Проекты космических пушек прошлого.

О пушке Жуля Верна, наверное знают все.
Это самый первый просчитанный и относительно научно обоснованный проект космической миссии. Хотя сейчас его описание наверняка покажется сказочным. Но это вполне естественно, учитывая что концепцию выработали любители и фантасты, еще в конце восемнадцатого века.
Но думаю, будет интересным вспомнить его лишний раз, для лучшего понимания истоков космонавтики. В свое время, именно проект Жуля Верна, "Из пушки на луну", подтолкнул русского энтузиаста "Константина Циолковского", к выработке намного более обоснованных концепций полетов в космос при помощи химических ракет на жидком топливе. В последствии теории Циолковского послужили теоретической базой для создания современной космической индустрии.

****************************************

«С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут» (фр. De la Terre à la Lune, Trajet direct en 97 heures 20 minutes, 1865) — научно-фантастический роман французского писателя Жюля Верна, о первом путешествии человека на Луну, в описании близком к современной традиции фантастики.

Содержание
1 Сюжет
2 Критика
3 Предсказания
4 Влияние
5 Упоминания в массовой культуре
6 Экранизации
7 Примечания
Сюжет.
События романа происходят сразу после гражданской войны в США, то есть очевидно в 1865—1866 годах. После окончания войны в Балтиморе (США) организован Пушечный клуб. Его основатель Импи Барбикен загорелся идеей создать пушку[1], снаряд которой мог бы после выстрела достигнуть Луны. Предварительные расчеты показали, что технология того времени вполне позволяла построить такое орудие. Барбикену удается привлечь внимание всего мира и собрать около 5,5 млн долларов на масштабный проект, спонсорами которого выступили многие страны, в том числе и США. Разработка исполинской пушки-колумбиады началась. Поскольку отлить такой ствол не представлялось возможным, в его качестве создатели решили использовать шахту в земле глубиной 900 футов (274 метра) с чугунными стенками диаметром 60 футов (18.3 метра), Вторую космическую скорость снаряду должен был придать заряд пироксилина общим весом 400 тысяч фунтов (180 тонн).

Первоначально планировалось, что необитаемый шарообразный снаряд из сплава алюминия, достигнув поверхности Луны, мог привлечь внимание её возможных обитателей. Однако далее планы основателей проекта «Колумбиада» изменились. Французский путешественник Мишель Ардан предложил в качестве снаряда пушки изготовить полый металлический цилиндр, заостренный с одной стороны, и сам вызвался полететь внутри него. В итоге было принято решение подготовить вагон-снаряд для команды из 3 человек.

Первыми космическими путешественниками стали

Капитан Николь — американец,
Импи Барбикен — американец,
Мишель Ардан — француз.
Выстрел произошёл согласно намеченному плану и вагон-снаряд, унося первых космонавтов, отправился к Луне. Их дальнейшая судьба описана в продолжении романа «Вокруг Луны» (1869).

Критика.
Книга написана в обычной для французской классической повествовательной традиции манере с обстоятельным описанием множества мелких деталей. Эти особенности делают роман схожим с современной научно-популярной литературой. Несмотря на то, что расчеты для книги Верна подготовил известный французский математик Анри Гарсэ, в XXI веке техническая сторона романа выглядит малоправдоподобной.

Обстоятельную научную критику романа можно обнаружить, например, в книге Якова Перельмана «Занимательная физика».


Подготовка «Вагон-снаряда». Иллюстрация к изданию 1872 года
Предсказания.
Верн предусмотрел для своих героев аппарат на основе хлорноватокислого калия и едкого натра, для регенерации воздуха, которым должны были дышать путешественники. Описание прибора весьма наивно, но сама идея правильна и позволяет очищать воздух для дыхания людей в замкнутом пространстве.
Использование алюминия в качестве основного металла для постройки вагона-снаряда. Несмотря на высокую стоимость алюминия в XIX веке, тем самым предугадано его будущее широкое применение для нужд аэрокосмической индустрии.
В романе пушку строят в штате Флорида. Космодром, с которого были осуществлены реальные полёты людей на Луну, действительно находится во Флориде.
Влияние.
В отличие от предшественников, Сирано де Бержерака и Эдгара По, герои которых попадали на Луну сказочным образом, Жюль Верн впервые глубоко и серьёзно использовал современные для него научные знания для создания сюжета книги. Книга Верна уже при его жизни пользовалась огромной популярностью и в особенности у детей. Уже в 1870 году роман был переведен на английский язык. По признанию многих критиков, книга Жюля Верна стала провозвестницей нового жанра в мировой литературе — научной фантастики.

