В космос на паровой тяге. Стим-космонавтика

Аватар пользователя PIPL

Просто история:

Пар мог бы выполнять серьезную работу не только в XIX, но и в XXI веке.

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 374˚C 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 550˚C скорость распространения звука в водяном паре составляет порядка 720 м/с, при 1100˚C — 860 м/с, при 1650˚C — 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 550˚C — 2150 м/с, при 1100˚C — 2760 м/с, при 1650˚C — 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 550˚C 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 1700˚C.

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 1700˚C, 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.

Дмитрий Мамонтов

 

Авторство: 
Копия чужих материалов
Комментарий автора: 

 

Комментарии

Аватар пользователя Goga
Goga(7 лет 2 недели)

Прикольно, паровая пушка для запуска КА.

А параметры пара, в наше время, вполне норм.

У нас на ТЭЦ пар греют до 545 градусов...

 

 Котел ТГМП-354
  Котел паровой прямоточный Кп-1000-25-545/542ГМН (модель ТГМП-354)
  Тип котла Кп-1000-25-545/542ГМН (модель ТГМП-354)
  Производительность т/ч - 1000
  Давление пара МПа - 25
  Температура перегретого пара - 545 град.С
  Температура питательной воды - 270 град.С
  Ширина м - 20,5
  Глубина (Длина), м - 25,3
  Высота м - 49,94
  Общий вес металла т - 4520
  КПД котла - 94.8
  Основной вид топлива - природный газ / мазут

 

Аватар пользователя Казак из Андрюковской

До наших дней много чего дошло из Викторианской эпохи, эти пушки, химические аналоги которых хотел строить Саддам в свое время и проигравшие войну реактивным снарядам,  лишь отголоски ушедшей эпохи. Но есть примеры, существующие и по сей день.

Аватар пользователя ВладиславЛ
ВладиславЛ(2 года 11 месяцев)

На ядерном и на внутренних невалентных оболочках новой химии - можно и пар применять, но лучше другие, теплоёмкость, впрочем испарительное охлаждение деионизованной водой может быть весьма адекватным.

Аватар пользователя Jetoleg
Jetoleg(4 года 11 месяцев)

Да вроде как при таком подходе электромагнитная катапульта должна быть более эффективна. 

Аватар пользователя Казак из Андрюковской

) хорошо

Думаю что Владислав тем самым сетует на столь несовершенный способ преобразования энергии ядер для засылки на орбитальный аттракцион салютов из тушек различных негров, киношников и "роботов" для вау-эффекта. 

Аватар пользователя ВладиславЛ
ВладиславЛ(2 года 11 месяцев)

Я вас не могу понять, что вы хотели донести?

Транспорт на орбиту нужен ну а людей возят - да прискорбно, тех кому в Космосе делать нечего. В отличие к примеру от Тито - первого космического туриста всю жизнь проработавшего в космической индустрии и имевшего высокую мотивацию к полёту. В этом году как раз 20 лет как слетал первый в мире космический турист полноценно.

ba30d425.jpg

Аватар пользователя Казак из Андрюковской

Именно это - чем дальше космос, тем меньше в нем человека

Средства наблюдения позволяют "приблизить и увеличить" наблюдаемые объекты на высшей орбите "смотрового колеса", но время баловства проходит, а наука требует новых высот, и однажды орбитальное колесо обозрения становится лишь обоссаным развлечением в дырявых модулях, доступным для тупых негров, а к планетам летят те отголоски ноосферы, которые мы способны донести на емких носителях без всего этого мяса и прочего обременения.

Впрочем, это уже происходит - в настоящий космос люди не летают.

Аватар пользователя ВладиславЛ
ВладиславЛ(2 года 11 месяцев)

Человек, гуманоиды, биосистемы это локальное явление.

Коль хотите жить в Пространстве вам придётся меняться и сильно. Материальные системы на такое неспособны в принципе, хотя собрать представителя себя можно.

Разум становится другим. Ряд свойств изчезает.

 

Летают в т.ч. ныне живущие но не на своих кораблях и не всегда добровольно.

ВЧ позиция, ей-богу, была слишком благостной. Как и Ажажи алармисткой. По-разному бывает и хуже людей могут быть во что превратятся в случае неблагоприятного для Человечества развития.

Аватар пользователя zelya
zelya(6 лет 9 месяцев)

о высший разум, открой нам путь! куда и как нам развиваться! а то бредем во-тьме и спотыкаясь, клянем мы слепоту свою!

Аватар пользователя Этрусск
Этрусск(1 год 8 месяцев)

Жаль что не построили. Получился бы один из красивейших, после фейерверков, способов выбрасывать деньги в воздух.

Аватар пользователя Системник
Системник(6 лет 8 месяцев)

Не-е-е-е... современные ракеты гораздо эффективнее и красивее выбрасывают бабос в воздух. smile1.gif

Аватар пользователя jerry
jerry(8 лет 9 месяцев)

Интересно, спасибо.

