Эксперимент BEAR — лучевая пушка на ракете
Автор: Dilandu Albato
Одним из перспективных направлений программы Стратегической Оборонной Инициативы (СОИ) считались ускорители частиц. По сравнению с лазерами, излучатели высокоэнергетических частиц имели ряд существенных преимуществ. Во-первых, разогнанные до релятивистских скоростей протоны и электроны обладают массой. В отличие от фотонов, они не поглощаются целиком поверхностью цели, но проникают внутрь, поражая укрытое за обшивкой. Во-вторых, их поражающее действие не сводится к исключительно тепловому; тормозясь в материале цели, частицы не только разогревают материал изнутри, но еще и порождают мощное ионизирующее излучение, губительное как для живых существ, так и для электроники. В-третьих, технология ускорения и направления пучков заряженных частиц была намного старше лазеров — и гораздо лучше изучена.
В рамках программы СОИ, впрочем, основной задачей для излучателей представлялась дискриминация ложных целей. Пронизывая цель, луч высокоэнергетических частиц порождал вспышку электромагнитного излучения — зависящую в основном от плотности и материала цели. Анализируя это излучение, можно было гарантированно и почти мгновенно отличить настоящие боеголовки (массивные и плотные, с радиоактивной начинкой внутри) от надувных ложных целей. После чего немногочисленные настоящие боеголовки могли быть легко истреблены даже обычными противоракетами.
Перспектива весьма заманчивая — однако, на пути к пушке-ускорителю имелся ряд нерешенных вопросов.
Главной проблемой было то, что лучи заряженных частиц в вакууме довольно быстро теряли фокусировку и рассеивались. Это было связано с электростатическим отталкиванием одинаково заряженных частиц. Выпущенный в Космосе луч высокоэнергетических протонов или электронов очень быстро рассеялся бы. Эффективная дальность излучателя заряженных частиц, таким образом, была бы весьма ограничена.
Решением проблемы было нейтрализовать луч на выходе из излучателя. Соединить заряженные протоны и электроны, тем самым получив нейтральные атомы водорода (летящие на скоростях в десятки тысяч километров в секунду). Однако, нейтрализация луча приводила к ряду сложностей; в первую очередь, к его частичной расфокусировке при взаимодействии с нейтрализующей средой. Ученые не были в полной мере уверены, как именно этот процесс будет работать в условиях свободного падения — не проявятся ли какие-либо неучтенные феномены, нарушающие фокусировку лучу?
Существовали и другие проблемы. Неполная нейтрализация луча приводила к тому, что на поверхности космического аппарата — который некуда было заземлять — начал бы формироваться электростатический заряд. Насколько этот заряд был бы вреден для систем космического аппарата, точно сказать никто не мог.
Наконец, были и чисто инженерные вопросы — насчет возможности достаточно сложной и капризной аппаратуры ускорителя пережить перегрузки при запуске ракеты без повреждений.
Вопросов было больше, чем ответов. И с целью получить ответы на эти (а также множество других) вопросы, Национальная Лаборатория Лос-Аламос в конце 1980-ых инициировала эксперимент под названием BEAR — Beam Experiment Aboard Rocket (англ. Лучевой Эксперимент (на) Борту Ракеты)
КОНЦЕПЦИЯ:
Целью эксперимента BEAR было продемонстрировать работу небольшого линейного излучателя нейтральных частиц (атомов водорода) в космическом пространстве. Поскольку продолжительность эксперимента предполагалась небольшой, выводить экспериментальную установку на околоземную орбиту не было необходимости; достаточно было просто запустить ее по суборбитальной траектории на небольшой геофизической ракете. Время баллистического полета в вакууме и в свободном падении было вполне достаточно для всех задач.
Логотип эксперимента. С мишкой на ракете
Предполагалось изучить следующие аспекты:
* Работоспособность ускорителя нейтральных частиц в космическом пространстве;
* Формирование электрических зарядов на поверхности аппарата в результате работы ускорителя;
* Распространение и рассеивание луча нейтральных частиц в вакууме;
* Выявление возможных непредвиденных факторов поведения луча нейтральных частиц в вакууме;
* Влияние выбрасываемых газа/плазмы на космический аппарат;
КОНСТРУКЦИЯ
Аппарат BEAR был спроектирован с таким расчетом, чтобы уместиться в качестве полезной нагрузки в обтекателе модифицированной суборбитальной ракеты «Aries» (представляющей собой вторую ступень списанной МБР «Minuteman I»). Это накладывало достаточно жесткие ограничения по максимальным габаритам конструкции.
