Pistolet kosmiczny: śmiały pomysł bez perspektyw
Wystrzelenie „wozu z pociskami” z gigantycznego działa Columbiad. Ilustracja Henriego de Montaud do książki Juliusza Verne’a „Z Ziemi na Księżyc w 97 godzin i 20 minut”.
Obecnie cały przemysł kosmiczny opiera się na pocisk Technologia ta ma szereg istotnych zalet i korzyści. Jednak w przeszłości proponowano alternatywne metody wynoszenia ładunków na niską orbitę okołoziemską. Na przykład istniała koncepcja specjalnego artyleria Systemy o wysokiej charakterystyce energetycznej, które umożliwiłyby wystrzelenie statków kosmicznych. Jednak żaden z tych pomysłów nie doczekał się pełnej realizacji.
Teoria i literatura
Co ciekawe, koncepcja wystrzeliwania obiektów orbitalnych za pomocą artylerii pojawiła się na długo przed ideą wykorzystania rakiet w tym celu – już pod koniec XVII wieku. Izaak Newton w swoim dziele „Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica” zaproponował interesujący eksperyment myślowy w dziedzinie napędu i balistyki. Oczywiście, nie przewidywano praktycznego zastosowania tych idei.
Newton wyobraził sobie hipotetyczną górę wznoszącą się ponad ziemską atmosferę i „umieścił” na jej szczycie działo o zerowym kącie nachylenia. Obliczenia wykazały, że zwiększenie ładunku pędnego zwiększyłoby zasięg pocisku. Co więcej, ładunek o dużej mocy mógłby nadać pociskowi dużą prędkość i wystrzelić go na orbitę.
W 1865 roku wybitny pisarz Juliusz Verne opublikował powieść „Z Ziemi na Księżyc w 97 godzin i 20 minut”. Bohaterowie powieści, grupa amerykańskich entuzjastów, zbudowali unikatowe działo superwielkiego kalibru, zdolne do wystrzelenia specjalnego „wozu z pociskami” po trajektorii w kierunku Księżyca. Podobnie jak w innych swoich książkach, Verne hojnie opisał zastosowaną technologię i techniki.
Prawdziwy „kosmiczny pistolet”. Jedna z broni używanych w programie HARP. Zdjęcie: Geraldbullexpocanon.blogspot.com
Później idea „kosmicznego pistoletu” zapewniającego dostęp do orbity lub ciał niebieskich wielokrotnie pojawiała się w różnych dziełach beletrystycznych. Pisarze science fiction, filmowcy, twórcy gier wideo i inni podejmowali ten temat.
Pierwsze kroki
Pod koniec XIX wieku K.E. Ciołkowski, I.W. Mieszczerski i wielu innych naukowców współpracowało nad opracowaniem teorii napędu rakietowego. Potencjał systemów rakietowych został zademonstrowany, między innymi w kontekście eksploracji kosmosu. Późniejszy rozwój techniki rakietowej i kosmicznej opierał się właśnie na tych zasadach. Idea wystrzeliwania pocisków artyleryjskich została jednak praktycznie zapomniana.
Mimo to kontynuowano obliczenia i badania nad działami dużej mocy o szczególnych właściwościach. Odkryto, że lot pocisku po wysokiej trajektorii balistycznej pozwala na zwiększenie zasięgu strzału. Dzieje się tak, ponieważ część toru lotu pocisku w tym przypadku przebiega w rzadkiej atmosferze, co zmniejsza opór powietrza i energię potrzebną do jego pokonania.
Podobne koncepcje wykorzystano w kilku projektach broni ultradalekiego zasięgu. Na przykład, w 1944 roku nazistowskie Niemcy przez krótki czas używały armaty V-3. Ten wielokomorowy system z lufą o długości około 130 metrów wystrzeliwał specjalne pociski o wydłużonym zasięgu 160-165 km. W locie pociski te wznosiły się na wysokość około 40 km.
Praktyczne wdrożenie
Pod koniec lat 40. XX wieku wiodące kraje przyspieszyły prace nad bronią rakietową. Aby testować nowe technologie, potrzebne były specjalistyczne tunele aerodynamiczne, stanowiska testowe i poligony z odpowiednim wyposażeniem. W Kanadzie zespół specjalistów pod kierownictwem młodego naukowca Geralda Bulla przygotowywał taki poligon. Zamiast tunelu aerodynamicznego zdecydowali się na użycie zmodyfikowanego działa polowego kalibru 140 mm. Działo to miało wystrzeliwać rakiety modelowe z wymaganą prędkością. W latach 50. XX wieku Bull przygotował podobny poligon w Stanach Zjednoczonych.
