كان بإمكان Steam القيام بعمل جاد ليس فقط في القرن التاسع عشر ، ولكن أيضًا في القرن الحادي والعشرين.
كان أول قمر صناعي أرضي ، أطلقه الاتحاد السوفيتي في 4 أكتوبر 1957 ، يزن 83.6 كجم فقط. هو الذي فتح عصر الفضاء للبشرية. في الوقت نفسه ، بدأ سباق الفضاء بين القوتين - الاتحاد السوفيتي والولايات المتحدة. بعد أقل من شهر ، أذهل اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية العالم مرة أخرى بإطلاق قمر صناعي ثان يزن 508 كجم مع الكلب لايكا على متنه. تمكنت الولايات المتحدة من الرد على المكالمة فقط في العام التالي ، 1958 ، بإطلاق القمر الصناعي Explorer-1 في 31 يناير. علاوة على ذلك ، كانت كتلته أقل بعشر مرات من أول قمر صناعي سوفيتي - 8 ، 3 كجم … يمكن للمهندسين الأمريكيين ، بالطبع ، تخيل وضع قمر صناعي أثقل في المدار ، ولكن عند التفكير في مقدار الوقود الذي يجب أن تحمله مركبة الإطلاق لم يفعلوا ذلك من تلقاء أنفسهم. كتبت إحدى المجلات الأمريكية الشهيرة: "من أجل إطلاق قمر صناعي في مدار أرضي منخفض ، يجب أن تتجاوز كتلة الصاروخ كتلة الحمولة بعدة آلاف من المرات. لكن العلماء يعتقدون أن التقدم في التكنولوجيا سيسمح لهم بتقليل هذه النسبة إلى مائة ". ولكن حتى هذا الرقم يشير إلى أن إطلاق قمر صناعي كبير بما يكفي ليكون مفيدًا سيتطلب حرق كميات هائلة من الوقود باهظ الثمن.
لتقليل تكلفة المرحلة الأولى ، تم اقتراح مجموعة متنوعة من الخيارات: من بناء مركبة فضائية قابلة لإعادة الاستخدام إلى أفكار رائعة تمامًا. كان من بينها فكرة آرثر جراهام ، رئيس قسم التطوير المتقدم في شركة بابكوك وويلكوكس (B&W) ، التي تصنع الغلايات البخارية منذ عام 1867. حاول جراهام جنبًا إلى جنب مع مهندس آخر في شركة B&W ، تشارلز سميث ، اكتشاف ما إذا كان من الممكن وضع المركبة الفضائية في المدار باستخدام … البخار.
البخار والهيدروجين
كان جراهام في هذا الوقت منخرطًا في تطوير غلايات عالية الحرارة فوق الحرجة تعمل في درجات حرارة أعلى من 3740 درجة مئوية وضغوط أعلى من 220 ضغط جوي. (فوق هذه النقطة الحرجة ، لم يعد الماء سائلًا أو غازًا ، بل ما يسمى بسائل فوق الحرج ، يجمع بين خصائص كليهما). هل يمكن استخدام البخار كـ "دافع" لتقليل كمية الوقود في المرحلة الأولى من مركبة الإطلاق؟ لم تكن التقديرات الأولى مفرطة في التفاؤل. الحقيقة هي أن معدل تمدد أي غاز محدد بسرعة الصوت في هذا الغاز. عند درجة حرارة 5500 درجة مئوية ، تبلغ سرعة انتشار الصوت في بخار الماء حوالي 720 م / ث ، عند 11000 درجة مئوية - 860 م / ث ، عند 16500 درجة مئوية - 1030 م / ث. قد تبدو هذه السرعات عالية ، لكن لا ينبغي لأحد أن ينسى أنه حتى السرعة الكونية الأولى (المطلوبة لوضع قمر صناعي في المدار) هي 7 ، 9 كم / ثانية. لذلك ستظل هناك حاجة إلى مركبة الإطلاق ، رغم أنها كبيرة بما يكفي.
