El Proyecto Orión fue un estudio realizado en los años 1950 y 1960 por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos , DARPA , [1] y la NASA sobre la viabilidad de una nave espacial de pulso nuclear que sería impulsada directamente por una serie de explosiones atómicas detrás de la nave. [2] [3] Se propuso que las primeras versiones del vehículo despegaran desde el suelo; las versiones posteriores se presentaron para su uso solo en el espacio. El esfuerzo de diseño se llevó a cabo en General Atomics en San Diego, [4] y entre los partidarios se encontraba Wernher von Braun , [5] quien publicó un libro blanco defendiendo la idea. [2] [6] Se realizaron pruebas no nucleares con modelos, [7] pero el proyecto finalmente se abandonó por varias razones, incluido el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos de 1963 , [8] que prohibía las explosiones nucleares en el espacio, en medio de preocupaciones por la lluvia radiactiva. [2]
El físico Stanislaw Ulam propuso la idea general de la propulsión por pulsos nucleares en 1946, [9] y los cálculos preliminares fueron realizados por Frederick Reines y Ulam en un memorando de Los Álamos fechado en 1947. [9] [3] [10] En agosto de 1955, Ulam fue coautor de un documento clasificado que proponía el uso de bombas de fisión nuclear, "expulsadas y detonadas a una distancia considerable", para propulsar un vehículo en el espacio exterior. [4] [9] El proyecto fue dirigido por Ted Taylor en General Atomics y el físico Freeman Dyson quien, a petición de Taylor, se tomó un año fuera del Instituto de Estudios Avanzados de Princeton para trabajar en el proyecto. [11] En julio de 1958, DARPA acordó patrocinar Orion a un nivel inicial de $ 1 millón por año, momento en el que el proyecto recibió su nombre y comenzó formalmente. [11] [7] La agencia concedió un estudio del concepto a General Dynamics Corporation , [8] pero decidió retirar el apoyo a finales de 1959. [11] La Fuerza Aérea de los EE. UU. aceptó apoyar a Orion si se encontraba un uso militar para el proyecto, y la Oficina de Vuelos Espaciales Tripulados de la NASA también contribuyó con la financiación. [4] El concepto investigado por el gobierno utilizó un escudo antiexplosiones y un amortiguador para proteger a la tripulación y convertir las detonaciones en una fuerza de propulsión continua. [12] [13] La prueba del modelo más exitosa, en noviembre de 1959, alcanzó aproximadamente 100 metros de altitud con seis explosiones químicas secuenciadas. [7] La NASA también produjo un perfil de la misión a Marte para un viaje de ida y vuelta de 125 días con ocho astronautas, con un coste de desarrollo previsto de 1.500 millones de dólares. [5] Orion se canceló en 1964, después de que Estados Unidos firmara el Tratado de Prohibición Parcial de Pruebas el año anterior; el tratado redujo en gran medida el apoyo político al proyecto. [8] [5] La NASA también había decidido, en 1959, que el programa espacial civil no sería nuclear en el corto plazo. [11]
El concepto Orion ofrecía tanto un alto empuje como un alto impulso específico , o eficiencia del propulsor: 2.000 unidades de pulso ( Isp ) bajo el diseño original y un Isp de quizás 4.000 a 6.000 segundos según el plan de la Fuerza Aérea, con una propuesta posterior de bomba de fusión de 1968 por Dyson que potencialmente aumentaba esto a más de 75.000 Isp, lo que permitía velocidades de 10.000 km/seg. [5] Se estimó, en ese momento, que un dispositivo nuclear de tamaño moderado produciría alrededor de 5 o 10 mil millones de caballos de fuerza. [11] [14] La potencia extrema de las explosiones nucleares, en relación con la masa del vehículo, se manejaría mediante el uso de detonaciones externas, aunque una versión anterior del concepto de pulso propuso contener las explosiones en una estructura de presión interna, con un diseño de este tipo preparado por The Martin Company . [5] [11] Como comparación cualitativa de potencia, los cohetes químicos tradicionales , como el Saturno V que llevó el programa Apolo a la Luna, producen un gran empuje con un bajo impulso específico, mientras que los motores de iones eléctricos producen una pequeña cantidad de empuje de forma muy eficiente. Orión, por el contrario, habría ofrecido un rendimiento mayor que los motores de cohetes convencionales o nucleares más avanzados que se estaban considerando entonces. Los partidarios del Proyecto Orión creían que tenía potencial para viajes interplanetarios baratos . [15]
Desde el Proyecto Longshot hasta el Proyecto Daedalus , el Mini-Mag Orion y otras propuestas que alcanzan el nivel de análisis de ingeniería al considerar la disipación de energía térmica, el principio de propulsión de pulso nuclear externo para maximizar la energía de supervivencia ha seguido siendo común entre los conceptos serios para el vuelo interestelar sin transmisión de energía externa y para el vuelo interplanetario de muy alto rendimiento. [5] Estas propuestas posteriores han tendido a modificar el principio básico al imaginar equipos que impulsan la detonación de pastillas de fisión o fusión mucho más pequeñas, en contraste con las unidades de pulso nuclear más grandes del Proyecto Orion (bombas nucleares completas). En 1979, General Dynamics donó un modelo de madera de 26 pulgadas (56 cm) de alto de la nave al Smithsonian , que lo exhibe en el Centro Steven F. Udvar-Hazy cerca del Aeropuerto Internacional Dulles en el norte de Virginia . [8]
El motor de pulso nuclear Orión combina una velocidad de escape muy alta, de 19 a 31 km/s (12 a 19 mi/s) en diseños interplanetarios típicos, con meganewtons de empuje. [17] Muchos motores de propulsión de naves espaciales pueden lograr uno de estos dos factores o el otro, pero los cohetes de pulso nuclear son la única tecnología propuesta que potencialmente podría cumplir con los requisitos de potencia extrema para entregar ambos a la vez (ver propulsión de naves espaciales para sistemas más especulativos).