Значительное количество предсказаний автора обеспечили ей долгую историю, несмотря на наивность стиля и огрехи в технических деталях. Ближайшим последователем Верна, развившим тему путешествия на Луну, стал Герберт Джордж Уэллс в романе «Первые люди на Луне», где полет на Луну осуществился с помощью капсулы из "кейворита" - вымышленного металла, обладающего антигравитационными свойствами.

Идея запуска тел в космос с помощью пушки нашла развитие в концепциях космической пушки и пусковой петли Лофстрома. Использование рельсотрона делает подобную задумку вполне осуществимой.

Источник:   Википедия.

Статья о пушке Жуля Верна на сайте:   Занимательная физика.  

 Слушать аудиокнигу:   Из пушки на луну.  
 
 Скачать книгу:   Из пушки на луну.

Критика идеи романа с современной точки зрения: http://labfan.ru/maps/object/tehnologii/tehnologija-poleta-na-lunu-iz-romana-zhyulja-verna-iz-pushki-na-lunu.html

Интересный американский проект начала 60 - х годов, сверхмощная пушка использующая водород в качестве рабочего тела и водяного пара для сжатия водорода. По концепции эта пушка должна была заменять первые ступени тяжелых ракет.



*******************************************

Про паровую космическую пушку
В КОСМОС НА ПАРОВОЙ ТЯГЕ: СТИМ-КОСМОНАВТИКА

Пар мог бы выполнять серьезную работу не только в XIX, но и в XXI веке.

Выстрел из сердца горы


Возможно ли из орудия достаточной мощности и установленного должным образом пустить ядро на Луну? Жюль Верн, «С Земли на Луну прямым путем за 97 часов 20 минут», 1865 г.
Первый искусственный спутник Земли, выведенный на орбиту 4 октября 1957 года СССР, весил всего 83,6 кг. Именно он открыл для человечества космическую эру. Одновременно началась и космическая гонка между двумя державами – Советским Союзом и США. Меньше чем через месяц СССР вновь поразил мир, запустив второй спутник массой 508 кг с собакой Лайкой на борту. США смогли ответить на вызов только в следующем, 1958 году, запустив 31 января спутник Explorer-1. Причем масса его была в десять раз меньше первого советского спутника – 8,3 кг… Американские инженеры, конечно, могли себе представить вывод более тяжелого спутника на орбиту, но при одной мысли о том, сколько топлива должна нести ракета-носитель, им становилось не по себе. Один из популярных американских журналов писал: «Для того чтобы вывести спутник на околоземную орбиту, масса ракеты должна превосходить массу полезной нагрузки в несколько тысяч раз. Но ученые верят, что развитие технологии позволит им уменьшить это соотношение до ста». Но даже такая цифра подразумевала, что запуск в космос спутника, достаточно крупного для того, чтобы быть полезным, требует сжигания огромного количества дорогого топлива.

Для уменьшения стоимости первой ступени предлагались самые разные варианты: от строительства многоразового космического аппарата до совершенно фантастических идей. Среди них была и идея Артура Грэма, руководителя отдела перспективных разработок компании Babcock & Wilcox (B&W), производящей паровые котлы с 1867 года. Вместе с еще одним инженером B&W, Чарльзом Смитом, Грэм попытался выяснить, можно ли вывести космический аппарат на орбиту с помощью… пара.



