Steam pourrait faire un travail sérieux non seulement au 19ème siècle, mais aussi au 21ème siècle.
Le premier satellite artificiel de la Terre, lancé en orbite le 4 octobre 1957 par l'URSS, ne pesait que 83,6 kg. C'est lui qui a ouvert l'ère spatiale à l'humanité. Dans le même temps, la course à l'espace a commencé entre les deux puissances - l'Union soviétique et les États-Unis. Moins d'un mois plus tard, l'URSS étonne à nouveau le monde en lançant un deuxième satellite de 508 kg avec à son bord le chien Laika. Les États-Unis n'ont pu répondre à l'appel que l'année suivante, 1958, en lançant le satellite Explorer-1 le 31 janvier. De plus, sa masse était dix fois inférieure à celle du premier satellite soviétique - 8, 3 kg… Les ingénieurs américains, bien sûr, pouvaient imaginer mettre en orbite un satellite plus lourd, mais à la simple pensée de la quantité de carburant que le lanceur devait transporter, ils ne l'ont pas fait par eux-mêmes. L'un des magazines américains populaires a écrit: « Pour lancer un satellite en orbite terrestre basse, la masse de la fusée doit dépasser de plusieurs milliers la masse de la charge utile. Mais les scientifiques pensent que les avancées technologiques leur permettront de réduire ce ratio à cent. » Mais même ce chiffre impliquait que le lancement d'un satellite suffisamment grand pour être utile nécessiterait de brûler d'énormes quantités de carburant coûteux.
Pour réduire le coût de la première étape, diverses options ont été proposées: de la construction d'un vaisseau spatial réutilisable à des idées complètement fantastiques. Parmi eux figurait l'idée d'Arthur Graham, responsable du développement avancé chez Babcock & Wilcox (B&W), qui fabrique des chaudières à vapeur depuis 1867. Avec un autre ingénieur de B&W, Charles Smith, Graham a essayé de déterminer si le vaisseau spatial pouvait être mis en orbite en utilisant… de la vapeur.
Vapeur et hydrogène
Graham à cette époque était engagé dans le développement de chaudières supercritiques à haute température fonctionnant à des températures supérieures à 3740C et à des pressions supérieures à 220 atm. (au-delà de ce point critique, l'eau n'est plus un liquide ou un gaz, mais un fluide dit supercritique, combinant les propriétés des deux). La vapeur peut-elle être utilisée comme « pousseur » pour réduire la quantité de carburant dans le premier étage d'un lanceur ? Les premières estimations n'étaient pas excessivement optimistes. Le fait est que le taux d'expansion de tout gaz est limité par la vitesse du son dans ce gaz. A une température de 5500C, la vitesse de propagation du son dans la vapeur d'eau est d'environ 720 m/s, à 11000C - 860 m/s, à 16500C - 1030 m/s. Ces vitesses peuvent sembler élevées, mais il ne faut pas oublier que même la première vitesse cosmique (nécessaire pour mettre un satellite en orbite) est de 7, 9 km/s. Un lanceur, bien qu'assez grand, sera donc toujours nécessaire.
Cependant, Graham et Smith ont trouvé un autre moyen. Ils ne se sont pas limités au traversier. En mars 1961, sur instruction de la direction de B&W, ils préparèrent un document secret intitulé "Steam Hydrogen Booster for Spacecraft Launch", qui fut porté à l'attention de la NASA. (Cependant, le secret n'a pas duré longtemps, jusqu'en 1964, lorsque Graham et Smith ont obtenu le brevet américain n° 3131597 - "Méthode et appareil pour le lancement de fusées"). Dans le document, les développeurs ont décrit un système capable d'accélérer un vaisseau spatial pesant jusqu'à 120 tonnes à une vitesse de près de 2,5 km/s, alors que les accélérations, selon les calculs, ne dépassaient pas 100g. Une accélération supplémentaire jusqu'à la première vitesse spatiale devait être effectuée à l'aide de propulseurs de fusée.
Comme la vapeur n'est pas capable d'accélérer un projectile spatial à cette vitesse, les ingénieurs de B&W ont décidé d'utiliser un schéma en deux étapes. Au premier étage, la vapeur a comprimé et donc chauffé l'hydrogène, dont la vitesse du son est beaucoup plus élevée (à 5500C - 2150 m/s, à 11000C - 2760 m/s, à 16500C - plus de 3 km/s). C'était l'hydrogène qui était censé accélérer directement le vaisseau spatial. De plus, les coûts de friction lors de l'utilisation de l'hydrogène étaient nettement inférieurs.
Super pistolet
Le lanceur lui-même était censé être une structure grandiose - un gigantesque supergun, égal à celui que personne n'avait jamais construit. Le canon d'un diamètre de 7 m mesurait 3 km (!) de hauteur et devait être placé verticalement à l'intérieur d'une montagne de dimensions appropriées. Pour accéder à la « culasse » du canon géant, des tunnels ont été creusés au pied de la montagne. Il y avait aussi une usine de production d'hydrogène à partir de gaz naturel et un générateur de vapeur géant.