ومع ذلك ، وجد جراهام وسميث طريقة أخرى. لم يقتصروا على العبارة فقط. في مارس 1961 ، بناءً على تعليمات من إدارة B&W ، أعدوا وثيقة سرية بعنوان "Steam Hydrogen Booster لإطلاق المركبات الفضائية" ، والتي تم لفت انتباه وكالة ناسا إليها. (ومع ذلك ، فإن السرية لم تدم طويلاً ، حتى عام 1964 ، عندما مُنح غراهام وسميث براءة الاختراع الأمريكية رقم 3131597 - "طريقة وجهاز لإطلاق الصواريخ"). في الوثيقة ، وصف المطورون نظامًا قادرًا على تسريع مركبة فضائية يصل وزنها إلى 120 طنًا إلى ما يقرب من 2.5 كم / ثانية ، في حين أن التسارع ، وفقًا للحسابات ، لم يتجاوز 100 جرام. كان من المقرر إجراء المزيد من التسارع إلى السرعة الفضائية الأولى بمساعدة معززات الصواريخ.
نظرًا لأن البخار غير قادر على تسريع مقذوفات فضائية بهذه السرعة ، فقد قرر مهندسو شركة B&W استخدام مخطط من مرحلتين. في المرحلة الأولى ، يتم ضغط البخار وبالتالي تسخين الهيدروجين ، وتكون سرعة الصوت أعلى بكثير (عند 5500 درجة مئوية - 2150 م / ث ، عند 11000 درجة مئوية - 2760 م / ث ، عند 16500 درجة مئوية - أكثر من 3 كم / ث). كان من المفترض أن يعمل الهيدروجين على تسريع المركبة الفضائية بشكل مباشر. بالإضافة إلى ذلك ، كانت تكاليف الاحتكاك عند استخدام الهيدروجين أقل بكثير.
بندقية سوبر
كان من المفترض أن يكون القاذف نفسه عبارة عن هيكل فخم - بندقية عملاقة عملاقة ، لم يقم أحد ببنائها على الإطلاق. كان البرميل الذي يبلغ قطره 7 أمتار يبلغ ارتفاعه 3 كيلومترات (!) وكان لابد من وضعه عموديًا داخل جبل ذي أبعاد مناسبة. للوصول إلى "المؤخرة" للمدفع العملاق ، تم عمل أنفاق في قاعدة الجبل. كان هناك أيضًا مصنع لإنتاج الهيدروجين من الغاز الطبيعي ومولد بخار عملاق.
من هناك ، دخل البخار عبر خطوط الأنابيب إلى المجمع - وهو عبارة عن كرة فولاذية يبلغ قطرها 100 متر ، وتقع على بُعد نصف كيلومتر أسفل قاعدة البرميل ويتم "تركيبها" بشكل صارم في الكتلة الصخرية لتوفير قوة الجدار اللازمة: البخار الموجود في تبلغ درجة حرارة المجمع حوالي 5500 درجة مئوية وضغط يزيد عن 500 ضغط جوي.
تم توصيل مجمع البخار بحاوية بها هيدروجين فوقها ، اسطوانة قطرها 25 م وطولها حوالي 400 م مع قواعد مستديرة ، باستخدام نظام من الأنابيب و 70 صمامًا عالي السرعة ، كل منها حوالي 1 متر في قطر الدائرة. في المقابل ، تم توصيل أسطوانة هيدروجين بنظام مكون من 70 صمامًا أكبر قليلاً (قطرها 1.2 مترًا) بقاعدة البرميل. كل شيء يعمل على هذا النحو: تم ضخ البخار من المركب إلى الأسطوانة ، وبسبب كثافته العالية ، احتل الجزء السفلي منه ، وضغط الهيدروجين في الجزء العلوي إلى 320 ضغط جوي. وتسخينه حتى 17000 درجة مئوية.
تم تثبيت المركبة الفضائية على منصة خاصة كانت بمثابة منصة نقالة أثناء التسارع في البرميل. لقد ركزت الجهاز في وقت واحد وقللت من اختراق تسريع الهيدروجين (هذه هي الطريقة التي يتم بها ترتيب المقذوفات الحديثة من العيار الصغير). لتقليل مقاومة التسارع ، تم ضخ الهواء من البرميل ، وتم إغلاق الكمامة بغشاء خاص.
قدرت شركة B&W تكلفة بناء مدفع الفضاء بحوالي 270 مليون دولار. ولكن بعد ذلك يمكن للمدفع "إطلاق" كل أربعة أيام ، مما يقلل تكلفة المرحلة الأولى من صاروخ ساتورن من 5 ملايين دولار إلى 100 ألف دولار.. في الوقت نفسه ، انخفضت تكلفة وضع 1 كجم من الحمولة في المدار من 2500 دولار إلى 400 دولار.