J. Bull (z prawej) i Donald Mordell z McGill University demonstrują pocisk Martlet-1. Zdjęcie: GettyImages
Pod koniec 1957 roku, w atmosferze szumu wokół wystrzelenia pierwszego sztucznego satelity, J. Bull ogłosił śmiałą nowinę. Powiedział prasie, że istniejąca technologia umożliwia stworzenie broni do wysyłania ładunków na niską orbitę okołoziemską. Jednak sensacja ta okazała się bezpodstawna – nikt wówczas nie planował budowy „broni kosmicznej”.
W 1961 roku J. Bull przeniósł się na Uniwersytet McGilla w Montrealu. Wraz z pracownikami uczelni opracował plan Projektu Badań Wysokościowych (HARP). Wkrótce uzyskali wsparcie finansowe od kanadyjskiego i amerykańskiego resortu wojskowego.
Projekt HARP przewidywał użycie działa dużego kalibru zamontowanego na specjalnym stanowisku, zdolnym do strzelania pod dużym kątem elewacji lub pionowo w górę. Opracowano również specjalne pociski zoptymalizowane do startów z dużej wysokości, znane pod wspólną nazwą Martlet.
Poligon doświadczalny HARP powstał na wyspie Barbados. Później powstały dwa kolejne poligony w Stanach Zjednoczonych. Na trzech poligonach zbudowano specjalne instalacje dla broni eksperymentalnej i inne obiekty. Eksperymentalne „działo kosmiczne” bazowało na lufie 16-calowego (406,4 mm) działa okrętowego. Wykorzystywało pocisk Martlet-1, zaprojektowany jako rakieta stabilizowana.
Pierwszy start rakiety HARP odbył się 20 stycznia 1963 roku. Uproszczony pocisk, zaprojektowany w celu przetestowania możliwości startu, wzniósł się na wysokość zaledwie 3 km. Następnego dnia użyto pełnowymiarowej amunicji Martlet-1, która osiągnęła wysokość 26 km. Następnie przeprowadzono kilka kolejnych startów z podobnymi rezultatami.
Jeden z wystrzelonych pocisków HARP. Zdjęcie: Departament Obrony USA
W kwietniu rozpoczęły się testy ulepszonego pocisku Martlet-2. Pocisk ten został pomyślnie wystrzelony na odległość 92 kilometrów. Mógł on przenosić ładunek o wadze kilku kilogramów, w zależności od wymaganej trajektorii i wysokości lotu.
We wrześniu do testów zgłoszono rakietę Martlet-3A. Była to w pełni funkcjonalna rakieta z własnym silnikiem na paliwo stałe. Napęd odrzutowy mógł znacząco poprawić parametry lotu i/lub ładowność rakiety. W latach 1964-65 opracowano trzystopniową rakietę Martlet-4, która mogła przenosić ładunek o masie do 22,7 kg i wystrzeliwać go na niską orbitę.
Testy HARP trwały do początku 1967 roku. Kanada i Stany Zjednoczone straciły wówczas zainteresowanie tym nietypowym projektem i zaprzestały jego finansowania. Testy osiągnęły maksymalną wysokość 180 km i teoretycznie dowiodły wykonalności wynoszenia ładunków na orbitę.
J. Bull założył później własną firmę, Space Research Corporation, i kontynuował rozwijanie koncepcji HARP. Jednak idea „kosmicznego działa” stopniowo zeszła na dalszy plan, a priorytet zyskały projekty wojskowe. SRC nawiązało współpracę z Izraelem, Republiką Południowej Afryki i Chinami, co doprowadziło do szeregu problemów.
Na początku lat 80. J. Bull, na zlecenie Iraku, rozpoczął prace nad bronią ultradalekiego zasięgu Babylon. W 1989 roku projekt wszedł w fazę testów poligonowych. Jednak w marcu 1990 roku J. Bull został zamordowany przez nieznanych sprawców. Co więcej, niezależnym agencjom wywiadowczym udało się uniemożliwić dostawę komponentów Babylon do Iraku. Projekt został porzucony.
Pocisk Martlet-2G do armaty HARP. Zdjęcie: Geraldbullexpocanon.blogspot.com
Nowa próba
W latach 80. XX wieku Narodowe Laboratorium im. Lawrence'a Livermore'a, należące do Departamentu Energii USA, podjęło próbę przeprojektowania projektu HARP. W ramach programu Super HARP opracowano działo z długą lufą, wykorzystujące mieszankę gazową na bazie metanu zamiast prochu. Wyposażono je również w pneumatyczny system magazynowania i przekazywania pędu za pomocą sprężonego wodoru. Jednak cały projekt działa musiał zostać opracowany od podstaw.
Pierwsze odpalenia miały miejsce w 1992 roku. Podczas testów osiągnięto prędkość początkową pocisku około 3 km/s. Planowano dalszą poprawę osiągów i osiągnięcie prędkości 7 km/s, wystarczającej do wystrzelenia ładunku na niską orbitę okołoziemską.