De là, la vapeur traversant des canalisations pénétrait dans l'accumulateur - une sphère en acier de 100 mètres de diamètre, située à un demi-kilomètre sous la base du baril et rigidement «montée» dans la masse rocheuse pour fournir la résistance de paroi nécessaire: la vapeur dans le l'accumulateur avait une température d'environ 5500C et une pression de plus de 500 atm.
L'accumulateur de vapeur était relié à un réservoir d'hydrogène situé au-dessus, un cylindre d'un diamètre de 25 m et d'une longueur d'environ 400 m avec des bases arrondies, à l'aide d'un système de tuyaux et de 70 vannes à grande vitesse, chacune d'environ 1 m de diamètre. À son tour, une bouteille d'hydrogène avec un système de 70 soupapes légèrement plus grandes (1,2 m de diamètre) était connectée à la base du baril. Tout fonctionnait ainsi: la vapeur était pompée de l'accumulateur dans le cylindre et, en raison de sa densité plus élevée, occupait sa partie inférieure, comprimant l'hydrogène dans la partie supérieure à 320 atm. et le réchauffer jusqu'à 17000C.
Le vaisseau spatial était installé sur une plate-forme spéciale qui servait de palette lors de l'accélération dans le canon. Il a simultanément centré l'appareil et réduit la percée de l'hydrogène en accélération (c'est ainsi que sont disposés les projectiles modernes de sous-calibre). Pour réduire la résistance à l'accélération, de l'air a été pompé hors du canon et le museau a été scellé avec un diaphragme spécial.
Le coût de construction du canon spatial a été estimé par B&W à environ 270 millions de dollars, mais le canon pourrait alors "tirer" tous les quatre jours, réduisant le coût du premier étage de la fusée Saturn de 5 millions de dollars à quelque 100 000 dollars.. Dans le même temps, le coût de mise en orbite de 1 kg de charge utile est passé de 2500 $ à 400 $.
Pour prouver l'efficacité du système, les développeurs ont proposé de construire une maquette à l'échelle 1:10 dans l'une des mines abandonnées. La NASA a hésité: après avoir investi des sommes colossales dans le développement de fusées traditionnelles, l'agence ne pouvait pas se permettre de dépenser 270 millions de dollars sur une technologie concurrente, et ce même avec un résultat inconnu. De plus, une surcharge de 100 g, bien que pendant deux secondes, rendait clairement impossible l'utilisation du supergun dans un programme spatial habité.
Le rêve de Jules Verne
Graham et Smith n'étaient ni les premiers ni les derniers ingénieurs à capturer l'imagination du concept de lancement d'engins spatiaux avec un canon. Au début des années 1960, le Canadien Gerald Bull développait le High Altitude Research Project (HARP), tirant des sondes atmosphériques à haute altitude à une altitude de près de 100 km. Au laboratoire national de Livermore. Lawrence en Californie jusqu'en 1995, dans le cadre du projet SHARP (Super High Altitude Research Project) sous la direction de John Hunter, un canon à deux étages a été développé, dans lequel l'hydrogène était comprimé en brûlant du méthane, et un projectile de cinq kilogrammes accéléré à 3 km/s. Il y avait aussi de nombreux projets de canons à rail - accélérateurs électromagnétiques pour le lancement d'engins spatiaux.
Mais tous ces projets se sont évanouis avant le supergun B&W. « Il y a eu une explosion terrible, inouïe, incroyable ! Il est impossible de transmettre sa puissance - elle couvrirait le tonnerre le plus assourdissant et même le rugissement d'une éruption volcanique. Des entrailles de la terre s'éleva une gigantesque gerbe de feu, comme du cratère d'un volcan. La terre trembla, et presque aucun des spectateurs ne parvint à ce moment à voir le projectile fendant triomphalement l'air dans un tourbillon de fumée et de feu "… - c'est ainsi que Jules Verne décrivait le tir du géant Columbiade dans sa célèbre roman.
Le canon Graham-Smith aurait dû faire une impression encore plus forte. D'après les calculs, chaque lancement nécessitait environ 100 tonnes d'hydrogène qui, à la suite du projectile, étaient projetées dans l'atmosphère. Chauffé à une température de 17000C, il s'est enflammé au contact de l'oxygène atmosphérique, transformant la montagne en une torche géante, une colonne de feu s'étirant sur plusieurs kilomètres vers le haut. Lorsqu'une telle quantité d'hydrogène brûle, il se forme 900 tonnes d'eau qui se dissiperaient sous forme de vapeur et de pluie (éventuellement bouillante à proximité immédiate). Cependant, le spectacle ne s'est pas arrêté là. Suite à la combustion de l'hydrogène, 25 000 tonnes de vapeur surchauffée ont été projetées vers le haut, formant un geyser géant. La vapeur s'est également partiellement dispersée, partiellement condensée et est tombée sous forme de fortes pluies (en général, la sécheresse ne menaçait pas le voisinage immédiat). Tout cela, bien sûr, devait s'accompagner de phénomènes tels que des tornades, des orages et des éclairs.
Jules Verne aurait adoré. Cependant, le plan était encore trop fantastique. Par conséquent, malgré tous les effets spéciaux, la NASA a préféré la voie plus traditionnelle des lancements spatiaux - les lancements de fusées. Dommage: une méthode plus steampunk est difficile à imaginer.
