Steam konnte nicht nur im 19. Jahrhundert, sondern auch im 21. Jahrhundert ernsthafte Arbeit leisten.
Der erste künstliche Erdsatellit, der am 4. Oktober 1957 von der UdSSR in die Umlaufbahn gebracht wurde, wog nur 83,6 kg. Er war es, der das Weltraumzeitalter für die Menschheit eröffnete. Zur gleichen Zeit begann der Wettlauf ins All zwischen den beiden Mächten - der Sowjetunion und den Vereinigten Staaten. Weniger als einen Monat später überraschte die UdSSR die Welt erneut, indem sie einen zweiten Satelliten mit einem Gewicht von 508 kg mit dem Hund Laika an Bord startete. Die Vereinigten Staaten konnten den Anruf erst im nächsten Jahr 1958 beantworten, indem sie am 31. Januar den Satelliten Explorer-1 starteten. Darüber hinaus war seine Masse zehnmal geringer als die des ersten sowjetischen Satelliten - 8, 3 kg … Amerikanische Ingenieure könnten sich natürlich vorstellen, einen schwereren Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen, aber bei dem Gedanken, wie viel Treibstoff die Trägerrakete tragen sollte, sie haben nicht von selbst. Eine der populären amerikanischen Zeitschriften schrieb: „Um einen Satelliten in eine erdnahe Umlaufbahn zu bringen, muss die Masse der Rakete die Masse der Nutzlast um ein Vielfaches übersteigen. Aber die Wissenschaftler glauben, dass der technologische Fortschritt es ihnen ermöglichen wird, dieses Verhältnis auf einhundert zu reduzieren. Aber selbst diese Zahl implizierte, dass der Start eines Satelliten, der groß genug ist, um nützlich zu sein, das Verbrennen großer Mengen teuren Treibstoffs erfordern würde.
Um die Kosten der ersten Stufe zu senken, wurden verschiedene Optionen vorgeschlagen: vom Bau eines wiederverwendbaren Raumfahrzeugs bis hin zu völlig fantastischen Ideen. Darunter war die Idee von Arthur Graham, Leiter der Vorentwicklung bei Babcock & Wilcox (B&W), die seit 1867 Dampfkessel herstellt. Zusammen mit einem anderen B&W-Ingenieur, Charles Smith, versuchte Graham herauszufinden, ob die Raumsonde mit … Dampf in die Umlaufbahn gebracht werden könnte.
Dampf und Wasserstoff
Graham beschäftigte sich zu dieser Zeit mit der Entwicklung überkritischer Hochtemperaturkessel, die bei Temperaturen über 3740 °C und Drücken über 220 atm betrieben wurden. (Ab diesem kritischen Punkt ist Wasser keine Flüssigkeit oder kein Gas mehr, sondern ein sogenanntes überkritisches Fluid, das die Eigenschaften beider vereint). Kann Dampf als "Pusher" verwendet werden, um die Treibstoffmenge in der ersten Stufe einer Trägerrakete zu reduzieren? Die ersten Schätzungen waren nicht übermäßig optimistisch. Tatsache ist, dass die Expansionsgeschwindigkeit jedes Gases durch die Schallgeschwindigkeit in diesem Gas begrenzt ist. Bei einer Temperatur von 5500 ° C beträgt die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Wasserdampf etwa 720 m / s, bei 11000 ° C - 860 m / s, bei 16500 ° C - 1030 m / s. Diese Geschwindigkeiten mögen hoch erscheinen, aber man sollte nicht vergessen, dass selbst die erste kosmische Geschwindigkeit (erforderlich, um einen Satelliten in die Umlaufbahn zu bringen) 7, 9 km / s beträgt. Es wird also immer noch eine Trägerrakete benötigt, obwohl sie groß genug ist.