Общая схема ракеты BEAR
Конструктивно, экспериментальный аппарат состоял из следующих секций (от носа к хвосту):
* Секция Управления и Приземления — располагалась в головном обтекателе ракеты; вмещала систему двигателей ориентации, баки со сжатым азотом для них, и посадочный парашют для мягкого возврата системы;
* Телеметрическая & Физическая Секция — в которой располагалось оборудование для связи с наземными станциями, передачи данных эксперимента, а также ряд датчиков (вольтметр, плазменные детекторы) для оценки воздействия луча и выделяемой плазмы на сам аппарат;
* Секция Ускорителя — в которой, собственно, располагалась линейная лучевая пушка, стрелявшая высокоэнергетическими атомами водорода, а также аккумуляторы и запасы газа (ксенона) для нейтрализации луча;
* Секция Диагностики Луча — в которой находились магнитометрические датчики, камеры видимого и ультрафиолетового спектра, предназначенные для наблюдения непосредственно за лучом;
* Соединительная Секция — служила для соединения аппарата BEAR с ракетным ускорителем (отбрасывалась вместе с ускорителем);
* Двигательная Секция — ускоритель «Aries» с твердотопливным двигателем «Aerojet» M56, автопилотом и системой управления в полете посредством отклонения расположенных на карданном подвесе сопел (отбрасывался вскоре после завершения разгона);
Общий вес аппарата BEAR — без учета ускорителя - составлял около 700 килограмм. Длина аппарата составляла 24 фута (7,3 метра), диаметр корпуса равнялся диаметру ускорителя — 3 фута 8 дюймов (1,2 метра).
Ускорительная секция BEAR
Основным компонентом BEAR являлся, разумеется, линейный ускоритель частиц, предназначенный для придания атомам водорода энергии около 10 МэВ (мегаэлектронвольт). Он был разработан ученым лаборатории Лос-Аламос при участии фирм «McDonnel Douglas», «Grumman» и «Westinghouse». Хотя сами по себе ускорители частиц являлись давно отработанной технологией, создание ускорителя, способного выдержать значительные перегрузки при старте ракеты, было непростой инженерной задачей.
Схема ускорителя BEAR
Ускоритель располагался «задом-наперед», то есть шел от носа BEAR к хвосту и выстреливал луч с кормы аппарата. Такое решение было связано с тем, что в носовом обтекателе ракеты располагался посадочный парашют, и места для выходного клапана луча там просто не оставалось.
Источником ионов водорода — протонов — служила газоразрядная ячейка Пеннинга-Дудникова. Сжатый водород из баллона подавался через импульсный клапан в разрядную камеру, где ионизировался газовым разрядом; избыток электронов удалялся подачей в плазму цезия. Полученный пучок отрицательных протонов (анионов, H-) вытягивался из камеры через эмиссионную щель при помощи электрического поля в 30 килоэлектронвольт.
Далее анионный луч поступал на линию транспортировки пучка низких энергий (англ. LEBT — Low Energy Beam Transport), которая выполняла фокусировку пучка посредством соленоидных катушек и «очистку» его от электронной плазмы посредством впрыскивания ксенона.
Компоненты ускорителя
Сфокусированный луч ионов низких энергий подавался в линейный ускоритель, где каскад радиочастотных резонансных камер (импульсной мощностью 60 киловатт, резонансной частотой 425 +/- 0,5 мегагерц) повышал энергию пучка до уровня порядка 1 мегаэлектронвольт. На выходе из резонансного каскада, высокоэнергетический луч вновь фокусировался системой транспортировки пучка высоких энергий (англ. HEBT — High Energy Beam Transport). Высокий вакуум в резонансной системе поддерживался с помощью пары ионно-геттерных насосов, откачивающих избыток водорода; отдельная криопомпа использовалась для откачки и рециркуляции ксенона.
Схема системы охлаждения/поддержания вакуума внутри ускорителя
Нейтрализация луча осуществлялась пропуском его через облако ксенона, который впрыскивался на трассу луча небольшими порциями через специальный быстродействующий клапан. Режим работы нейтрализатора был подобран таким образом, чтобы нейтрализовать примерно половину проходящих через него ионов, превращая их в нейтральные атомы водорода. На выходе из нейтрализатора, луч состоял примерно на 50% из атомов водорода, и по 25% положительно и отрицательно заряженных ионов.
