Steam podria fer tasques serioses no només al segle XIX, sinó també al segle XXI.
El primer satèl·lit artificial de la Terra, llançat en òrbita el 4 d’octubre de 1957, per l’URSS, només pesava 83,6 kg. Va ser ell qui va obrir l’era espacial a la humanitat. Al mateix temps, va començar la carrera espacial entre les dues potències: la Unió Soviètica i els Estats Units. Menys d’un mes després, l’URSS va tornar a sorprendre el món llançant un segon satèl·lit de 508 kg de pes amb el gos Laika a bord. Els Estats Units van poder respondre a la trucada només l'any següent, el 1958, llançant el satèl·lit Explorer-1 el 31 de gener. A més, la seva massa era deu vegades menor que el primer satèl·lit soviètic: 8, 3 kg … Els enginyers nord-americans, per descomptat, es podrien imaginar posar en òrbita un satèl·lit més pesat, però pensant en la quantitat de combustible que hauria de portar el vehicle de llançament, no ho van fer per si mateixos. Una de les populars revistes nord-americanes va escriure: “Per llançar un satèl·lit a una òrbita terrestre baixa, la massa del coet ha de superar la massa de la càrrega útil diversos milers de vegades. Però els científics creuen que els avenços tecnològics els permetran reduir aquesta proporció a cent . Però fins i tot aquesta xifra implicava que llançar un satèl·lit prou gran per ser útil requeriria cremar grans quantitats de combustible car.
Per reduir el cost de la primera etapa, s'han proposat diverses opcions: des de la construcció d'una nau espacial reutilitzable fins a idees completament fantàstiques. Entre elles hi havia la idea d’Arthur Graham, cap de desenvolupament avançat de Babcock & Wilcox (B&W), que fabrica calderes de vapor des del 1867. Juntament amb un altre enginyer de B&W, Charles Smith, Graham va intentar esbrinar si la nau espacial es podia posar en òrbita amb … vapor.
Vapor i hidrogen
Graham, en aquest moment, es dedicava al desenvolupament de calderes supercrítiques d’alta temperatura que funcionessin a temperatures superiors a 3740 ° C i pressions superiors a 220 atm. (per sobre d'aquest punt crític, l'aigua ja no és un líquid ni un gas, sinó un fluid anomenat supercrític, que combina les propietats de tots dos). Es pot utilitzar el vapor com a "impulsor" per reduir la quantitat de combustible a la primera etapa d'un vehicle de llançament? Les primeres estimacions no eren massa optimistes. El fet és que la velocitat d’expansió de qualsevol gas està limitada per la velocitat del so d’aquest gas. A una temperatura de 5500C, la velocitat de propagació del so en el vapor d’aigua és d’uns 720 m / s, a 11000C - 860 m / s, a 16500C - 1030 m / s. Aquestes velocitats poden semblar altes, però no s’ha d’oblidar que fins i tot la primera velocitat còsmica (necessària per posar un satèl·lit en òrbita) és de 7, 9 km / s. Per tant, encara caldrà un vehicle de llançament, tot i que sigui prou gran.
No obstant això, Graham i Smith van trobar una altra manera. No es van limitar només al transbordador. El març de 1961, segons les instruccions de la direcció de B&W, van preparar un document secret titulat "Steam Hydrogen Booster for Spacecraft Launch", que va ser posat en coneixement de la NASA. (Tanmateix, el secret no va durar molt, fins al 1964, quan es va concedir a Graham i Smith la patent dels EUA núm. 3131597 - "Mètode i aparell per llançar coets"). Al document, els desenvolupadors van descriure un sistema capaç d’accelerar una nau que pesa fins a 120 tones fins a una velocitat de gairebé 2,5 km / s, mentre que les acceleracions, segons els càlculs, no superaven els 100 g. L'acceleració addicional fins a la primera velocitat espacial s'havia de dur a terme amb l'ajut de coets.
Com que el vapor no és capaç d’accelerar un projectil espacial a aquesta velocitat, els enginyers de B&W van decidir utilitzar un esquema de dues etapes. A la primera fase, l’hidrogen comprimit al vapor i, per tant, escalfat, la velocitat del so és molt superior (a 5500C - 2150 m / s, a 11000C - 2760 m / s, a 16500C - més de 3 km / s). Es suposava que l’hidrogen havia d’accelerar directament la nau espacial. A més, els costos de fricció en utilitzar hidrogen eren significativament menors.
Super pistola
El llançador en si se suposava que era una estructura grandiosa: una gegantina superarma, igual a la que ningú havia construït mai. El canó amb un diàmetre de 7 m feia 3 km (!) D’alçada i s’havia de situar verticalment dins d’una muntanya de dimensions adequades. Per accedir a la "culata" del canó gegant, es van fer túnels a la base de la muntanya. També hi havia una planta per produir hidrogen a partir de gas natural i un generador de vapor gegant.