Пар и водород

Грэм в это время занимался разработкой сверхкритических высокотемпературных котлов, работающих при температуре выше 3740С и давлении выше 220 атм. (выше этой критической точки вода уже представляет собой не жидкость и не газ, а так называемый сверхкритический флюид, сочетающий свойства и того и другого). Можно ли использовать пар как «толкатель» для уменьшения количества топлива первой ступени ракеты-носителя? Первые оценки были не слишком оптимистичны. Дело в том, что скорость расширения любого газа ограничена скоростью звука в этом газе. При температуре в 5500С скорость распространения звука в водяном паре составляет порядка 720 м/с, при 11000С – 860 м/с, при 16500С – 1030 м/с. Эти скорости могут показаться высокими, но не следует забывать, что даже первая космическая скорость (необходимая для выведения спутника на орбиту) составляет 7,9 км/с. Так что ракета-носитель, притом достаточно большая, все равно будет необходима.

Однако Грэм и Смит нашли другой путь. Они не стали ограничиваться только паром. В марте 1961 года по заданию руководства B&W они подготовили секретный документ, озаглавленный «Пароводородный ускоритель для запуска космических аппаратов», который был представлен вниманию NASA. (Впрочем, секретность продержалась недолго, до 1964 года, когда Грэму и Смиту был выдан патент США за номером 3131597 – «Метод и аппарат для запуска ракет»). В документе разработчики описывали систему, способную разгонять космический аппарат массой до 120 т до скорости почти 2,5 км/с, при этом ускорения, согласно расчетам, не превышали 100g. Дальнейший разгон до первой космической скорости должен был производиться с помощью ракетных ускорителей.

Поскольку пар не способен разогнать космический снаряд до такой скорости, инженеры B&W решили использовать двухступенчатую схему. На первом этапе пар сжимал и таким образом разогревал водород, скорость звука в котором существенно выше (при 5500С – 2150 м/с, при 11000С – 2760 м/с, при 16500С – более 3 км/с). Именно водород должен был производить непосредственный разгон космического аппарата. К тому же затраты на трение при использовании водорода были существенно меньше.

Суперпушка

Сам аппарат для запуска должен был представлять собой грандиознейшее сооружение – исполинскую суперпушку, равной которой не строил еще никто. Ствол диаметром 7 м имел 3 км (!) в высоту и должен был располагаться вертикально внутри горы соответствующих размеров. Для доступа к «казенной части» гигантской пушки в основании горы пробивались туннели. Там же располагался завод для получения водорода из природного газа и гигантский парогенератор.

Оттуда пар по трубопроводам попадал в аккумулятор – стальную сферу 100-метрового диаметра, расположенную в полукилометре под основанием ствола и жестко «вмонтированную» в скальный массив, чтобы обеспечить необходимую прочность стенок: пар в аккумуляторе имел температуру около 5500С и давление более 500 атм.

Пароаккумулятор соединялся с расположенной над ним емкостью с водородом, цилиндром диаметром 25 м и длиной около 400 м с закругленным основаниями, с помощью системы труб и 70 быстродействующих клапанов, каждый около 1 м диаметром. В свою очередь, водородный цилиндр с системой из 70 чуть бóльших клапанов (1,2 м диаметром) был соединен с основанием ствола. Работало всё это так: пар закачивался из аккумулятора в цилиндр и благодаря большей плотности занимал его нижнюю часть, сжимая водород в верхней части до 320 атм. и разогревая его до 17000С.

Космический аппарат устанавливался на специальную платформу, служившую поддоном при разгоне в стволе. Она одновременно центрировала аппарат и уменьшала прорыв разгоняющего водорода (так устроены современные подкалиберные снаряды). Чтобы уменьшить сопротивление разгону, из ствола откачивался воздух, а дульный срез был загерметизирован специальной диафрагмой.

Стоимость строительства космической пушки оценивалась компанией B&W приблизительно в $270 млн. Зато потом пушка могла бы «стрелять» раз в четыре дня, уменьшив стоимость первой ступени ракеты Saturn с $5 миллионов до каких-то жалких $100 тысяч. При этом стоимость выведения 1 кг полезной нагрузки на орбиту падала с $2500 до $400.

Для доказательства работоспособности системы разработчики предложили построить макет в масштабе 1:10 в одной из заброшенных шахт. NASA колебалось: вложив огромные деньги в разработку традиционных ракет, агентство не могло позволить себе потратить $270 млн. на конкурирующую технологию, да еще и с неизвестным результатом. Более того, перегрузка в 100g, пусть и на протяжении двух секунд, явно делала невозможным использование суперпушки в пилотируемой космической программе.

