Ускорители пушечного типа – история развития. Часть 2. Скорость истекающих газов определяет максимально возможную скорость снаряда [26]:                        где:   ve — Скорость газа на выходе из сопла, м/с,  T — Абсолютная температура газа,  R — Универсальная газовая постоянная R=8314,5  Дж/(киломоль·К),  M — молярная масса газа, кг/киломоль,  k — Показатель адиабаты , k = Cp / Cv Cp — Удельная теплоёмкость при постоянном давлении, Дж/(киломоль·К),  Cv — Удельная теплоёмкость при постоянном объеме, Дж/(киломоль·К), pe — Абсолютное давление газа на выходе, Па,  p — Абсолютное давление газа в камере сгорания, Па . Это означает, что если вместо пороховых газов будут расширяться легкие газы, водород и гелий, то скорость истечения будет в  4-5 раз  больше.  Это и послужило обоснованием для исследования легко-газовых пушек , где водород сжимается пороховым зарядом, а он уже  потом выталкивает снаряд. В проекте SHARP (Super High Altitude Research Project) др. Хантер для небольших снарядов в 1966 году  получил скорость снаряда в 11 км/с. Этот проект также позволил начать исследование гиперзвуковых  снарядов-двигателей, но  исследования были закрыты по финансовым соображениям [27].   Тем не менее, в 2009 году Джон Хантер открыл компанию Quicklaunch, поставившей своей целью организовать вывод небольших  аппаратов в космос при помощи пушки по цене 550$ /кг [28]. Техническая особенность проекта заключалась в том, что сжатый в  специальной камере водород нагревался мощными кислород-метановыми горелкам, после чего открывался специальный клапан в орудие.   Вот параметры проекта двухступенчатого запуска аппаратов компании [29]:  вес снаряда: 450-680 кг   вес защитной оболочки и углеродного пластика: 230 кг  вес ракетного двигателя: 220 кг  вес выводимого груза:  110 кг  скорость снаряда:    7-8 км/с    начальное ускорение: 2500 g  среднее давление газа: 350 атм  длина ствола орудия: 1500 м вес ствола: 1800 тонн внутренний диаметр ствола орудия: 0,6 м оценочная цена за килограмм выводимого груза: 1250$   оценочная  стоимость проекта: 500 млн $   габариты  собственно камеры со сжатым водородом: вес 8 000 тон       объем 20 000 куб. м.                       начальное давление водорода 700 атм                          начальная температура  водорода 1500 К                           Работа с таким газом, как водород, крайне проблематична из-за его горючести, взрывоопасности и плохой совместимости с  металлами при высоких температурах. Кроме того, дополнительную сложность вызывает:   наличие двух мембран, одна из которых (выпускная) должна выдерживать высокое давление, а другая очень быстро отсекать водород от вылетающего из орудия снаряда.   необходимость размещать вдоль ствола десятки дополнительных инжекторов водорода, чтобы избежать энергетических потерь на  разгон  газа. Это создает нежелательные сильные вибрации как для самого снаряда, так и для орудия. На данный момент проект закрыт,  так как оказался слишком дорогим.  Принципиально иной подход демонстрируют так называемые Scram Сannon (supersonic combustion ramjet technology)  они же Ram  Accelerator, в которых снаряд внутри ствола разгоняется при помощи реактивного сопла, и является прямоточным реактивным двигателем.  В них  реактивное сопло образовано коническим или клиновидным дном снаряда и поверхностью ствола. Топливом для снаряда является :  на маленьких скоростях смесь метана и кислорода, на больших водорода и кислорода, сжатых под давлением до 50-200 атм. [30].  На  начальной стадии снаряд разгоняется пороховым зарядом, а потом ускоряется реактивным способом в разных секциях, которые  наполненны разным составом газа и разделены мембранами.                                       