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

[f-l-o-e.livejournal.com]

Не первая идея космической катапульты, но очень даже угарная. )

[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...

[russian-savage.livejournal.com]

Почитайте про иракскую космическую пушку. В 1990 году иракцы сделали такую пушку безо всяких километровых шахт. До космоса она достреливала без проблем, но главная беда была не в этом.

Даже если Вы сможете разогнать снаряд до 8 км/с, то он всё равно полетит не по орбите, а вернётся на Землю в какой-то момент. Так что в любом случае придётся где-то делать манёвр для окончательного вывода на орбиту. При этом сомнительно, что подобный манёвр можно будет выполнить с помошью атмосферы. Скорость снаряда на выходе из ствола уже будет 8 км/с, это значит, что снаряд пролетит всю атмосферу за несколько секунд. Можете сами прикинуть какие потребуются усилия, чтобы за эти секунды "довернуть" снаряд до орбитального полёта, и какие там потребудтся закрылки, например.

[suvorow-.livejournal.com]

Спутники МОЖНО сделать выдерживающими большие нагрузки. Но нынешние спутники выдерживают ровно столько, сколько по факту даёт ракета при выведении. Это, кстати, вызывает затруднения даже при переносе спутника с одной ракеты на другую.
Если делать спутник, который выдерживает сто "же", он, при той же функциональности, будет намного тяжелее.
Кроме того, если весь заряд подрывать сразу, то, по мере продвижения снаряда по стволу, давление падает, ускорение тоже падает, так что удлинять ствол свыше некоторого значения не выходит. Когда немцы конструировали сверхдальнюю пушку, у неё пришлось делать боковые каморы с дополнительными зарядами, которые подрывались после прохождения снаряда через эти каморы.

Тем не менее, запуск спутников "из пушки" не раз и не два обсуждался, а кое-кто даже начал постройку реальной такой пушки. Погуглите про проект "Вавилон" и вообще про Джеральда Булла.

[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.

[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.

[darwinson.livejournal.com]

Мы выстреливаем спутник со второй разгонной ступенью.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

Интересно всё-таки, почему оказались не реализованными подобные проекты.

По ряду причин.
1. «Искусственный спутник вместе с оборудованием способен выдерживать много большую перегрузку, чем живой человек.» Заблуждение. Тренированный человек способен выдерживать перегрузки в 9g (пилоты-истребители), высоко тренированный - 12 g (пилоты-спортсмены). Большая часть спутников и ракет при перегрузках свыше 2g рассыпется. Экономия веса → пониженный запас прочности.
2. Выводить сnвол пушки в зенит смысла не имеет. Основные затраты энергии при пусках не на подъём на заданную высоту, а на разгон до орбитальных скоростей. Стартовать вверх приходится для уменьшения трения в плотных слоях атмосферы. Постройка же наклонной пушки резко сужает диапазон доступных наклонений орбит.
3. Пушечный запуск приводит к тому, что наибольшую скорость КА имеет в наиболее плотном слое атмосферы. Вязкое же трение пропорционально скорости. Придется закладывать значительный запас на потери. Кроме того, потребуется теплозащита такого же класса, как у спускаемых аппаратов, если не выше - скорость-то на срезе будет ~12 км/с в очень плотной атмосфере...
4. Постройка километровой глубины шахты с требуемой точностью - нетривиальная инженерная задача. Уверен, много более дорогая, чем постройка Останкинской "удочки". А ведь еще будут вопросы снабжения и обслуживания...
И это только то, что приходит мне в голову сразу, без расчетов.

[vitali-motor.livejournal.com]

Беда у всех сегодняшних проектов о полёте в космос, так это то, что в качестве движителя мы используем по сути петарды, нанизывая на них какие то высоко технологичные рюкзаки.

[coriente.livejournal.com]

1000 метров по вертикали - это очень глубоко, для диаметра 1.5 метра (60 дюймов). Направления в 30-40 дюймов обычно забиваются гидравлическим молотом, который сам по себе весит порядка 30 тонн, на глубины до 100-150 метров, но тут размеры и вес этого молота трудно вообразить. Не уверен, что существуют долотья такого диаметра, а если даже и сделать (дурное дело - нехитрое), возникает тут-же ряд других сложностей: какое будет пластовое давление и соответственно вес раствора, необходимый для обеспечения стабильности пласта, спецификация бурильных труб, способных выдержать расчетное давление, момент и вес такой компановки, спецификация привода способного вращать такое чудовище, насосы, ну и обсадная колонна - это не просто "самая обычная труба большого диаметра". Если всё это проектировать и делать специально под такую скважину - получится не дешевле останскинской телебашни, мягко говоря.

