Steam có thể thực hiện công việc nghiêm túc không chỉ trong thế kỷ 19 mà còn trong thế kỷ 21.
Vệ tinh Trái đất nhân tạo đầu tiên, được Liên Xô phóng lên quỹ đạo vào ngày 4 tháng 10 năm 1957, chỉ nặng 83,6 kg. Chính anh là người đã mở ra thời đại không gian cho nhân loại. Đồng thời, cuộc chạy đua không gian bắt đầu giữa hai cường quốc - Liên Xô và Hoa Kỳ. Chưa đầy một tháng sau, Liên Xô lại khiến cả thế giới kinh ngạc khi phóng vệ tinh thứ hai nặng 508 kg cùng với chú chó Laika trên tàu. Hoa Kỳ chỉ có thể trả lời cuộc gọi vào năm sau, 1958, bằng cách phóng vệ tinh Explorer-1 vào ngày 31 tháng 1. Hơn nữa, khối lượng của nó nhỏ hơn 10 lần so với vệ tinh đầu tiên của Liên Xô - 8, 3 kg … Các kỹ sư Mỹ, tất nhiên, có thể tưởng tượng việc đưa một vệ tinh nặng hơn lên quỹ đạo, nhưng chỉ nghĩ đến lượng nhiên liệu mà phương tiện phóng cần mang theo, họ đã không tự mình. Một trong những tạp chí nổi tiếng của Mỹ đã viết: “Để phóng một vệ tinh vào quỹ đạo trái đất thấp, khối lượng của tên lửa phải vượt quá khối lượng của trọng tải vài nghìn lần. Nhưng các nhà khoa học tin rằng những tiến bộ trong công nghệ sẽ cho phép họ giảm tỷ lệ này xuống còn một trăm”. Nhưng ngay cả con số đó cũng ngụ ý rằng việc phóng một vệ tinh đủ lớn để trở nên hữu ích sẽ đòi hỏi phải đốt một lượng lớn nhiên liệu đắt tiền.
Để giảm chi phí cho giai đoạn đầu, một loạt các phương án đã được đề xuất: từ việc xây dựng một con tàu vũ trụ có thể tái sử dụng đến những ý tưởng hoàn toàn tuyệt vời. Trong số đó có ý tưởng của Arthur Graham, người đứng đầu bộ phận phát triển tiên tiến của Babcock & Wilcox (B&W), công ty đã chế tạo nồi hơi từ năm 1867. Cùng với một kỹ sư B&W khác, Charles Smith, Graham đã cố gắng tìm hiểu xem liệu con tàu vũ trụ có thể được đưa vào quỹ đạo bằng … hơi nước hay không.
Hơi nước và hydro
Graham vào thời điểm này đã tham gia vào việc phát triển các nồi hơi nhiệt độ cao siêu tới hạn hoạt động ở nhiệt độ trên 3740C và áp suất trên 220 atm. (trên điểm tới hạn này, nước không còn là chất lỏng hay chất khí nữa mà là chất lỏng siêu tới hạn, kết hợp các đặc tính của cả hai). Có thể dùng hơi nước làm “chất đẩy” để giảm lượng xăng trong giai đoạn đầu xe phóng không? Những ước tính đầu tiên không quá lạc quan. Thực tế là tốc độ giãn nở của bất kỳ chất khí nào cũng bị giới hạn bởi tốc độ âm thanh trong chất khí này. Ở nhiệt độ 5500C, tốc độ truyền âm trong hơi nước khoảng 720 m / s, ở 11000C - 860 m / s, ở 16500C - 1030 m / s. Những tốc độ này có vẻ cao, nhưng không nên quên rằng ngay cả tốc độ vũ trụ đầu tiên (cần thiết để đưa một vệ tinh vào quỹ đạo) là 7, 9 km / s. Vì vậy, một phương tiện phóng, mặc dù đủ lớn, vẫn sẽ cần thiết.