Prace jednak wkrótce zostały wstrzymane z powodu braku wyraźnych postępów, wątpliwych perspektyw i nadmiernych kosztów. Projekt SHARP został porzucony, choć później wielokrotnie wymieniano go jako źródło różnych technologii. Co więcej, broń eksperymentalna została wykorzystana jako wyrzutnia modeli aerodynamicznych zaawansowanych technologii.
Problemy obiektywne
W ostatnich dekadach różne organizacje i entuzjaści regularnie powracali do koncepcji specjalistycznego działa do startów orbitalnych. Jednak nigdy nie wyszła ona poza wstępne badania i rozgłos. Ten nietypowy pomysł nigdy nie zyskał popularności, a eksploracja kosmosu nadal opiera się na technologii rakietowej.
Porzucona broń HARP na strzelnicy na Barbadosie. Zdjęcie: Wikimedia Commons
Łatwo zauważyć, że „kosmiczny pistolet” ma szereg nieodłącznych problemów, które ujawniają się już na poziomie podstawowej koncepcji. Dodatkowe trudności i wyzwania pojawiają się przy próbie wdrożenia tej koncepcji jako projektu lub pełnoprawnego systemu „w metalu”.
Główne wyzwania stojące przed „działami kosmicznymi” leżą w obszarach prędkości i energii. Warto pamiętać, że aby dotrzeć na orbitę okołoziemską, obiekt musi osiągnąć tzw. pierwszą prędkość kosmiczną – około 7,9 km/s. Systemy lufowe oparte na istniejących paliwach i alternatywnych rozwiązaniach nie są w stanie rozpędzić pocisku do tej prędkości.
Aby zwiększyć prędkość początkową i energię pocisku, konieczne jest zwiększenie ciśnienia w lufie. Zwiększa to wymagania dotyczące wytrzymałości lufy, zamka, mechanizmów odrzutowych itp. Broń o zwiększonej wytrzymałości byłaby zbyt ciężka i trudna w produkcji i obsłudze.
W programie HARP wykorzystano dostępne na rynku lufy o kalibrze do 406 mm, zapożyczone z okrętów. Pociski serii Martlet zostały opracowane od podstaw. Były stabilizowane statecznikowo i praktycznie podkalibrowe. Taka konstrukcja negatywnie wpływała na objętość wewnętrzną dostępną dla ładunku. Co więcej, nawet najnowsze wersje Swifta przewoziły mniej niż 30 kg ładunku.
Zwiększenie kalibru, które umożliwi użycie większego pocisku, dodatkowo komplikuje konstrukcję i montaż działa. Ponadto rosną wymagania dotyczące jego charakterystyki energetycznej. To z kolei wymusza konieczność opracowania bardziej wytrzymałej konstrukcji, która będzie skomplikowana, ciężka i kosztowna.
Lufa i elementy łoża. Zdjęcie: Wikimedia Commons
J. Bull i jego współpracownicy próbowali zaradzić niektórym niedociągnięciom „działa kosmicznego”. Na przykład, aby zwiększyć energię i prędkość, zdecydowali się na użycie rakiet, w tym wielostopniowych. To podejście pozwoliło im osiągnąć pułap 180 km, ale nie rozwiązało innych problemów. System startowy pozostał zbyt skomplikowany, a ładunek rakiety ograniczony.
Tymczasem w Lawrence Livermore Laboratory wykorzystano całkowicie nowy ładunek pędny na bazie metanu oraz system przesyłu energii zasilany wodorem. Osiągnięto dzięki temu znaczny wzrost wydajności w porównaniu z paliwami artyleryjskimi. Jednak osiągnięty poziom energii pozostał niewystarczający.
Warto zauważyć, że projekt HARP osiągnął kilka interesujących rezultatów technicznych. Na przykład wczesne wersje rakiety Strizh bez silnika kosztowały nie więcej niż 3-4 dolarów. Rakiety z tej rodziny były znacznie droższe. Niemniej jednak, koszt jednostkowy wystrzelenia kilograma ładunku na orbitę pozostał stosunkowo niski, nawet jak na dzisiejsze standardy.
Brak perspektyw
Zatem artyleryjska metoda dostarczania ładunków na orbitę wydaje się na pierwszy rzut oka interesująca i obiecująca. Jednak boryka się ona z szeregiem problemów i niedociągnięć, których wciąż nie udało się przezwyciężyć. Nieliczne próby stworzenia prawdziwych „kosmicznych dział” zakończyły się przewidywalnym niepowodzeniem.
Jednocześnie rakiety nośne różnego typu udowodniły swój potencjał i ugruntowały swoją pozycję w sektorze kosmicznym. Rozwój w tej dziedzinie trwa i przynosi pożądane rezultaty. Jednak rakiety stały się bezkonkurencyjne w porównaniu z alternatywnymi rozwiązaniami, w tym specjalistyczną artylerią, i ta sytuacja raczej nigdy się nie zmieni.
informacja