Проект запуска малогабаритных спутников с помощью Ram Accelerator предполагает компания The Ballistic Flight Group  (www.tbfg.org) [31]:  вес снаряда: 300 - 2000 кг  скорость снаряда: 8 км/с. После прохождения атмосферы снаряд теряет скорость до 6 км/с. Потери на абляцию составляют 3-10% .  среднее ускорение: 2000 g                           давление газовой смеси в стволе; 50 атм                          давление в «камере сгорания»: 2000 атм                              длина ствола орудия 1400 м                                внутренний диаметр ствола орудия 0,5 м   на каждую тонну массы снаряда нужно 20 тонн газовой смеси, что дает примерный КПД   устройства 12%                             оценочная  стоимость проекта 50 млн $                              Однако, особенности кинетики режима горения влекут за собой следующие проблемы:                        1. Устройство может работать только при скорости снаряда большей скорости звука газовой среды, порядка 1 км/с.  2. Снаряд может ускоряться только если его скорость выше скорости детонации газовой смеси.  3. Необходимость изменения состава газовой смеси при увеличении скорости движения снаряда  ведет к усложнению конструкции  ускорителя, которая в проекте состоит из секций, разделенных мембраной  4. Работа ускорителя ведет к генерацию сильных акустических колебаний с частотой 2-10 килогерц и амплитудой 250 атм. 5. Для эффективной работы ускорителя внутри ствола придется  формировать особые перегородки, которые исключают горение  газовой смеси в неправильном режиме.                                              6. Также, наличие в стволе ускорителя сжатого газа ведет к сильному аэродинамическому разогреву зоны движения снаряда, который  резко увеличивается при увеличении его скорости.                                      На сегодняшний момент этим методом удается ускорять снаряды массой 5 кг и калибром 120 мм до скорости 2700 м/с [32].    В настоящее время RAM исследование ускорителей ведутся примерно в десяти научно-исследовательских центрах мира:  http://www.ramaccelerator.org/home/sites/default/files/ram-world.png  http://www.ramaccelerator.org/home/sites/default/files/MSAA-1997-Schultz.pdf  В середине семидесятых годов прошлого века было найдено, что волна детонации в полых трубках, заполненных газом и покрытых изнутри взрывчатым веществом (ВВ), может ускоряться до скорости, намного большей скорости детонации самого ВВ. Рекорд этой так называемой двухслойной детонации принадлежит системе гелий + азид свинца: 14 км/с [33]. Однако, было обнаружено, что этот эффект плохо воспроизводится, особенно для других ВВ, и видимо, он пригоден только для разгона легких объектов [34]. Тем не менее, в это же время в США появляются патенты на т.н. “blast wave accelerator”, где ВВ располагается на внутренней поверхности ствола орудия, и подрываются над конусообразным дном снаряда при его прохождении либо электродетонаторами [35][36], либо трением [37]. Принцип распределения нанесение  непрерывного слоя ВВ на внутренней поверхности вдоль ствола был запатентован еще в 1968 году  [38], Но он плох тем, что здесь невозможно согласовать детонацию топлива с движением снаряда.                                                                                                                                                                                                                          Не смотря свою простоту, этот тип ускорителя  не исследовался  «в металле»!  