Napędzany parą wodną w kosmos

1
Napędzany parą wodną w kosmos
Steam mógł wykonać poważną pracę nie tylko w XIX wieku, ale także w XXI wieku.

Pierwszy sztuczny satelita Ziemi, wyniesiony na orbitę 4 października 1957 r. przez ZSRR, ważył zaledwie 83,6 kg. To on otworzył erę kosmiczną dla ludzkości. W tym samym czasie rozpoczął się wyścig kosmiczny między dwoma mocarstwami - Związkiem Radzieckim i Stanami Zjednoczonymi. Niecały miesiąc później ZSRR ponownie zadziwił świat, wystrzeliwując drugiego satelitę ważącego 508 kg z psem Łajką na pokładzie. Stany Zjednoczone były w stanie odpowiedzieć na to wyzwanie dopiero w następnym roku, 1958, wystrzeliwując satelitę Explorer-31 1 stycznia. Co więcej, jego masa była dziesięć razy mniejsza niż pierwszego sowieckiego satelity - 8,3 kg ... Amerykańscy inżynierowie oczywiście mogli sobie wyobrazić umieszczenie cięższego satelity na orbicie, ale na samą myśl o tym, ile paliwa powinien przenosić pojazd nośny, nie mógł sam. Jeden z popularnych amerykańskich magazynów napisał: „Aby umieścić satelitę na orbicie Ziemi, masa rakiety musi kilka tysięcy razy przekroczyć masę ładunku. Ale naukowcy uważają, że rozwój technologii pozwoli im zmniejszyć ten stosunek do stu”. Ale nawet ta liczba oznaczała, że ​​wystrzelenie satelity wystarczająco dużego, aby był użyteczny, wymagałoby spalenia ogromnych ilości drogiego paliwa.

Aby obniżyć koszty pierwszego etapu, zaproponowano różne opcje: od budowy statku kosmicznego wielokrotnego użytku po całkowicie fantastyczne pomysły. Wśród nich był pomysł Arthura Grahama, szefa zaawansowanego rozwoju firmy Babcock & Wilcox (B&W), która produkuje kotły parowe od 1867 roku. Razem z innym inżynierem B&W, Charlesem Smithem, Graham próbował dowiedzieć się, czy możliwe jest umieszczenie statku kosmicznego na orbicie za pomocą… pary.

Para i wodór

Graham w tym czasie zajmował się rozwojem nadkrytycznych kotłów wysokotemperaturowych pracujących w temperaturach powyżej 3740C i ciśnieniu powyżej 220 atm. (powyżej tego punktu krytycznego woda nie jest już cieczą ani gazem, ale tak zwanym płynem nadkrytycznym, łączącym właściwości obu). Czy para może służyć jako „popychacz” zmniejszający ilość paliwa w pierwszym stopniu rakiety nośnej? Pierwsze szacunki nie były zbyt optymistyczne. Chodzi o to, że szybkość rozszerzania się dowolnego gazu jest ograniczona przez prędkość dźwięku w tym gazie. W temperaturze 5500C prędkość rozchodzenia się dźwięku w parze wodnej wynosi około 720 m/s, przy 11000°C - 860 m/s, przy 16500C - 1030 m/s. Prędkości te mogą wydawać się wysokie, ale nie powinniśmy zapominać, że nawet pierwsza prędkość kosmiczna (wymagana do umieszczenia satelity na orbicie) wynosi 7,9 km/s. Tak więc pojazd nośny, i to wystarczająco duży, nadal będzie potrzebny.

Jednak Graham i Smith znaleźli inny sposób. Nie ograniczyli się tylko do promu. W marcu 1961 r., na polecenie kierownictwa B&W, przygotowali tajny dokument zatytułowany „Wzmacniacz parowo-wodorowy do startu statku kosmicznego”, na który zwrócono uwagę NASA. (Jednak tajemnica nie trwała długo, aż do 1964 r., kiedy Graham i Smith otrzymali patent USA nr 3131597 - „Sposób i urządzenie do wystrzeliwania rakiet”). W dokumencie programiści opisali system zdolny do przyspieszenia statku kosmicznego o masie do 120 ton do prędkości prawie 2,5 km / s, podczas gdy przyspieszenia, zgodnie z obliczeniami, nie przekraczały 100g. Dalsze przyspieszenie do pierwszej prędkości kosmicznej miało być realizowane za pomocą dopalaczy rakietowych.

Ponieważ para nie jest w stanie rozpędzić pocisku kosmicznego do takiej prędkości, inżynierowie B&W zdecydowali się na zastosowanie schematu dwustopniowego. W pierwszym etapie para spręża i podgrzewa wodór, którego prędkość dźwięku jest znacznie większa (w temperaturze 5500C - 2150 m/s, w temperaturze 11000C - 2760 m/s, w temperaturze 16500C - ponad 3 km/s) . To wodór miał wywoływać bezpośrednie przyspieszenie statku kosmicznego. Ponadto koszt tarcia przy użyciu wodoru był znacznie niższy.

supergun

Sam aparat startowy miał być okazałą konstrukcją - gigantycznym supergun, którego nikt jeszcze nie zbudował. Pień o średnicy 7 m miał wysokość 3 km (!) i musiał być umieszczony pionowo wewnątrz góry odpowiedniej wielkości. Aby uzyskać dostęp do „zamka” gigantycznej armaty, u podnóża góry wykonano tunele. Istniała też instalacja do produkcji wodoru z gazu ziemnego i gigantyczna wytwornica pary.

