Паровая пушка
Для уменьшения стоимости первой ступени ракет , предлагались самые разные варианты: от строительства многоразового космического аппарата до совершенно фантастических идей. Среди них была и идея Артура Грэма, руководителя отдела перспективных разработок компании Babcock & Wilcox (B&W), производящей паровые котлы с 1867 года. Вместе с еще одним инженером B&W, Чарльзом Смитом, Грэм попытался выяснить, можно ли вывести космический аппарат на орбиту с помощью… пара.
Грэм в это время занимался разработкой сверхкритических высокотемпературных котлов, работающих при температуре выше 3740С и давлении выше 220 атм. (выше этой критической точки вода уже представляет собой не жидкость и не газ, а так называемый сверхкритический флюид, сочетающий свойства и того и другого). Можно ли использовать пар как "толкатель" для уменьшения количества топлива первой ступени ракеты-носителя? Первые оценки были не слишком оптимистичны. Дело в том, что скорость расширения любого газа ограничена скоростью звука в этом газе. При температуре в 5500С скорость распространения звука в водяном паре составляет порядка 720 м/с, при 11000С — 860 м/с, при 16500С — 1030 м/с. Эти скорости могут показаться высокими, но не следует забывать, что даже первая космическая скорость (необходимая для выведения спутника на орбиту) составляет 7,9 км/с. Так что ракета-носитель, притом достаточно большая, все равно будет необходима.
Однако Грэм и Смит нашли другой путь. Они не стали ограничиваться только паром. В марте 1961 года по заданию руководства B&W они подготовили секретный документ, озаглавленный "Пароводородный ускоритель для запуска космических аппаратов", который был представлен вниманию NASA. (Впрочем, секретность продержалась недолго, до 1964 года, когда Грэму и Смиту был выдан патент США за номером 3131597 — "Метод и аппарат для запуска ракет"). В документе разработчики описывали систему, способную разгонять космический аппарат массой до 120 т до скорости почти 2,5 км/с, при этом ускорения, согласно расчетам, не превышали 100g. Дальнейший разгон до первой космической скорости должен был производиться с помощью ракетных ускорителей.
Поскольку пар не способен разогнать космический снаряд до такой скорости, инженеры B&W решили использовать двухступенчатую схему. На первом этапе пар сжимал и таким образом разогревал водород, скорость звука в котором существенно выше (при 5500С — 2150 м/с, при 11000С — 2760 м/с, при 16500С — более 3 км/с). Именно водород должен был производить непосредственный разгон космического аппарата. К тому же затраты на трение при использовании водорода были существенно меньше.
Суперпушка
Сам аппарат для запуска должен был представлять собой грандиознейшее сооружение — исполинскую суперпушку, равной которой не строил еще никто. Ствол диаметром 7 м имел 3 км (!) в высоту и должен был располагаться вертикально внутри горы соответствующих размеров. Для доступа к "казенной части" гигантской пушки в основании горы пробивались туннели. Там же располагался завод для получения водорода из природного газа и гигантский парогенератор.
Оттуда пар по трубопроводам попадал в аккумулятор — стальную сферу 100-метрового диаметра, расположенную в полукилометре под основанием ствола и жестко "вмонтированную" в скальный массив, чтобы обеспечить необходимую прочность стенок: пар в аккумуляторе имел температуру около 5500С и давление более 500 атм.
Пароаккумулятор соединялся с расположенной над ним емкостью с водородом, цилиндром диаметром 25 м и длиной около 400 м с закругленным основаниями, с помощью системы труб и 70 быстродействующих клапанов, каждый около 1 м диаметром. В свою очередь, водородный цилиндр с системой из 70 чуть б?льших клапанов (1,2 м диаметром) был соединен с основанием ствола. Работало всё это так: пар закачивался из аккумулятора в цилиндр и благодаря большей плотности занимал его нижнюю часть, сжимая водород в верхней части до 320 атм. и разогревая его до 17000С.
Космический аппарат устанавливался на специальную платформу, служившую поддоном при разгоне в стволе. Она одновременно центрировала аппарат и уменьшала прорыв разгоняющего водорода (так устроены современные подкалиберные снаряды). Чтобы уменьшить сопротивление разгону, из ствола откачивался воздух, а дульный срез был загерметизирован специальной диафрагмой.
Стоимость строительства космической пушки оценивалась компанией B&W приблизительно в $270 млн. Зато потом пушка могла бы "стрелять" раз в четыре дня, уменьшив стоимость первой ступени ракеты Saturn с $5 миллионов до каких-то жалких $100 тысяч. При этом стоимость выведения 1 кг полезной нагрузки на орбиту падала с $2500 до $400.
