Il vapore potrebbe fare un lavoro serio non solo nel 19° secolo, ma anche nel 21° secolo.
Il primo satellite artificiale della Terra, lanciato in orbita il 4 ottobre 1957 dall'URSS, pesava solo 83,6 kg. Fu lui ad aprire l'era spaziale per l'umanità. Allo stesso tempo, iniziò la corsa allo spazio tra le due potenze: l'Unione Sovietica e gli Stati Uniti. Meno di un mese dopo, l'URSS ha nuovamente stupito il mondo lanciando un secondo satellite del peso di 508 kg con a bordo il cane Laika. Gli Stati Uniti furono in grado di rispondere alla chiamata solo nell'anno successivo, 1958, lanciando il satellite Explorer-1 il 31 gennaio. Inoltre, la sua massa era dieci volte inferiore al primo satellite sovietico - 8, 3 kg … Gli ingegneri americani, ovviamente, potevano immaginare di mettere in orbita un satellite più pesante, ma al solo pensiero di quanto carburante avrebbe dovuto trasportare il veicolo di lancio, non l'hanno fatto da soli. Una delle famose riviste americane ha scritto: "Per lanciare un satellite in un'orbita terrestre bassa, la massa del razzo deve superare la massa del carico utile di diverse migliaia di volte. Ma gli scienziati ritengono che i progressi tecnologici consentiranno loro di ridurre questo rapporto a cento". Ma anche quella cifra implicava che il lancio di un satellite abbastanza grande da essere utile avrebbe richiesto la combustione di enormi quantità di carburante costoso.
Per ridurre il costo del primo stadio, sono state proposte una varietà di opzioni: dalla costruzione di un'astronave riutilizzabile a idee completamente fantastiche. Tra questi c'era l'idea di Arthur Graham, capo dello sviluppo avanzato di Babcock & Wilcox (B&W), che produce caldaie a vapore dal 1867. Insieme a un altro ingegnere della B&W, Charles Smith, Graham ha cercato di capire se la navicella spaziale potesse essere messa in orbita usando… il vapore.
Vapore e idrogeno
Graham in quel momento era impegnato nello sviluppo di caldaie supercritiche ad alta temperatura che funzionavano a temperature superiori a 3740 ° C e pressioni superiori a 220 atm. (al di sopra di questo punto critico, l'acqua non è più un liquido o un gas, ma un cosiddetto fluido supercritico, che combina le proprietà di entrambi). Il vapore può essere utilizzato come "spintore" per ridurre la quantità di carburante nella prima fase di un veicolo di lancio? Le prime stime non erano eccessivamente ottimistiche. Il fatto è che la velocità di espansione di qualsiasi gas è limitata dalla velocità del suono in questo gas. A una temperatura di 5500C, la velocità di propagazione del suono nel vapore acqueo è di circa 720 m/s, a 11000C - 860 m/s, a 16500C - 1030 m/s. Queste velocità possono sembrare elevate, ma non bisogna dimenticare che anche la prima velocità cosmica (necessaria per mettere in orbita un satellite) è di 7,9 km/s. Quindi un veicolo di lancio, anche se abbastanza grande, sarà comunque necessario.
Tuttavia, Graham e Smith hanno trovato un altro modo. Non si sono limitati al solo traghetto. Nel marzo 1961, su istruzione della direzione di B&W, prepararono un documento segreto intitolato "Steam Hydrogen Booster for Spacecraft Launch", che fu portato all'attenzione della NASA. (Tuttavia, la segretezza non durò a lungo, fino al 1964, quando a Graham e Smith fu concesso il brevetto statunitense n. 3131597 - "Metodo e apparato per il lancio di razzi"). Nel documento, gli sviluppatori hanno descritto un sistema in grado di accelerare un veicolo spaziale che pesa fino a 120 tonnellate a una velocità di quasi 2,5 km / s, mentre le accelerazioni, secondo i calcoli, non superavano i 100 g. Un'ulteriore accelerazione alla prima velocità spaziale doveva essere effettuata con l'aiuto di razzi.
Poiché il vapore non è in grado di accelerare un proiettile spaziale a questa velocità, gli ingegneri di B&W hanno deciso di utilizzare uno schema a due stadi. Nella prima fase, il vapore ha compresso e quindi riscaldato l'idrogeno, la cui velocità del suono è molto più alta (a 5500C - 2150 m / s, a 11000C - 2760 m / s, a 16500C - più di 3 km / s). Era l'idrogeno che avrebbe dovuto accelerare direttamente il veicolo spaziale. Inoltre, i costi di attrito durante l'utilizzo dell'idrogeno erano significativamente inferiori.
Super pistola
Il lanciatore stesso doveva essere una struttura grandiosa: un gigantesco supercannone, uguale a quello che nessuno aveva mai costruito. La canna con un diametro di 7 m era alta 3 km (!) e doveva essere collocata verticalmente all'interno di una montagna di dimensioni adeguate. Per accedere alla "culatta" del cannone gigante, furono realizzati dei tunnel alla base della montagna. C'era anche un impianto per la produzione di idrogeno dal gas naturale e un gigantesco generatore di vapore.