Аватар пользователя PIPL
PIPL(7 лет 10 месяцев)

Благодарю.  

 

Аватар пользователя Системник
Системник(6 лет 8 месяцев)

Про стимпанк - зачоот! smile1.gif

ТС, спасибо!

Аватар пользователя PIPL
PIPL(7 лет 10 месяцев)

Пожалуйста. smile7.gif 

 

Аватар пользователя Bledso
Bledso(8 лет 7 месяцев)

И все-таки сделали:

Скрытый комментарий Повелитель Ботов (без обсуждения)
Аватар пользователя Повелитель Ботов

Перспективный чат детектед! Сим повелеваю - внести запись в реестр самых обсуждаемых за последние 4 часа.

Комментарий администрации:  
*** Это легальный, годный бот ***
Аватар пользователя Аббе
Аббе(8 лет 2 месяца)

Зачем такие сложности?

Наклонный ствол длиной в 10 км по склону горы.

Вдоль ствола - гирлянды баллонов с водородом. Они сбрасывают водород в  накопители. Накопители УЖЕ перегретые. И нагревают водород до 1000 градусов Цельсия.

Миктровзрывами рвём мембраны вдоль ствола, вслед за пролётом мимо разгоняемого снаряда. И давление водорода поддерживается. То есть - водяной пар не нужен.

На конечном участке в километр длины водород уже не вбрасывается, а СБРАСЫВАЕТСЯ в такие же отверстия, но они расположены гораздо чаще. В ваккумированные камеры.

На крайних сотнях метров поддон тормозится, ну а снаряд вылетает в атмосферу. На скорости от 2000 до 2500 м/сек.

Водород выкачиваем из всего объёма, продуваем азотом, прогоняем тележку с контрольным обрудованием вдоль ствола, чистим его от продуктов разрушения поддона, закрываем все камеры, откачиваем азот.

Перезакачиваем водород в баллоны вдоль ствола.

ВСЁ.

В формате труб от газопровода можно таким манером обсуждать массу снаряда до 10-15 тонн.  И заброс на высоту в 50-70 километров. ТАМ скорость должна быть от 1000 до 1800 м/сек. Для доворота снаряда на нужный угол наклонения орбиты - вполне достаточно. Полагаю, что доворот аппарата на 10-15 градусов от направления, заданного осью ствола относительно меридианов - вполне реальное дело. Не велика беда, на похожих скоростях (поменьше правда) разворачивается Миг-25, Миг-31. А что радиус разворота в сотни километров - так это и не важно.

Осталось включить двигатели и разгонять запускаемый аппарат до скорости в 8000 метров в секунду.

Бешеная цена наземной части пускового комплекса и отсутствие первой ступени ракеты-носителя для лёгкого, сверх лёгкого класса.

И да. Закидываемый вверх снаряд можно будет возвращать на Землю десятки раз. Он должен разогнать уже вторую ступень до 3500-5000 м/сек и поднять её на 150 км над поверхностью. Важно, что бы снаряд можно было затормозить об атмосферу без применения большого количества теплоизоляции. Или же она должна быть одноразовой. Сбрасываемой сразу в атмосфере, в верхних её слоях. Затормозились до 2 скоростей звука и сбросили эту теплоизоляцию. Далее уже полёт в алюминиевой облике.

КРАЙНЕ грубо. Без расчётов. Никоим образом не проект, скорее наброски!

Выгоды в многократности и высокой частоте запусков.

НЕ выгоды как раз в том, что без высокой частоты запусков эта система не имеет никакого смысла.

Аватар пользователя bom100
bom100(9 лет 9 месяцев)

Мне более по душе - космический лифт. Без шума и пыли. Если уж не на Земле, то на Луне - самое то будет. Тем более, если что-то начнут на Луне добывать.

Очевидно, что для строительства кораблей для дальнего космоса их лучше собирать на орбите не Земли, а Луны и из материалов изготовленных на Луне же.. Значит лунная станция необходима не только как исследовательский проект, но и как индустриально-космический. Изучаем Луну - находим там все что нужно для производства и начинаем клепать звездолеты (на ядерных двигателях первоначально).. - для освоения солнечной системы. Производства средств производства доставляем с Земли, а далее - серийное производство уже на Луне...

Аватар пользователя Agat
Agat(8 лет 2 месяца)

Жаль, что не построили. Однажды оно бы рвануло, были бы шикарные кадры.

Аватар пользователя Вячеслав Чешский

Что-то я тоже Жюля Верна вспомнил, читая статью. smile27.gif) Идеи живут долго, таки да.

