O Steam pôde fazer um trabalho sério não apenas no século 19, mas também no século 21.
O primeiro satélite artificial da Terra, lançado em órbita em 4 de outubro de 1957, pela URSS, pesava apenas 83,6 kg. Foi ele quem abriu a era espacial para a humanidade. Ao mesmo tempo, começou a corrida espacial entre as duas potências - a União Soviética e os Estados Unidos. Menos de um mês depois, a URSS voltou a surpreender o mundo ao lançar um segundo satélite de 508 kg com a cadela Laika a bordo. Os Estados Unidos só puderam responder à chamada no ano seguinte, 1958, com o lançamento do satélite Explorer-1 em 31 de janeiro. Além disso, sua massa era dez vezes menor que a do primeiro satélite soviético - 8,3 kg … Engenheiros americanos, é claro, podiam imaginar colocar um satélite mais pesado em órbita, mas ao pensar na quantidade de combustível que o veículo de lançamento deveria carregar, eles não fizeram por si mesmo. Uma das revistas americanas populares escreveu: “Para lançar um satélite na órbita terrestre baixa, a massa do foguete deve exceder a massa da carga útil em vários milhares de vezes. Mas os cientistas acreditam que os avanços da tecnologia lhes permitirão reduzir essa proporção para cem. Mas mesmo esse número implicava que o lançamento de um satélite grande o suficiente para ser útil exigiria a queima de enormes quantidades de combustível caro.
Para reduzir o custo do primeiro estágio, uma variedade de opções foi proposta: desde a construção de uma espaçonave reutilizável até ideias completamente fantásticas. Entre eles estava a ideia de Arthur Graham, chefe de desenvolvimento avançado da Babcock & Wilcox (B&W), que fabrica caldeiras a vapor desde 1867. Junto com outro engenheiro da B&W, Charles Smith, Graham tentou descobrir se a espaçonave poderia ser colocada em órbita usando … vapor.
Vapor e hidrogênio
Graham nessa época estava empenhado no desenvolvimento de caldeiras supercríticas de alta temperatura operando em temperaturas acima de 3740C e pressões acima de 220 atm. (acima desse ponto crítico, a água não é mais um líquido ou um gás, mas um fluido denominado supercrítico, combinando as propriedades de ambos). O vapor pode ser usado como um "empurrador" para reduzir a quantidade de combustível no primeiro estágio de um veículo lançador? As primeiras estimativas não eram excessivamente otimistas. O fato é que a taxa de expansão de qualquer gás é limitada pela velocidade do som nesse gás. A uma temperatura de 5500C, a velocidade de propagação do som no vapor de água é de cerca de 720 m / s, a 11000C - 860 m / s, a 16500C - 1030 m / s. Essas velocidades podem parecer altas, mas não se deve esquecer que mesmo a primeira velocidade cósmica (necessária para colocar um satélite em órbita) é de 7,9 km / s. Portanto, um veículo de lançamento, embora grande o suficiente, ainda será necessário.
No entanto, Graham e Smith encontraram outra maneira. Eles não se limitaram apenas à balsa. Em março de 1961, por instruções da administração da B&W, eles prepararam um documento secreto intitulado "Impulsionador de hidrogênio a vapor para lançamento de espaçonaves", que foi levado ao conhecimento da NASA. (No entanto, o sigilo não durou muito, até 1964, quando Graham e Smith obtiveram a patente norte-americana nº 3131597 - "Método e aparelho para lançamento de foguetes"). No documento, os desenvolvedores descreveram um sistema capaz de acelerar uma espaçonave de até 120 toneladas a uma velocidade de quase 2,5 km / s, enquanto as acelerações, segundo cálculos, não ultrapassavam 100g. Mais aceleração para a primeira velocidade espacial deveria ser realizada com a ajuda de foguetes propulsores.
Como o vapor não é capaz de acelerar um projétil espacial a essa velocidade, os engenheiros da B&W decidiram usar um esquema de dois estágios. Na primeira fase, o vapor de hidrogênio comprimido e, portanto, aquecido, a velocidade do som em que é muito maior (a 5500C - 2150 m / s, a 11000C - 2760 m / s, a 16500C - mais de 3 km / s). Era o hidrogênio que deveria acelerar diretamente a espaçonave. Além disso, os custos de fricção ao usar hidrogênio foram significativamente menores.
Super arma
O próprio lançador deveria ser uma estrutura grandiosa - um super canhão gigantesco, igual ao que ninguém jamais havia construído. O barril com 7 m de diâmetro tinha 3 km (!) De altura e deveria ser colocado verticalmente dentro de uma montanha de dimensões adequadas. Para acessar a "culatra" do canhão gigante, foram feitos túneis na base da montanha. Havia também uma planta de produção de hidrogênio a partir do gás natural e um gigante gerador de vapor.
