Что, если человечество, в своём неутолимом стремлении к звёздам, променяло ракетные технологии на грубую мощь пушечного выстрела?
Как мы обычно себе это представляем? Гигантская пушка, чей ствол возвышается над облаками, выстреливает снаряд в бескрайние просторы космоса, словно бросая вызов законам природы и экономической целесообразности…
И действительно, на заре космической эры вывод полезной нагрузки на орбиту Земли путем выстрела из пушки реально рассматривался как альтернатива ракетным технологиям.
Потому история пушек, стремящихся к звёздам, начинается не в фантазиях, а в архивах XX века. В 1960-х годах проект HARP (High Altitude Research Project), детище канадского инженера Джеральда Булла, доказал, что пушка может бросить вызов гравитации.
180-килограммовый снаряд, выпущенный из 406-мм пушки с длиной ствола около 36 метров, взлетал на высоту в 180 километров. Правда, скорость снаряда была недостаточной для того, чтобы он вышел на орбиту, так, при необходимых 7,8 км/с снаряд на высоте 180 км летел со скоростью 1,88 км/с.
Джеральд Булл мечтал о большем: о стволах длиной в километры, о снарядах, что станут спутниками. Но проект заглох, оставив лишь эхо выстрелов и гору несбывшихся надежд. Почему? Ответ прост и беспощаден: физика. Для орбиты нужна не только высота, но и горизонтальная скорость, которой пушка дать не могла. Снаряд, взлетев вверх, падал обратно, как камень, брошенный в небо.
Как только не пытались приспособить пушку для вывода спутников на орбиту, экспериментировали с различными взрывчатыми материалами и газами, где пороховые газы заменялись на водород или гелий, что позволяло теоретически повысить скорость снаряда до 3,5 км/с.
Выстрел осуществлялся специальными снарядами «Martlet», представляющими из себя серию гибридных снарядов, сочетающих в себе элементы артиллерийских боеприпасов и ракетных технологий.
Основная идея заключалась в использовании пушки для придания снаряду начальной скорости, а затем активации встроенного ракетного двигателя для достижения орбитальной скорости. Это позволяло снизить массу топлива, необходимого для вывода на орбиту, и, теоретически, сделать запуски более экономичными по сравнению с ракетоносителями того времени.
Серия «Martlet» включала несколько версий, каждая из которых имела свои особенности и предназначение:
- Martlet-1: Ранние тестовые снаряды, предназначенные для отработки базовых технологий.
- Martlet-2: Наиболее известная версия, представлявшая собой твердотельный снаряд массой около 180 кг, способный нести полезную нагрузку до 18 кг на высоту до 180 км. Это была суборбитальная версия, использовавшаяся для атмосферных исследований на которой и удалось достигнуть подобных показателей.
- Martlet-3: Более продвинутая версия, оснащённая ракетным двигателем, который должен был включаться после выхода из ствола для достижения больших высот. Эта версия рассматривалась как промежуточный шаг к орбитальным запускам.
- Martlet-4: Концептуальная версия, предназначенная для вывода небольших спутников на орбиту. Именно эта версия была наиболее близка к реализации идеи орбитального запуска.
Наиболее реально значимой для орбитальных запусков была версия Martlet-2G (или её вариации, такие как Martlet-3A), которая представляла собой снаряд с интегрированным ракетным двигателем. После запуска из пушки такой снаряд должен был использовать ракетный двигатель для достижения орбитальной скорости (около 7,8 км/с). Согласно расчётам и намерениям Булла, эти снаряды могли бы доставить на низкую околоземную орбиту (НОО) небольшой спутник массой около 2,3 кг.
Однако ракетные технологии СССР и США развивались куда быстрее, чем космическая артиллерия, и проект HARP был свёрнут в 1967 году из-за финансовых трудностей и политических изменений. США и Канада утратили интерес к программе, особенно на фоне полетов советских ракетоносителей Р-7 и американских «Атлас».
А пушка и по сей день ржавеет заброшенной на полигоне:
Но саму идею Джеральд Булл не забросил, двадцать лет спустя его разработки возродились в Ираке под названием «Проект Вавилон».
Это был прототип пушки с 46-метровым стволом и калибром 350 мм под названием «Младенец Вавилон», который в тестовом варианте стрелял свинцовыми снарядами.
Но «Вавилон» — мечта Булла — должна была стать куда более мощной системой: ствол 156 метров длины и метр в диаметре, способная запускать 600-килограммовые снаряды на 620 километров высоту.
Суборбитальный полёт был бы впечатляющий, но бесполезный для устойчивой орбиты без горизонтальной скорости. Саддам Хусейн видел в ней символ мощи, потому щедро спонсировал как Булла, так и сам проект.
«Большой» Вавилон должен был стать проектом, который осуществил бы мечту Булла. Устройство весом в 2100 тонн, придавая начальную скорость полета снаряда в 4 км/с, с учетом наработок по снарядам «Martlet», могло бы обеспечивать вывод полезной нагрузки до 15 кг.
Снаряду «Вавилона» требуется на 2270 м/с меньше скорости, чем для HARP. Это позволяет увеличить полезную нагрузку.