El impulso específico ( I sp ) mide cuánto empuje se puede derivar de una masa dada de combustible y es una cifra de mérito estándar para la cohetería. Para cualquier propulsión de cohetes, dado que la energía cinética del escape aumenta con la velocidad al cuadrado ( energía cinética = 1/2 mv 2 ), mientras que el momento y el empuje aumentan con la velocidad linealmente ( momento = mv), obtener un nivel particular de empuje (como en un número de aceleración g ) requiere mucha más potencia cada vez que la velocidad de escape y la I sp aumentan mucho en un objetivo de diseño. (Por ejemplo, la razón más fundamental por la que los sistemas de propulsión eléctrica de alta I sp tienden a tener bajo empuje se debe a sus límites en la potencia disponible. Su empuje es en realidad inversamente proporcional a la I sp si la potencia que entra en el escape es constante o está en su límite debido a las necesidades de disipación de calor u otras restricciones de ingeniería). [18] El concepto Orion detona explosiones nucleares externamente a una tasa de liberación de potencia que está más allá de lo que los reactores nucleares podrían sobrevivir internamente con los materiales y el diseño conocidos.
Como el peso no es una limitación, una nave Orión puede ser extremadamente robusta. Una nave sin tripulación podría tolerar aceleraciones muy grandes, quizás 100 g . Sin embargo, una Orión con tripulación humana debe utilizar algún tipo de sistema de amortiguación detrás de la placa de empuje para suavizar la aceleración casi instantánea a un nivel que los humanos puedan soportar cómodamente, generalmente alrededor de 2 a 4 g .
El alto rendimiento depende de la alta velocidad de escape, con el fin de maximizar la fuerza del cohete para una masa dada de propulsor. La velocidad de los restos de plasma es proporcional a la raíz cuadrada del cambio en la temperatura ( T c ) de la bola de fuego nuclear. Dado que estas bolas de fuego normalmente alcanzan diez millones de grados Celsius o más en menos de un milisegundo, crean velocidades muy altas. Sin embargo, un diseño práctico también debe limitar el radio destructivo de la bola de fuego. El diámetro de la bola de fuego nuclear es proporcional a la raíz cuadrada del rendimiento explosivo de la bomba.
La forma de la masa de reacción de la bomba es fundamental para su eficacia. El proyecto original diseñó bombas con una masa de reacción hecha de tungsteno . La geometría y los materiales de la bomba concentraban los rayos X y el plasma del núcleo del explosivo nuclear para que impactaran en la masa de reacción. En efecto, cada bomba sería una carga nuclear con forma .
Una bomba con un cilindro de masa de reacción se expande en una onda plana de plasma en forma de disco cuando explota. Una bomba con una masa de reacción en forma de disco se expande en una onda de restos de plasma en forma de cigarro mucho más eficiente. La forma de cigarro concentra gran parte del plasma para que incida sobre la placa impulsora. [19] Para lograr la mayor eficiencia de la misión, la ecuación del cohete exige que la mayor fracción de la fuerza explosiva de la bomba se dirija a la nave espacial, en lugar de gastarse de forma isotrópica .
El impulso específico efectivo máximo, I sp , de un impulsor de pulso nuclear Orión generalmente es igual a:
donde C 0 es el factor de colimación (qué fracción de los restos de plasma de la explosión realmente golpeará la placa absorbente de impulsos cuando explota una unidad de pulso), V e es la velocidad de los restos de plasma de la unidad de pulso nuclear y g n es la aceleración estándar de la gravedad (9,81 m/s 2 ; este factor no es necesario si I sp se mide en N·s/kg o m/s). Se puede lograr un factor de colimación de casi 0,5 haciendo coincidir el diámetro de la placa de empuje con el diámetro de la bola de fuego nuclear creada por la explosión de una unidad de pulso nuclear.
