Stoom kon niet alleen in de 19e eeuw serieus werk doen, maar ook in de 21e eeuw.
De eerste kunstmatige aardsatelliet, die op 4 oktober 1957 door de USSR in een baan om de aarde werd gelanceerd, woog slechts 83,6 kg. Hij was het die het ruimtetijdperk voor de mensheid opende. Tegelijkertijd begon de ruimtewedloop tussen de twee machten - de Sovjet-Unie en de Verenigde Staten. Minder dan een maand later verbaasde de USSR de wereld opnieuw door een tweede satelliet van 508 kg te lanceren met de hond Laika aan boord. De Verenigde Staten konden de oproep pas in het volgende jaar, 1958, beantwoorden door de Explorer-1-satelliet op 31 januari te lanceren. Bovendien was zijn massa tien keer minder dan de eerste Sovjet-satelliet - 8, 3 kg … Amerikaanse ingenieurs konden zich natuurlijk voorstellen dat ze een zwaardere satelliet in een baan om de aarde zouden brengen, maar alleen al bij de gedachte aan hoeveel brandstof het lanceervoertuig zou moeten vervoeren, deden ze niet uit zichzelf. Een van de populaire Amerikaanse tijdschriften schreef: „Om een satelliet in een lage baan om de aarde te lanceren, moet de massa van de raket duizenden malen groter zijn dan de massa van de nuttige lading. Maar wetenschappers geloven dat technologische vooruitgang hen in staat zal stellen deze verhouding terug te brengen tot honderd. Maar zelfs dat cijfer impliceerde dat voor het lanceren van een satelliet die groot genoeg is om bruikbaar te zijn, enorme hoeveelheden dure brandstof zouden moeten worden verbrand.
Om de kosten van de eerste fase te verlagen, zijn verschillende opties voorgesteld: van het bouwen van een herbruikbaar ruimtevaartuig tot volledig fantastische ideeën. Onder hen was het idee van Arthur Graham, hoofd geavanceerde ontwikkeling bij Babcock & Wilcox (B&W), dat sinds 1867 stoomketels maakt. Samen met een andere B&W-ingenieur, Charles Smith, probeerde Graham erachter te komen of het ruimtevaartuig met … stoom in een baan om de aarde kon worden gebracht.
Stoom en waterstof
Graham was op dat moment bezig met de ontwikkeling van superkritische hogetemperatuurketels die werkten bij temperaturen boven 3740C en drukken boven 220 atm. (boven dit kritieke punt is water niet langer een vloeistof of een gas, maar een zogenaamde superkritische vloeistof, die de eigenschappen van beide combineert). Kan stoom worden gebruikt als een "pusher" om de hoeveelheid brandstof in de eerste fase van een draagraket te verminderen? De eerste schattingen waren niet al te optimistisch. Het feit is dat de uitzettingssnelheid van een gas wordt beperkt door de geluidssnelheid in dit gas. Bij een temperatuur van 5500C is de voortplantingssnelheid van geluid in waterdamp ongeveer 720 m/s, bij 11000C - 860 m/s, bij 16500C - 1030 m/s. Deze snelheden lijken misschien hoog, maar men moet niet vergeten dat zelfs de eerste kosmische snelheid (vereist om een satelliet in een baan om de aarde te brengen) 7,9 km / s is. Dus een draagraket, hoewel groot genoeg, zal nog steeds nodig zijn.
Graham en Smith vonden echter een andere manier. Ze beperkten zich niet tot alleen de veerboot. In maart 1961 maakten ze in opdracht van de B&W-directie een geheim document op met de titel "Steam Hydrogen Booster for Spacecraft Launch", dat onder de aandacht van NASA werd gebracht. (De geheimhouding duurde echter niet lang, tot 1964, toen Graham en Smith Amerikaans octrooi nr. 3131597 kregen - "Methode en apparatuur voor het lanceren van raketten"). In het document beschreven de ontwikkelaars een systeem dat in staat is een ruimtevaartuig met een gewicht tot 120 ton te versnellen tot een snelheid van bijna 2,5 km / s, terwijl de versnellingen volgens berekeningen niet groter waren dan 100 g. Verdere versnelling naar de eerste ruimtesnelheid moest worden uitgevoerd met behulp van raketboosters.
Omdat stoom niet in staat is een ruimteprojectiel tot deze snelheid te versnellen, hebben B&W-ingenieurs besloten om een tweetrapsschema te gebruiken. In de eerste fase werd waterstof gecomprimeerd en dus verwarmd met stoom, waarbij de geluidssnelheid veel hoger is (bij 5500C - 2150 m / s, bij 11000C - 2760 m / s, bij 16500C - meer dan 3 km / s). Het was waterstof dat het ruimtevaartuig direct moest versnellen. Bovendien waren de frictiekosten bij gebruik van waterstof beduidend lager.
Super geweer
De draagraket zelf zou een grandioos bouwwerk zijn - een gigantisch superkanon, dat niemand ooit had gebouwd. Het vat met een diameter van 7 m was 3 km (!) hoog en moest verticaal in een berg van geschikte afmetingen worden geplaatst. Om toegang te krijgen tot de "kulas" van het gigantische kanon, werden tunnels gemaakt aan de voet van de berg. Er was ook een fabriek voor de productie van waterstof uit aardgas en een gigantische stoomgenerator.
