Steam podría hacer un trabajo serio no solo en el siglo XIX, sino también en el siglo XXI.
El primer satélite terrestre artificial, puesto en órbita el 4 de octubre de 1957 por la URSS, pesaba solo 83,6 kg. Fue él quien abrió la era espacial para la humanidad. Al mismo tiempo, comenzó la carrera espacial entre las dos potencias: la Unión Soviética y los Estados Unidos. Menos de un mes después, la URSS volvió a sorprender al mundo con el lanzamiento de un segundo satélite de 508 kg con el perro Laika a bordo. Estados Unidos no pudo responder a la llamada hasta el año siguiente, 1958, con el lanzamiento del satélite Explorer-1 el 31 de enero. Además, su masa era diez veces menor que la del primer satélite soviético: 8, 3 kg … Los ingenieros estadounidenses, por supuesto, podrían imaginarse poner en órbita un satélite más pesado, pero con solo pensar en cuánto combustible debería llevar el vehículo de lanzamiento., no lo hicieron por sí mismos. Una de las revistas estadounidenses más populares escribió: “Para lanzar un satélite a una órbita terrestre baja, la masa del cohete debe exceder la masa de la carga útil en varios miles de veces. Pero los científicos creen que los avances en la tecnología les permitirán reducir esta proporción a cien . Pero incluso esa cifra implicaba que el lanzamiento de un satélite lo suficientemente grande como para ser útil requeriría quemar enormes cantidades de combustible caro.
Para reducir el costo de la primera etapa, se han propuesto una variedad de opciones: desde construir una nave espacial reutilizable hasta ideas completamente fantásticas. Entre ellos estaba la idea de Arthur Graham, jefe de desarrollo avanzado de Babcock & Wilcox (B&W), que fabrica calderas de vapor desde 1867. Junto con otro ingeniero de B&W, Charles Smith, Graham trató de averiguar si la nave espacial podría ponerse en órbita utilizando … vapor.
Vapor e Hidrógeno
Graham en ese momento estaba involucrado en el desarrollo de calderas supercríticas de alta temperatura que operaban a temperaturas superiores a 3740 ° C y presiones superiores a 220 atm. (por encima de este punto crítico, el agua ya no es un líquido o un gas, sino un llamado fluido supercrítico, que combina las propiedades de ambos). ¿Se puede utilizar el vapor como "impulsor" para reducir la cantidad de combustible en la primera etapa de un vehículo de lanzamiento? Las primeras estimaciones no fueron demasiado optimistas. El hecho es que la velocidad de expansión de cualquier gas está limitada por la velocidad del sonido en este gas. A una temperatura de 5500C, la velocidad de propagación del sonido en el vapor de agua es de aproximadamente 720 m / s, a 11000C - 860 m / s, a 16500C - 1030 m / s. Estas velocidades pueden parecer altas, pero no hay que olvidar que incluso la primera velocidad cósmica (necesaria para poner un satélite en órbita) es de 7,9 km / s. Por lo tanto, se necesitará un vehículo de lanzamiento, aunque lo suficientemente grande.
Sin embargo, Graham y Smith encontraron otro camino. No se limitaron solo al ferry. En marzo de 1961, siguiendo las instrucciones de la dirección de B&W, prepararon un documento secreto titulado "Impulsor de hidrógeno a vapor para el lanzamiento de naves espaciales", que se señaló a la atención de la NASA. (Sin embargo, el secreto no duró mucho, hasta 1964, cuando a Graham y Smith se les concedió la patente estadounidense nº 3131597 - "Método y aparato para lanzar cohetes"). En el documento, los desarrolladores describieron un sistema capaz de acelerar una nave espacial que pesa hasta 120 toneladas a una velocidad de casi 2,5 km / s, mientras que las aceleraciones, según los cálculos, no superan los 100 g. La aceleración adicional a la primera velocidad espacial se llevaría a cabo con la ayuda de propulsores de cohetes.
Dado que el vapor no es capaz de acelerar un proyectil espacial a esta velocidad, los ingenieros de B&W decidieron utilizar un esquema de dos etapas. En la primera etapa, el vapor comprimió y, por lo tanto, calentó el hidrógeno, cuya velocidad del sonido es mucho mayor (a 5500C - 2150 m / s, a 11000C - 2760 m / s, a 16500C - más de 3 km / s). Se suponía que era el hidrógeno el que aceleraba directamente la nave espacial. Además, los costos de fricción al usar hidrógeno fueron significativamente menores.
Super arma
Se suponía que el lanzador en sí era una estructura grandiosa: una superpistola gigantesca, igual a la que nadie había construido nunca. El cañón con un diámetro de 7 m tenía 3 km (!) De altura y tenía que ubicarse verticalmente dentro de una montaña de dimensiones adecuadas. Para acceder a la "recámara" del cañón gigante, se hicieron túneles en la base de la montaña. También había una planta para producir hidrógeno a partir de gas natural y un generador de vapor gigante.
