Спутники связи экономичнее выводить на орбиту с помощью газовой пушки

[darwinson.livejournal.com]

Show must go on, а экономика при этом должна быть экономной. Нынешний обвал рубля и финансовый кризис заставили вспомнить самое первое своё изобретение. Хотя правильнее назвать его не изобретением, а рацпредложением, позволяющим существенно экономить деньги из госбюджета на запусках спутников связи, грузовых кораблей и т.д. Было мне тогда 15 лет. Сидел как-то вечером дома, попивал с бабушкой и дедушкой чаёк, смотрел по телевизору программу "Время". Показывали запуск ракеты "Союз" на Байконуре. Полёт был пилотируемый, с двумя космонавтами на борту. И я подумал тогда, что больше половины запусков не показывают, поскольку они без космонавтов, на орбиту выводится только спутник. Дальше начал рассуждать вслух:

-  Искусственный спутник вместе с оборудованием способен выдерживать много большую перегрузку, чем живой человек. Это значит, что использовать каждый раз первую, самую дорогую разгонную ступень для спутников связи не слишком рационально. Для них вместо первой ступени ракеты-носителя хорошо бы сделать пушку с длиной ствола в 1000 метров и калибром 1.5 метра.

На что дедушка резонно заметил:

-  А не слишком ли дорогой получится пушка с длиной ствола в 1000 метров и калибром 1.5 метра?

-  Мне кажется, не дороже тоннеля в метро должно получиться. Например, тоннеля между станциями Волгоградская и Пролетарская.
Мы тогда как раз жили между двумя этими станциями. Дедушка, прикинув в уме расстояние между станциями, конкретно завис. Выйдя из ступора, начал спорить. Но, в конце концов, согласился, что вырыть вертикальную шахту в земле и хорошенько её забетонировать намного проще, чем построить, ту же Останкинскую телебашню. Подобные технологии столетиями совершенствовались в горнорудной и угольной промышленности. Забетонированная, да ещё в землю зарытая труба может выдержать чрезвычайно большое давление. А значит, в качестве ствола для такой "пушки на Луну" можно использовать самые обычные трубы большого диаметра, которые используются для газопроводов.

Главный калибр такого необычного космодрома может быть и 2, и даже 5 метров. Диаметр трубы, чисто техническая проблема. Суть рацпредложения, если совсем коротко - при одной и той же дальности стрельбы обычный артиллерийский снаряд намного дешевле реактивного. Жаль, что ни с кем кроме деда не обсуждал свою идею. Очень быстро забыл про неё. А теперь вот случайно вспомнил, и пока снова не забыл, решил описать со всеми подробностями.

В обычной пушке используется пороховой заряд. Космическая пушка намного длиннее, а давление в канале ствола меньше. С учётом этого дешевле использовать не порох, а 10%-ную смесь обычного бытового газа с воздухом. Представьте себе один кубометр сжиженного газа, используемый для приготовления взрывоопасной газовой смеси с воздухом. В пушке он придаст космическому кораблю больший импульс, чем в реактивных соплах. Другими словами, его использование будет более эффективным.

Дуло обычной пушки имеет небольшое сужение. Дуло космической пушки можно не сужать, а герметично накрывать сферическим стеклянным колпаком. Накануне старта воздух из канала ствола откачивается. Например, если откачать до 76 мм.рт.ст., сопротивление воздуха будет в 10 раз меньше. Вместе с тем, стеклянный колпак разрушится изнутри сжатыми остатками воздуха ещё до соприкосновения с остриём ракеты.

Спутник вместе со второй ступенью сначала опускается чуть ниже канала ствола, и охлаждается внизу жидким азотом. Охлаждение в шахте эффективнее, чем на открытой стартовой площадке. Затем ракета поднимается в ствол. Боковые герметичные резервуары с газовой смесью под ней открываются, воспламеняются, и производится выстрел. Небольшое хвостовое оперение позволяет изменить траекторию полёта ракеты после вылета из ствола и прохождения плотных слоёв атмосферы.

Ещё один важный момент. Конструкция космической пушки такова, что нет никаких ограничений по избыточному давлению в канале ствола. Это значит, что из такой пушки можно с одинаковой скоростью выстреливать вторую ступень как для ближней околоземной орбиты (5 м длиной), как для дальней геостационарной (10 м длиной), так и для межпланетной (20 м длиной). Разница только в количестве природного газа, используемого в 10%-ой смеси с воздухом для очередного выстрела в небо.