Аватар пользователя PIPL
PIPL(7 лет 10 месяцев)

Эти люди Жюля Верна тоже читали. smile7.gif 

 

Аватар пользователя Вячеслав Чешский

Это хорошо. И хорошо, что идею Верна не украли, не выдали за своё природное ноу-хау. smile38.gif

Аватар пользователя Крякодил
Крякодил(6 лет 10 месяцев)

Мне когда-​то придумалась такая система запуска: космический корабль, с небольшим запасом жидкого кислорода, прицепляем к огромадному надувному складному дирижаблю. Надуваем дирижабль водородом и отпускаем. Дирижабль с КК поднимается на высоту ~ 13 км и зависает. Так низкая плотность водорода используется для первичного поднятия КК. 

Повисев, КК включает зажигание. Топливом служит водород который КК начинает вытягивать из дирижабля и заталкивать в двигатель с воздухом при разгоне. Накатывающий воздух сплющивает дирижабль; дирижабль складывается; сжатый водород вдавливается в двигатель и в бак разгоняющегося КК. Сплющенный дирижабль или становится частью КК или отбрасывается. К этому моменту КК набирает скорость и взлетает на высоту ~30-40 км. На этой высоте давление воздуха уже слишком мало - и тогда он начинает использовать свой бортовой кислород в качестве окислителя.

При такой схеме используются разные технологии для прохождения разных слоёв атмосферы так что скорость прохождения через разные слои увеличивается с уменьшением их плотности и увеличением высоты. Самый неэффективный двигатель - ракетный двигатель - начинает использоваться на большой высоте, в разрежённом воздухе, когда у КК уже набрана скорость. 

Таким образом, общие затраты энергии на вывод КК уменьшаются.

Следующая итерация: делаем дирижабль в виде огромного надутого самолёта к которому снизу прицеплен космический корабль КК. После воспарения на высоту 10-15 км дирижабль включает двигатель и разгоняется используя свой водород как топливо и воздух как окислитель. От разгона евойные внутренние опоры крыльев, сделанные в виде панелей, начинают складываться, а фюзеляж - худеть; поперечное сечение крыльев уменьшается, парусность уменьшается, и набор скорости продолжается. На высоте 30-40 км он превращается в изрядно похудевший самолёт с тонкими крыльями и скоростью сколько-​то махов. Тогда он отбрасывает КК (который дальше летит как ракета) и возвращается на аэродром как планер.

Вот так - дирижабль, самолёт, ракета и планер - всё в одном флаконе.

Однако сложность всей системы оказывается такой высокой, что проектировщики ракет, задумавшись о полёте реактивного самолёта, толкающего спереди сжимающийся дирижабль, наверное махнут рукой и скажут: а ну его нафиг. Нам легче долить лишнюю сотню тонн керосина в бак чем возиться со всей этой сложной конструкцией.

Чует моё сердце - сейчас прийдут ракетчики и меня обсмеют.

Аватар пользователя PIPL
PIPL(7 лет 10 месяцев)

Спасибо!

У меня в детстве схожая идея была. Стратостат в виде диска, в середине вертикально ракета.

Стратостат взлетает на высоту 20 км, там стартует ракета, остатки стратостата падают на землю. Первая ступень, самая большая не нужна.

Про использование водорода из оболочки стратостата думал и отказался. Оболочка очень большая, давление маленькое. На перекачку минуты уйдут, опять же балансировка всей системы. Очень сложно. А ракета на своем двигателе за десятки секунд в космос уйдёт.

 

Аватар пользователя Pilm
Pilm(7 лет 7 месяцев)

Explorer-1, кста, до сих пор вращается вокруг планеты, если, конечно, метеориты не покоцали али крысы не погрызли. Ну или охотники за цветметом не разобрали, с них станется. А по поводу воды и полетов в космос, то снится мне гигантская сосулька, у коей в носу КА, а корму подпирает поддон с ядерным реактором. Реактор воду плавит, перегревает да в дюзы сбрасывает. Летит сие чудо по небесям и плавится от кормы к форштевню, покуда лядышка не кончится.

Аватар пользователя PIPL
PIPL(7 лет 10 месяцев)

Спасибо, интересная идея. Старт с земли маловероятен, вот в космосе на межпланетной трассе самое оно. 

 

Аватар пользователя Слон
Слон(8 лет 10 месяцев)

А зачем всё это надо?  Военные уже обеспечены ракетной техникой, а яблони на Марсе сажать совсем не обязательно. У нас ещё в Сибири не везде яблони цветут.

Комментарий администрации:  
*** Альтернативно адекватен ***
Аватар пользователя юрчён
юрчён(8 лет 11 месяцев)

Ещё больше трешевости в проектах !!!

Даёшь запуск первой ступени из Марианской впадины ! например если взять бак с разряжением, или например опустить трубу от атмосферы до дна, и откачать от воды а в самом низу поршень и нагрузку, то его безобразие начнёт выталкивать вверх.

Ну что что скорость будет запредельно критически никакая, зато каков масштаб ! Грандиозо ! кричали бы итальянцы ! брависсимо !  и хлопали бы в ладоши, что может быть смешнее итальянских восторгов. Да, итальянцев пришлось бы пригласить для сего действия. А французов только после того как потренируются кричать восторженными фразами.