Мечту Жюля Верна — отправиться из пушки на Луну — многие считают смешной, но на протяжении десятилетий к ней вновь и вновь возвращаются инженеры и учёные. Пусть людей запускать в космос таким способом никак не получится, крохотные спутники вполне могут выдержать перегрузки при выстреле. Так что ещё рано говорить, кто будет "смеяться хорошо".

Космические пушки (space gun), различные варианты которых в фантазиях изобретателей всплывали не раз и не два, сулят сокращение стоимости доставки грузов на низкую околоземную орбиту примерно на порядок. Само собой, для такого экзотического запуска подойдут не любые предметы, но его ориентировочная цена в $550 за килограмм достаточно заманчива, чтобы попытаться воплотить давнюю идею в жизнь.

Так полагает Джон Хантер (John Hunter), американский учёный и инженер, президент и один из основателей компании Quicklaunch, поставившей своей целью организовать вывод небольших аппаратов в космос при помощи пушки длиной... 1,1 километра.

Главная изюминка новой системы – морское базирование, оно несёт с собой массу преимуществ (иллюстрация John Hunter/Quicklaunch/Google Tech Talks).

Как видим, ствол пушки со вспомогательными системами должен плавать в морской пучине под некоторым углом к горизонту. Нижний край всей конструкции по идее располагается на глубине примерно 490 м, а срез ствола — в нескольких метрах над водой.

Такой приём изящно решает проблему искривления чудовищного ствола под собственным весом (вздумай инженеры построить подобную пушку на суше). Заодно облегчается наведение установки по азимуту (что необходимо для изменения наклонения орбит). Также пушку легко будет отбуксировать в любое желаемое место на экваторе (оптимальном для запуска космических аппаратов).

Одним из вариантов применения космической пушки может стать доставка ракетного топлива на околоземную орбиту. Пусть в каждом пуске его удастся взять с собой немного, зато низкая стоимость одного выстрела позволит направить вверх целую флотилию снарядов, которые "припаркуются" у станции-заправщика.

От неё уже могут получать своё топливо межпланетные корабли, отправляющиеся к Луне или Марсу. Это снизит, в свою очередь, массу полезной нагрузки, которую необходимо поднимать наверх для реализации таких проектов (иллюстрация John Hunter/Quicklaunch/Google Tech Talks).

А вот то, чего, вероятно, не знал Жюль Верн: достичь приличных скоростей с пороховым зарядом невозможно, сколько его в орудие ни заталкивай. Снаряд не полетит быстрее, чем способны расширяться горячие газы данного состава, а этот параметр зависит от скорости звука в рабочем теле. Именно поэтому некогда были изобретены легкогазовые пушки (Light gas gun): в них снаряд толкает расширяющийся гелий (либо водород). Их низкая молекулярная масса — ключ к успеху. Именно к этому семейству относится космическая пушка от компании Quicklaunch.

Тут надо сказать, что на легкогазовых пушках Хантер собаку съел. В национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе (Lawrence Livermore National Laboratory) он возглавлял проект самой крупной легкогазовой пушки в мире — SHARP (Super High Altitude Research Project), успешно проработавшей с 1992 по 1995 год.

В первой секции (калибром 36 см и длиной 82 м) этой L-образной установки сжигался метан, продукты его сгорания толкали однотонный стальной поршень, который сжимал водород, расположенный по другую свою сторону. Когда давление достигало 4 тысяч атмосфер, разрушался специальный предохранитель, водород поступал во второй ствол (10 см на 47 м), разгоняя в нём снаряд весом в 5 кило до 3 километров в секунду.

После 1995 года пушку SHARP изредка задействовали для испытаний миниатюрных моделей гиперзвуковых аппаратов (фотографии daviddarling.info, astronautix.com, John Hunter/Quicklaunch/Google Tech Talks).

В дальнейшем эту пушку планировали модифицировать, научив её стрелять вверх (вообще-то она лежала горизонтально) и заодно подняв скорость снарядов до 7 км/с, что позволило бы говорить уже о космических запусках. Но эти планы не были реализованы, в основном по финансовым причинам.

Надо заметить, что легкогазовые пушки значительно меньшего размера и со снарядами гораздо меньшей массы добивались и больших скоростей — до 11 км/с. Но тут уж о практическом применении для космических запусков и говорить не приходится, разве что вам вдруг потребуется вывести на орбиту стальную детальку весом в несколько граммов.