Graham und Smith fanden jedoch einen anderen Weg. Sie beschränkten sich nicht nur auf die Fähre. Im März 1961 erstellten sie auf Anweisung des B&W-Managements ein geheimes Dokument mit dem Titel "Steam Hydrogen Booster for Spacecraft Launch", das der NASA zur Kenntnis gebracht wurde. (Die Geheimhaltung dauerte jedoch nicht lange, bis Graham und Smith 1964 das US-Patent Nr. 3131597 - "Verfahren und Vorrichtung zum Abschuss von Raketen" erteilt wurde). In dem Dokument beschrieben die Entwickler ein System, das ein Raumfahrzeug mit einem Gewicht von bis zu 120 Tonnen auf eine Geschwindigkeit von fast 2,5 km / s beschleunigen kann, während die Beschleunigungen laut Berechnungen 100 g nicht überschreiten. Eine weitere Beschleunigung auf die erste Raumgeschwindigkeit sollte mit Hilfe von Raketenboostern erfolgen.
Da Dampf nicht in der Lage ist, ein Weltraumprojektil auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen, entschieden sich die B&W-Ingenieure für ein zweistufiges Schema. In der ersten Stufe komprimierte und erhitzte Dampf Wasserstoff, dessen Schallgeschwindigkeit viel höher ist (bei 5500C - 2150 m / s, bei 11000C - 2760 m / s, bei 16500C - mehr als 3 km / s). Es war Wasserstoff, der das Raumschiff direkt beschleunigen sollte. Zudem waren die Reibungskosten beim Einsatz von Wasserstoff deutlich geringer.
Super Waffe
Der Launcher selbst sollte ein grandioses Bauwerk sein - eine gigantische Supergun, die noch nie jemand gebaut hatte. Das Fass mit einem Durchmesser von 7 m hatte eine Höhe von 3 km (!) und musste sich senkrecht in einem Berg entsprechender Abmessungen befinden. Um an den "Verschluss" der riesigen Kanone zu gelangen, wurden am Fuße des Berges Tunnel gebaut. Außerdem gab es eine Anlage zur Herstellung von Wasserstoff aus Erdgas und einen riesigen Dampferzeuger.
Von dort gelangte der Dampf durch Rohrleitungen in den Akkumulator - eine Stahlkugel von 100 Metern Durchmesser, die sich einen halben Kilometer unter dem Boden des Fasses befand und starr in das Gestein "montiert" wurde, um die notwendige Wandstärke zu gewährleisten: der Dampf in der Akkumulator hatte eine Temperatur von ca. 5500C und einen Druck von mehr als 500 atm.
Der Dampfspeicher wurde mit einem darüber befindlichen Behälter mit Wasserstoff, einem Zylinder mit einem Durchmesser von 25 m und einer Länge von ca Durchmesser. Am Boden des Fasses wiederum wurde eine Wasserstoffflasche mit einem System von 70 etwas größeren Ventilen (1,2 m Durchmesser) angeschlossen. Das Ganze funktionierte so: Dampf wurde aus dem Akkumulator in den Zylinder gepumpt und nahm aufgrund seiner höheren Dichte den unteren Teil ein, wobei er im oberen Teil Wasserstoff auf 320 atm komprimierte. und auf 17000C erwärmen.
Das Raumfahrzeug wurde auf einer speziellen Plattform installiert, die während der Beschleunigung im Lauf als Palette diente. Es zentrierte gleichzeitig die Apparatur und reduzierte den Durchbruch des beschleunigenden Wasserstoffs (so sind moderne Unterkalibergeschosse angeordnet). Um den Beschleunigungswiderstand zu verringern, wurde Luft aus dem Lauf gepumpt und die Mündung mit einer speziellen Membran abgedichtet.
Die Kosten für den Bau der Weltraumkanone wurden von B&W auf etwa 270 Millionen US-Dollar geschätzt, aber dann könnte die Kanone alle vier Tage "feuern", was die Kosten für die erste Stufe der Saturn-Rakete von 5 Millionen US-Dollar auf einige mickrige 100.000 US-Dollar senkte. Gleichzeitig sanken die Kosten, um 1 kg Nutzlast in die Umlaufbahn zu bringen, von 2500 auf 400 US-Dollar.