Tuy nhiên, Graham và Smith đã tìm ra một cách khác. Họ không giới hạn bản thân chỉ với chuyến phà. Vào tháng 3 năm 1961, theo chỉ thị của ban lãnh đạo B&W, họ đã chuẩn bị một tài liệu bí mật mang tên "Hơi nước Hydrogen Booster để phóng tàu vũ trụ", tài liệu này đã được NASA chú ý. (Tuy nhiên, bí mật không kéo dài, cho đến năm 1964, khi Graham và Smith được cấp bằng sáng chế Hoa Kỳ số 3131597 - "Phương pháp và thiết bị để phóng tên lửa"). Trong tài liệu, các nhà phát triển mô tả một hệ thống có khả năng tăng tốc tàu vũ trụ nặng tới 120 tấn lên tốc độ gần 2,5 km / s, trong khi gia tốc theo tính toán không vượt quá 100g. Việc tăng tốc hơn nữa đến vận tốc vũ trụ đầu tiên đã được thực hiện với sự trợ giúp của tên lửa đẩy.
Vì hơi nước không có khả năng tăng tốc một quả đạn không gian đến tốc độ này, các kỹ sư của B&W đã quyết định sử dụng sơ đồ hai giai đoạn. Ở giai đoạn đầu, hơi nước bị nén và do đó đốt nóng hydro, tốc độ âm thanh trong đó cao hơn nhiều (ở 5500C - 2150 m / s, ở 11000C - 2760 m / s, ở 16500C - hơn 3 km / s). Hydro được cho là có tác dụng trực tiếp tăng tốc tàu vũ trụ. Ngoài ra, chi phí ma sát khi sử dụng hydro thấp hơn đáng kể.
Siêu súng
Bản thân bệ phóng đã được cho là một cấu trúc hoành tráng - một khẩu siêu súng khổng lồ, ngang ngửa với thứ mà chưa ai từng chế tạo. Chiếc thùng có đường kính 7 m, chiều cao 3 km (!) Và phải được đặt thẳng đứng bên trong một ngọn núi có kích thước thích hợp. Để tiếp cận "nòng" của khẩu thần công khổng lồ, người ta đã làm các đường hầm ở chân núi. Ngoài ra còn có một nhà máy sản xuất hydro từ khí tự nhiên và một máy phát điện hơi nước khổng lồ.
Từ đó, hơi nước thông qua các đường ống đi vào bình tích điện - một quả cầu thép có đường kính 100 mét, nằm nửa km dưới đế của thùng và được "gắn" cứng vào khối đá để cung cấp độ bền cần thiết cho bức tường: hơi trong bộ tích lũy có nhiệt độ khoảng 5500C và áp suất hơn 500 atm.
Bộ tích tụ hơi nước được kết nối với một bình chứa hydro đặt bên trên nó, một hình trụ có đường kính 25 m và chiều dài khoảng 400 m với các chân đế tròn, sử dụng một hệ thống ống và 70 van tốc độ cao, mỗi van khoảng 1 m in. đường kính. Lần lượt, một xi lanh hydro với hệ thống 70 van lớn hơn một chút (đường kính 1,2 m) được kết nối với đế của thùng. Tất cả đều hoạt động như thế này: hơi nước được bơm từ bộ tích lũy vào xi lanh và do mật độ cao hơn, chiếm phần dưới của nó, nén hydro ở phần trên xuống 320 atm. và làm ấm nó lên đến 17000C.
Tàu vũ trụ được lắp đặt trên một bệ đặc biệt đóng vai trò như một tấm nâng hàng trong quá trình tăng tốc trong thùng. Nó đồng thời tập trung vào bộ máy và làm giảm sự đột phá của quá trình gia tốc hydro (đây là cách bố trí các loại đạn cỡ nhỏ hiện đại). Để giảm lực cản đối với gia tốc, không khí đã được bơm ra khỏi nòng súng, và đầu nòng được bịt kín bằng một màng ngăn đặc biệt.
Chi phí chế tạo khẩu pháo không gian được B&W ước tính vào khoảng 270 triệu USD. Nhưng sau đó pháo có thể "khai hỏa" 4 ngày một lần, giảm chi phí giai đoạn đầu của tên lửa Saturn từ 5 triệu USD xuống còn khoảng 100 nghìn USD.. Đồng thời, chi phí đưa 1 kg trọng tải lên quỹ đạo giảm từ $ 2500 xuống còn $ 400.
