Вкосмос напаровой тяге: стим-космонавтика

Вкосмос напаровой тяге: стим-космонавтика
    Вероятно ли из орудия достаточной мощности и установленного подобающим образом разрешить войти ядро на Луну? Жюль Верн, «С Земли на Луну прямым методом за 97 часов 20 мин.», 1865 г.

Первый неестественный спутник Почвы, выведенный на орбиту 4 октября 1957 года СССР, весил всего 83,6 кг. Именно он открыл для человечества космическую эру. В один момент началась и космическая гонка между двумя державами — СССР и США.

Меньше чем через месяц СССР снова поразил мир, запустив второй спутник массой 508 кг с собакой Лайкой на борту. США смогли ответить на вызов лишь в следующем, 1958 году, запустив 31 января спутник Explorer-1. Причем масса его была на порядок меньше первого советского спутника — 8,3 кг Американские инженеры, само собой разумеется, имели возможность себе представить вывод более тяжелого спутника на орбиту, но при одной мысли о том, сколько топлива обязана нести ракета-носитель, им становилось не по себе.

Один из популярных американских изданий писал: «Чтобы вывести спутник на околоземную орбиту, масса ракеты обязана превосходить массу нужной нагрузки в пара тысяч раз. Но ученые верят, что развитие разработки разрешит им уменьшить это соотношение до ста». Но кроме того такая цифра подразумевала, что запуск в космос спутника, достаточно большого чтобы быть нужным, требует сжигания огромного количества дорогого горючего.

Для уменьшения цены первой ступени предлагались самые различные варианты: от строительства многоразового космического аппарата до совсем фантастических идей. Среди них была и мысль Артура Грэма, начальника отдела перспективных разработок компании BabcockWilcox (BW), создающей паровые котлы с 1867 года. Вместе с еще одним инженером BW, Чарльзом Смитом, Грэм постарался узнать, возможно ли вывести космический аппарат на орбиту посредством пара.

водород и Пар

Грэм сейчас занимался разработкой сверхкритических высокотемпературных котлов, действующий при температуре выше 3740С и давлении выше 220 атм. (выше данной критической точки вода уже представляет собой не жидкость и не газ, а так называемый сверхкритический флюид, сочетающий свойства и того и другого). Возможно ли применять пар как «толкатель» для уменьшения количества горючего первой ступени ракеты-носителя? Первые оценки были не через чур 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 образовывает порядка 720 м/с, при 11000С — 860 м/с, при 16500С — 1030 м/с. Эти скорости смогут показаться высокими, но не нужно забывать, что кроме того первая космическая скорость (нужная для выведения спутника на орбиту) образовывает 7,9 км/с.

Так что ракета-носитель, притом большая, все равно будет нужна.

Но Смит и Грэм нашли второй путь. Они не стали ограничиваться лишь паром. В марте 1961 года по заданию управления BW они подготовили тайный документ, озаглавленный «Пароводородный ускоритель для запуска космических аппаратов», что был представлен вниманию NASA. (Но, секретность продержалась недолго, до 1964 года, в то время, когда Смиту и Грэму был выдан патент США за номером 3131597 — «аппарат и Метод для ракетного запуска»).

В документе разработчики обрисовывали совокупность, талантливую разгонять космический аппарат массой до 120 т до скорости практически 2,5 км/с, наряду с этим ускорения, в соответствии с расчетам, не превышали 100g. Предстоящий разгон до первой космической скорости должен был производиться посредством ракетных ускорителей.

Потому, что пар не может разогнать космический боеприпас до таковой скорости, инженеры BW решили применять двухступенчатую схему. На начальной стадии пар сжимал и так разогревал водород, скорость звука в котором значительно выше (при 5500С — 2150 м/с, при 11000С — 2760 м/с, при 16500С — более трех километров/с). Как раз водород должен был создавать яркий разгон космического аппарата.

К тому же затраты на трение при применении водорода были намного меньше.

Суперпушка

Сам аппарат для запуска должен был воображать собой грандиознейшее сооружение — громадную суперпушку, равной которой не строил еще никто. Ствол диаметром 7 м имел 3 км (!) в высоту и должен был размешаться вертикально в горы соответствующих размеров. Для доступа к «казенной части» огромной пушки в основании горы пробивались туннели.

В том месте же размешался завод чтобы получить водород из газа и огромный парогенератор.

Оттуда пар по трубопроводам попадал в аккумулятор — металлическую сферу 100-метрового диаметра, расположенную в полукилометре под основанием ствола и жестко «вмонтированную» в скальный массив, дабы обеспечить нужную 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, посредством быстродействующих клапанов и 70 системы труб, любой около 1 м диаметром. Со своей стороны, водородный цилиндр с совокупностью из 70 чуть бoльших клапанов (1,2 м диаметром) был соединен с основанием ствола. Трудилось 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 особую платформу, являвшуюся поддоном при разгоне в стволе. Она в один момент центрировала аппарат и уменьшала прорыв разгоняющего водорода (так устроены современные подкалиберные боеприпасы). Дабы уменьшить сопротивление разгону, из ствола откачивался воздушное пространство, а дульный срез был загерметизирован особой диафрагмой.