[darwinson.livejournal.com]

У нас тоже будут боковые камеры с газовой смесью. Что-то вроде большого духового ружья. Объём километрового ствола при диаметре 1.5 м примерно 1,7 тыс. кубов. Если объём камеры 17 тыс. кубов, ускорение сильно не уменьшится.

Насчёт перегрузок. Я где-то слышал, что электронная плата с распаянными в ней деталями выдерживает 1000 g. Это значит, что когда граммовая микросхема ненадолго превращается в килограммовую, она не вылетает из платы.

[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.

[mopexod.livejournal.com]

У меня ощущение, что авторы таких проектов плохо осознали механику за первый курс.
"Обычная пушка", выстреливающая снарядом со скоростью ~1 км/сек даёт 1/8 нужной скорости, то есть 1/64 нужной энергии для выхода на орбиту.
Упомянутая немецкая пушка для обстрела Парижа давала ~2 км/сек, то есть 1/16 нужной энергии.
Энергетика взрывчатых веществ с тех пор почти не изменилась - её возможные пределы, зависящие от энергии взаимодействия электронных оболочек элементов, были достигнуты в начале 20 века. Немецкая пушка была близка к разумному инженерному пределу химических пушек.
В том же смысле предел эффективности ракетных двигателей был достигнут в середине 20 века. С тех пор для запуска, примерно, 100 тонн на орбиту нужна ракета весом 2500-3000 тонн.

К электромагнитным пушкам это, понятно, не относится - там предела энергетики пока не видно.

[prostak-1982.livejournal.com]

О, вот только про Джеральда Булла вспомнил.

[eddie-blackarch.livejournal.com]

Разговор не о скважине, в общем-то. Шахтные выработки на таких глубинах существуют и действуют, где-то в африке разработки ведут вроде как на глубине 3,5 км. Но с тем, что это будет не дешевле постройки космодрома - соглашусь.

[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.

[suvorow-.livejournal.com]

Микросхема-то выдерживает, а вот её система охлаждения - нет. В космосе же нет воздуха, наши спутники используют герметичные контейнеры с принудительной циркуляцией азота внутри, а буржуинские - негерметичные, там индивидуальный теплоотвод у каждого радиоэлемента - термопанели, тепловые трубы и т.д. Вот всё это таких перегрузок не выдержит. Не выдержит и сама конструкция спутника - то, к чему крепятся, допустим, эти термопанели, узлы вращения солнечных батарей, антенны, ну много чего в спутнике хлипкого.

[b-graf.livejournal.com]

Себестоимость самого спутника, пригодного для запуска из такой пушки, достигнет космических высот :-) (именно чтобы мог выдерживать нагрузки - ускорение и удар об атмосферу при вылете). Кроме того, по своим характеристикам он будет крайне ограничен по сравнению с существующими, т.к. не все технологии воспроизводимы для таких условий старта. Посмотрите соответствующие темы на форуме "Новости космонавтики", там многократно обсуждались разные варианты (в том числе, что будет, если пушка в Гималаях на 8 км - чтобы уменьшить воздействие атмосферы - и т.д.).

[darwinson.livejournal.com]

Шахта 1000 метров по вертикали - это не очень глубоко. Поверьте мне, как шахтёру-любителю и горняку с многолетним заочно-библиотечным стажем. Диаметр 1.5 метра (60 дюймов), тоже не предел. Главный калибр такого необычного космодрома может быть и 5 м, и даже 10.

[veron-rus.livejournal.com]

Так Земля ж отдачей с орбиты сместится)

[mopexod.livejournal.com]

Аналогия с духовым ружьём не очень подходит. В духовом ружье существенно дозвуковое течение газов, давление во всём стволе практически одинаково.
Потребные 8 км/сек - гиперзвуковая ударная волна. Не факт, что энергетики химических веществ достаточно для создания и поддержания бегущего фронта давления на 8 км/сек в нужных масштабах (а тут нужно даже больше - фронт газов не просто должен бежать за спутником, а еще и существенно ускорять).

[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.

[ornitolog13.livejournal.com]

И налетит на небесную ось!

[darwinson.livejournal.com]

При 1000 g и при 1000 метров разгона будет несколько больше, чем 1 км/сек. При такой длине ствола высокая энергетика взрывчатых веществ не нужна. В этом весь фокус - можно использовать обычный природный газ в 10%-ной смеси с воздухом. Не забывайте также про вторую разгонную ступень.