Для доказательства работоспособности системы разработчики предложили построить макет в масштабе 1:10 в одной из заброшенных шахт. NASA колебалось: вложив огромные деньги в разработку традиционных ракет, агентство не могло позволить себе потратить $270 млн. на конкурирующую технологию, да еще и с неизвестным результатом. Более того, перегрузка в 100g, пусть и на протяжении двух секунд, явно делала невозможным использование суперпушки в пилотируемой космической программе.
Мечта Жюля Верна
Грэм и Смит были не первыми и не последними инженерами, чье воображение захватила концепция запуска космических аппаратов с помощью пушки. В начале 1960-х годов канадец Джеральд Булл вел разработки в рамках проекта HARP (High Altitude Research Project), выстреливая высотные атмосферные зонды на высоту почти в 100 км. В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии до 1995 года в рамках проекта SHARP (Super High Altitude Research Project) под руководством Джона Хантера разрабатывалась двухступенчатая пушка, в которой сжатие водорода осуществлялось с помощью сжигания метана, а пятикилограммовый снаряд разгонялся до 3 км/с. Существовало также множество проектов рельсотронов — электромагнитных ускорителей для запуска космических аппаратов.
Но все эти проекты меркли перед суперпушкой B&W. "Раздался ужасный, неслыханный, невероятный взрыв! Невозможно передать его силу — он покрыл бы самый оглушительный гром и даже грохот извержения вулкана. Из недр земли взвился гигантский сноп огня, точно из кратера вулкана. Земля содрогнулась, и вряд ли кому из зрителей удалось в это мгновение усмотреть снаряд, победоносно прорезавший воздух в вихре дыма и огня"… — так описывал Жюль Верн выстрел гигантской "Колумбиады" в своем знаменитом романе.
Пушка Грэма-Смита должна была производить даже более сильное впечатление. Согласно расчетам, каждый запуск требовал примерно 100 т водорода, который вслед за снарядом выбрасывался в атмосферу. Раскаленный до температуры 17000С, он при соприкосновении с кислородом воздуха воспламенялся, превращая гору в гигантский факел, столб огня, простирающийся на несколько километров вверх. При сгорании такого количества водорода образуется 900 т воды, которая рассеивалась бы в виде пара и выпадала дождем (в ближайших окрестностях, возможно, кипящим). Однако на этом зрелище не заканчивалось. Вслед за горящим водородом вверх выбрасывалось 25 000 т перегретого пара, образующего гигантский гейзер. Пар также частично рассеивался, частично конденсировался и выпадал в виде обильных осадков (в общем, засуха ближайшим окрестностям не грозила). Все это, конечно, должно было сопровождаться явлениями типа торнадо, гроз и молний.
Жюлю Верну наверняка бы это понравилось. Однако план был все-таки слишком фантастический, поэтому, несмотря на все спецэффекты, NASA предпочло более традиционный путь космических запусков — ракетный. Жаль: более стимпанковский метод сложно вообразить
http://www.popmech.ru/article/2027-v-kosmos-na-parovoy-tyage/
————————————————————————————————————
Вмонтированный в скальный массив вертикальный ствол (1) длиной 3 км и диаметром 7 м, собранный из стальных труб, заглушен с выходного конца диафрагмой (2). Из ствола откачан воздух для уменьшения потерь на сопротивление при разгоне космического аппарата — снаряда (3), закрепленного в разгонном поддоне. Доставка грузов к аппарату осуществляется с помощью лифтового подъемника (4). По паропроводу (5) пар поступает в пароаккумулятор (6) — гигантскую стальную сферу, вмонтированную в скальный массив (7). При открытии паровых клапанов (8) сверхкритический горячий пар с температурой 5500С под давлением свыше 500 атм. по паропроводам (9) поступает в нижнюю часть емкости для водорода (10). Через 3,5 секунды, за которые давление водорода возрастает до 320 атм., а температура с 5500С до 17000С, открываются водородные клапаны (11) и газ по трубопроводам (12) начинает поступать в стартовую камеру (13).
Еще через секунду освобождаются стопоры разгонного поддона снаряда и начинается разгон с ускорением 100g, длящийся всего 2,5 секунды. Давление в стволе при этом быстро нарастает, достигая почти 300 атм. Снаряд, разогнанный до 2,5 км/с, пробивает герметизирующую ствол диафрагму (2), поддон раскрывается и сбрасывается, срабатывают дополнительные разгонные ускорители (без них аппарат может "вскарабкаться" примерно на 250-300 км).
Август 2007 | Автор: Дмитрий Мамонтов