Но, не вдаваясь в подробности, по мере готовности пушка начала переквалифицироваться из гражданско-космической в военную сверхдальнобойную артиллерию, а в 1990 году Булл был убит, «Вавилон» достроить без него так и не смогли, и всё разлетелось на куски под ударами войны и санкций.
Эти истории — не хроника неудач, а зеркало, отражающее пределы дерзости, когда амбиции сталкиваются с реальностью.
Однако идея космической пушки была слишком заманчивой, чтобы от неё просто так отказаться, и в 1990-е годы в США продолжались исследования технологий, позволяющих достигать околокосмических скоростей с использованием артиллерийских систем.
Одним из ключевых проектов в этой области стал SHARP (Super HARP), реализованный на базе Национальной лаборатории имени Лоуренса в Калифорнии.
Этот проект представлял собой развитие идей, заложенных в более раннем проекте HARP, и был направлен на совершенствование технологий запуска снарядов с использованием пушек на легких газах.
В рамках экспериментов SHARP была разработана и построена пушка, использующая легкие газы (водород или гелий), которая успешно разогнала снаряд массой 5 кг до скорости 3 км/с.
Пушки на легких газах работают по принципу пневматических систем, но вместо воздуха в них сжимается газ с низкой плотностью — чаще всего водород или гелий. Низкая молекулярная масса этих газов обеспечивает более высокую скорость звука в среде, что позволяет значительно увеличить скорость истечения газа и, соответственно, скорость разгона снаряда. Перед выстрелом газ сжимается, а затем резко расширяется, толкая снаряд по стволу с огромной силой.
- Например, скорость звука в водороде составляет 1284 м/с, а в воздухе всего 331 м/с. При сжатии водорода до 700 атмосфер скорость звука возрастает до 3220 м/с.
Такие пушки способны разгонять снаряды до скоростей 6 км/с, что делает их важным инструментом для моделирования высокоскоростных столкновений.
На основе экспериментов SHARP был предложен проект пушки, способной теоретически разгонять реактивный снаряд до скорости 11 км/с, что весьма близко к скорости убегания с Земли (вторая космическая), что открывало перспективы для использования такой технологии в качестве альтернативы традиционным ракетным запускам.
Такая пушка с длиной ствола в 1100 метров должна устанавливаться ниже уровня моря. Это связано с необходимостью минимизировать влияние атмосферного давления и создать стабильные условия для запуска.
Установка ниже уровня моря также может помочь в охлаждении системы и снижении нагрузки на конструкцию.
Однако дальнейшие работы по созданию пушки для околокосмических скоростей остались нереализованными из-за отсутствия финансирования. Тем не менее результаты SHARP продолжают влиять на исследования в области альтернативных методов космических запусков
Одних стартапов появилось с десяток, самые известные — это американский стартап Quicklaunch, основанный бывшим руководителем программы Super HARP доктором Джон У. Хантером, стремящийся построить пушку, способной вывести мини-одноступенчатую ракету на НОО со стоимостью 1100 долларов за 1 кг полезной нагрузки.
Отдельные компоненты современной электроники способны выдержать перегрузку в 30 000 G.
Реализация этой идеи требует финансирования в размере 1-3 миллиарда долларов, где целью проекта является создание работоспособной системы из пушки и реактивного снаряда, способного выводить на НОО полезную нагрузку массой в 450 кг.
Проект не пошел, и стартап перестал функционировать в 2016 году, однако после Джоном Хантером был создан другой стартап «Green Launch», который, используя наработки Quicklaunch, получил некое финансирование от частных инвесторов для реализации подобной идеи.
Был изготовлен ствол пушки, который заполнялся смесью из водорода, гелия и кислорода, то есть использующей легкие газы для придания снаряду высоких скоростей.
И даже протестирована в 2021 году:
К
2025 году пушка уже должна была выводить на орбиту Земли полезную нагрузку, но, видимо, пошло что-то не так, и больше никаких испытаний публично стартап не разглашает.
- О последнем испытательном выстреле известно немного. Снаряд массой 12,7 кг развил скорость в 1029 м/с, поднявшись на 30 км.
Это был тест первой фазы, целью которой было продемонстрировать суборбитальный полет и подготовить почву для будущих запусков на высоту более 100 км (линия Кармана, граница космоса). Планировалось, что во второй фазе они достигнут высоты 200 км, а в фазе 3 — доставят 1 фунт (0,45 кг) на низкую околоземную орбиту, с последующим масштабированием до 100-1000 фунтов (45-454 кг).
Была заметка, что армия США проявляет интерес к такой системе, и, видимо, интерес был достаточно сильным, что публикация исследований прекратилась.
Но вы не просто так подписались на мой канал. Сейчас мы всё вычислим. Ибо полученные результаты можно экстраполировать, чтобы вычислить размеры и мощность пушки, которая сможет выводить полтонны на орбиту.
Итак, на основе доступной информации известно, что длина пускового ствола составляет примерно 16,5 метра. Диаметр ствола не указан, но, учитывая, что они используют оборудование, связанное с проектом HARP, можно предположить, что диаметр составляет примерно 40,6 см.
