Космическая пушка: смелая идея без перспектив
Старт «вагона-снаряда» из гигантской пушки-колумбиады. Иллюстрация Анри де Монто к книге Жюля Верна «С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут»
В настоящее время вся космонавтика строится на ракетной технике, имеющей ряд важных достоинств и преимуществ. Однако в прошлом предлагались и альтернативные способы вывода нагрузок на околоземную орбиту. Например, существовала концепция специальной артиллерийской системы с высокими энергетическими характеристиками, которые позволят запускать космические аппараты. Однако ни одна такая идея не дошла до полноценной реализации.
Теория и литература
Любопытно, что концепция артиллерийского запуска орбитальных объектов появилась задолго до идеи использования с этой целью ракет — ещё в конце XVII в. Исаак Ньютон в своей работе Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica предложил интересный мысленный эксперимент в области движения и баллистики. Конечно, практическое использование таких идей не предусматривалось.
Ньютон представил гипотетическую гору, поднимающуюся выше атмосферы Земли, и «поместил» на её вершине пушку с нулевым углом возвышения. Расчёты показывали, что рост метательного заряда должен был увеличивать дальность полёта снаряда. При этом заряд большой мощности мог придать снаряду высокую скорость и отправить его на орбиту.
В 1865 г. выдающийся писатель Жюль Верн опубликовал роман «С Земли на Луну прямым путём за 97 часов 20 минут». Герои произведения, группа американских энтузиастов, построила уникальную пушку сверхбольшого калибра, способную вывести специальный «вагон-снаряд» на траекторию полёта к Луне. Как и в других своих книгах, Ж. Верн не поскупился на подробные описания техники и технологий.
Реальная «космическая пушка». Одно из орудий, использовавшихся в программе HARP. Фото Geraldbullexpocanon.blogspot.com
В дальнейшем идея «космической пушки», обеспечивающей доступ к орбитам или к небесным телам, неоднократно появлялась в различных художественных произведениях. К этой теме обращались писатели-фантасты, кинорежиссёры, создатели видеоигр и т.д.
Первые шаги
В конце XIX в. К.Э. Циолковский, И.В. Мещерский и множество других учёных совместными усилиями создали теорию ракетного движения. Был показан потенциал реактивных систем, в т.ч. в контексте космических исследований. Дальнейшее развитие ракетно-космической техники основывалось именно на этих принципах. Идея артиллерийского запуска при этом оказалась практически забыта.
Тем не менее, продолжались расчёты и исследования в области сверхмощных пушек с особыми характеристиками. Так, было установлено, что полёт снаряда по высокой баллистической траектории позволяет увеличить дальность стрельбы. Дело в том, что часть пути боеприпаса в этом случае пролегает в разреженной атмосфере — это снижает сопротивление воздуха и уменьшает расход энергии на его преодоления.
Подобные идеи использовались в нескольких проектах сверхдальнобойных орудий. Например, в 1944 г. гитлеровская Германия недолго эксплуатировала пушки V-3. Многокаморная система со стволом длиной ок. 130 м отправляла специальные удлинённые снаряды на дальность 160-165 км. В полёте такой боеприпас поднимался на высоту ок. 40 км.
Практическая реализация
В конце сороковых годов ведущие страны ускорили работы по теме ракетного вооружения. Для отработки новых технологий им требовались специальные аэродинамические трубы, тестовые стенды и испытательные полигоны с соответствующим оснащением. В Канаде подготовкой такого полигона занималась группа специалистов под руководством молодого учёного Джеральда Булла. Вместо аэродинамической трубы они решили использовать доработанное полевое орудие калибра 140 мм. С его помощью осуществлялся запуск моделей ракет с требуемой скоростью. В пятидесятых годах Дж. Булл подготовил аналогичный полигон в США.