Применение ВВ накладывает на него много  ограничений. Топливо приходится заключать в специальную оболочку, например из пенопласта, остатки которого надо каждый раз удалять из трубы ускорителя. С другой стороны, сегментация топлива приводит к тому, что на снаряд  действует серия ударных волн, которые  могут его деформировать, и плохо повлиять на его начинку. Ствол орудия также может быть деформирован ударными волнами.   Все  вышеперечисленные проблемы не позволили создать на данный момент многоразовый ускоритель такого типа.  Это практически  одноразовое орудие [39]. Тем не менее, этот принцип изучался вычислительными методами [40][41][42]. Предварительно было найдено,  что  для запуска снаряда массой 2000 кг понадобится 128 000 кг тротила, и для запуска снаряда массой 1000 кг понадобится 25 600 кг  тротила (КПД 25%)  для достижения скорости 8 км/с [43]. В первом случае в ускоритель длиной  300 м “закладываются” 150 колец  тротила массой по 853 кг.       Как будет расмотрено в проекте, по принципам действия он наиболее близок к концепции «космической пушки» и к  техническому воплощению. Отметим эти важные принципы:                                                                                1. Энергия грамотно распределяется вдоль ствола орудия, «ближе к снаряду»  2. Коническое дно  позволяет снаряду  ускоряться до скоростей, гораздо больших, чем скорость  газов, которые на него падают.  3. Реализация этого устройства не противоречит научным принципам и не  имеет принципиальных инженерных ограничений. Как покажет дальнейший материал, он намного ближе к реализации, чем даже электромагнитные ускорители.                     ССЫЛКИ.                           1.   Стрежнев И. Предел скорости артиллерийских снарядов. http://ivanstrezhnev.appspot.com/3/3.html  2. «Парижская пушка» кайзера Вильгельма. Оружие и военная техника: от каменного топора до межконтинентальных ракет…  http://proorujie.com/parizhskaya-pushka.html      3. «Космические» снаряды Джеральда Бюлля.  http://www.xliby.ru/istorija/bitva_za_zvezdy_2_kosmicheskoe_protivostojanie_chast_ii/p6.php   4. Александр Железняков. Секреты американской космонавтики. М.Эксмо:2012 http://www.twirpx.com/file/1198255/   5. Макс Валье. Полет в мировое пространство. Берлин, изд. Ольденбург: 1930. http://www.epizodsspace.narod.ru/bibl/valier/2-3.html   6. Encyclopedia Astronautica. Valier-Oberth Moon Gun. http://www.astronautix.com/lvs/valongun.htm   7. Fernand Leroyer. Livre numérique L.G Perreaux, L’inventeur de la “moto” et...!!!.Société des écrivains. 2013.  http://librairie.immateriel.fr/fr/read_book/9782342001945/file0002  8. ALMENECHES.PERREAUX.VENDEL... http://alifer61.blogspot.ru/2008/09/1864-le-canon-perreaux.html   9. Report of the Chief of Ordnance to the Secretary of War. 1884. http://en.wikipedia.org/wiki/James_Richard_Haskell   10. The Illustrated encyclopedia of 20th century weapons and warfare 14. Milwaukee: Purnell Reference Books. p. 1566.   http://en.wikipedia.org/wiki/V-3_cannon#cite_note-22   11. Шумилин С.Э. Супердальнобойные пушки. http://www.nauka-tehnika.com.ua/nt/article/superdalnoboinye-pushki?page=show   12. V-3 cannon. http://en.wikipedia.org/wiki/V-3_cannon Encyclopedia Astronautica. http://www.astronautix.com/lvs/v3.htm   13.  Козырев М. «Необычное оружие третьего рейха». М.:Центрполиграф 2008, С.384  14. V-3 cannon. http://www.triposo.com/poi/V-3_cannon   15.  Гальвиц У. Артиллерийские пороха и заряды. Ред. Снитко К.К. М.Оборонгиз: 1950, С.162               16.  Владимир Таегян. Крах «Большого Вавилона».