Это предположение основано на том, что HARP использовал 16-дюймовую пушку для своих запусков, а Green Launch проводит тесты на том же полигоне Yuma Proving Ground, где находится оригинальное оборудование HARP.
Для достижения орбиты снаряду нужно придать достаточную кинетическую энергию в 15,21 ГДж для полезной нагрузки в 500 кг при скорости 7800 м/с.
- Это в 2258 раз больше, чем было достигнуто в ходе испытаний первой фазы.
Такое масштабирование энергии включает в себя корректировки длины ствола, диаметра, давления и ускорения, каждое из которых ограничено материальными и практическими пределами.
Однако из-за атмосферного сопротивления запуск на такой скорости с земли невозможен, максимум 6 км/с, поэтому без комбинации пушки и ракетного двигателя не обойтись.
- И того, чтобы запустить снаряд в 500 кг на НОО, потребуется увеличение длины ствола до 950 метров.
Почти километровый ствол, заполненный водородом, позволит достичь орбитальной скорости около 6 км/с. Диаметр также необходимо увеличить до 1 метра, чтобы запускать столь тяжелую полезную нагрузку.
Да и вообще, километровый ствол — это тоже весьма непрактичная конструкция, к тому же будет сильно нагружена и деформироваться во время выстрела.
- Чем длиннее ствол, тем меньше ускорения и давления потребуется для достижения той же скорости. Чем больше диаметр ствола, тем ниже требуется давление по сравнению с меньшими диаметрами при том же ускорении.
Взяв технические характеристики этих проектов, можно рассчитать параметры пушки, которая сможет вывести одноступенчатую ракету массой в 500 кг на низкую околоземную орбиту (200 км).
При диаметре ствола 1 метр и длине в 150, 300 и 950 метров получаем следующие расчетные характеристики:
Если учитывать трение, нагрев, переменное давление газа и КПД системы, стремящиеся уменьшить итоговую скорость снаряда, то реальное давление в стволе будет значительно выше расчетного. Например, для HARP расчетное давление отличалось от реального на 40%.
- Физика процессов такова, что короткие пушки держат куда большие давления, чем длинные, например, давление в стволе танка при выстреле достигает 600 МПа (6118 атм.), но опять-таки такие показатели применимы только для коротких стволов.
Реальное давление 150-метровой пушки будет более 1000 атмосфер, а при скорости 6 км/с трение в стволе создаст температуру в 3600 градусов Цельсия, и это расчетная температура, в реальности она будет куда больше.
Более того, при вылете из ствола снаряд начнет испытывать трение об плотные слои атмосферы, которое он будет преодолевать около 3-4 секунд. Это воздействие разогреет его поверхность до 10000 градусов Цельсия, превратив воздух в плазму.
- Расчетное время жизни снаряда составляет 0,1–0,25 секунды. При применении абляционного покрытия, которое, испаряясь, уносит 90% тепла, снаряд раскалится до 3000 градусов Цельсия, что тоже не очень хорошо для его электронных компонентов.
Подводя итог, вывести 500 кг ракету на орбиту технически возможно, но это будет обгоревшая болванка с выжженной электроникой. Какой процент полезной нагрузки там будет, уже не важно, так как подобные проекты для реализации требуют прорывные технологии (плазменные щиты, сверхстойкие наноматериалы).
Плазменный щит, выдерживающий температуру в 5500 градусов, был недавно разработан и применяется в гиперзвуковом ракетном комплексе «Авангард». Осталось дело за материалами, которые могли бы на порядок повысить живучесть ствола, хотя бы до 100 выстрелов.
Но а как насчет пушки 21 века: не пороховой или газовой, а электромагнитной? Пушка Гаусса и рельсотрон, где снаряд разгоняется магнитными полями в вакуумной системе, теоретически могут решить ряд проблем. Это уже не фантазия, а теоретическая возможность. Эксперименты, такие как Enhanced Hyper Velocity Launcher в лаборатории Сандия, достигли 16,09 км/с для микроскопических объектов, то есть 3-й космической скорости.
Что, если масштабировать это до тонн? Правда, здесь тоже начинается инженерия на грани магии. Ствол длиной в километры, конденсаторы массой в десятки тысяч тонн, материалы, выдерживающие давление в миллионы атмосфер, — это вызов, сравнимый с созданием термоядерного реактора.
Современные ракеты, в отличие от пушки, разгоняются плавно, с ускорением 1,5–3 G, что позволяет запускать чувствительные грузы, включая людей.
Пушки на такое неспособны, и снаряды должны выдерживать ускорение в 10–30 тысяч G, что сужает номенклатуру полезной нагрузки на 99,9%.
- У меня расчетная стоимость вывода 1 кг полезной нагрузки на НОО из пушки получилась около 10 000 долларов, что в 4,5 раза дороже, чем выводят сегодня современные ракетоносители.
Но помимо пушки есть и куда более реалистичные альтернативные методы запуска полезной нагрузки в космос, поговорим о них в следующих материалах.
Vkontakte
Twitter
Одноклассники