Um die Effizienz des Systems zu beweisen, schlugen die Entwickler vor, in einer der stillgelegten Minen ein Modell im Maßstab 1:10 zu bauen. Die NASA zögerte: Nachdem sie riesige Summen in die Entwicklung traditioneller Raketen investiert hatte, konnte sie es sich nicht leisten, 270 Millionen US-Dollar für konkurrierende Technologien auszugeben, und das selbst mit unbekanntem Ergebnis. Darüber hinaus machte eine Überladung von 100 g, wenn auch für zwei Sekunden, den Einsatz der Supergun in einem bemannten Raumfahrtprogramm eindeutig unmöglich.
Jules Vernes Traum
Graham und Smith waren weder die ersten noch die letzten Ingenieure, die die Vorstellung von dem Konzept des Starts von Raumfahrzeugen mit einer Kanone fesselten. In den frühen 1960er Jahren entwickelte der Kanadier Gerald Bull das High Altitude Research Project (HARP), bei dem atmosphärische Sonden in großer Höhe bis zu einer Höhe von fast 100 km abgefeuert wurden. Am Livermore National Laboratory. Lawrence in Kalifornien bis 1995 im Rahmen des SHARP-Projekts (Super High Altitude Research Project) unter der Leitung von John Hunter eine zweistufige Kanone entwickelt, in der Wasserstoff durch Verbrennen von Methan komprimiert und ein fünf Kilogramm schweres Projektil beschleunigt wird bis 3km/s. Es gab auch viele Projekte von Railguns - elektromagnetischen Beschleunigern zum Starten von Raumfahrzeugen.
Aber all diese Projekte verblassten vor der B&W-Supergun. „Es gab eine schreckliche, unerhörte, unglaubliche Explosion! Es ist unmöglich, seine Kraft zu vermitteln - es würde den ohrenbetäubendsten Donner und sogar das Brüllen eines Vulkanausbruchs überdecken. Aus den Eingeweiden der Erde stieg eine riesige Feuergarbe auf, wie aus dem Krater eines Vulkans. Die Erde bebte, und kaum einer der Zuschauer schaffte es in diesem Moment zu sehen, wie das Projektil in einem Wirbelsturm aus Rauch und Feuer triumphierend durch die Luft schnitt "… - so beschrieb Jules Verne den Schuss des Riesen Columbiade in seinem berühmten Roman.
Die Graham-Smith-Kanone hätte einen noch stärkeren Eindruck machen sollen. Berechnungen zufolge benötigte jeder Start etwa 100 Tonnen Wasserstoff, der nach dem Projektil in die Atmosphäre geschleudert wurde. Auf 17000 Grad erhitzt, entzündete es sich bei Kontakt mit Luftsauerstoff und verwandelte den Berg in eine riesige Fackel, eine kilometerlange Feuersäule. Beim Verbrennen einer solchen Menge Wasserstoff werden 900 Tonnen Wasser gebildet, das in Form von Dampf entweichen und herunterregnen würde (möglicherweise in unmittelbarer Nähe kochend). Die Show war jedoch noch nicht zu Ende. Nach dem brennenden Wasserstoff wurden 25.000 Tonnen überhitzter Dampf nach oben geschleudert und bildeten einen riesigen Geysir. Auch Dampf zerstreute sich teilweise, kondensierte teilweise und fiel in Form von Starkregen aus (im Allgemeinen bedrohte keine Dürre die unmittelbare Umgebung). All dies musste natürlich von Phänomenen wie Tornados, Gewittern und Blitzen begleitet werden.
Jules Verne hätte es geliebt. Der Plan war jedoch immer noch zu fantastisch, daher bevorzugte die NASA trotz aller Spezialeffekte die traditionellere Art des Weltraumstarts - Raketenstarts. Schade: Eine mehr Steampunk-Methode ist kaum vorstellbar.