Данным орудиям, впрочем, космос никогда и не снился. Изучение обтекания тел на гиперзвуке, поведения материалов при огромных давлениях и температурах (развиваемых в момент удара скоростного снаряда в мишень), моделирование эрозии космических аппаратов при воздействии микрометеоритов и подобные научные опыты — это и есть работа существующих ныне легкогазовых пушек. Чтобы превратить такие в пушки космические, потребовалось заметно пересмотреть их устройство.

Схема новой пушки Хантера: 1 – снаряд, 2 – клапан, 3 – камера сгорания (она же теплообменник), 4 – водород (иллюстрация Popular Science).

В Quicklaunch Хантер избавился от поршня. В новой системе природный газ сгорает внутри специальной камеры-теплообменника, которая окружена второй камерой — с водородом. Тепло передаётся через стенки, в результате чего температура водорода вырастает до 1430 градусов Цельсия.

Как только давление достигнет требуемой величины, специальный сдвижной клапан открывается и горячий водород начинает разгонять снаряд по стволу.

После вылета аппарата на конце ствола немедленно перекрывается диафрагма, сводя к минимуму потери водорода, — его потом снова охладят и сожмут, чтобы использовать в следующем запуске.

Сдвижной клапан показан светло-красным (иллюстрация John Hunter/Quicklaunch/Google Tech Talks).

По расчётам Джона и его соратников, орудие Quicklaunch должно "швырять" 450-килограммовые аппараты со скоростью шесть километров в секунду. И хотя перегрузка при выстреле достигнет 5000 g, уже сейчас вполне реально создавать крошечные спутники, электроника которых переживёт такой старт.

Кроме того, одним из грузов в пушечном запуске могут стать самые простые и не требующие нежного обращения материалы снабжения для космических станций (питьевая вода, в частности).

Траектория подъёма будет довольно пологой, но сильно нагреться от трения о воздух снаряды суперпушки не успеют, так как покинут атмосферу менее чем через 100 секунд. Кроме того, Хантер обдумывает вариант защиты с нанесением на внешнюю поверхность аппаратов сгорающей обмазки.

До первой космической скорости данные аппараты должны разгонятся уже наверху. На высоте 100 км такой снаряд сбросит обтекатели и включит собственный миниатюрный ракетный двигатель.

Схема полёта подкалиберного космического снаряда, выпущенного из пушки Quicklaunch. В данном варианте в атмосфере аппарат защищает сбрасываемая оболочка (иллюстрации John Hunter/Quicklaunch/Google Tech Talks).

То, что снаряд с высокой начальной скоростью без забот преодолеет первый участок пути с плотной атмосферой и даже выйдет в космос, было доказано ещё в 1966 году. Тогда американо-канадская исследовательская суперпушка из проекта HARP установила мировой рекорд высоты траектории пушечного снаряда, выстрелив экспериментальным аппаратом серии Martlet почти вертикально вверх аж на 180 километров (рекорд не побит до сих пор).

При вылете из ствола оперённый подкалиберный снаряд весом 84 килограмма (это не считая сбрасываемой оболочки, которая весила порядка 100 кг) обладал скоростью 3,6 километра в секунду.

В рамках проекта HARP были построены три очень близкие по конструкции и размерам установки, первая на Барбадосе (на снимке), вторая в Канаде, третья в США (она-то и поставила мировой рекорд). Калибр орудий HARP составлял 406 мм, а длина ствола – порядка 40 метров (фото с сайта astronautix.com).
Интересно, что конечной целью исследований в рамках HARP было как раз создание работоспособного метода запуска миниатюрных космических аппаратов при помощи пушек. Она не была достигнута. Но вовсе не из-за технических проблем: развивавшийся несколько лет проект был преждевременно свёрнут по политическим причинам.

А для Quicklaunch – идеологического наследника HARP и SHARP – всё только начинается. В феврале 2010 года Хантер намерен испытать в бассейне трёхметровый прототип своей космической пушки. Полноразмерный же образец, по его словам, может быть построен в течение семи лет, если только Quicklaunch найдёт необходимые для этого $500 миллионов. Тогда-то и станет ясно, кто будет смеяться последним.

Отредактировано DarkLightSun (2010-01-27 16:59:51)