Desde allí, el vapor a través de las tuberías ingresaba al acumulador, una esfera de acero de 100 metros de diámetro, ubicada a medio kilómetro debajo de la base del barril y rígidamente "montada" en la masa rocosa para proporcionar la fuerza necesaria de la pared: el vapor en el acumulador tenía una temperatura de aproximadamente 5500C y una presión de más de 500 atm.
El acumulador de vapor se conectó a un contenedor con hidrógeno ubicado encima, un cilindro con un diámetro de 25 my una longitud de aproximadamente 400 m con bases redondeadas, utilizando un sistema de tuberías y 70 válvulas de alta velocidad, cada una de aproximadamente 1 m de pulgada. diámetro. A su vez, se conectó a la base del barril un cilindro de hidrógeno con un sistema de 70 válvulas algo más grandes (1,2 m de diámetro). Todo funcionó así: se bombeaba vapor desde el acumulador al cilindro y, debido a su mayor densidad, ocupaba su parte inferior, comprimiendo el hidrógeno en la parte superior a 320 atm. y calentándolo hasta 17000C.
La nave espacial se instaló en una plataforma especial que sirvió como paleta durante la aceleración en el barril. Simultáneamente centró el aparato y redujo el avance del hidrógeno acelerado (así es como se organizan los proyectiles de subcalibre modernos). Para reducir la resistencia a la aceleración, se bombeó aire del cañón y se selló la boca con un diafragma especial.
B&W calculó el costo de construcción del cañón espacial en alrededor de $ 270 millones. Pero luego el cañón podría "disparar" cada cuatro días, reduciendo el costo de la primera etapa del cohete Saturno de $ 5 millones a unos miserables $ 100 mil.. Al mismo tiempo, el costo de poner en órbita 1 kg de carga útil se redujo de $ 2500 a $ 400.
Para probar la eficiencia del sistema, los desarrolladores propusieron construir un modelo a escala 1:10 en una de las minas abandonadas. La NASA vaciló: habiendo invertido enormes cantidades de dinero en el desarrollo de cohetes tradicionales, la agencia no podía permitirse gastar 270 millones de dólares en tecnología de la competencia, e incluso con un resultado desconocido. Además, una sobrecarga de 100 g, aunque durante dos segundos, hizo claramente imposible el uso del supercañón en un programa espacial tripulado.
El sueño de Jules Verne
Graham y Smith no fueron ni los primeros ni los últimos ingenieros en capturar la imaginación del concepto de lanzar una nave espacial con un cañón. A principios de la década de 1960, el canadiense Gerald Bull estaba desarrollando el Proyecto de Investigación de Gran Altitud (HARP), disparando sondas atmosféricas a gran altitud a una altitud de casi 100 km. En el Laboratorio Nacional de Livermore. Lawrence en California hasta 1995, como parte del proyecto SHARP (Super High Altitude Research Project) bajo el liderazgo de John Hunter, se desarrolló una pistola de dos etapas, en la que se comprimía hidrógeno mediante la quema de metano y se aceleraba un proyectil de cinco kilogramos. a 3 km / s. También hubo muchos proyectos de cañones de riel: aceleradores electromagnéticos para el lanzamiento de naves espaciales.
Pero todos estos proyectos se desvanecieron antes de la superpistola B&W. “¡Hubo una explosión terrible, inaudita e increíble! Es imposible transmitir su poder: cubriría el trueno más ensordecedor e incluso el rugido de una erupción volcánica. De las entrañas de la tierra se elevó un gigantesco haz de fuego, como del cráter de un volcán. La tierra tembló, y casi ninguno de los espectadores logró en ese momento ver el proyectil cortando triunfalmente el aire en un torbellino de humo y fuego "… - así describió Jules Verne el disparo del gigante Columbiade en su famoso novela.
El cañón Graham-Smith debería haber causado una impresión aún más fuerte. Según los cálculos, cada lanzamiento requirió unas 100 toneladas de hidrógeno, que, tras el proyectil, fue arrojado a la atmósfera. Calentado a una temperatura de 17000C, se encendió cuando entró en contacto con el oxígeno atmosférico, convirtiendo la montaña en una antorcha gigante, una columna de fuego que se extendía varios kilómetros hacia arriba. Cuando se quema tal cantidad de hidrógeno, se forman 900 toneladas de agua, que se disiparían en forma de vapor y lluvia (posiblemente hirviendo en las inmediaciones). Sin embargo, el espectáculo no terminó ahí. Después de la combustión del hidrógeno, se lanzaron hacia arriba 25.000 toneladas de vapor sobrecalentado, formando un géiser gigante. El vapor también se dispersó parcialmente, se condensó parcialmente y cayó en forma de fuertes lluvias (en general, la sequía no amenazó las inmediaciones). Todo esto, por supuesto, tuvo que ir acompañado de fenómenos como tornados, tormentas eléctricas y relámpagos.
A Jules Verne le hubiera encantado. Sin embargo, el plan todavía era demasiado fantástico, por lo tanto, a pesar de todos los efectos especiales, la NASA prefirió la forma más tradicional de lanzamientos espaciales: los lanzamientos de cohetes. Lástima: es difícil imaginar un método más steampunk.