Собранный ускоритель в лаборатории (источник ионов — сверху)
Нейтрализованный луч покидал аппарат через клапан в его кормовой части. Прямо за клапаном располагался сетчатый сканер, служивший для считывания профиля луча и определения его расхождения на выходе из аппарата. Рядом с выхлопным отверстием также располагались две видеокамеры — оптического и ультрафиолетового диапазона — использовавшиеся для визуализации водородного луча за счет взаимодействия его с окружающим атмосферным азотом.
Полностью собранная система прошла проверку на стенде лаборатории. Результаты оказались даже несколько лучше расчетных; яркость луча оказалась выше, а расхождение — меньше, чем предполагалось.
Выходные данные ускорителя BEAR согласно расчетам (слева) и полученные во время испытаний (справа)
В теории, ускоритель должен был генерировать водородный луч энергией до 1 мегаэлектронвольт, частотой пульсаций 5 герц при продолжительности каждого импульса 5 микросекунд. Диаметр луча на выходе из аппарата планировался в 10 миллиметров, расхождение — 0,9 миллирадиан. Разумеется, BEAR был чисто экспериментальной установкой, предназначенной для исследовательских целей, и эти данные были далеко не предельными, которые можно было бы получить с оборудования.
ПОЛЕТ:
Первую попытку запустить BEAR предприняли 12 июня 1989 года с полигона Уайт Сэндс (штат Нью-Мехико). Но за час до окончания обратного отсчета, ее пришлось отложить из-за внезапного отказа нагревателей компонентов криосистемы ускорителя — что могло привести к замерзанию и разрушению криосистемы в полете.
Ракета с BEAR на стартовой площадке
Работая в авральном режиме, техники проекта BEAR сумели выявить проблему — короткое замыкание во внешнем кабеле — и устранить ее в рекордные сроки. Обратный отсчет продолжился, дошел до нуля... и ракета осталась стоять на стартовой площадке. Произошла поломка в системе зажигания ускорителя.
Сама по себе эта проблема была решаема, но на этом неприятности не закончились. Несмотря на то, что двигатель не зажегся, система управления полетом BEAR команду на отмену не получила и продолжала бездумно выполнять свою программу. Спустя две минуты после «старта», автоматика открыла выпускной клапан — что привело к немедленному прорыву воздуха внутрь ускорителя (вакуумного!), разрыву аварийных клапанов криосистемы и множеству прочих проблем.
Запуск пришлось отменить, BEAR снять с ракеты и отправить в лабораторию для обследования. К искреннему удивлению инженеров, когда аварийные клапаны заменили и откачали воздух, BEAR заработал, как ни в чем не бывало — никаких повреждений система не получила. Такая неожиданная «живучесть» аппарата вдохновила команду, и, как только на полигон была доставлена запасная ракета, подготовку к запуску возобновили.
Траектория полета и стадии работы BEAR
В итоге запуск BEAR состоялся 13 июля 1989 года в 02.30 минут по Североамериканскому Горному Летнему Времени (11:30 по МСК). На этот раз все прошло как предполагалось; единственно, траектория ракеты оказалась незначительно ниже расчетной.
Ракетный ускоритель проработал 63 секунды, после чего отключился на высоте 44 километра и отделился спустя 20 секунд на высоте около 78 километров. BEAR продолжал подниматься по инерции. На высоте 81 километра, система стабилизации выполнила запрограммированный маневр, приведя продольную ось аппарата к линии направленности геомагнитного поля. На 91 секунде полета, было подано питание на ускоритель. На 127 секунде прошла последняя проверка, подтвердившая работоспособность системы. И, наконец, на 128 секунде полета, ускоритель частиц выпустил свой первый луч.
Водородный луч (вертикальная линия) выходящий из BEAR
Спустя 176 секунд после старта, BEAR выполнил второй маневр — на этот раз развернувшись перпендикулярно геомагнитным линиям. Это было необходимо, чтобы удостовериться, что луч правильно нейтрализован, и магнитное поле Земли только отделяет оставшиеся заряженные частицы от нейтральных, не приводя к рассеиванию луча. Затем, на 193 секунде полета, аппарату было придано вращение вокруг продольной оси. Наконец, на 212-ой секунде полета, аппарату придали нутационное движение. BEAR достиг апогея в 195 км (чуть ниже предполагавшегося 200 км) на 245 секунде полета, и начал падать вниз.
Пока аппарат снижался, автоматика провела еще несколько экспериментов. Для начала, подачу ксенона в нейтрализатор отключили; теперь BEAR излучал практически чистый луч анионов. Бортовые сенсоры изучали накопление электрического заряда на корпусе аппарата и формирование плазменного ореола вокруг заряженного луча. После этого, в нейтрализатор, наоборот, подали избыток ксенона, практически полностью нейтрализовав луч.