Дж. Булл (справа) и Дональд Морделл из Университета Макгилла демонстрируют снаряд Martlet-1. Фото Gettyimages
В конце 1957 г., на фоне шумихи после запуска первого искусственного спутника Земли, Дж. Булл сделал громкое заявление. Он сообщил прессе, что имеющиеся технологии позволяют создать орудие для отправки нагрузок на околоземную орбиту. Впрочем, сенсация не имела оснований — никто на тот момент не собирался создавать «космическую пушку».
В 1961 г. Дж. Булл перешёл на работу в Университет Макгилла (г. Монреаль). Вместе с сотрудниками университета он составил план «проекта высотных исследований» High Altitude Research Project (HARP). Вскоре им удалось получить финансовую поддержку военных ведомств Канады и США.
Проект HARP предусматривал использование орудия большого калибра на особой установке, обеспечивающей стрельбу с большими углами возвышения или вертикально вверх. Также были разработаны специальные снаряды, оптимизированные для запуска на большую высоту. Они получили общее название Martlet («Стриж»).
Полигон для испытаний HARP оборудовали на о. Барбадос. Позже появились две дополнительные площадки в США. На трёх полигонах строились специальные установки для опытного орудия и другие объекты. Опытную «космическую пушку» выполнили на основе ствола 16-дюймового (406,4 мм) корабельного орудия. С ней использовался снаряд Martlet-1, выполненный в виде ракеты со стабилизатором.
Первый выстрел HARP состоялся 20 января 1963 г. Упрощённый снаряд, предназначенный для проверки самой возможности стрельбы, поднялся всего на 3 км. На следующий день использовали полноценный боеприпас Martlet-1, и он достиг высоты 26 км. Затем выполнили несколько следующих выстрелов с близкими результатами.
Один из выстрелов программы HARP. Фото Минобороны США
В апреле начались испытания улучшенного снаряда Martlet-2. Это изделие удалось отправить на 92 км. На его борту можно было разместить груз массой в несколько килограммов — в зависимости от требуемой траектории и высоты полёта.
В сентябре на испытания подали изделие Martlet-3A. Это была полноценная ракета с собственным твердотопливным двигателем. Реактивная тяга позволяла существенно улучшить лётные характеристики и/или грузоподъёмность снаряда. В 1964-65 гг. разработали трёхступенчатую ракету Martlet-4, которая могла нести груз до 50 фунтов (22,7 кг) и выводить его на низкую орбиту.
Испытания HARP продолжались до начала 1967 г. Затем Канада и США потеряли интерес к необычному проекту и прекратили финансирование. В ходе испытаний была получена максимальная высота 180 км и теоретически показана возможность вывода грузов на орбиты.
В дальнейшем Дж. Булл основал собственную компанию Space Research Corporation и продолжил развивать идеи HARP. Однако идея «космической пушки» постепенно отошла на второй план, и приоритетом стали военные проекты. Компания SRC сотрудничала с Израилем, ЮАР, а также с Китаем, что привело к ряду проблем.
В начале восьмидесятых Дж. Булл по заказу Ирака начал разработку сверхдальнобойного орудия Babylon. В 1989 г. проект дошёл до полигонных испытаний. Однако в марте 1990 г. Дж. Булл был убит неизвестными. Кроме того, спецслужбы третьих стран смогли предотвратить поставки компонентов «Вавилона» в Ирак. На этом проект остановился.
Снаряд Martlet-2G для орудия HARP. Фото Geraldbullexpocanon.blogspot.com
Новая попытка
В восьмидесятых годах Ливерморская национальная лаборатория при министерстве энергетики США попыталась переосмыслить наработки проекта HARP. В рамках программы Super HARP она разработала длинноствольное орудие, использующее вместо пороха газовую смесь на основе метана. Также присутствовала пневматическая система накопления и передачи импульса на основе сжатого водорода. При этом понадобилось с нуля разработать всю конструкцию орудия.
В 1992 г. состоялись первые стрельбы. В ходе испытаний удалось получить дульную скорость снаряда ок. 3 км/с. В дальнейшем планировали наращивать характеристики и получить скорость 7 км/с, достаточную для вывода груза на низкую околоземную орбиту.