Чувствую, что есть тут какой-то подводный подземный камень, а какой именно не пойму. Похожая история и с магнитной пушкой Гаусса. Интересно всё-таки, почему оказались не реализованными подобные проекты. На первый взгляд преимущества очевидны. И себестоимость запуска спутников существенно снижается.  И надёжность значительно увеличивается, поскольку вероятность неудачного выстрела из пушки в тысячу раз меньше, чем вероятность неудачного ракетного пуска. Казалось бы, сочетание двух таких факторов позволяет захватить монополию на рынке коммерческих запусков спутников связи. Но почему-то никто не торопится захватывать.

Comments

[anti-captain.livejournal.com]

разница в том, что наибольшую скорость ракета набирает в конце пути - в безвоздушном пространстве. Сопротивление потоку маленькое.
А при выстреле из пушки максимальная скорость при выходе из ствола. Сопротивление бешеное при атмосферном давлении.
Представьте обтекатель, вес этого обтекателя, перегрузки можно прикинуть посчитав скорость необходимую на длину ствола.
Пуля кстати не достигает и километра в высоту если выстрелить вертикально вверх,а там скорость не маленькая.
Так что утопия...

[alekozlov.livejournal.com]

С другой стороны - существует дальнобойная артиллерия:

... Это наблюдение и положено было немцами в основу проекта сверхдальнобойной пушки для обстрела Парижа с расстояния 115 км. Пушка была. успешно изготовлена и в течение лета 1918 г. выпустила по Парижу свыше трехсот снарядов.

Вот что стало известно об этой пушке впоследствии. Это была огромная стальная труба в 34 м длиной и в целый метр толщиной; толщина стенок в казенной части 40 см. Весило орудие 750 тонн. Его 120-килограммовые снаряды имели метр в длину и 21 см в толщину. Для заряда употреблялось 150 кг пороха; развивалось давление в 5000 атмосфер, которое и выбрасывало снаряд с начальной скоростью 2000 м/сек. Стрельба велась под углом возвышения 52°; снаряд описывал огромную дугу, высшая точка которой лежала на уровне 40 км над землей, т. е. далеко в стратосфере. Свой путь от позиции до Парижа — 115 км — снаряд проделывал в 3,5 минуты, из которых 2 минуты он летел в стратосфере."

Высота 40км и 2 км/c. И это 100 лет назад. Сейчас технологии все таки шагнули гораздо дальше, так что запускать снаряды на орбиту не кажется такой уж невозможной идеей.

[slonohrom.livejournal.com]

Шагнули, да не в этом.
2км/с для артиллерийского снаряда - предел и сейчас.
Там как-то связано с пределами скорости расширения пороховых газов, точно не скажу как.
Но факт - ни одной пороховой пушки со скоростью снаряда выше 2км/с до сих пор не создано.
Даже не более 1700-1800м/с - это у танковых пушек где нужна макс скорость для максимальной бронепробиваемости.

[evilgunner1979.livejournal.com]

Легкогазовые пушки способны разогнать метаемый элемент до 8-9 км/с в принципе достаточно надежно. Другое дело что конструкция громоздкая и многоступенчатая.

[slonohrom.livejournal.com]

Так то да. На жидких метательных веществах тоже можно быстрее разогнать.
Чтобы разогнать быстрее нужно добавлять метательный заряд в процессе выстрела.
Но это уже не простая пушка получается.

[evilgunner1979.livejournal.com]

Немецкая Hochdruckpumpe работала именно по этому принципу. Самое сложное было с высокой точностью синхронизировать последовательность воспламенения вспомогательных зарядов и их стабильное горение чтобы обеспечить их максимальный КПД. Легкогазовые пушки как правило многоступенчаты. Финальное рабочее тело- на последней ступени, как правило, гелий. Выгоднее конечно с точки зрения эффективности- водород (самый легкий газ- минимальные затраты на перемещение самого газового столба). Но проблема уже с безопасностью такой пушки))

[alekozlov.livejournal.com]

Значит нужна электромагнитная пушка. Я тут прикинул на коленке, чтобы разгонять снаряд с постоянным ускорением в 40g и иметь на выходе ~8км/c, нужно 80км. Если 10g - 320 км.
Не кисло так, но вполне реализуемо.
Глядишь, найдется очередной Илон Маск, возьмет и сделает такой батутик...

