Steam mógł wykonać poważną pracę nie tylko w XIX wieku, ale także w XXI wieku.
Pierwszy sztuczny satelita Ziemi, wystrzelony na orbitę 4 października 1957 przez ZSRR, ważył tylko 83,6 kg. To on otworzył erę kosmiczną dla ludzkości. W tym samym czasie rozpoczął się wyścig kosmiczny między dwoma mocarstwami - Związkiem Radzieckim i Stanami Zjednoczonymi. Niecały miesiąc później ZSRR ponownie zadziwił świat, wystrzeliwując drugiego satelitę ważącego 508 kg z psem Łajką na pokładzie. Stany Zjednoczone były w stanie odpowiedzieć na wezwanie dopiero w następnym roku, 1958, wystrzeliwując satelitę Explorer-1 31 stycznia. Co więcej, jego masa była dziesięć razy mniejsza niż pierwszego radzieckiego satelity - 8, 3 kg … Amerykańscy inżynierowie oczywiście mogli sobie wyobrazić umieszczenie cięższego satelity na orbicie, ale na samą myśl, ile paliwa powinien przewozić pojazd nośny, nie zrobili sami. Jeden z popularnych amerykańskich magazynów napisał: „Aby wystrzelić satelitę na niską orbitę okołoziemską, masa rakiety musi kilka tysięcy razy przekroczyć masę ładunku. Ale naukowcy uważają, że postęp w technologii pozwoli im zmniejszyć ten stosunek do stu”. Ale nawet ta liczba sugerowała, że wystrzelenie satelity wystarczająco dużego, aby był użyteczny, wymagałoby spalenia ogromnych ilości drogiego paliwa.
Aby obniżyć koszty pierwszego etapu, zaproponowano różne opcje: od budowy statku kosmicznego wielokrotnego użytku po całkowicie fantastyczne pomysły. Wśród nich był pomysł Arthura Grahama, szefa zaawansowanego rozwoju firmy Babcock & Wilcox (B&W), która produkuje kotły parowe od 1867 roku. Razem z innym inżynierem B&W, Charlesem Smithem, Graham próbował dowiedzieć się, czy statek kosmiczny można umieścić na orbicie za pomocą… pary.
Para i wodór
Graham w tym czasie zajmował się rozwojem nadkrytycznych kotłów wysokotemperaturowych pracujących w temperaturach powyżej 3740C i ciśnieniu powyżej 220 atm. (powyżej tego punktu krytycznego woda nie jest już cieczą ani gazem, ale tak zwanym płynem nadkrytycznym, łączącym właściwości obu). Czy para może służyć jako „popychacz” zmniejszający ilość paliwa w pierwszym stopniu rakiety nośnej? Pierwsze szacunki nie były zbyt optymistyczne. Faktem jest, że szybkość rozszerzania się dowolnego gazu jest ograniczona prędkością dźwięku w tym gazie. W temperaturze 5500C prędkość rozchodzenia się dźwięku w parze wodnej wynosi około 720 m/s, przy 1100°C – 860 m/s, przy 16500C – 1030 m/s. Prędkości te mogą wydawać się wysokie, ale nie należy zapominać, że nawet pierwsza kosmiczna prędkość (wymagana do umieszczenia satelity na orbicie) to 7,9 km/s. Tak więc pojazd nośny, choć wystarczająco duży, nadal będzie potrzebny.
Jednak Graham i Smith znaleźli inny sposób. Nie ograniczali się tylko do promu. W marcu 1961 r. na polecenie kierownictwa B&W przygotowali tajny dokument zatytułowany „Steam Hydrogen Booster for Spacecraft Launch”, na który zwrócono uwagę NASA. (Jednak tajemnica nie trwała długo, aż do 1964 roku, kiedy Graham i Smith otrzymali patent USA nr 3131597 – „Sposób i aparat do wystrzeliwania rakiet”). W dokumencie programiści opisali system zdolny do przyspieszenia statku kosmicznego o masie do 120 ton do prędkości prawie 2,5 km / s, podczas gdy przyspieszenia, zgodnie z obliczeniami, nie przekraczały 100g. Dalsze przyspieszenie do pierwszej prędkości kosmicznej miało być realizowane za pomocą dopalaczy rakietowych.
Ponieważ para nie jest w stanie rozpędzić pocisku kosmicznego do tej prędkości, inżynierowie B&W zdecydowali się na zastosowanie schematu dwustopniowego. W pierwszym etapie sprężona para wodna, a tym samym podgrzana wodór, przy której prędkość dźwięku jest znacznie wyższa (w temperaturze 5500C - 2150 m/s, w temperaturze 11000C - 2760 m/s, w temperaturze 16500C - ponad 3 km/s). To wodór miał bezpośrednio przyspieszać statek kosmiczny. Ponadto koszty tarcia przy użyciu wodoru były znacznie niższe.
Super pistolet
Sama wyrzutnia miała być imponującą konstrukcją - gigantycznym supergunem, którego nikt nigdy nie zbudował. Lufa o średnicy 7 m miała 3 km (!) wysokości i musiała być umieszczona pionowo wewnątrz góry o odpowiednich wymiarach. Aby uzyskać dostęp do „zamka” gigantycznej armaty, u podnóża góry wykonano tunele. Istniała też instalacja do produkcji wodoru z gazu ziemnego i gigantyczna wytwornica pary.