Van daaruit kwam de stoom door pijpleidingen de accumulator binnen - een stalen bol met een diameter van 100 meter, een halve kilometer onder de basis van het vat en stevig "gemonteerd" in de rotsmassa om de nodige wandsterkte te bieden: de damp in de accumulator had een temperatuur van ongeveer 5500C en een druk van meer dan 500 atm.
De stoomaccumulator was verbonden met een container met waterstof erboven, een cilinder met een diameter van 25 m en een lengte van ongeveer 400 m met afgeronde bodems, met behulp van een systeem van buizen en 70 hogesnelheidskleppen, elk ongeveer 1 m in diameter. Op zijn beurt werd een waterstofcilinder met een systeem van 70 iets grotere kleppen (1,2 m in diameter) aangesloten op de basis van het vat. Het werkte allemaal als volgt: stoom werd uit de accumulator in de cilinder gepompt en nam vanwege de hogere dichtheid het onderste deel in beslag, waarbij waterstof in het bovenste deel werd gecomprimeerd tot 320 atm. en opwarmen tot 17.000C.
Het ruimtevaartuig werd geïnstalleerd op een speciaal platform dat diende als een pallet tijdens acceleratie in het vat. Het centreerde tegelijkertijd het apparaat en verminderde de doorbraak van versnellende waterstof (dit is hoe moderne sub-kaliber projectielen zijn gerangschikt). Om de weerstand tegen acceleratie te verminderen, werd lucht uit de loop gepompt en werd de snuit afgesloten met een speciaal diafragma.
De kosten van het bouwen van het ruimtekanon werden door B&W geschat op ongeveer $ 270 miljoen, maar toen kon het kanon elke vier dagen "vuren", waardoor de kosten van de eerste trap van de Saturn-raket werden verlaagd van $ 5 miljoen tot een schamele $ 100 duizend. Tegelijkertijd daalden de kosten om 1 kg nuttige lading in een baan om de aarde te brengen van $ 2500 naar $ 400.
Om de efficiëntie van het systeem te bewijzen, stelden de ontwikkelaars voor om een schaalmodel van 1:10 te bouwen in een van de verlaten mijnen. NASA aarzelde: na enorme hoeveelheden geld te hebben geïnvesteerd in de ontwikkeling van traditionele raketten, kon het bureau het zich niet veroorloven om $ 270 miljoen uit te geven aan concurrerende technologie, en zelfs met een onbekend resultaat. Bovendien maakte een overbelasting van 100 g, zij het gedurende twee seconden, het duidelijk onmogelijk om het superkanon in een bemand ruimteprogramma te gebruiken.
Jules Verne's droom
Graham en Smith waren niet de eerste noch de laatste ingenieurs die tot de verbeelding spraken over het concept van het lanceren van ruimtevaartuigen met een kanon. In het begin van de jaren zestig ontwikkelde de Canadese Gerald Bull het High Altitude Research Project (HARP), waarbij hij atmosferische sondes op grote hoogte afvuurde tot een hoogte van bijna 100 km. In het Livermore National Laboratory. Lawrence in Californië tot 1995, als onderdeel van het SHARP-project (Super High Altitude Research Project) onder leiding van John Hunter, een tweetrapskanon werd ontwikkeld, waarin waterstof werd samengeperst door methaan te verbranden en een projectiel van vijf kilogram versnelde tot 3 km/s. Er waren ook veel projecten van railguns - elektromagnetische versnellers voor het lanceren van ruimtevaartuigen.
Maar al deze projecten vervaagden voor het B&W-superkanon. “Er was een verschrikkelijke, ongehoorde, ongelooflijke explosie! Het is onmogelijk om zijn kracht over te brengen - het zou de meest oorverdovende donder en zelfs het gebrul van een vulkaanuitbarsting dekken. Uit de ingewanden van de aarde rees een gigantische bundel vuur op, als uit de krater van een vulkaan. De aarde beefde en nauwelijks een van de toeschouwers slaagde er op dat moment in om het projectiel triomfantelijk door de lucht te zien snijden in een wervelwind van rook en vuur "… - zo beschreef Jules Verne het schot van de reus Columbiade in zijn beroemde roman.
Het Graham-Smith-kanon had een nog sterkere indruk moeten maken. Volgens berekeningen was voor elke lancering ongeveer 100 ton waterstof nodig, die na het projectiel in de atmosfeer werd gegooid. Verhit tot een temperatuur van 17.000C, ontbrandde het toen het in contact kwam met zuurstof uit de lucht, waardoor de berg in een gigantische fakkel veranderde, een vuurkolom die zich enkele kilometers naar boven uitstrekt. Wanneer zo'n hoeveelheid waterstof verbrandt, wordt 900 ton water gevormd, dat in de vorm van stoom zou verdampen en neerregenen (mogelijk kokend in de directe omgeving). De show eindigde daar echter niet. Na de brandende waterstof werd 25.000 ton oververhitte stoom naar boven geslingerd, waardoor een gigantische geiser ontstond. Stoom verspreidde zich ook gedeeltelijk, condenseerde gedeeltelijk en viel uit in de vorm van hevige regenval (over het algemeen vormde droogte geen bedreiging voor de directe omgeving). Dit alles moest natuurlijk gepaard gaan met verschijnselen als tornado's, onweer en bliksem.
Jules Verne zou het geweldig hebben gevonden. Het plan was echter nog steeds te fantastisch, daarom gaf NASA, ondanks alle speciale effecten, de voorkeur aan de meer traditionele manier van ruimtelanceringen - raketlanceringen. Jammer: een meer steampunk-methode is moeilijk voor te stellen.