Cuanto más pequeña sea la bomba, más pequeño será cada impulso, por lo que la tasa de impulsos será mayor y se necesitarán más de los necesarios para alcanzar la órbita. Los impulsos más pequeños también significan menos impacto de gravedad en la placa impulsora y menos necesidad de amortiguación para suavizar la aceleración.
Se calculó que el rendimiento óptimo de la bomba de propulsión Orión (para el diseño de referencia de 4.000 toneladas con tripulación humana) estaba en la región de 0,15 kt, con aproximadamente 800 bombas necesarias para orbitar y una velocidad de bomba de aproximadamente 1 por segundo. [20]
Lo siguiente se puede encontrar en el libro de George Dyson . [19] Las cifras para la comparación con Saturno V se toman de esta sección y se convierten del sistema métrico (kg) a toneladas cortas estadounidenses (abreviadas aquí como "t").
A finales de 1958 y principios de 1959, se llegó a la conclusión de que el vehículo más pequeño que se podía fabricar en la práctica se determinaría en función de la menor potencia de bomba alcanzable. El uso de bombas de 0,03 kt (potencia a nivel del mar) daría como resultado una masa del vehículo de 880 toneladas. Sin embargo, se consideró que esta masa era demasiado pequeña para cualquier cosa que no fuera un vehículo de prueba orbital y el equipo pronto se centró en un "diseño básico" de 4.000 toneladas.
En aquella época, los detalles de los diseños de bombas pequeñas estaban rodeados de un halo de secretismo. En muchos informes sobre el diseño de Orion se habían eliminado todos los detalles de las bombas antes de su lanzamiento. Comparemos los detalles anteriores con el informe de 1959 de General Atomics [24] , que exploró los parámetros de tres tamaños diferentes de la hipotética nave espacial Orion:
El diseño más grande que se muestra arriba es el "súper" Orión; con 8 millones de toneladas, fácilmente podría ser una ciudad. [25] En las entrevistas, los diseñadores contemplaron la gran nave como una posible arca interestelar . Este diseño extremo podría construirse con materiales y técnicas que se podían obtener en 1958 o que se esperaba que estuvieran disponibles poco después.
La mayor parte de las tres mil toneladas de cada una de las unidades de propulsión del "súper" Orión estarían compuestas de material inerte, como polietileno o sales de boro , que se utilizarían para transmitir la fuerza de detonación de las unidades de propulsión a la placa de empuje del Orión y absorber neutrones para minimizar la precipitación radiactiva. Un diseño propuesto por Freeman Dyson para el "Súper Orión" preveía que la placa de empuje estuviera compuesta principalmente de uranio o un elemento transuránico, de modo que al llegar a un sistema estelar cercano, la placa pudiera convertirse en combustible nuclear.
El diseño del cohete de pulso nuclear Orión tiene un rendimiento extremadamente alto. Los cohetes de pulso nuclear Orión que utilizan unidades de pulso de tipo fisión nuclear fueron originalmente pensados para su uso en vuelos espaciales interplanetarios.
Las misiones que fueron diseñadas para un vehículo Orión en el proyecto original incluyeron una sola etapa (es decir, directamente desde la superficie de la Tierra) a Marte y de regreso, y un viaje a una de las lunas de Saturno. [25]
Freeman Dyson realizó el primer análisis de qué tipos de misiones Orión eran posibles para llegar a Alfa Centauri , el sistema estelar más cercano al Sol . [26] Su artículo de 1968 "Interstellar Transport" ( Physics Today ) [27] mantuvo el concepto de grandes explosiones nucleares, pero Dyson se alejó del uso de bombas de fisión y consideró el uso de explosiones de fusión de deuterio de un megatón en su lugar. Sus conclusiones fueron simples: la velocidad de los escombros de las explosiones de fusión probablemente estaba en el rango de 3000-30 000 km/s y la geometría reflectante de la placa impulsora hemisférica de Orión reduciría ese rango a 750-15 000 km/s. [28]
Para estimar los límites superior e inferior de lo que se podría hacer utilizando la tecnología de 1968, Dyson consideró dos diseños de naves espaciales. El diseño de placa de empuje con energía limitada, más conservador, simplemente tenía que absorber toda la energía térmica de cada explosión que impactara (4×10 15 julios, la mitad de los cuales serían absorbidos por la placa de empuje) sin fundirse. Dyson calculó que si la superficie expuesta consistía en cobre con un espesor de 1 mm, entonces el diámetro y la masa de la placa de empuje hemisférica tendrían que ser de 20 kilómetros y 5 millones de toneladas, respectivamente. Se necesitarían 100 segundos para permitir que el cobre se enfríe por radiación antes de la siguiente explosión. Luego, el diseño de Orión con disipador de calor de energía limitada tardaría alrededor de 1000 años en llegar a Alpha Centauri.