Цена строительства космической пушки оценивалась компанией BW примерно в $270 млн. Но позже пушка имела возможность бы «стрелять» раз в четыре дня, снизив цена первой ступени ракеты Saturn с $5 миллионов до каких-то жалких $100 тысяч. Наряду с этим цена выведения 1 кг нужной нагрузки на орбиту падала с $2500 до $400.

Для доказательства работоспособности совокупности разработчики внесли предложение выстроить макет в масштабе 1:10 в одной из закинутых шахт. NASA колебалось: положив огромные деньги в разработку классических ракет, агентство не имело возможности позволить себе израсходовать $270 млн. на соперничающую разработку, к тому же и с малоизвестным результатом. Более того, перегрузка в 100g, пускай и в течении двух секунд, очевидно делала неосуществимым применение суперпушки в пилотируемой космической программе.

Мечта Жюля Верна

Смит и Грэм были не первыми и не последними инженерами, чье воображение захватила концепция запуска космических аппаратов посредством пушки. В первой половине 60-х годов прошлого века канадец Джеральд Булл вел разработки в ходе проекта HARP (High Altitude Research Project), выстреливая высотные атмосферные зонды на высоту практически в 100 км. В Ливерморской национальной лаборатории им.

Лоуренса в Калифорнии до 1995 года в ходе проекта SHARP (Super High Altitude Research Project) под управлением Джона Хантера разрабатывалась двухступенчатая пушка, в которой сжатие водорода осуществлялось посредством сжигания метана, а пятикилограммовый боеприпас разгонялся до трех километров/с. Существовало кроме этого множество проектов рельсотронов — электромагнитных ускорителей для запуска космических аппаратов.

Но все эти проекты меркли перед суперпушкой BW. «Раздался страшный, неслыханный, немыслимый взрыв! Нереально передать его силу — он покрыл бы самый оглушительный гром а также грохот извержения вулкана. Из недр почвы взвился огромный сноп огня, совершенно верно из кратера вулкана.

Почва содрогнулась, и вряд ли кому из зрителей удалось в это мгновение усмотреть боеприпас, победоносно прорезавший воздушное пространство в вихре огня и дыма» — так обрисовывал Жюль Верн выстрел огромной «Колумбиады» в собственном известном романе.

Пушка Грэма-Смита должна была создавать кроме того более яркое впечатление. В соответствии с расчетам, любой запуск потребовал приблизительно 100 т водорода, что за боеприпасом выбрасывался в воздух. Раскаленный до температуры 17000С, он при соприкосновении с кислородом воздуха воспламенялся, превращая гору в огромный факел, столб огня, простирающийся на пара километров вверх.

При сгорании для того чтобы количества водорода образуется 900 т воды, которая рассеивалась бы в виде пара и выпадала дождем (в ближайших окрестностях, быть может, кипящим). Но на этом зрелище не заканчивалось. За горящим водородом вверх выбрасывалось 25 000 т перегретого пара, образующего огромный гейзер. Пар кроме этого частично рассеивался, частично конденсировался и выпадал в виде обильных осадков (в общем, засуха ближайшим окрестностям не угрожала).

Все это, само собой разумеется, должно было сопровождаться явлениями типа торнадо, молний и гроз.

Жюлю Верну точно бы это понравилось. Но замысел был все-таки через чур фантастический, исходя из этого, не обращая внимания на все эффекты, NASA предпочло более классический путь космических запусков — ракетный. Жаль: более стимпанковский способ сложно вообразить.

Пароводородный космодром

    Авторы: Артур Грэм, Чарльз Смит. Патент: номер 3131597, США, 5 мая 1964 г. Цена проекта: 0 млн. (в деньгах 1964 г.) Цена доставки 1 кг нужной нагрузки на орбиту: 0. Стартовая масса космического аппарата: 120 т. Скорость аппарата при покидании ствола: 2,5 км/с.

Время разгона: 2,5 секунды

Вмонтированный в скальный массив вертикальный ствол (1) длиной 3 км и диаметром 7 м, собранный из металлических труб, заглушен с выходного финиша диафрагмой (2). Из ствола откачан воздушное пространство для уменьшения утрат на сопротивление при разгоне космического аппарата — боеприпаса (3), закрепленного в разгонном поддоне. Доставка грузов к аппарату осуществляется посредством лифтового подъемника (4).

По паропроводу (5) пар поступает в пароаккумулятор (6) — огромную металлическую сферу, вмонтированную в скальный массив (7). При открытии паровых клапанов (8) сверхкритический тёплый пар с температурой 5500С под давлением более чем 500 атм. по паропроводам (9) поступает в нижнюю часть емкости для водорода (10). Через 3,5 секунды, за каковые давление водорода возрастает до 320 атм., а температура с 5500С до 17000С, раскрываются водородные клапаны (11) и газ по трубопроводам (12) начинает поступать в стартовую камеру (13).

Еще через секунду освобождаются стопоры разгонного поддона боеприпаса и начинается разгон с ускорением 100g, продолжающийся всего 2,5 секунды. Давление в стволе наряду с этим скоро увеличивается, достигая практически 300 атм. Боеприпас, разогнанный до 2,5 км/с, пробивает герметизирующую ствол диафрагму (2), поддон раскрывается и сбрасывается, срабатывают дополнительные разгонные ускорители (без них аппарат может «вскарабкаться» приблизительно на 250−300 км).

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№58, август 2007).

Смертельные опыты. Космонавтика


Темы которые будут Вам интересны: