Падает nginx и httpd на сервере от большого кол-ва запросов

Как раз отдает и hotlink-протекцию делает на уровне apache, судя по всему.

Nginx может отдавать картинку сам без обращения к апачу.

Настройте его так, чтобы он брал картинку с диска сам напрямую.

По опыту работы скажу сразу nginx у меня в пике на статике без запинки

выплёвывает до 5 тысяч статических документов разного размера в секунду.

Ну и Roxis правильно предложил проверять реферер средствами самого nginx'а.

А еще можно не с диска а с памяти (memcache,md,tmpfs)

Одна картинка неплохо кэшируется на уровне файловой системы и кэша диска.

Можно, но зачем?

Если необходимо вываливать пачку файлов запрашиваемых то реже то чаще, то в память положить имеет смысл.