Эксперименты завершились на 400-ой секунде полета, на высоте около 90 км — когда плотность атмосферы начала быстро расти. Выпускной клапан закрылся, подачу питания на ускоритель отключили. На высоте 6 километров, BEAR выпустил посадочный парашют, и мягко опустился в 77 километрах к северу от стартовой площадки.
BEAR после приземления
После подбора аппарата, он был доставлен в лабораторию и осмотрен. Хотя во время посадки BEAR и получил некоторые повреждения, все они были легко исправлены; главное же, что ускоритель по-прежнему пребывал в полной исправности. Все детали аппарата функционировали исправно весь полет, за единственным исключением; пьезоэлектрический клапан, регулирующий подачу водорода из бака, несколько деформировался во время отделения ускорителя, и пропускал примерно на 10% больше водорода, чем надо было. Это привело к нестабильности дуги в разрядной камере, но в целом не сказалось на эксперименте.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ:
В результате эксперимента BEAR были сделаны следующие выводы:
Слева-направо: расчетные данные 1985 года; данные тестовых испытаний 1988 года; данные испытаний нагрузки перед установкой на аппарат 1989 года; данные проверки непосредственно перед запуском; полетные данные
* Была подтверждена на практике возможность создать ускоритель нейтральных частиц, способный работать в Космосе;
* Результаты работы ускорителя в полете в целом совпадали с лабораторными;
* Никаких аномальных эффектов вызывающих расхождение или дрожание луча не было обнаружено;
* Работа ускорителя не сказывалась на остальном оборудовании (впрочем, отмечалось, что таковое было надежно изолировано);
* Распространение луча в вакууме соответствовало теоретическому;
* Формирование электрического заряда на корпусе аппарата (включая намеренное, путем отключения нейтрализатора) не привело к каким-либо негативным последствиям;
* Никаких неожиданных или необъяснимых феноменов не было выявлено.
Все это подтверждало главную цель эксперимента: луч нейтральных частиц мог успешно работать в Космосе, и (потенциально) использоваться как составляющая программы СОИ.
Макет предполагаемого боевого спутника с излучателем нейтральных частиц от компании "McDonnel Douglass", 1987
К этому времени, ведущие аэрокосмические корпорации США — «McDonnel Douglass», «Lockheed», «Martin Marietta» и «TRW, Inc.» — уже занимались концептуальной проработкой спутников, способных нести пушки-излучатели для СОИ. Задача представлялась... нелегкой. Если BEAR был относительно компактной системой, основной задачей которого было подтвердить лабораторные результаты, то полноценный «боевой» излучатель должен был быть на порядки более мощным сооружением, способным фокусировать поток атомов на быстро движущихся целях за десятки тысяч километров.
Спутник с излучателем от «Martin Marietta»
Практически все проекты исходили из того, что запустить боевой спутник-излучатель одним запуском не выйдет. Конструкция была слишком массивной (главным образом, из-за габаритных требований ускорителя), требовала большого объема баков и атомного источника энергии. Единственным рациональным решением выглядело запустить спутник по частям при помощи «Шаттлов» и смонтировать на околоземной орбите.
Спутник с излучателем от «Lockheed» и «General Electric»
Объем задач, которые предстояло при этом решить, был, разумеется, грандиозным. Но BEAR продемонстрировал принципиальную работоспособность самой концепции. Лаборатория Лос-Аламос рассчитывала в 1990-ых запустить следующий ракетный эксперимент — с целью значительно расширить спектр изучаемых условий, и, возможно, попробовать «пострелять» водородным лучом по отделяемым от аппарата мишеням. Но...
Спутник с излучателем от «TRW, Inc.»
В 1991 году, к великому расстройству американских ракетчиков, Советский Союз распался. Программа СОИ (относительно стоимости которой уже высказывались большие сомнения) в новых условиях оказалась уже не нужной, и была отменена в пользу более консервативной программы Национальной Противоракетной Обороны, основанной на стартующих с Земли противоракетах наземного и корабельного базирования. Проекты боевых спутников с лазерами и ускорителями частиц так и остались на бумаге.
Художественное изображение спутника-излучателя нейтральных частиц от лаборатории Лос-Аламос
Впрочем, учитывая нынешние темпы гонки космических вооружений — и объявленную президентом Трампом программу глобальной противоракетной обороны — не исключено, что в Лос-Аламосе уже сдувают пыль со старых чертежей, и прикидывают, каких размеров и мощности пушку-ускоритель можно будет построить на основе «Старшипа»)