Однако вскоре работы остановились из-за отсутствия явного прогресса, сомнительных перспектив и чрезмерной стоимости. От проекта SHARP отказались, хотя в дальнейшем неоднократно вспоминали о нём как об источнике различных технологий. Кроме того, опытное орудие использовалось в качестве пусковой установки для аэродинамических моделей перспективной техники.
Объективные проблемы
В последние десятилетия разные организации и энтузиасты регулярно вспоминали концепцию специальной пушки для орбитальных запусков. Однако дальше предварительной проработки и рекламы дело не шло. Необычная идея не получила развития, и космонавтика до сих пор строится на ракетной технике.
Брошенное орудие HARP на полигоне на о. Барбадос. Фото Wikimedia Commons
Нетрудно заметить, что «космическая пушка» имеет ряд характерных проблем, которые проявляются уже на уровне базовой концепции. Дополнительные трудности и вызовы возникают при попытке реализовать эту концепцию в виде проекта или полноценной системы «в металле».
Главные проблемы «космических пушек» находятся в области скорости и энергии. Следует напомнить, что для выхода на орбиту Земли объект должен развить т.н. первую космическую скорость — порядка 7,9 км/с. Ствольные системы на основе существующих порохов и альтернативных решений не могут разогнать снаряд до такой скорости.
Для увеличения дульной скорости и энергии необходимо повысить давление в канале ствола. Вследствие этого растут требования к прочности ствола, затвора, противооткатных устройств и т.д. Орудие повышенной прочности будет слишком тяжёлым и сложным для производства и эксплуатации.
В программе HARP использовались готовые стволы калибром до 406 мм, заимствованные у корабельных установок. Снаряды серии Martlet разработали с нуля. Они имели оперение и фактически были подкалиберными. Такая конструкция негативно сказалась на внутреннем объёме, доступном для размещения грузов. Кроме того, даже последние версии «Стрижа» несли менее 30 кг груза.
Увеличение калибра, которое позволит использовать более объёмный снаряд, приводит к дополнительному усложнению конструкции пушки и её установки. Кроме того, повышаются требования к её энергетическим характеристикам. При этом возникает необходимость в более прочной конструкции, которая будет отличаться сложностью, массой и дороговизной.
Ствол орудия и элементы лафета. Фото Wikimedia Commons
Дж. Булл и его коллеги пытались избавиться от некоторых недостатков «космической пушки». Например, для повышения энергетических и скоростных характеристик, они решили использовать ракеты, в т.ч. многоступенчатые. Такой подход позволил получить высоту 180 км, но не решал другие проблемы. Пусковая система осталась чрезмерно сложной, а нагрузка ракеты осталась ограниченной.
В свою очередь, Ливерморская лаборатория использовала принципиально новый метательный заряд на основе метана и систему передачи энергии с водородом. С их помощью удалось получить значительный прирост характеристик в сравнении с артиллерийскими порохами. Однако достигнутый уровень энергии оставался недостаточным.
Следует отметить, что в проекте HARP удалось получить интересные результаты технического характера. Так, ранние варианты изделия «Стриж» без двигателя стоили не более 3-4 тыс. долларов. Ракеты этого семейства были существенно дороже. Тем не менее, удельная стоимость вывода килограмма нагрузки на орбиту оставалась достаточно низкой даже по нынешним меркам.
Без перспектив
Таким образом, артиллерийский способ вывода нагрузок на орбиту, на первый взгляд, является интересным и многообещающим. Однако он имеет ряд характерных проблем и недостатков, избавиться от которых до сих пор не удалось. Немногочисленные попытки создания реальных «космических пушек» предсказуемо завершились неудачей.
В то же время, ракеты-носители разных типов показали свой потенциал и прочно заняли место в космической сфере. Развитие этого направления продолжается и даёт желаемые результаты. При этом ракеты оторвались от альтернативных решений, в т.ч. от специальной артиллерии, и вряд ли эта ситуация когда-либо изменится.
Информация