Stamtąd para rurociągami wchodziła do akumulatora - stalowej kuli o średnicy 100 metrów, umieszczonej pół kilometra pod podstawą szybu i sztywno „wbudowanej” w masę skalną, aby zapewnić niezbędną wytrzymałość ścian: para w akumulatorze miała temperaturę około 5500C i ciśnienie ponad 500 atm.

Zasobnik pary połączono z umieszczonym nad nim zbiornikiem z wodorem, cylindrem o średnicy 25 m i długości ok. 400 mz zaokrąglonymi podstawami, za pomocą systemu rur i 70 szybkozamykających zaworów po ok. 1 m każdy średnica. Z kolei do podstawy lufy podłączona była butla z wodorem z systemem 70 nieco większych zaworów (o średnicy 1,2 m). Wszystko działało tak: para pompowana była z akumulatora do cylindra i ze względu na większą gęstość zajmowała jego dolną część, sprężając wodór w górnej części do 320 atm. i podgrzanie do 17000C.

Statek kosmiczny został zainstalowany na specjalnej platformie, która służyła jako paleta podczas przyspieszania w lufie. Jednocześnie wycentrował aparat i ograniczył przebicie przyspieszającego wodoru (tak układają się nowoczesne pociski podkalibrowe). Aby zmniejszyć opory przyspieszenia, z lufy wypompowywano powietrze, a lufę uszczelniono specjalną membraną.

Koszt budowy kosmicznego działa oszacował B&W na około 270 mln dolarów, ale wtedy działo mogło „strzelać” raz na cztery dni, zmniejszając koszt pierwszego etapu rakiety Saturn z 5 mln dolarów do nędznych 100 tys. W tym samym czasie koszt wystrzelenia 1 kg ładunku na orbitę spadł z 2500 USD do 400 USD.

Aby udowodnić sprawność systemu, twórcy zaproponowali zbudowanie modelu w skali 1:10 w jednej z opuszczonych kopalni. NASA zawahała się: po zainwestowaniu ogromnych pieniędzy w rozwój tradycyjnych rakiet agencja nie mogła sobie pozwolić na wydanie 270 milionów dolarów na konkurencyjną technologię, a nawet z nieznanym rezultatem. Co więcej, przeciążenie 100g, aczkolwiek trwające dwie sekundy, wyraźnie uniemożliwiło użycie superguna w załogowym programie kosmicznym.

Sen Juliusza Verne'a

Graham i Smith nie byli pierwszymi ani ostatnimi inżynierami, których wyobraźnię porwała koncepcja wystrzelenia statku kosmicznego z armaty. We wczesnych latach 1960. Kanadyjczyk Gerald Bull kierował pracami rozwojowymi w ramach projektu HARP (High Altitude Research Project), wystrzeliwując sondy atmosferyczne na dużych wysokościach na wysokość prawie 100 km. w Livermore National Laboratory. Lawrence w Kalifornii do 1995 roku, w ramach projektu SHARP (Super High Altitude Research Project), pod kierownictwem Johna Huntera, opracowano dwustopniowe działo, w którym wodór był sprężony przez spalanie metanu, a pięciokilogramowy pocisk przyspieszał do 3 km/s. Było też wiele projektów działek szynowych - elektromagnetycznych dopalaczy do wystrzeliwania statków kosmicznych.

Ale wszystkie te projekty zbladły przed B&W supergun. „Nastąpiła straszna, niesłychana, niesamowita eksplozja! Nie da się przekazać jego mocy - zakryłby najbardziej ogłuszający grzmot, a nawet ryk erupcji wulkanu. Gigantyczny snop ognia wystrzelił z wnętrzności ziemi, jak z krateru wulkanu. Ziemia zadrżała i jest mało prawdopodobne, by któremuś z widzów udało się w tym momencie zobaczyć pocisk zwycięsko przecinający powietrze w wirze dymu i ognia… – tak Jules Verne opisał strzał giganta Columbiad w jego słynna powieść.

Pistolet Graham-Smith powinien robić jeszcze silniejsze wrażenie. Według obliczeń, każdy start wymagał około 100 ton wodoru, który po pocisku został uwolniony do atmosfery. Podgrzany do temperatury 17000C zapalał się w kontakcie z tlenem atmosferycznym, zamieniając górę w gigantyczną pochodnię, kolumnę ognia ciągnącą się na kilka kilometrów w górę. Przy spaleniu takiej ilości wodoru powstaje 900 ton wody, która rozproszyłaby się w postaci pary i opadła w postaci deszczu (w bezpośrednim sąsiedztwie ewentualnie wrzącego). Na tym jednak spektakl się nie skończył. Po spalaniu wodoru 25 000 ton przegrzanej pary zostało wyrzuconych w górę, tworząc gigantyczny gejzer. Para również częściowo się rozproszyła, częściowo skondensowała i wypadła w postaci obfitych opadów (na ogół susza nie zagrażała najbliższemu otoczeniu). Wszystkiemu temu oczywiście powinny towarzyszyć takie zjawiska jak tornada, burze i błyskawice.

Jules Verne by to pokochał. Plan był jednak wciąż zbyt fantastyczny, więc mimo wszystkich efektów specjalnych NASA wybrała bardziej tradycyjną ścieżkę startów w kosmos - starty rakiet. Szkoda: trudno sobie wyobrazić bardziej steampunkową metodę.
1 komentarz
informacja
Drogi Czytelniku, aby móc komentować publikację, musisz login.
  1. 0
    13 lipca 2012 13:09
    Nie widzę sensu w tym „pożytecznym wynalazku”