Para mejorar este rendimiento y reducir el tamaño y el costo, Dyson consideró un diseño alternativo de placa de empuje con momento limitado , en el que se sustituye un revestimiento de ablación de la superficie expuesta para eliminar el exceso de calor. La limitación se establece entonces por la capacidad de los amortiguadores para transferir el momento de la placa de empuje acelerada impulsivamente al vehículo acelerado suavemente. Dyson calculó que las propiedades de los materiales disponibles limitaban la velocidad transferida por cada explosión a ~30 metros por segundo, independientemente del tamaño y la naturaleza de la explosión. Si el vehículo se acelera a 1 gravedad terrestre (9,81 m/s2 ) con esta transferencia de velocidad, entonces la frecuencia del pulso es una explosión cada tres segundos. [29] Las dimensiones y el rendimiento de los vehículos de Dyson se dan como:
Estudios posteriores indican que la velocidad máxima de crucero que se puede alcanzar teóricamente es un pequeño porcentaje de la velocidad de la luz (0,08-0,1c). [30] [ verificación necesaria ] Un Orión atómico (fisión) puede alcanzar quizás el 9-11% de la velocidad de la luz. Una nave espacial impulsada por pulsos nucleares impulsada por unidades de propulsión de pulsos nucleares catalizadas por fusión-antimateria estaría de manera similar en el rango del 10% y los cohetes de aniquilación de materia-antimateria pura serían teóricamente capaces de obtener una velocidad entre el 50% y el 80% de la velocidad de la luz . En cada caso, ahorrar combustible para reducir la velocidad reduce a la mitad la velocidad máxima. El concepto de usar una vela magnética para desacelerar la nave espacial a medida que se acerca a su destino se ha discutido como una alternativa al uso de propulsor; esto permitiría a la nave viajar cerca de la velocidad teórica máxima. [31]
A 0,1 c , las naves estelares termonucleares Orión necesitarían un tiempo de vuelo de al menos 44 años para llegar a Alfa Centauri, sin contar el tiempo necesario para alcanzar esa velocidad (unos 36 días a una aceleración constante de 1 g o 9,8 m/s 2 ). A 0,1 c , una nave estelar Orión necesitaría 100 años para viajar 10 años luz. El astrónomo Carl Sagan sugirió que este sería un excelente uso para los arsenales de armas nucleares. [32]
Como parte del desarrollo del Proyecto Orión, para obtener fondos militares, en la década de 1960 la Fuerza Aérea de los Estados Unidos propuso la creación de una plataforma derivada de armamento de misiles nucleares, reforzada con explosivos y basada en el espacio, que comprendería la "Fuerza de Bombardeo del Espacio Profundo" de la USAF. [33] [34] [35]
Un concepto similar a Orión fue diseñado por la Sociedad Interplanetaria Británica (BIS) en los años 1973-1974. El Proyecto Dédalo iba a ser una sonda interestelar robótica a la estrella de Barnard que viajaría al 12% de la velocidad de la luz. En 1989, la Marina de los EE. UU. y la NASA estudiaron un concepto similar en el Proyecto Longshot . Ambos conceptos requieren avances significativos en la tecnología de fusión y, por lo tanto, no se pueden construir en la actualidad, a diferencia de Orión.
Desde 1998 hasta el presente, el departamento de ingeniería nuclear de la Universidad Estatal de Pensilvania ha estado desarrollando dos versiones mejoradas del proyecto Orión, conocidas como Proyecto ICAN y Proyecto AIMStar, utilizando unidades compactas de propulsión nuclear catalizada por antimateria , [36] en lugar de los grandes sistemas de ignición de fusión por confinamiento inercial propuestos en los Proyectos Daedalus y Longshot. [37]
Se pensaba que el coste de los materiales fisionables necesarios era elevado, hasta que el físico Ted Taylor demostró que, con los diseños adecuados de explosivos, la cantidad de materiales fisionables utilizados en el lanzamiento era casi constante para todos los tamaños de Orion, desde 2.000 toneladas hasta 8.000.000 de toneladas. Las bombas más grandes utilizaban más explosivos para supercomprimir los materiales fisionables, lo que aumentaba la eficiencia. Los restos adicionales de los explosivos también sirven como masa de propulsión adicional.
La mayor parte de los costos de los programas históricos de defensa nuclear se han destinado a sistemas de lanzamiento y apoyo, más que al costo de producción de las bombas directamente (las ojivas representan el 7% del gasto total de los EE. UU. entre 1946 y 1996 según un estudio). [38] Después del desarrollo y la inversión inicial en infraestructura, el costo marginal de bombas nucleares adicionales en producción en masa puede ser relativamente bajo. En la década de 1980, algunas ojivas termonucleares estadounidenses tenían un costo estimado de 1,1 millones de dólares cada una (630 millones de dólares para 560). [39] Para las unidades de pulso de fisión quizás más simples que se utilizarían en un diseño de Orion, una fuente de 1964 estimó un costo de 40.000 dólares o menos cada una en producción en masa, lo que sería hasta aproximadamente 0,3 millones de dólares cada una en dólares actuales ajustados por inflación. [39] [40]
Posteriormente, el Proyecto Dédalo propuso explosivos de fusión ( pastillas de deuterio o tritio ) detonados por confinamiento inercial con haz de electrones. Este es el mismo principio que sustenta la fusión por confinamiento inercial . En teoría, podría reducirse a explosiones mucho más pequeñas y requerir pequeños amortiguadores.
De 1957 a 1964, esta información se utilizó para diseñar un sistema de propulsión para naves espaciales llamado Orión, en el que se lanzarían explosivos nucleares detrás de una placa de empuje montada en la parte inferior de una nave espacial y explotarían. La onda expansiva y la radiación de la detonación impactarían contra la parte inferior de la placa de empuje, lo que le daría un poderoso impulso. La placa de empuje estaría montada sobre grandes amortiguadores de dos etapas que transmitirían suavemente la aceleración al resto de la nave espacial.
Durante el despegue, existía la preocupación de que la metralla fluídica [ aclaración necesaria ] se reflejara desde el suelo. Una solución propuesta fue utilizar una placa plana de explosivos convencionales esparcida sobre la placa de empuje y detonarla para levantar la nave del suelo antes de que se convirtiera en una bomba nuclear. Esto elevaría la nave lo suficiente en el aire para que la primera explosión nuclear enfocada no creara escombros capaces de dañar la nave.
Se elaboró un diseño preliminar para una unidad de pulso nuclear. En él se proponía el uso de un explosivo de fisión potenciado por fusión con carga hueca. El explosivo estaba envuelto en un canal de relleno de óxido de berilio , que estaba rodeado por un espejo de radiación de uranio . El espejo y el canal de relleno estaban abiertos en sus extremos, y en este extremo abierto se colocó una placa plana de propulsor de tungsteno . Toda la unidad estaba construida en una lata con un diámetro no mayor de 6 pulgadas (150 mm) y pesaba poco más de 300 libras (140 kg) para que pudiera ser manejada por maquinaria a escala mayor que una máquina expendedora de refrescos; se consultó a Coca-Cola sobre el diseño. [41]
Un microsegundo después de la ignición, el plasma y los neutrones de la bomba gamma calentarían el relleno del canal y quedarían contenidos en cierta medida por la capa de uranio. Entre 2 y 3 microsegundos, el relleno del canal transmitiría parte de la energía al propulsor, que se vaporizaría. La placa plana de propulsor formaría una explosión con forma de cigarro dirigida a la placa impulsora.
El plasma se enfriaría a 25.200 °F (14.000 °C) a medida que recorre la distancia de 82 pies (25 m) hasta la placa de empuje y luego se recalentaría a 120.600 °F (67.000 °C) cuando, a unos 300 microsegundos, golpea la placa de empuje y se vuelve a comprimir. Esta temperatura emite luz ultravioleta, que se transmite mal a través de la mayoría de los plasmas. Esto ayuda a mantener fría la placa de empuje. El perfil de distribución en forma de cigarro y la baja densidad del plasma reducen el impacto instantáneo en la placa de empuje.
Como el momento transferido por el plasma es mayor en el centro, el espesor de la placa impulsora disminuiría aproximadamente en un factor de 6 desde el centro hasta el borde. Esto garantiza que el cambio de velocidad sea el mismo para las partes interna y externa de la placa.
En altitudes bajas donde el aire circundante es denso, la dispersión gamma podría dañar potencialmente a la tripulación sin un escudo de radiación; un refugio de radiación también sería necesario en misiones largas para sobrevivir a las erupciones solares . La efectividad del escudo de radiación aumenta exponencialmente con el grosor del escudo, véase rayos gamma para una discusión sobre el escudo. En barcos con una masa mayor a 2.200.000 libras (1.000.000 kg) el volumen estructural del barco, sus provisiones junto con la masa de las bombas y el propulsor, proporcionarían un escudo más que adecuado para la tripulación. Inicialmente se pensó que la estabilidad era un problema debido a las imprecisiones en la colocación de las bombas, pero más tarde se demostró que los efectos se cancelarían. [42] [43]
En 1959 se llevaron a cabo numerosas pruebas de vuelo del modelo, utilizando explosivos convencionales, en Point Loma, San Diego. El 14 de noviembre de 1959, el modelo de un metro, también conocido como "Hot Rod" y "putt-putt", voló por primera vez utilizando RDX (explosivos químicos) en un vuelo controlado durante 23 segundos a una altura de 184 pies (56 m). La película de las pruebas se ha transcrito a vídeo [44] y se presentó en el programa de televisión de la BBC "To Mars by A-Bomb" en 2003 con comentarios de Freeman Dyson y Arthur C. Clarke . El modelo aterrizó en paracaídas sin daños y se encuentra en la colección del Museo Nacional del Aire y el Espacio del Instituto Smithsoniano.