Để chứng minh hiệu quả của hệ thống, các nhà phát triển đã đề xuất xây dựng mô hình tỷ lệ 1:10 tại một trong những khu mỏ bỏ hoang. NASA do dự: đã đầu tư số tiền khổng lồ vào việc phát triển tên lửa truyền thống, cơ quan này không thể chi 270 triệu đô la cho công nghệ cạnh tranh, và thậm chí không rõ kết quả. Hơn nữa, quá tải 100g, mặc dù chỉ trong hai giây, rõ ràng khiến việc sử dụng khẩu siêu súng ngắn trong chương trình không gian có người lái là không thể.
Giấc mơ của Jules Verne
Graham và Smith không phải là những kỹ sư đầu tiên cũng không phải là kỹ sư cuối cùng nắm bắt được trí tưởng tượng về khái niệm phóng tàu vũ trụ với một khẩu pháo. Vào đầu những năm 1960, Gerald Bull của Canada đang phát triển Dự án Nghiên cứu Độ cao (HARP), bắn các tàu thăm dò khí quyển ở độ cao lên tới độ cao gần 100 km. Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Livermore. Lawrence ở California cho đến năm 1995, là một phần của dự án SHARP (Dự án Nghiên cứu Độ cao Siêu cao) dưới sự lãnh đạo của John Hunter, một loại súng hai giai đoạn đã được phát triển, trong đó hydro được nén bằng cách đốt cháy metan, và một viên đạn nặng 5 kg được tăng tốc đến 3 km / s. Cũng có nhiều dự án về súng ống - máy gia tốc điện từ để phóng tàu vũ trụ.
Nhưng tất cả những dự án này đều tan thành mây khói trước siêu súng ngắn B&W. “Có một vụ nổ khủng khiếp, chưa từng có, đáng kinh ngạc! Không thể truyền tải sức mạnh của nó - nó có thể che phủ tiếng sấm chói tai nhất và thậm chí cả tiếng gầm của một vụ phun trào núi lửa. Từ lòng đất, một đám lửa khổng lồ bốc lên, như thể từ miệng núi lửa. Trái đất rung chuyển, và hầu như không có bất kỳ khán giả nào xoay sở được vào thời điểm đó để nhìn thấy viên đạn chiến thắng cắt ngang không trung trong một cơn lốc khói và lửa "… - đây là cách Jules Verne mô tả cảnh bắn súng Columbiade khổng lồ trong tác phẩm nổi tiếng của ông. cuốn tiểu thuyết.
Khẩu pháo Graham-Smith lẽ ra còn gây ấn tượng mạnh hơn nữa. Theo tính toán, mỗi lần phóng cần khoảng 100 tấn hydro, theo đường đạn, được ném vào bầu khí quyển. Bị nung nóng đến nhiệt độ 17000C, nó bốc cháy khi tiếp xúc với oxy trong khí quyển, biến ngọn núi thành một ngọn đuốc khổng lồ, một cột lửa kéo dài vài km lên phía trên. Khi một lượng hydro như vậy đốt cháy, 900 tấn nước được hình thành, sẽ tan ra dưới dạng hơi nước và mưa xuống (có thể sôi ngay gần đó). Tuy nhiên, chương trình không kết thúc ở đó. Sau khi hydro cháy, 25.000 tấn hơi nước quá nhiệt được ném lên trên, tạo thành một mạch nước phun khổng lồ. Hơi nước cũng bị phân tán một phần, ngưng tụ một phần và rơi ra dưới dạng mưa lớn (nhìn chung, hạn hán không đe dọa vùng lân cận). Tất nhiên, tất cả những điều này phải đi kèm với các hiện tượng như lốc xoáy, sấm sét và sấm sét.
Jules Verne hẳn sẽ thích nó. Tuy nhiên, kế hoạch vẫn quá tuyệt vời, do đó, bất chấp tất cả các hiệu ứng đặc biệt, NASA thích cách phóng vào không gian truyền thống hơn - phóng tên lửa. Thật tệ: một phương pháp steampunk khó tưởng tượng hơn.
