Называть этот комплекс мощной пушкой не совсем правильно. В современных пушках создается максимальные давления при взрыве пороха, для того, чтобы получить максимальную скорость снаряда при минимальной длине ствола. Максимальная скорость, получаемая в стволе снарядом, приближается к 3 скоростям звука. Это наиболее приемлемая скорость для большинства пушек, но за счет различных дополнительных устройств эта скорость снаряда может быть увеличена почти в два раза. Естественно, ускорения, развиваемые снарядом на таком коротком разгонном пути, огромны. Для запуска ракет в космос пушки совершенно непригодны.

Предлагаемый стартовый комплекс имеет строгое ограничение для ускорения, развиваемого снарядом в стволе комплекса. Для запуска космонавтов оно не должно превышать восьмикратной перегрузки. А для беспилотных запусков эту перегрузку можно увеличить в два раза. В связи с этими ограничениями длина ствола должна составлять не менее 1500 метров. Но и при этой длине ствола можно получить скорость вылета снаряда не более двух скоростей звука. Для получения трех скоростей звука длину ствола необходимо увеличить в несколько раз, либо увеличивать ускорение снаряда. При этом желательно удалить как можно дальше от поверхности Земли вылет снаряда из ствола пушки. Увеличивать длину ствола над поверхностью Земли до полутора и более километров слишком дорого. Такое грандиозное строительство потребует создание мощного фундамента.

Для этих целей можно использовать рельеф местности. В сейсмически неопасной зоне на плоскогорье высотой в два и более километра над уровнем моря можно построить трубу высотой в 1,5-2 километра. Это позволит снизить ударную волну от вылетающего со сверхзвуковой скоростью снаряда. Ствол стартовой установки опустится ниже мощного фундамента до глубины, равной или ниже уровня моря. Именно на этой глубине будет располагаться стартовый комплекс. Снаряд, разгоняемый в стволе комплекса, является поршнем, как в  тепловой машине, которая только напоминает пушку. Возникающие усилия здесь на несколько порядков ниже, чем в обычной пушке. Это значительно повысит срок службы стволовой части.

На фиг.1 изображен стартовый комплекс мощной пушки (атомная станция и криогенное оборудование не показаны):

1 – скальная порода плоскогорья, 2 – железобетонный фундамент, 3 – жесткий каркас ствола пушки.

4 – ствол мощной пушки, 5 – жерло пушки, 6 – глушитель, 7 – сборочные цеха, 8 – собранные снаряды и установленные на автоматическом конвейере для подачи в ствол.

9 – установленный снаряд в ствол пушки через шахту снизу ствола (шахта не показана), 10 – баллоны со сжатым кислородом, установленные вокруг ствола пушки.

11 – баллоны со сжатым водородом, установленные между кислородными баллонами, 12 – камеры сгорания с дозвуковыми соплами, 13 – камеры сгорания, работающие от жидкого водорода и жидкого кислорода.

14 – сверхзвуковые сопла Лаваля, разгоняющие пар вверх по стволу со сверхзвуковой скоростью, 15 – замок, закрывающий ствол пушки (механизм закрытия не показан), 16 – вылетающий снаряд из ствола пушки.

Идеальным топливом для космических ракет является жидкий водород и жидкий кислород. Эти компоненты топлива очень удобно подавать в камеры сгорания, но они очень дорогие. Для обслуживания стартового комплекса жидким водородом и жидким кислородом необходимо иметь атомную электростанцию, где попутно с электроэнергией можно получать компоненты топлива разложением воды при высокой температуре. Необходимы также мощные криогенные установки для сжижения водорода и кислорода. Эти компоненты должны храниться в огромных криогенных емкостях. Все перечисленное оборудование имеется на стартовых комплексах баллистических ракет. Необходим также определенный запас воды в водоеме, который постоянно должен пополняться из реки.

Ракета несет в себе все это топливо и разгоняется вместе с ним, а в описываемом стартовом комплексе компоненты топлива остаются неподвижными. Любой тепловой двигатель предварительно сжимает воздух, а затем в нем происходит сгорание топлива и выделение энергии. В паровых двигателях в котле испаряется вода для получения пара высокого давления. В предлагаемом стартовом комплексе нет необходимости в жидком водороде и жидком кислороде. Полученные продукты распада воды после атомного реактора достаточно охладить и сжать до высоких давлений в компрессорных установках. Этот сжатый водород и кислород хранится в баллонах в непосредственной близости от стартовой установки. Давление в баллонах должно быть выше, чем давление, возникающее в стволе пусковой установки.

Отпадает необходимость в криогенной технике и криогенных сосудах. Это обстоятельство значительно удешевит полет каждого снаряда, сократит технологическое время получения нужного для запуска топлива и окислителя, а от этого зависит скорость стрельбы, то есть количество осуществляемых запусков в единицу времени. Но взамен криогенной техники необходимо установить мощные компрессоры высокого давления и с большой производительностью, а также сосуды высокого давления. Естественно, чем выше скорость вылета снаряда из ствола пушки, тем экономичнее полет, но для сохранения постоянного нужного ускорения при разгоне необходимо удлинять ствол пушки. Это значительно увеличивает стоимость стартового комплекса.