El primer amortiguador propuesto fue un airbag con forma de anillo. Pronto se comprendió que, en caso de que fallara una explosión, la placa de empuje de 500 000 a 1 000 000 kg (1 100 000 a 2 200 000 libras) rompería el airbag en el rebote. Por lo tanto, se desarrolló un diseño de amortiguador de resorte y pistón desajustado de dos etapas. En el diseño de referencia, el amortiguador mecánico de la primera etapa se ajustó a 4,5 veces la frecuencia del pulso, mientras que el pistón de gas de la segunda etapa se ajustó a 0,5 veces la frecuencia del pulso. Esto permitió tolerancias de tiempo de 10 ms en cada explosión.
El diseño final resolvió el problema de la falla de la bomba sobrepasando la línea de base y rebotando hacia una posición central. Por lo tanto, después de una falla y en el lanzamiento inicial desde tierra, sería necesario iniciar o reiniciar la secuencia con un dispositivo de menor rendimiento. En la década de 1950, los métodos para ajustar el rendimiento de las bombas estaban en sus inicios y se pensó mucho en proporcionar un medio para cambiar una bomba de rendimiento estándar por una de menor rendimiento en un lapso de tiempo de 2 o 3 segundos o para proporcionar un medio alternativo para disparar bombas de bajo rendimiento. Los dispositivos de rendimiento variable modernos permitirían que un solo explosivo estandarizado se ajustara a la baja (configurarlo a un rendimiento menor) automáticamente.
Las bombas debían ser lanzadas detrás de la placa de empuje con suficiente velocidad para explotar a 20-30 m (66-98 pies) más allá de ella cada 1,1 segundos. Se investigaron numerosas propuestas, desde múltiples cañones que sobresalían del borde de la placa de empuje hasta bombas propulsadas por cohetes lanzadas desde las pistas de una montaña rusa; sin embargo, el diseño de referencia final utilizó un simple cañón de gas para disparar los dispositivos a través de un agujero en el centro de la placa de empuje.
La exposición a explosiones nucleares repetidas plantea el problema de la ablación (erosión) de la placa de empuje. Los cálculos y experimentos indicaron que una placa de empuje de acero se desgastaría menos de 1 mm si no estuviera protegida. Si se rociara con un aceite, no se desgastaría en absoluto (esto se descubrió por accidente: una placa de prueba tenía huellas dactilares aceitosas y las huellas no sufrieron ablación). Los espectros de absorción del carbono y el hidrógeno minimizan el calentamiento. La temperatura de diseño de la onda de choque, 120.600 °F (67.000 °C), emite luz ultravioleta . La mayoría de los materiales y elementos son opacos a la luz ultravioleta, especialmente a las presiones de 49.000 psi (340 MPa) que experimenta la placa. Esto evita que la placa se derrita o se desgaste.
Una cuestión que quedó sin resolver al concluir el proyecto fue si la turbulencia creada por la combinación del propulsor y la placa de empuje extirpada aumentaría drásticamente la extirpación total de la placa de empuje. Según Freeman Dyson, en la década de 1960 habrían tenido que realizar una prueba con un explosivo nuclear real para determinar esto; con la tecnología de simulación moderna, esto podría determinarse con bastante precisión sin tal investigación empírica.
Otro problema potencial con la placa de empuje es el desprendimiento de fragmentos de metal que pueden salir despedidos de la parte superior de la placa. La onda de choque del plasma que impacta en la parte inferior de la placa pasa a través de ella y alcanza la superficie superior. En ese punto, puede producirse un desprendimiento que dañe la placa de empuje. Por ese motivo, se investigaron sustancias alternativas (madera contrachapada y fibra de vidrio) para la capa superficial de la placa de empuje y se consideró que eran aceptables.
Si los explosivos convencionales de la bomba nuclear detonan pero no se produce una explosión nuclear, la metralla podría impactar y dañar potencialmente de manera crítica la placa impulsora.
Se creía que era imposible realizar pruebas de ingeniería reales de los sistemas del vehículo porque no se podían realizar varios miles de explosiones nucleares en un solo lugar. Se diseñaron experimentos para probar las placas de empuje en bolas de fuego nucleares y se podrían realizar pruebas a largo plazo de las placas de empuje en el espacio. Los diseños de los amortiguadores podrían probarse a escala real en la Tierra utilizando explosivos químicos.
