مشروع أوريون
المبادئ الأساسية

يجمع «محرك دفع النبضة النووية» لأوريون بين سرعة العادم العالية جدًا، بين 19 و31 كيلومتر/ثانية (12 و19 ميل/ثانية) في تصميمات المركبات بين الكوكبية النموذجية، مع قوة دفع تعادل ملايين نيوتن. يمكن أن تحقق العديد من محركات الدفع الحالية للمركبات الفضائية إحدى هاتين القدرتين أو الأخرى، ولكن صواريخ النبضة النووية هي التكنولوجيا المُقترحة الوحيدة التي يمكن أن تلبي متطلبات القدرة العالية جدًا لتحقيق كلتيهما.
يقيس «الاندفاع النوعي» (آي إس بّي) مقدار الدفع الذي توفره كتلة معينة من الوقود، وهو رقم نموذجي لقياس كفاءة الصواريخ. لأي دفع صاروخي، بما أن الطاقة الحركية للعادم تزداد وفقًا لمربع السرعة (الطاقة الحركية = ½ mv2)، في حين أن الزخم والدفع يزدادان بشكل خطي مع السرعة (الزخم = mv)، فللحصول على مستوى معين من الدفع (بمضاعفات تسارع الجاذبية الأرضة جي) يتطلب ذلك قدرة أكبر بكثير في كل مرة تزداد فيها سرعة العادم والاندفاع النوعي في التصميم المخطط له. (على سبيل المثال، فإن القيود المفروضة على القدرة المتاحة هي السبب الأساسي الذي يجعل أنظمة الدفع الكهربائي الحالية والمقترحة ذات الاندفاع النوعي العالي تتمتع بقوة دفع منخفضة. في الواقع، يتناسب دفعها عكسيًا مع الاندفاع النوعي إذا كانت القدرة المتدفقة خارج العادم ثابتة أو إذا وصلت إلى الحد الأقصى لاحتياجات تبديد الحرارة أو غيرها من القيود الهندسية.) يقوم مفهوم محرك أوريون بإطلاق انفجارات نووية خارج العادم بمعدل قدرة صادرة يفوق قدرة المفاعلات النووية على الصمود أمام هذه الانفجارات من داخلها باستخدام المواد والتصميمات المعروفة.
نظرًا لأن الوزن ليس قيدًا، يمكن أن تكون مركبة أوريون متينة للغاية. يمكن لمركبة غير مأهولة تحمل تسارعات كبير للغاية، ما قد يصل إلى 100 جي. ومع ذلك، يجب على المركبة المأهولة بالبشر استخدام نوع من أنظمة التخميد خلف لوحة الدفع لتخفيف وطأة التسارع شبه الفوري إلى مستوى يمكن للبشر تحمله بشكل مريح، إي بين 2 و4 جي في العادة.
يعتمد الأداء العالي على سرعة العادم الكبيرة، فلزيادة قوة الصاروخ بالنسبة لكتلة معينة من الوقود. تتناسب سرعة حطام البلازما مع الجذر التربيعي للتغير في درجة حرارة (تي سي) كرة نار الانفجار النووي. نظرًا لأن حرارة الكرات النارية تصل بشكل روتيني إلى عشرة ملايين درجة مئوية أو أكثر في أقل من مللي ثانية، فذلك يدفع المركبة بسرعات عالية جدًا. ومع ذلك، يجب أن يحد التصميم العملي من نصف القطر التدميري لكرة النار. يتناسب قطر كرة النار النووية مع الجذر التربيعي لـ «عائد الطاقة الانفجارية»، أي الطاقة الصادرة عن الانفجار النووي.
بالإضافة لذلك، فإن نوع «الكتلة الشغالة» للقنابل هو أمر بالغ الأهمية لزيادة الكفاءة. صمم المشروع الأصلي قنابل مع كتلة شغالة مصنوعة من عنصر «التنجستن». ركزت هندسة القنبلة وموادها الأشعة السينية والبلازما من مركز المتفجرات النووية لتصطدم بكتلة التشغيل. فعليًا، ستصبح كل قنبلة «حشوة نووية متفجرة».
عندما تنفجر، تتوسع القنبلة ذات كتلة التشغيل اسطوانية الشكل إلى موجة بلازما مُسطحة قرصية الشكل. في حين تتوسع القنبلة ذات الكتلة الشغالة قرصية الشكل إلى موجة أكثر فعالية بكثير على شكل سيجار من حطام البلازما. يركز شكل السيجار جزءًا كبيرًا من البلازما لتصطدم بلوحة الدفع.
يُعطى الاندفاع النوعي الأقصى لمحرك النبضة النووية أوريون بشكل عام بالعلاقة التالية:
I_{sp}={\frac {C_{0}\cdot V_{e}}{g_{n}}}
حيث (سي0 C0) هو «عامل التسديد» (أي نسبة حطام الانفجار البلازمي التي ستصطدم بلوحة الامتصاص الاندفعاية عندما تنفجر إحدى الوحدات النبضية)، و(فيإي Ve) هي سرعة النبضة النووية لوحدة حطام البلازما، و(جيإن gn) هو تسارع الجاذبية الأرضية النموذجي (9.81 متر/ثانية 2؛ هذا العامل ليس ضروريًا إذا جري قياس الاندفاع النوعي بوحدة نيوتن*ثانية/كيلوجرام أو متر/ثانية). يمكن الوصول لعامل تسديد يساوي 0.5 تقريبًا عن طريق مطابقة قطر لوحة الدفع مع قطر كرة النار النووية الناتجة عن انفجار وحدة النبضة النووية.
كلما كانت القنبلة أصغر، كلما كان كل اندفاع أصغر، ما يقود لزيادة معدل الاندفاعات أكثر من اللازم للدخول في المدار. تعني الاندفاعات الأصغر أيضًا صدمات تسارع أقل (بوحدة جي) على لوحة الاندفاع وبالتالي تقليل الحاجة إلى التخميد لتخفيف وطأة التسارع.
بالنسبة لتصميم مرجعي لمركبة مأهولة بالبشر بكتلة 4000 طن، تبين بالحسابات أن عائد الطاقة الانفجارية الأمثل لمحرك أوريون هو في حدود 0.15 كيلوطن من مادة تي إن تي، باستخدام نحو 800 قنبلة للدخول في المدار بمعدل تفجير يساوي تقريبًا قنبلة واحدة لكل ثانية.