Мечта Жюля Верна

Грэм и Смит были не первыми и не последними инженерами, чье воображение захватила концепция запуска космических аппаратов с помощью пушки. В начале 1960-х годов канадец Джеральд Булл вел разработки в рамках проекта HARP (High Altitude Research Project), выстреливая высотные атмосферные зонды на высоту почти в 100 км. В Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса в Калифорнии до 1995 года в рамках проекта SHARP (Super High Altitude Research Project) под руководством Джона Хантера разрабатывалась двухступенчатая пушка, в которой сжатие водорода осуществлялось с помощью сжигания метана, а пятикилограммовый снаряд разгонялся до 3 км/с. Существовало также множество проектов рельсотронов – электромагнитных ускорителей для запуска космических аппаратов.

Но все эти проекты меркли перед суперпушкой B&W. «Раздался ужасный, неслыханный, невероятный взрыв! Невозможно передать его силу – он покрыл бы самый оглушительный гром и даже грохот извержения вулкана. Из недр земли взвился гигантский сноп огня, точно из кратера вулкана. Земля содрогнулась, и вряд ли кому из зрителей удалось в это мгновение усмотреть снаряд, победоносно прорезавший воздух в вихре дыма и огня»... – так описывал Жюль Верн выстрел гигантской «Колумбиады» в своем знаменитом романе.

Пушка Грэма–Смита должна была производить даже более сильное впечатление. Согласно расчетам, каждый запуск требовал примерно 100 т водорода, который вслед за снарядом выбрасывался в атмосферу. Раскаленный до температуры 17000С, он при соприкосновении с кислородом воздуха воспламенялся, превращая гору в гигантский факел, столб огня, простирающийся на несколько километров вверх. При сгорании такого количества водорода образуется 900 т воды, которая рассеивалась бы в виде пара и выпадала дождем (в ближайших окрестностях, возможно, кипящим). Однако на этом зрелище не заканчивалось. Вслед за горящим водородом вверх выбрасывалось 25 000 т перегретого пара, образующего гигантский гейзер. Пар также частично рассеивался, частично конденсировался и выпадал в виде обильных осадков (в общем, засуха ближайшим окрестностям не грозила). Все это, конечно, должно было сопровождаться явлениями типа торнадо, гроз и молний.

Жюлю Верну наверняка бы это понравилось. Однако план был все-таки слишком фантастический, поэтому, несмотря на все спецэффекты, NASA предпочло более традиционный путь космических запусков – ракетный. Жаль: более стимпанковский метод сложно вообразить.

Устройство орудия внутри горы
Авторы: Артур Грэм, Чарльз Смит. Патент: номер 3131597, США, 5 мая 1964 г. Стоимость проекта: 0 млн. (в деньгах 1964 г.) Стоимость доставки 1 кг полезной нагрузки на орбиту: 0. Стартовая масса космического аппарата: 120 т. Скорость аппарата при покидании ствола: 2,5 км/с. Время разгона: 2,5 секунды


Пароводородный космодром

Вмонтированный в скальный массив вертикальный ствол (1) длиной 3 км и диаметром 7 м, собранный из стальных труб, заглушен с выходного конца диафрагмой (2). Из ствола откачан воздух для уменьшения потерь на сопротивление при разгоне космического аппарата – снаряда (3), закрепленного в разгонном поддоне. Доставка грузов к аппарату осуществляется с помощью лифтового подъемника (4). По паропроводу (5) пар поступает в пароаккумулятор (6) – гигантскую стальную сферу, вмонтированную в скальный массив (7). При открытии паровых клапанов (Cool сверхкритический горячий пар с температурой 5500С под давлением свыше 500 атм. по паропроводам (9) поступает в нижнюю часть емкости для водорода (10). Через 3,5 секунды, за которые давление водорода возрастает до 320 атм., а температура с 5500С до 17000С, открываются водородные клапаны (11) и газ по трубопроводам (12) начинает поступать в стартовую камеру (13).