Stamtąd para przez rurociągi wchodziła do akumulatora - stalowej kuli o średnicy 100 metrów, umieszczonej pół kilometra pod podstawą beczki i sztywno „zamontowanej” w masie skalnej, aby zapewnić niezbędną wytrzymałość ściany: para w akumulator miał temperaturę około 5500C i ciśnienie ponad 500 atm.
Zasobnik pary połączono z umieszczonym nad nim zbiornikiem z wodorem, cylindrem o średnicy 25 m i długości ok. 400 mz zaokrąglonymi podstawami, za pomocą systemu rur i 70 szybkoobrotowych zaworów po ok. 1 m każdy średnica. Z kolei do podstawy lufy podłączona była butla z wodorem z systemem 70 nieco większych zaworów (o średnicy 1,2 m). To wszystko działało tak: para pompowana była z akumulatora do cylindra i ze względu na większą gęstość zajmowała jego dolną część, sprężając wodór w górnej części do 320 atm. i ogrzanie go do 17000C.
Statek kosmiczny został zainstalowany na specjalnej platformie, która służyła jako paleta podczas przyspieszania w lufie. Jednocześnie wyśrodkował aparat i ograniczył przebicie przyspieszającego wodoru (tak układają się współczesne pociski podkalibrowe). Aby zmniejszyć opory na przyspieszenie, z lufy wypompowywano powietrze, a lufę uszczelniono specjalną membraną.
Koszt budowy armaty kosmicznej B&W oszacował na około 270 milionów dolarów, ale wtedy armata mogła „odpalać” co cztery dni, obniżając koszt pierwszego stopnia rakiety Saturn z 5 milionów dolarów do jakichś nędznych 100 tysięcy dolarów. W tym samym czasie koszt wprowadzenia 1 kg ładunku na orbitę spadł z 2500 USD do 400 USD.
Aby udowodnić skuteczność systemu, twórcy zaproponowali zbudowanie makiety w skali 1:10 w jednej z opuszczonych kopalń. NASA zawahała się: po zainwestowaniu ogromnych kwot w rozwój tradycyjnych rakiet agencja nie mogła sobie pozwolić na wydanie 270 milionów dolarów na konkurencyjną technologię, a nawet z nieznanym rezultatem. Co więcej, przeciążenie 100g, aczkolwiek trwające dwie sekundy, wyraźnie uniemożliwiło użycie superguna w załogowym programie kosmicznym.
Sen Juliusza Verne'a
Graham i Smith nie byli ani pierwszymi, ani ostatnimi inżynierami, którzy uchwycili wyobraźnię koncepcji wystrzelenia statku kosmicznego z armaty. We wczesnych latach sześćdziesiątych Kanadyjczyk Gerald Bull opracowywał projekt badawczy na dużych wysokościach (HARP), wystrzeliwując sondy atmosferyczne na dużych wysokościach na wysokość prawie 100 km. W Narodowym Laboratorium Livermore. Lawrence w Kalifornii do 1995 roku, w ramach projektu SHARP (Super High Altitude Research Project) pod kierownictwem Johna Huntera, opracowano dwustopniowe działo, w którym wodór był sprężony przez spalanie metanu, a pięciokilogramowy pocisk przyspieszany do 3 km/s. Było też wiele projektów dział szynowych - akceleratorów elektromagnetycznych do wystrzeliwania statków kosmicznych.
Ale wszystkie te projekty wyblakły przed B&W supergun. „Nastąpiła straszna, niesłychana, niesamowita eksplozja! Nie da się przekazać jego mocy - zakryłby najbardziej ogłuszający grzmot, a nawet ryk erupcji wulkanu. Z trzewi ziemi wyrósł gigantyczny snop ognia, jakby z krateru wulkanu. Ziemia zatrzęsła się i mało kto z widzów zdołał w tym momencie zobaczyć pocisk triumfalnie przecinający powietrze w wichrze dymu i ognia „… – tak Jules Verne opisał strzał giganta Columbiade w swoim słynnym powieść.
Działo Graham-Smith powinno zrobić jeszcze silniejsze wrażenie. Według obliczeń każdy start wymagał około 100 ton wodoru, który w ślad za pociskiem został wyrzucony do atmosfery. Podgrzany do temperatury 17000C zapalał się w kontakcie z tlenem atmosferycznym, zamieniając górę w gigantyczną pochodnię, słup ognia ciągnący się kilka kilometrów w górę. Przy spaleniu takiej ilości wodoru powstaje 900 ton wody, która rozproszyłaby się w postaci pary i deszczu (ewentualnie gotując się w bezpośrednim sąsiedztwie). Na tym jednak przedstawienie się nie skończyło. Po płonącym wodorze 25 000 ton przegrzanej pary zostało wyrzuconych w górę, tworząc gigantyczny gejzer. Para również częściowo się rozproszyła, częściowo skondensowała i wypadła w postaci ulewnych opadów (na ogół susza nie zagrażała najbliższemu otoczeniu). Wszystkiemu temu oczywiście musiały towarzyszyć zjawiska takie jak tornada, burze i błyskawice.
Jules Verne by to pokochał. Plan był jednak wciąż zbyt fantastyczny, dlatego mimo wszystkich efektów specjalnych NASA preferowała bardziej tradycyjny sposób startów w kosmos – starty rakiet. Szkoda: trudno sobie wyobrazić bardziej steampunkową metodę.