Da lì, il vapore attraverso le condutture entrava nell'accumulatore - una sfera d'acciaio di 100 metri di diametro, situata a mezzo chilometro sotto la base della canna e rigidamente "montata" nella massa rocciosa per fornire la necessaria resistenza della parete: il vapore nel l'accumulatore aveva una temperatura di circa 5500C e una pressione di oltre 500 atm.
L'accumulatore di vapore era collegato ad un contenitore con idrogeno posto sopra di esso, un cilindro del diametro di 25 m e lungo circa 400 m con basi arrotondate, utilizzando un sistema di tubi e 70 valvole ad alta velocità, ciascuna di circa 1 m in diametro. A sua volta, alla base della canna era collegata una bombola di idrogeno con un sistema di 70 valvole leggermente più grandi (1,2 m di diametro). Funzionava tutto così: il vapore veniva pompato dall'accumulatore nel cilindro e, a causa della sua maggiore densità, ne occupava la parte inferiore, comprimendo l'idrogeno nella parte superiore a 320 atm. e riscaldandolo fino a 17000C.
La navicella è stata installata su una piattaforma speciale che fungeva da pallet durante l'accelerazione nella canna. Ha contemporaneamente centrato l'apparato e ridotto la svolta dell'accelerazione dell'idrogeno (è così che sono disposti i moderni proiettili di sotto-calibro). Per ridurre la resistenza all'accelerazione, l'aria è stata pompata fuori dalla canna e la volata è stata sigillata con uno speciale diaframma.
Il costo di costruzione del cannone spaziale è stato stimato da B&W in circa $ 270 milioni, ma poi il cannone potrebbe "sparare" ogni quattro giorni, riducendo il costo del primo stadio del razzo Saturno da $ 5 milioni a qualche misero $ 100 mila. Allo stesso tempo, il costo per mettere in orbita 1 kg di carico utile è sceso da $ 2500 a $ 400.
Per dimostrare l'efficienza del sistema, gli sviluppatori hanno proposto di costruire un modello in scala 1:10 in una delle miniere abbandonate. La NASA esitò: avendo investito enormi quantità di denaro nello sviluppo di razzi tradizionali, l'agenzia non poteva permettersi di spendere 270 milioni di dollari in tecnologie concorrenti, e anche con un risultato sconosciuto. Inoltre, un sovraccarico di 100 g, seppur per due secondi, rendeva chiaramente impossibile l'utilizzo del supercannone in un programma spaziale con equipaggio.
Il sogno di Jules Verne
Graham e Smith non furono né i primi né gli ultimi ingegneri a catturare l'immaginazione del concetto di lancio di veicoli spaziali con un cannone. All'inizio degli anni '60, il canadese Gerald Bull stava sviluppando l'High Altitude Research Project (HARP), lanciando sonde atmosferiche ad alta quota a un'altitudine di quasi 100 km. Al Laboratorio Nazionale di Livermore. Lawrence in California fino al 1995, come parte del progetto SHARP (Super High Altitude Research Project) sotto la guida di John Hunter, fu sviluppato un cannone a due stadi, in cui l'idrogeno veniva compresso bruciando metano e un proiettile da cinque chilogrammi accelerato a 3 km/s. C'erano anche molti progetti di cannoni ferroviari: acceleratori elettromagnetici per il lancio di veicoli spaziali.
Ma tutti questi progetti sono svaniti prima del supercannone B&W. “C'è stata un'esplosione terribile, inaudita, incredibile! È impossibile trasmettere il suo potere: coprirebbe il tuono più assordante e persino il ruggito di un'eruzione vulcanica. Dalle viscere della terra si levò un gigantesco fascio di fuoco, come dal cratere di un vulcano. La terra tremò e quasi nessuno degli spettatori riuscì in quel momento a vedere il proiettile tagliare trionfalmente l'aria in un vortice di fumo e fuoco "… - così Jules Verne descrisse lo scatto del gigante Columbiade nel suo famoso romanzo.
Il cannone Graham-Smith avrebbe dovuto fare un'impressione ancora più forte. Secondo i calcoli, ogni lancio richiedeva circa 100 tonnellate di idrogeno, che, in seguito al proiettile, veniva lanciato nell'atmosfera. Riscaldato a una temperatura di 17000°C, si è acceso quando è entrato in contatto con l'ossigeno atmosferico, trasformando la montagna in una gigantesca torcia, una colonna di fuoco che si estende per diversi chilometri verso l'alto. Quando una tale quantità di idrogeno brucia, si formano 900 tonnellate di acqua, che si disperderebbe sotto forma di vapore e piove (possibilmente bollendo nelle immediate vicinanze). Tuttavia, lo spettacolo non è finito qui. In seguito alla combustione dell'idrogeno, 25.000 tonnellate di vapore surriscaldato sono state lanciate verso l'alto, formando un gigantesco geyser. Anche il vapore si è parzialmente disperso, parzialmente condensato ed è caduto sotto forma di forti piogge (in generale, la siccità non ha minacciato le immediate vicinanze). Tutto questo, ovviamente, doveva essere accompagnato da fenomeni come tornado, temporali e fulmini.
Jules Verne l'avrebbe adorato. Tuttavia, il piano era ancora troppo fantastico, quindi, nonostante tutti gli effetti speciali, la NASA preferiva il modo più tradizionale di lanci spaziali: i lanci di razzi. Peccato: un metodo più steampunk è difficile da immaginare.