A partir d’aquí, el vapor a través de les canonades entrava a l’acumulador: una esfera d’acer de 100 metres de diàmetre, situada a mig quilòmetre sota la base del canó i “muntada” rígidament a la massa de roca per proporcionar la força de paret necessària: el vapor a la l’acumulador tenia una temperatura d’uns 5500C i una pressió de més de 500 atm.
L'acumulador de vapor es va connectar a un contenidor amb hidrogen situat a sobre, un cilindre de 25 m de diàmetre i una longitud d'uns 400 m amb bases arrodonides, mitjançant un sistema de canonades i 70 vàlvules d'alta velocitat, d'uns 1 m cadascuna diàmetre. Al seu torn, es va connectar un cilindre d’hidrogen amb un sistema de 70 vàlvules una mica més grans (1,2 m de diàmetre) a la base del canó. Tot funcionava així: el vapor es bombava des de l’acumulador fins al cilindre i, a causa de la seva densitat més alta, ocupava la part inferior, comprimint l’hidrogen a la part superior a 320 atm. i escalfant-la fins a 17000C.
La sonda es va instal·lar en una plataforma especial que va servir de palet durant l'acceleració al barril. Al mateix temps, va centrar l’aparell i va reduir l’avenç de l’hidrogen accelerat (així es disposen els projectils sub-calibres moderns). Per reduir la resistència a l’acceleració, es bombava aire del barril i es tancava el musell amb un diafragma especial.
B&W va estimar que el cost de la construcció del canó espacial era d’uns 270 milions de dòlars, però aleshores el canó podia "disparar" cada quatre dies, reduint el cost de la primera etapa del coet Saturn de 5 milions de dòlars a uns mesurats 100 mil dòlars.. Al mateix temps, el cost de posar 1 kg de càrrega útil en òrbita va caure de 2500 a 400 dòlars.
Per demostrar l'eficiència del sistema, els desenvolupadors van proposar construir un model a escala 1:10 en una de les mines abandonades. La NASA va dubtar: després d’haver invertit grans quantitats de diners en el desenvolupament de coets tradicionals, l’agència no es podia permetre gastar 270 milions de dòlars en tecnologia de la competència i fins i tot amb un resultat desconegut. A més, una sobrecàrrega de 100 g, encara que durant dos segons, va fer que fos impossible la utilització de la superarma en un programa espacial tripulat.
El somni de Jules Verne
Graham i Smith no van ser ni els primers ni els darrers enginyers a captar la imaginació del concepte de llançament de naus espacials amb un canó. A principis de la dècada de 1960, el canadenc Gerald Bull estava desenvolupant el High Altitude Research Project (HARP), disparant sondes atmosfèriques a gran altitud fins a gairebé 100 km d’altitud. Al Laboratori Nacional de Livermore. Lawrence a Califòrnia fins al 1995, com a part del projecte SHARP (Super High Altitude Research Project) sota la direcció de John Hunter, es va desenvolupar una pistola de dues etapes, en què l’hidrogen es comprimia cremant metà i s’accelerava un projectil de cinc quilograms. a 3 km / s. També hi va haver molts projectes d’armes de ferrocarril: acceleradors electromagnètics per llançar naus espacials.
Però tots aquests projectes es van esvair abans que la superarma B&W. “Va haver-hi una explosió terrible, inaudita i increïble! És impossible transmetre el seu poder: cobriria el tro més ensordidor i fins i tot el rugit d’una erupció volcànica. De les entranyes de la terra va sortir una gegantina garba de foc, com si fos del cràter d’un volcà. La terra va tremolar i gairebé cap dels espectadors va aconseguir en aquell moment veure el projectil tallant triomfalment l’aire en un remolí de fum i foc "… - així va descriure Jules Verne el tret del gegant Columbiade al seu famós novel·la.
El canó Graham-Smith hauria d’haver causat una impressió encara més forta. Segons els càlculs, cada llançament requeria unes 100 tones d’hidrogen que, després del projectil, es llançaven a l’atmosfera. Escalfat a una temperatura de 17000C, es va encendre quan va entrar en contacte amb l’oxigen atmosfèric, convertint la muntanya en una torxa gegant, un pilar de foc que s’estenia diversos quilòmetres cap amunt. Quan aquesta quantitat d'hidrogen es crema, es formen 900 tones d'aigua, que es dissiparien en forma de vapor i plourien (possiblement bullint a la rodalia immediata). Tot i això, l’espectacle no va acabar aquí. Després de la crema d'hidrogen, es van llançar 25.000 tones de vapor sobreescalfat cap amunt, formant un géiser gegant. El vapor també es va dispersar parcialment, es va condensar parcialment i va caure en forma de fortes precipitacions (en general, la sequera no va amenaçar els voltants immediats). Tot això, per descomptat, va haver d’anar acompanyat de fenòmens com tornados, tempestes i llamps.
A Jules Verne li hauria encantat. Tot i això, el pla era massa fantàstic, per tant, malgrat tots els efectes especials, la NASA va preferir la forma més tradicional de llançaments espacials: llançaments de coets. Llàstima: és difícil imaginar un mètode més steampunk.