[slonohrom.livejournal.com]

Ох, ну и цифры, я думал меньше.
40-50g это на самом деле предел для ракет и железа, и лучше таки поменьше раза в 2 для экономии на запасах прочности.
10g - предел для человека и тоже лучше таки поменьше раза в 2 для сохранения здоровья. Длительно такую перегрузку человек не выдерживает. Секунды выдерживает, минуты - нет.
Такие перегрузки потребуют толстых тяжелых корпусов и тяжелых прочных "внутренностей", весь эффект уйдет в ноль.
И на стоимость этой эпической 200-400км катапульты можно наклепать сотни, если не тысячи обычных ракет-носителей.
И возникает китайский вопрос - а на ху а ?
Кстати, это же Маск хотел вакуумный поезд построить? Что-то ничего не слышно про это.
Так эти "катапультные" идеи из того же разряда.
Если уж думать об экономии на космических запусках - воздушный старт с гигантского высотного скоростного самолета-носителя гораздо интереснее выглядит.
Построить что-то типа гибрида Мрии и СР-71 - чтобы поднимал 100-200т ракету на 20км, разгонялся до 3М и там сбрасывал ракету с полезной нагрузкой, а та дальше уже сама.
На 1й ступени можно было бы хорошо сэкономить.

[darwinson.livejournal.com]

Цитата: И возникает китайский вопрос - а на ху а ?

Попробую ответить. Стоит ракета на стартовой площадке, готовится взлететь. И в этот самый момент неподалёку из-под земли вылетает другая ракета, с начальной скоростью пусть не 2, пусть 1км/сек. Возникает встречный вопрос: у какой из двух ракет первая, а заодно и вторая разгонная ступени будут меньшими? Наконец, какая разница (если без экипажа, без людей) со стартовой площадки полетит ракета или сперва разгонится в подземной шахте? Мне казалось, что по любому лучше разогнать до включения реактивных двигателей. Выгода ведь очевидная.

[slonohrom.livejournal.com]

У той которая стоит на стартовой площадке!
У ракет легкая тонкостенная конструкция, основной вес - топливо+окислитель.
У Союза - 13% стартового веса конструкция, 87% - топливо+окислитель+ПН.
Современные ракеты делают еще легче, вес конструкции менее 10% уже снижают.
Это по сути бочки с керосином!
И эти бочки с керосином взлетают и не лопаются за счет плавного старта и разгона с небольшими перегрузками.
Для старта из пушки придется кардинально усиливать конструкцию и все-все внутренности!
Из-за высоких стартовых перегрузок! При пушечном старте перегрузки выше на порядки!
Легкие конструкции будут лопаться еще в стволе! :)
А если снижать перегрузки, то ствол нужно делать на десятки-сотни километров, выше же посчитал человек!

[v-chumakov.livejournal.com]

Я так понимаю тонкостенные конструкции для самой большой первой ступени от которой и пытается избавится автор идеи, ну если посчитать может и упрочнение конструкции второй ступени окажется дешевле чем лёгкая конструкция всех при классической схемы.

[alekozlov.livejournal.com]

Все упирается в массовое применение этой технологии. Для запуска десятков спутников в год строить катапульту дорого. Но если речь пойдет про серьезное коммерческое освоение космоса, то все нынешние запуски - капля в море. И возможность радикально снизить их стоимость, пусть ценой более дорогой инфраструктуры станет востребована.

Есть еще вопрос экологии. Катапульта - гораздо экологичнее, что опять таки станет критично, когда на орбиту будут поднимать в сотни-тысячи раз больше груза.

[slonohrom.livejournal.com]

В сотни-тысячи - это не скоро.

[analysis-maker.livejournal.com]

А электромагнитная пушка не выведет из строя оборудование спутника?

[alekozlov.livejournal.com]

если оно будет со всех сторон заэкранировано (достаточно обычной фольги), то нет.

[alekozlov.livejournal.com]

хотя конечно в изложенном виде - бред. Чего стоит один лишь стеклянный колпак, который ракета пробивает на скорости несколько км/c.

Возможно также имеет смысл несколько последовательно подрываемых зарядов расположенных вдоль ствола в каких-то боковых каналах - для более плавного ускорения. Будет ли это газ (маловероятно) или что-то другое - не столь важно.