Sin embargo, se pensaba que el principal problema sin resolver para un lanzamiento desde la superficie de la Tierra era la lluvia radiactiva . Freeman Dyson, líder del grupo en el proyecto, estimó en la década de 1960 que con armas nucleares convencionales , cada lanzamiento causaría estadísticamente en promedio entre 0,1 y 1 cánceres fatales por la lluvia radiactiva. [45] Esa estimación se basa en suposiciones de modelos sin umbral , un método que se usa a menudo en estimaciones de muertes estadísticas de otras actividades industriales. Cada pocos millones de dólares de eficiencia indirectamente ganados o perdidos en la economía mundial pueden promediar estadísticamente las vidas salvadas o perdidas, en términos de ganancias de oportunidad versus costos. [46] Los efectos indirectos podrían ser importantes para determinar si la influencia general de un programa espacial basado en Orión en la mortalidad humana global futura sería un aumento neto o una disminución neta, incluso si el cambio en los costos y capacidades de lanzamiento afectara la exploración espacial , la colonización espacial , las probabilidades de supervivencia de la especie humana a largo plazo , la energía solar basada en el espacio u otras hipótesis.
El peligro para la vida humana no fue una razón esgrimida para archivar el proyecto. Entre las razones figuraban la falta de un requisito de misión, el hecho de que a nadie en el gobierno de los EE.UU. se le ocurría ninguna razón para poner miles de toneladas de carga útil en órbita, la decisión de centrarse en los cohetes para la misión a la Luna y, en última instancia, la firma del Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos en 1963. El peligro para los sistemas electrónicos en tierra de un pulso electromagnético no se consideró significativo a partir de las explosiones de menos de un kilotón propuestas, ya que los circuitos integrados de estado sólido no se utilizaban de forma generalizada en ese momento.
A partir de muchas detonaciones más pequeñas combinadas, la lluvia radiactiva para todo el lanzamiento de un Orión de 12.000.000 libras (5.400.000 kg) es igual a la detonación de un arma nuclear típica de 10 megatones (40 petajulios ) como una explosión en el aire , por lo tanto, la mayor parte de su lluvia radiactiva sería la lluvia radiactiva retardada comparativamente diluida . Suponiendo el uso de explosivos nucleares con una alta porción de rendimiento total de fisión, produciría un total combinado de lluvia radiactiva similar al rendimiento de explosión en superficie del disparo Mike de la Operación Ivy , un dispositivo de 10,4 megatones detonado en 1952. La comparación no es del todo perfecta ya que, debido a su ubicación de explosión en superficie, Ivy Mike creó una gran cantidad de contaminación por lluvia radiactiva temprana . Las pruebas históricas de armas nucleares sobre la superficie incluyeron 189 megatones de rendimiento de fisión y causaron una exposición global promedio a la radiación por persona que alcanzó un pico de 1,0 × 10 −5 rem/pie cuadrado (0,11 mSv/a) en 1963, con un residual de 6,5 × 10 −7 rem/pie cuadrado (0,007 mSv/a) en los tiempos modernos , superpuesto a otras fuentes de exposición, principalmente la radiación de fondo natural , que promedia 0,00022 rem/pie cuadrado (2,4 mSv/a) a nivel mundial, pero varía mucho, como 0,00056 rem/pie cuadrado (6 mSv/a) en algunas ciudades de gran altitud. [47] [48] Cualquier comparación estaría influenciada por cómo la dosis de población se ve afectada por las ubicaciones de detonación, prefiriéndose los sitios muy remotos.
Con diseños especiales del explosivo nuclear, Ted Taylor estimó que la precipitación de productos de fisión podría reducirse diez veces, o incluso a cero, si se pudiera construir en su lugar un explosivo de fusión pura . Un explosivo de fusión 100% puro aún no se ha desarrollado con éxito, según documentos desclasificados del gobierno de EE. UU., aunque se probaron PNE ( explosiones nucleares pacíficas ) relativamente limpias para la excavación de canales por la Unión Soviética en la década de 1970 con un rendimiento de fusión del 98% en los dispositivos de 15 kilotones de la prueba Taiga , 0,3 kilotones de fisión, [45] [49] que excavó parte del propuesto Canal Pechora-Kama .
El sistema de propulsión del vehículo y su programa de pruebas violarían el Tratado de Prohibición Parcial de Ensayos Nucleares de 1963, tal como está redactado actualmente, que prohíbe todas las detonaciones nucleares, excepto las realizadas bajo tierra, en un intento de frenar la carrera armamentista y limitar la cantidad de radiación en la atmósfera causada por las detonaciones nucleares. Hubo un esfuerzo por parte del gobierno de los Estados Unidos para incluir una excepción en el tratado de 1963 para permitir el uso de propulsión nuclear para vuelos espaciales, pero los temores soviéticos sobre las aplicaciones militares mantuvieron la excepción fuera del tratado. Esta limitación afectaría únicamente a los Estados Unidos, Rusia y el Reino Unido. También violaría el Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares que ha sido firmado por los Estados Unidos y China, así como la moratoria de facto sobre los ensayos nucleares que las potencias nucleares declaradas han impuesto desde la década de 1990.