لإثبات كفاءة النظام ، اقترح المطورون بناء نموذج مصغر من 1:10 في أحد المناجم المهجورة. ترددت وكالة ناسا: بعد أن استثمرت مبالغ ضخمة من المال في تطوير الصواريخ التقليدية ، لم تتمكن الوكالة من إنفاق 270 مليون دولار على التكنولوجيا المنافسة ، وحتى مع نتيجة غير معروفة. علاوة على ذلك ، من الواضح أن الحمولة الزائدة البالغة 100 جرام ، وإن كانت لمدة ثانيتين ، جعلت من المستحيل استخدام المدفع العملاق في برنامج فضائي مأهول.
حلم جول فيرن
لم يكن جراهام وسميث أول ولا آخر مهندسين استحوذوا على خيال مفهوم إطلاق مركبة فضائية بمدفع. في أوائل الستينيات ، كان الكندي جيرالد بول يطور مشروع أبحاث الارتفاعات العالية (HARP) ، حيث أطلق مجسات جوية على ارتفاعات عالية على ارتفاع 100 كيلومتر تقريبًا. في مختبر ليفرمور الوطني. لورانس في ولاية كاليفورنيا حتى عام 1995 ، كجزء من مشروع SHARP (مشروع بحث عالي الارتفاع) تحت قيادة جون هانتر ، تم تطوير مسدس من مرحلتين ، حيث تم ضغط الهيدروجين عن طريق حرق الميثان ، وتسريع قذيفة بوزن خمسة كيلوغرامات إلى 3 كم / ثانية. كان هناك أيضًا العديد من مشاريع المدافع الكهرومغناطيسية - المسرعات الكهرومغناطيسية لإطلاق المركبات الفضائية.
لكن كل هذه المشاريع تلاشت قبل مدفع B&W العملاق. "كان هناك انفجار رهيب ، لم يسمع به من قبل ، لا يصدق! من المستحيل نقل قوتها - فهي ستغطي الرعد الذي يصم الآذان وحتى هدير الانفجار البركاني.من أحشاء الأرض ارتفعت حزمة ضخمة من النار ، كما لو كانت من فوهة بركان. اهتزت الأرض ، وبالكاد تمكن أي من المتفرجين في تلك اللحظة من رؤية المقذوفة تخترق الهواء منتصرة في زوبعة من الدخان والنار "… - هكذا وصف جول فيرن لقطة كولومبيد العملاقة في صورته الشهيرة رواية.
كان يجب أن يترك مدفع جراهام سميث انطباعًا أقوى. وفقًا للحسابات ، تطلب كل إطلاق حوالي 100 طن من الهيدروجين ، والذي تم إلقاؤه في الغلاف الجوي بعد القذيفة. تم تسخينه إلى درجة حرارة 17000 درجة مئوية ، واشتعلت عندما تلامس مع الأكسجين الجوي ، وتحويل الجبل إلى شعلة عملاقة ، عمود نار يمتد عدة كيلومترات إلى الأعلى. عندما تحترق مثل هذه الكمية من الهيدروجين ، يتم تكوين 900 طن من الماء ، والتي من شأنها أن تتبدد في شكل بخار ومطر (ربما يغلي في المنطقة المجاورة مباشرة). ومع ذلك ، فإن العرض لم ينته عند هذا الحد. بعد احتراق الهيدروجين ، تم إلقاء 25000 طن من البخار المحمص لأعلى ، لتشكيل نبع ماء عملاق. كما أن البخار مشتت جزئيًا ومكثف جزئيًا وسقط على شكل أمطار غزيرة (بشكل عام ، لم يهدد الجفاف المنطقة المجاورة مباشرة). كل هذا ، بالطبع ، يجب أن يكون مصحوبًا بظواهر مثل الأعاصير والعواصف الرعدية والبرق.
كان جول فيرن سيحبها. ومع ذلك ، كانت الخطة لا تزال رائعة للغاية ، لذلك ، على الرغم من كل التأثيرات الخاصة ، فضلت وكالة ناسا الطريقة الأكثر تقليدية لإطلاق الفضاء - إطلاق الصواريخ. سيء جدًا: من الصعب تخيل طريقة steampunk.