И т.д. При большом желании можно довести до реализации. Хотя и достаточно дорого. И далеко не всякая электроника выдержит предполагаемые ускорения. А вот если затевать на орбите серьезное строительство, то такой способ доставки материалов может оказаться дешевле.

[darwinson.livejournal.com]

Весь фокус, вся изюминка в том, что вес обтекателя почти не имеет значения. Что значит, почти? Это значит, чуть больше природного газа закачали, чуть более мощным сделали взрыв. Любую массу можно выстреливать с одинаковой скоростью.

Относительно пули, всё то же. Если бы вместо пули выстреливали штырь такого же диаметра, он улетал бы , намного выше. Штырём вместо пули обычное ружьё поперхнётся, так же, как и обычная пушка. Космическая пушка необычная, у неё никаких ограничений на избыточное давление в канале ствола нет. Её в любом случае не разорвёт. Не забывайте, опять же, про вторую разгонную ступень. Благодаря пушке мы экономим лишь на первой ступени, самой дорогой.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

"Штырём вместо пули обычное ружьё поперхнётся"
С какой стати? Если подходит по калибру - летит за милую душу. Шомполов за всю историю огнестрельного оружия не мало отстреляно было. Можете, ради расширения кругозора, поинтересоваться, чем стреляет "Автомат подводный специальный". Заодно и термином "поперечная нагрузка пули".

"чуть больше природного газа закачали, чуть более мощным сделали взрыв."
Увеличили заряд (уж извините, я буду оперировать привычной мне артиллерийской терминологией) - увеличили нагрузку на снаряд при выстреле, следовательно, надо усиливать конструкцию и снижать долю полезной нагрузки. В итогое выйдет замкнутый круг - увеличение калибра и мощности заряда, не приводит к увеличению полезной нагрузки. Это тот предел, в который уперлась ствольная артиллерия (морская в первую очередь) в ХХ веке.
Я уж не говорю о том, что заявление о отсутствии ограничений на максимальное давление в канале ствола - не более, чем преувеличение. Даже базальты и граниты (которые ещё надо будет как-то бурить в планируемых объемах!) имеют вполне определённый предел прочности.

[darwinson.livejournal.com]

Ещё раз повторю, "усиливать конструкцию" не нужно. Конструкция в земле, её точно не разорвёт. "Снижать долю полезной нагрузки" тоже не нужно, нужно увеличивать заряд. Если пушка забетонирована в земле, ограничения на увеличение заряда отсутствуют.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

Ещё раз: не бывает такого "её точно не разорвёт", бывает "предел прочности". При достаточном давлении газов при взрыве горные породы даже не раскалываются, а крошатся. И это базальты! В сплошном массиве горной породы! Что уж про бетон говорить. Вы же как раз взрывы, по сути, и предлагаете. Ваша пушка, даже если её не разорвёт, начнет разрушаться из-за растрескивания стенок и осыпания их в канал ствола, чему будет дополнительно способствовать глубинное давлени горных пород.

Увеличили заряд - приходится усливать конструкцию и _снаряда_ в том числе, так как нагрузки на него повышаются, а значит - снижаете долю полезой нагрузки.

[darwinson.livejournal.com]

Выстрел из ствола длиной 1000 м в смысле давления газов ближе к духовому ружью, чем к противотанковому.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

В таком режиме вы не достигните орбитальных скоростей снаряда.
Вам ниже уже замечали, что духовое ружьё - дозвуковое, а вам надо получить на дульном срезе 10-12 км/сек. Очень грубо - < 30 скоростей звука. Само по себе обеспечение таких скоростей фронта давления в газе - не тривиальная задача.

[simsun.livejournal.com]

> Её в любом случае не разорвёт.

спорно на самом деле, не разорвёт, но попухнет она конкретно по любому :)

[bvg-bg.livejournal.com]

В качестве безумной идеи: можно ствол "пушки" проложить по склону Эвереста как трубопровод. Тогда ракета будет вылетать уже на довольно разреженный воздух.

[darwinson.livejournal.com]

Чтобы идея стала по-настоящему безумной, хорошо бы на Эвересте ещё небоскрёб надстроить. Недостаочно высоковат. А если у подножия Эгоры ещё на 5 км в землю углубиться, тогда с мощной второй ступенью можно будет и космонавтов в космос выстреливать.