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

[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.

[mfi.livejournal.com]

Нет, автор об этом мечтает, конечно - сразу из пушки, да на Луну, но он понимает, что основное сопротивление атмосферы - первые километры. Их надо проходить медленно. И хочет небольшой скорости для второй ступени, не более 1-2км/сек, т.е . 3-7 Махов. А вот на излете снаряда, в стратосфере, заработают ракетные двигатели, которые дотянут скорость до 8-10 км/сек.

Т.е критиковать надо пушку, разгоняющую многотонный снаряд (на дульном срезе) до 1-2 км/сек, причем снаряд взлетает в стратосферу - и чтоб этот выстрел было дешевле/надежнее/масштабируемее стандартной первой ступени.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

В таком случае, ближайший реально существовавший аналог "Парижская пушка". Калибр 210 мм, длинна ствола 28 м, масса снаряда 120 кг, заряд - 200 кг пороха, начальная скорость снаряда 1600-2000 м/с (по разным данным), угол возвышения 55°, апогей траектории снаряда 45 км.
Вопрос с теплозащитой всё равно остаётся, пусть и не так остро -4--6 маха (гиперзвук) всё же уже требуют специальных мер. Обтекатель придется так же делать довольно мощным - скоростной напор экстремальный. На сколько мне известно таких скоростей на уровне моря ни один летательный, а уж тем более - наземный, аппарат не достигал. Проектирование обтекателя придётся делать заново, причём обтекателя полного - иначе можно и без хвоста остаться - за снарядом не слабая зона разряжения. Опять паразитный вес.
Остаточная горизонтальная скорость на высоте апогея будет не более 300 м/с, то есть "вторая ступень" должна быть больше современных, приближаясь к характеристикам "воздушного старта".
Остаётся малость - разработать конструкцию многокамерного орудия, способного вести огонь снарядами калибра 3-4 метра, массой 250 тонн (для сравнения взяты характеристики РН "Протон"), создавая перегрузки не более 5g.
В сущности, это разработка заново ВСЕГО комплекса выведения с очень не очевидными преимуществами, перед традиционным вариантом.

[darwinson.livejournal.com]

Мне кажется, преимущества перед традиционным вариантом очевидные.

Во-первых, начальная стартовая скорость не нулевая, а 1000 м/с для корабля с экипажем и 2000 м/с без экипажа.
Во-вторых, размеры спутника, а также 2-й и 3-й ступеней в традиционном варианте ограничены возможностями 1-й ступени. У "Протона", например, длина 2-й ступени 17 м. В нашем случае традиционных ограничений нет. Мы можем выстреливать 2-ю ступень длиной 17 м, а можем и 117 м, разница только в расходе газа при выстреле.

Вы спросите, для чего нам 2-я ступень длиной 117 м? Для полёта на Марс, например. Но главное, конечно, другое - выводы спутников связи на геостационарную орбиту станут в разы дешевле, чем сейчас.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

Вы заблуждаетесь, считая, что в вашем варианте запуска нет ограничений на длину и массу снаряда. Они есть и определяются, во-первых, размерами ствола - не забывайте, что кроме всего прочего, вам надо разместить в нём заряд, а, в случае газовой смеси, потребный объем будет очень большим (возможно даже больше объема ствола, надо считать), а должно ещё и остаться место для разгона. Во-вторых, прочностью конструкции снаряда - не забывайте, что весь вес разгоняемого снаряда воспринимает дно и наращивать его бесконечно нельзя. Шансы, что допустимый размер снаряда не превысит или существенно не превысит ограничения для ракет (где главное даже не размер, а вес) велики.

Для того, чтобы этот проект можно было хоть сколько-то серьёзно обсуждать, вам придется, для начала, показать на рассчетах, что в вашу трубу влезет достаточно газовой смеси, чтобы разогнать 200 тонную массу до километра в секунду и останется место для разгона. Для меня это не очевидно.

И повторюсь, скорости порядка 1000-2000 км/с ни одним аппаратом на уровне земли пока ещё не достигались (артиллерийские снаряды не в счёт), то есть наработок нет и никто не даст гарантии, что ваш спутник не разрушится при выходе из ствола, например от интерференции ударной волны отраженной об землю.

[darwinson.livejournal.com]

Забыл сказать, но по своей конструкции газовая пушка ближе к духовому ружью, чем к обычной пушке. Взрыв газа происходит не в канале ствола, а в боковых полостях, находящихся под ракетой. Объём полостей в 10 раз больше объёма 5-километрового ствола. Поэтому в случае с экипажем на борту значение ускорения в процессе разгона может меняться в пределах 9-11 g, не более.

Что касается нагрузки на дно и топливные баки без экипажа на борту, об этом тоже писал, но повторюсь. Надо использовать специальную бандажную гильзу для 2-й и 3-й ступеней ракеты-носителя. Ракета сперва помещается в гильзу, затем опускается в космическую пушку, охлаждается жидким азотом и выстреливается вместе с гильзой. Как только снаряд вылетит из космической пушки, как только исчезнет ускорение с перегрузкой в 1000 g, прижимание ракетных баков к внутренним стенкам гильзы ослабнет, и гильза соскочит с ракеты под действием силы тяжести, а также благодаря встречному потоку воздуха. Вскоре после соскальзывания бандажной гильзы включаются двигатели второй ступени ракеты-носителя. В процессе падения гильзы сперва раскрывается парашют. За три метра до земли срабатывает 1-й реактивный патрон, обеспечивающий плавное касание с землёй. При заваливании гильзы на бок срабатывает 2-й реактивный патрон. Парашют и два реактивных патрона обеспечивают идеальную сохранность бандажной гильзы и многократное её использование.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

Ок, допустим боковые полости (хотя вопрос синхронизации зарядов в многокамерном орудии так и не был решен удовлетворительно).
Пускай объем их 63 тысячи кубометров. "Гремучая смесь" метан-воздух содержит 9,5% метана. Допустим исходное давление в каморах 10 атмосфер. Итого 63 тыс. кубометров метана - 45 тонн. Это примерно в пять раз меньше, чем количество куда более энергетичного гептила в первой ступени протона.
Не взлетит.