A partir daí, o vapor através de dutos entrava no acumulador - uma esfera de aço de 100 metros de diâmetro, localizada meio quilômetro sob a base do barril e rigidamente “montada” na massa rochosa para fornecer a resistência de parede necessária: o vapor no o acumulador tinha uma temperatura de cerca de 5500C e uma pressão de mais de 500 atm.
O acumulador de vapor foi conectado a um recipiente com hidrogênio localizado acima dele, um cilindro com diâmetro de 25 m e comprimento de cerca de 400 m com bases arredondadas, utilizando um sistema de tubos e 70 válvulas de alta velocidade, cada uma com cerca de 1 m em diâmetro. Por sua vez, um cilindro de hidrogênio com um sistema de 70 válvulas ligeiramente maiores (1,2 m de diâmetro) foi conectado à base do cano. Tudo funcionava assim: o vapor era bombeado do acumulador para o cilindro e, devido à sua maior densidade, ocupava sua parte inferior, comprimindo o hidrogênio na parte superior para 320 atm. e aquecendo-o até 17000C.
A espaçonave foi instalada em uma plataforma especial que serviu de palete durante a aceleração no cano. Simultaneamente centrou o aparelho e reduziu o avanço do hidrogênio em aceleração (é assim que os modernos projéteis de subcalibre são dispostos). Para reduzir a resistência à aceleração, o ar era bombeado para fora do cano e o cano era selado com um diafragma especial.
O custo de construção do canhão espacial foi estimado pela B&W em cerca de US $ 270 milhões. Mas o canhão poderia "disparar" a cada quatro dias, reduzindo o custo do primeiro estágio do foguete Saturno de US $ 5 milhões para míseros US $ 100 mil. Ao mesmo tempo, o custo de colocar 1 kg de carga útil em órbita caiu de US $ 2.500 para US $ 400.
Para comprovar a eficiência do sistema, os desenvolvedores propuseram construir um modelo em escala de 1:10 em uma das minas abandonadas. A NASA hesitou: tendo investido enormes quantias de dinheiro no desenvolvimento de foguetes tradicionais, a agência não podia se dar ao luxo de gastar US $ 270 milhões em tecnologia concorrente, mesmo com um resultado desconhecido. Além disso, uma sobrecarga de 100g, embora por dois segundos, tornou claramente impossível o uso do super canhão em um programa espacial tripulado.
O sonho de Júlio Verne
Graham e Smith não foram os primeiros nem os últimos engenheiros a captar a imaginação do conceito de lançamento de espaçonaves com um canhão. No início dos anos 1960, o canadense Gerald Bull estava desenvolvendo o High Altitude Research Project (HARP), disparando sondas atmosféricas de alta altitude a uma altitude de quase 100 km. No Laboratório Nacional de Livermore. Lawrence na Califórnia até 1995, como parte do projeto SHARP (Super High Altitude Research Project) sob a liderança de John Hunter, uma arma de dois estágios foi desenvolvida, em que o hidrogênio era comprimido pela queima de metano e um projétil de cinco quilos acelerado a 3 km / s. Havia também muitos projetos de railguns - aceleradores eletromagnéticos para o lançamento de espaçonaves.
Mas todos esses projetos desapareceram antes do super canhão P&B. “Houve uma explosão terrível, inédita e incrível! É impossível transmitir seu poder - cobriria o trovão mais ensurdecedor e até mesmo o rugido de uma erupção vulcânica. Das entranhas da terra subiu um gigantesco feixe de fogo, como se saísse da cratera de um vulcão. A terra tremeu, e quase nenhum dos espectadores conseguiu naquele momento ver o projétil cortando triunfantemente o ar em um redemoinho de fumaça e fogo "… - é assim que Júlio Verne descreveu o tiro do gigante Columbiade em seu famoso romance.
O canhão Graham-Smith deveria ter causado uma impressão ainda mais forte. Pelos cálculos, cada lançamento exigia cerca de 100 toneladas de hidrogênio, que, após o projétil, era lançado na atmosfera. Aquecido a uma temperatura de 17.000 ° C, ele se inflamou quando entrou em contato com o oxigênio atmosférico, transformando a montanha em uma tocha gigante, um pilar de fogo se estendendo por vários quilômetros para cima. Quando essa quantidade de hidrogênio queima, 900 toneladas de água são formadas, que se dissipariam na forma de vapor e choveriam (possivelmente fervendo nas proximidades). No entanto, o show não acabou aí. Após a queima do hidrogênio, 25.000 toneladas de vapor superaquecido foram lançadas para cima, formando um gêiser gigante. O vapor também se dispersou parcialmente, condensou-se parcialmente e caiu na forma de chuvas fortes (em geral, a seca não ameaçou as vizinhanças imediatas). Tudo isso, é claro, tinha que ser acompanhado de fenômenos como tornados, trovoadas e relâmpagos.
Júlio Verne teria adorado. No entanto, o plano ainda era muito fantástico, portanto, apesar de todos os efeitos especiais, a NASA preferiu a forma mais tradicional de lançamento espacial - o lançamento de foguetes. Que pena: um método mais steampunk é difícil de imaginar.
