идет не о 'космических капсулах', а о комфортабельных помещениях для пассажиров такого корабля». В ответ на опасения, что "Дженерал Атомик" украл концепцию, разработанной в национальной оружейной лаборатории, он успокоительно написал сенатору Клинтону П. Андерсону, председателю комитета, что «доктор Тейлор — один из самых изобретательных молодых ученых в этой стране, и если бы не он, проект, вероятно, так и остался бы в форме чисто умозрительно-теоретической схемы».

«Этот космический корабль мог бы перевозить сотни или тысячи людей», — позже объяснял Улам. Он пытался заинтересовать идеей Джорджа Кистяковски [George Kistiakowsky], научного советника президента Эйзенхауэра, «но его приняли без восторга». Другие идеи Улама о космических путешествиях тоже сильно превосходили и оставляли далеко позади крайне ограниченные горизонты Вашингтона. 1-го апреля 1958-го года он написал краткий отчет в Лос-Аламосе «О возможности извлечения энергии из гравитационных систем с помощью навигации космических аппаратов» [On the Possibility of Extracting Energy from Gravitational Systems by Navigating Space Vehicles], описывая, как космический корабль может работать как гравитационный «демон Максвелла», усиливая тем самым свой ограниченный запас топлива и ракетной массы, используя вычислительный интеллект для выбора траектории, чтобы собирать энергию небесных тел [гравитационным манёвром], пролетая мимо.

Привязная модель диаметром один метр, подвешенная к испытательной башне от ракеты «Атлас» в Пойнт-Лома в ходе подготовки к испытаниям с использованием единичного фугасно-взрывного устройства.

Напомню. Джеймс Клерк Максвелл - это автор знаменитых уравнений Максвелла, формализующих концепцию электромагнитного поля, и он же дал своё имя максвелловскому распределению кинетической энергии между частицами идеального газа. В 1867-ом году он придумал воображаемое существо, которое Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1874-ом году метко окрестил «демоном Максвелла», «чьи способности настолько тонкие, что он может следить за каждой молекулой на ее траектории». Демон, как предполагалось, бросает вызов второму началу термодинамики, нагревая отсек в закрытой системе без затрат физической работы, открывая и закрывая исчезающе маленькую дверцу-ловушку, чтобы впускать через нее молекулы с высокой скоростью и выпускать молекулы с низкой скоростью. Разрешение этого кажущегося парадокса привело к прогрессу сначала в термодинамике, а затем в квантовой механике. В 1929-ом году Лео Силард показал, что даже если работа для открывания дверцы совершенно не требует усилий, затраты на проведение наблюдений, необходимых для сортировки быстрых молекул от медленных, в итоге гарантируют соблюдение законов термодинамики.

Распределение энергии Максвелла среди совокупности всех частиц при термодинамическом равновесии подразумевает равное распределение энергии, а это означает, что кинетическая энергия имеет тенденцию выравниваться по всей совокупности частиц с течением времени. Легкие частицы в конечном итоге движутся с относительно высокими скоростями, а тяжелые частицы в конечном итоге движутся относительно медленно. Космический корабль весом 4000 тонн в конечном итоге движется быстрее планеты — при наличии достаточного количества времени. Если применение кинетики газа к межпланетному транспорту кажется надуманным, вспомните, что Максвелл впервые начал работать над этой идеей, которая позже адаптированна к термодинамике, в попытке объяснить распределение по размеру и скорости частиц, которые составляют кольца Сатурна.

«В качестве примера ситуации, которую мы имеем в виду», - объяснял Улам - «предположим ракету, курсирующую между Солнцем и Юпитером, т. е. по орбите, приблизительно равной орбите Марса, с запасом энергии, который позволил бы увеличить кинетическую энергию транспортного средства примерно в 2 раза. Вопрос в том, может ли она, планируя подходящее прохождение мимо Юпитера, а затем более близкое прохождение от Солнца, получить, скажем, в 10 раз больше энергии. Ясно, что на общих термодинамических основаниях «в общем» может иметь место равнораспределение энергии... Однако ничего не говорится о времени, необходимом для осуществления этого. Оно может быть сверхастрономической длины... Но при наличии управляющего интеллекта, возможно, это приближение к состоянию, близкому к равновесию, можно было бы сделать значительно более быстрым. Проблема в том, можно ли, управляя ракетой, с минимальными затратами на это приобрести свойства демона Максвелла, т. е. планировать изменения траектории таким образом, чтобы сократить на много порядков время, необходимое для получения очень высоких скоростей».

«Я помню, как Стэн говорил о возможности создания демона Максвелла, что это может быть физически возможным явлением», — вспоминает Тед Тейлор. Улам намекнул, что он думал о все еще засекреченных возможностях "Ориона", чья круизная скорость для версии в 4000 тонн оценивалась в 20 км/секунду. «Вышеизложенное обсуждение, конечно, предназначено для чисто теоретического, математического обсуждения», — написал он - «Тем не менее, в течение следующих нескольких десятилетий крупные объекты могут быть построены и запущены с крейсерской скоростью 20 километров в секунду, и все равно останется некоторая потребность в дополнительной энергии». Хотя гравитационная энергия, по-видимому, доступна бесплатно, интеллект, необходимый для работы такого двигателя на равномерном распределении, будет иметь свои издержки, особенно когда даже небольшие компьютеры, медленнее, чем карманный калькулятор сегодня, потребляют киловатты для работы на килогерцев скоростях при весе в тонны. «Вычисления, необходимые для планирования изменений в траектории, могут быть непомерно длинными и сложными.» - предупредил Улам.

Проект «Орион» имел постоянную и горячую поддержку Улама. Он лоббировал Конгресс, добивался поддержки в Лос-Аламосе и поощрял Теда и остальных лоббистов «Орион». "Метеоры, некоторые из которых прилетают со скоростью тридцать километров в секунду, не подвергаются чрезмерному разрушению, хотя, судя по всему, они не были специально спроектированы для этого." - писал он Теду в 1962-ом году, когда возникли споры-опасения по поводу того, выдержит ли поверхность толкающей пластины удар плазмы ракетной массы. После смерти проекта «Орион» он продолжал верить в его возрождение, возможно, как совместную миссию США и СССР в более мирное время чем теперь. Однако тогда, оказавшись в тени, так сказать, оглушительного успех другого изобретения Теллера-Улама, «Орион», возможно, и был той самой надеждой, которая оказалась в итоге всё же в заточении, после того, как Московский договор о запрете испытаний в трех средах 1963-го года начал, таки, закрывать крышку ящика Пандоры.

«Это была просто безумная идея, на самом деле. Одно из тех волшебных мечтаний», - говорит Франсуаза Улам - «Увы! Но они хорошо провели время в Калифорнии. Мы как-то раз поехали к ним в гости и увидели одну их маленькую поделку. Эта маленькая игрушка взлетел, а затем вернулся на парашюте в Пойнт-Лома. Им было весело, но неужели они действительно думали, что это взлетит на самом деле?»

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/64118/317389

Переводчики: Alex_semenov