Для эффективной работы стартового комплекса необходимо спроектировать специальные камеры сгорания. Туда под давлением из емкостей подается водород и кислород. Происходит реакция горения, а не взрыва, как в пушках. Температура горения достигает 2500 градусов Цельсия. Для снижения этой температуры через форсунки в камеру сгорания впрыскивается вода, которая мгновенно испаряется, охлаждая при этом стенки жаровой трубы. Объем пара – значительно больше, чем воды, поэтому происходит резкое увеличение объема сгоревшей смеси. Стремительное расширение пара выталкивает снаряд из ствола пушки, а испарившаяся вода снижает температуру образовавшейся парогазовой смеси до заданных пределов.

На всем протяжении разгонного участка труба имеет эффективное охлаждение за счет водяной рубашки. Выделяемая энергия паром в стенки ствола пушки, отводится в окружающий воздух радиаторами, через которые циркулирует охлаждающая вода. Часть воды просачивается на внутренние стенки ствола пушки, за счет чего осуществляется эффективная смазка, уменьшающая трение снаряда о ствол пушки почти до нуля. За счет горячего пара эта вода так же будет испаряться, создавая увеличенный объем пара. Часть пара необходимо выпускать между стенками ствола пушки и снарядом. Этот пар будет обгонять снаряд, проталкивая из ствола воздух, что значительно уменьшит сопротивление воздуха движущемуся снаряду.

По сути дела это тепловой двигатель с бинарным циклом. В авиационных двигателях для горения используется только одна четвертая часть поступившего в камеру сгорания кислорода. Остальной, сжатый компрессором воздух, в горении не участвует. Он используется для снижения температуры газа перед турбиной. В предлагаемом тепловом цикле происходит полное горение кислорода и водорода, как и в жидкостных ракетах. А расширение пара происходит в камерах сгорания, аналогично паровой турбине. По мере разгона снаряда сопротивление воздуха будет нарастать, поэтому необходимо постепенно наращивать давление в камерах сгорания. В подземной части ствола камеры сгорания можно установить на разных высотах. Они автоматически вступают в работу после прохождения снарядом данной высоты.

Такое расположение камер сгорания позволит разгрузить от тепловой нагрузки нижние камеры сгорания и снизить скорость распространения потоков пара по стволу во время запуска снаряда. Ступенчатое расположение камер сгорание позволит разместить в непосредственной близости от камер сгорания максимальное количество баллонов высокого давления с водородом и кислородом. Ведь для того, чтобы разогнать снаряд в стволе пушки до двух скоростей звука требуется огромная мощность теплового двигателя. В замкнутом цилиндре эта мощность выделяется и преобразовывается в полезную работу с более высоким коэффициентом полезного действия, чем выделение энергии в свободное пространство из двигателей ракеты.

Для увеличения экономичности тепловой пушки верхние камеры сгорания можно выполнять в виде сопел, направленных вверх. Из них пар должен вытекать с огромной скоростью вверх, догоняя снаряд и толкая его кинетической энергией пара. В таком случает при вылете снаряда из ствола пушки давление в нем понижается до атмосферного, может даже возникать некоторое расширение.  Пар полностью расширяется, выделяя всю свою энергию в разгоняемый снаряд. Для разгона пара в верхних камерах сгорания должно создаваться максимальное давление. Этого можно достичь подачей в камеры сгорания жидкого водорода и жидкого кислорода, а также воды под большим давлением. Значит, без криогенной техники в столь мощной установке не обойтись, но в этом случае необходимый расход жидкого водорода и жидкого водорода уменьшается в десятки раз.

Допустим, что диаметр снаряда приблизительно равен двум метрам, значит площадь, на которую давят газы и пар равна немногим более трех квадратных метров, а вес снаряда составляет сто тонн. При 16 кратном ускорении давление на снаряд должно составлять 1600 тонн (это всего лишь в шестнадцать раз больше, чем тяга четырех двигателей самолета ТУ-160). Один воздушно реактивный двигатель создает тягу 25 тонн в режиме работы с форсированными двигателями. Для создания такой силы тяги необходимо давление в цилиндре немногим более пятидесяти килограмм на сантиметр квадратный. По мере разгона аппарата это давление несколько повысится. В баллонах давление должно быть еще выше, чтобы преодолеть сопротивление по тракту, а также должно учитываться падение давления в баллонах при его расходе.

Большую часть объема ствола пушки после вылета снаряда будут занимать пары воды, которые образовались из впрыскиваемой в камеры сгорания воды, и меньшая часть паров воды, которые образовались от энергии сгоревших компонентов топлива. Эти нагретые пары воды будут подниматься вверх по трубе, создавая в ней некоторое разряжение. В связи с этим следующий запуск произойдет с меньшими потерями на трение с парами воды, обладающими смазывающим свойством. Верхняя часть трубы состоит из расширяющейся сферы, которая является глушителем. Отраженный скачок уплотнения от поверхности сферы будет направлен вверх. Он расширит конус скачка уплотнения, распространяющегося от снаряда, что значительно снизит уровень шума на поверхности земли.

Выпуская снаряды через малые промежутки времени, можно доставить в космос огромное количество необходимых грузов. Повышается надежность каждого полета, потому что стартующая масса значительно ниже, чем при старте космического корабля. Особенно удобно запускать таким способом на орбиту спутники связи и любые другие спутники. Можно также запускать отдельные блоки кораблей, а на орбите производить их сборку. Затем эти корабли стартуют с орбиты Земли к Луне, Марсу, Венере и другим планетам солнечной системы. Таким же способом можно собирать очень мощные корабли, отправляющиеся в путешествие к звездам.

 Н.Т.Бобоед

  г. Жодино