El lanzamiento de una bomba nuclear Orión desde la Tierra o desde una órbita baja generaría un pulso electromagnético que podría causar daños importantes a computadoras y satélites , además de inundar los cinturones de Van Allen con radiación de alta energía. Dado que la huella del pulso electromagnético tendría varios cientos de kilómetros de ancho, este problema podría resolverse con el lanzamiento desde áreas muy remotas. Se podrían desplegar unos pocos cables electrodinámicos espaciales relativamente pequeños para expulsar rápidamente las partículas energéticas de los ángulos de captura de los cinturones de Van Allen.
Una nave espacial Orión podría ser impulsada por medios no nucleares a una distancia más segura, activando únicamente su motor bastante lejos de la Tierra y sus satélites. El bucle de lanzamiento de Lofstrom o un ascensor espacial hipotéticamente ofrecen soluciones excelentes; en el caso del ascensor espacial, los compuestos de nanotubos de carbono existentes , con la posible excepción de los tubos de carbono Colossal , aún no tienen suficiente resistencia a la tracción . Todos los diseños de cohetes químicos son extremadamente ineficientes y costosos cuando se lanzan grandes masas a la órbita, pero podrían emplearse si el resultado fuera rentable.
Una prueba similar a la de una placa de empuje ocurrió como un efecto secundario accidental de una prueba de contención nuclear llamada " Pascal-B " realizada el 27 de agosto de 1957. [50] El diseñador experimental de la prueba, el Dr. Robert Brownlee, realizó un cálculo muy aproximado que sugería que el explosivo nuclear de bajo rendimiento aceleraría la enorme placa de acero (900 kg) a seis veces la velocidad de escape . [51] La placa nunca fue encontrada, pero el Dr. Brownlee cree que la placa nunca abandonó la atmósfera; por ejemplo, podría haberse vaporizado por calentamiento por compresión de la atmósfera debido a su alta velocidad. La velocidad calculada fue lo suficientemente interesante como para que la tripulación enfocara una cámara de alta velocidad sobre la placa que, desafortunadamente, solo apareció en un cuadro, lo que indica un límite inferior muy alto para la velocidad de la placa.
La primera aparición de la idea impresa parece ser el cuento de Robert A. Heinlein de 1940, " Blowups Happen ".
Como lo comenta Arthur C. Clarke en sus recuerdos de la realización de 2001: Una odisea del espacio en Los mundos perdidos de 2001 , se consideró una versión de pulso nuclear de la nave espacial interplanetaria estadounidense Discovery One . Sin embargo, el Discovery en la película no utilizó esta idea, ya que Stanley Kubrick pensó que podría considerarse una parodia después de hacer Dr. Strangelove o: Cómo aprendí a dejar de preocuparme y amar la bomba . [52]
En la novela de ciencia ficción Footfall de Larry Niven y Jerry Pournelle , una nave espacial Orión ocupa un lugar destacado . Ante un asedio/invasión alienígena de la Tierra, los humanos deben recurrir a medidas drásticas para poner en órbita una nave de combate que se enfrente a la flota alienígena.
La premisa de apertura del programa Ascension es que en 1963 el presidente John F. Kennedy y el gobierno de los Estados Unidos, temiendo que la Guerra Fría se intensificara y condujera a la destrucción de la Tierra, lanzaron la Ascension , una nave espacial de clase Orión, para colonizar un planeta en órbita alrededor de Proxima Centauri, asegurando la supervivencia de la raza humana.
La novela de ciencia ficción Ark del autor Stephen Baxter emplea una nave generacional de clase Orión para escapar del desastre ecológico en la Tierra.
Hacia el final de su trilogía Empire Games , Charles Stross incluye una nave espacial inspirada en el Proyecto Orión. Los diseñadores de la nave, limitados por el nivel de capacidad industrial de la década de 1960, pretenden que se utilice para explorar mundos paralelos y para actuar como un elemento de disuasión nuclear, superando a sus enemigos en capacidades más contemporáneas.
En la novela de terror Torment de Jeremy Robinson (escrita bajo el seudónimo de Jeremy Bishop), los personajes principales escapan de una guerra nuclear global en una nave de propulsión por pulsos nucleares . La nave se encuentra entre otras tres; parte del "Protocolo Orión", un mecanismo de escape para miembros del gobierno federal. Las naves están alojadas en una cámara subterránea debajo de La Elipse .
En la novela de ciencia ficción " 3 Body Problem " y sus programas de televisión asociados, se lanza una sonda hacia una flota alienígena que se aproxima utilizando una variación del método Orión. [53]
Se habrían necesitado dos o posiblemente tres Saturno V para poner este vehículo en órbita, y se habría requerido algún ensamblaje en órbita. Se consideraron varios perfiles de misión; el desarrollado con mayor detalle fue para una misión a Marte. Ocho astronautas. Con alrededor de 100 toneladas de equipo y suministros. Podría haber hecho un viaje de ida y vuelta a Marte en 125 días (la mayoría de los planes prevén tiempos de ida de al menos nueve meses). Otra cifra impresionante es que hasta el 45% del vehículo bruto en órbita terrestre podría haber sido carga útil.