Еще через секунду освобождаются стопоры разгонного поддона снаряда и начинается разгон с ускорением 100g, длящийся всего 2,5 секунды. Давление в стволе при этом быстро нарастает, достигая почти 300 атм. Снаряд, разогнанный до 2,5 км/с, пробивает герметизирующую ствол диафрагму (2), поддон раскрывается и сбрасывается, срабатывают дополнительные разгонные ускорители (без них аппарат может «вскарабкаться» примерно на 250–300 км).

Источник: http://ru-artillery.livejournal.com/51562.html?thread=461418

Мне кажется проект американской водородной пушки, вполне актуальный и для нашего времени. Только в меньшем масштабе, с меньшим диаметром ствола, возможно меньшей его длинной.
У этой пушки неплохие характеристики.
По конструкции, она может быть изготовлена из серийных комплектующих, газопроводных труб повышенной прочности и деталей мощны паровых котлов.
Температуры и давления при ее эксплуатации не гигантские, что делает потенциально ее надежной и стабильной в работе.
Для такой пушки не нужно специальное топливо, может потреблять обычное топочное горючее и возможно электрический ток для производства водорода, хотя водород может быть получен и более дешевым методом, конверсией перегретого водного пара с углем, или органическим топливом.
При выстреле из пушки перегрузки вполне умеренные, сто единиц (Превосходят силу земного притяжения в сто раз). Для сравнения снаряды традиционных артиллерийских орудий при стрельбе испытывают перегрузки в десятки и сотни тысяч единиц. А значит из пушки такой конструкции можно запускать в космос не только материалы, такие как металл или топливо, но и сложные, высокотехнологичные изделия, такие как ракетные двигатели или детали спутников.

В общем, сделанная с уменьшенным калибром, до 400, или 1000 миллиметров, пушка не будет слишком дорогая или слишком сложная. А функционал у нее вполне не плохой. При доставке деталей спутников на космические станции для сборки на орбите, она может снизить стоимость выведения в несколько раз.

Admin пишет: Мне кажется проект американской водородной пушки, вполне актуальный и для нашего времени. Только в меньшем масштабе, с меньшим диаметром ствола, возможно меньшей его длинной.  
У этой пушки неплохие характеристики.  

Смущает только то, что за много лет его рекорд это 3 км/с для снаряда 5 кг. При этом, он попросил 1 млрд долларов только для того, чтобы поднять свою 100 тонную махину дулом вверх, и запустить "маленькие" снаряды в Космос  (если правильно понял) со скоростью 7 км/с : http://www.astronautix.com/s/sharp.html

http://www.phy6.org/stargaze/SSHARP.htm


В итоге, на 5 кг снаряда со скромной скоростью  3 км/с мы имеем 100 тонную (!!) махину, где нужен поршень весом в одну тонну. Это смущает. Правда, он потом обещал все переделать,и найти более оптимальное инженерное решение. https://en.wikipedia.org/wiki/Quicklaunch

Но смущает обилие предлагаемых  концепций. То у него многоножка, как  Фау-3  ,
то "простая метановая горелка"

О проблеме эрозии:
известно, что и для немецкой "Колоссаль" с ее скромной скоростью 1700 м/с снаряды приходилось применять в комплекте  по 5 штук со строгой последовательностью

http://warspot.ru/634-parizhskaya-pushka-chast-i
"калибр составлял всего 210 мм (после растачивания ствола он увеличивался до 238 мм).

По мере изнашивания стволы поступали на заводы Круппа, где их растачивали до калибров 224 и 238 мм, под которые создавались отдельные комплекты снарядов."

Рельсы рельсотрона очень быстро изнашиваются : снаряды до 2,5 кг, скорость 2,5 км/с
https://scientificrussia.ru/articles/ispytanie-relsotrona-tekstovaya-translyatsiya

"Кроме того, детали очень быстро изнашиваются, буквально за пару десятков использований."

Что будет с легкогазовым орудием?
http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/tm/1974/5/uskor-vest.html
"Чтобы уберечь исследуемую модель (снаряд) от соприкосновения с внутренней поверхностью ствола и разрушения, ее укладывают в обойму из нейлона или полиэтилена."

Будет ли это работать для больших снарядов, трудно сказать...