Пар мог бы выполнять серьезную работу не только в XIX, но и в XXI веке.
В космос на паровой тяге: Стим-космонавтика
Возможно ли из орудия достаточной мощности и установленного должным образом пустить ядро на Луну? Жюль Верн, «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут», 1865 г.
Дмитрий Мамонтов

Первый искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту 4 октября 1957 года СССР, весил всего 83,6 кг. Именно он открыл для человечества космическую эру. Одновременно началась и космическая гонка между двумя державами — Советским Союзом и США. Меньше чем через месяц СССР вновь поразил мир, запустив второй спутник массой 508 кг с собакой Лайкой на борту. США смогли ответить на вызов только в следующем, 1958 году, запустив 31 января спутник Explorer-1. Причем масса его была в десять раз меньше первого советского спутника — 8,3 кг… Американские инженеры, конечно, могли себе представить вывод более тяжелого спутника на орбиту, но при одной мысли о том, сколько топлива должна нести ракета-носитель, им становилось не по себе. Один из популярных американских журналов писал: «Для того чтобы вывести спутник на околоземную орбиту, масса ракеты должна превосходить массу полезной нагрузки в несколько тысяч раз. Но ученые верят, что развитие технологии позволит им уменьшить это соотношение до ста». Но даже такая цифра подразумевала, что запуск в космос спутника, достаточно крупного для того, чтобы быть полезным, требует сжигания огромного количества дорогого топлива.

Для уменьшения стоимости первой ступени 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.

Пар и водород

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 бóльших 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.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№8, Август 2007).
Интересно как устроен ядерный реактор и могут ли роботы построить дом?
Все о новых технологиях и изобретениях!
Спасибо.
Мы отправили на ваш email письмо с подтверждением.