Аэропорт №10 (27) октябрь 2006. http://www.rimv.ru/aeroport/27_pushka.htm   17. "Из пушки на Луну", ФАУ-3 и "Проект Вавилония". http://don-katalan.livejournal.com/431639.html   18. Encyclopedia Astronautica. Babylon Gun. http://www.astronautix.com/lvs/babongun.htm   19. Project Babylon. http://en.wikipedia.org/wiki/Project_Babylon   20. Mara Schade. Пушки Джеральда Бюлля. http://samlib.ru/s/schade_m/bulle.shtml   21. J. Bull.  Multiple point ignition in HARP guns. Ballistic Research Laboratories, Match 1967  http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/654370.pdf  22. Александр Широкорад, Олег Макаров. СНАРЯД С РАКЕТНЫМ СЕРДЦЕМ. Популярная механика.  http://www.popmech.ru/article/10927-snaryad-s-raketnyim-serdtsem   23. Победоносцев Ю.А. О ПЕРВЫХ ИСПЫТАНИЯХ В ПОЛЕТЕ ПРЯМОТОЧНЫХ ВОЗДУШНО-РЕАКТИВНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.  http://www.epizodsspace.narod.ru/bibl/izist/pob.html    24. Роман Джерелейко. Рождение активно-реактивного снаряда АРС. http://topwar.ru/17630-rozhdenie-aktivno-reaktivnogo-snaryada-  ars.html    25. Стрежнев И. Конструктивное оформление артиллерийских орудий кратного действия с одновременным взрывом зарядов.  http://ivanstrezhnev.appspot.com/5/5.html    26. Дорофеев А. А. Основы теории тепловых ракетных двигателей (Общая теория ракетных двигателей) МГТУ им. Н. Э. Баумана  Москва 1999 г. Гл.3. http://www.engineer.bmstu.ru/res/dorofeev/lec/gl_03/l03.htm   27. SHARP. Encyclopedia Astronautica. http://www.astronautix.com/lvs/sharp.htm   28. Леонид Попов. Космическая пушка стреляет спутником из глубины океана. 20 января 2010.  http://www.bcetyt.ru/science/inventions/kosmicheskaja-pushka-streljaet-sputnikom-iz-glubiny-okeana.html   http://oko-planet.su/science/sciencehypothesis/29212-kosmicheskaya-pushka-strelyaet-sputnikom-iz.html      http://www.membrana.ru/particle/3360  29. 12th AIAA/USU Conference on Small Satellites. 1. The Feasibility of Launching Small Satellites with a Light Gas Gun. H. Gilreath, A.  Driesman. http://digitalcommons.usu.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=2219&context=smallsat   30. C. Knowlen, B. Joseph, A.P. Bruckner. Presented at International Space Development Conference, May 25-28, 2007, Dallas TX. Ram  Accelerator as an Impulsive Space Launcher: Assessment of Technical Risks  http://www.tbfg.org/papers/Ram%20Accelerator%20Technical%20Risks%20ISDC07.pdf   31. The Ballistic Flight Group. http://www.tbfg.org/   32. Andrew J. Higgins. Ram Accelerators: Outstanding Issues and New Directions. JOURNAL OF PROPULSION AND POWER  Vol. 22,  No. 6, November–December 2006, P. 1171. http://personnel.mcgill.ca/files/andrew.higgins/AIAA-18209-632.pdf  33. Митрофанов В.В.  Детонация в гетерогенных системах. Российская академия наук СО, Новосибирск: 2003, С. 185  34. Vincent Tanguay. Coupling of the Detonation and the Precursor Shock Wave in the Channel Effect.Department of Mechanical  Engineering McGill University. Montréal, Québec, Canada. November 2002, P 7.   http://digitool.library.mcgill.ca/webclient/StreamGate?folder_id=0&dvs=1410553830452~640  35. Werner K. Kern, Tallahassee, and Fay E. Null,  Explosive linear acceleration. / US Patent 3031933, May 1, 1962.  36. George T. Pinson,  Controlled explosive, hypervelocity self-contained round for a large caliber gun. / US Patent 5016537, May 21, 1991  37. Abraham L. Korr, Evan Harris Walker,  Muzzle attachment for accelerating a projectle. / US Patent 3880044, April 29, 1975  38. Charles A. Rodenberger,  Propellant ligned high velocity accelerator. / US Patent 3411403, November 19, 1968  39. Eric W. Davis, Advanced Propulsion Study. / Special Report of AIR FORCE RESEARCH LABORATORY, September 2004. P. 25.  http://alnaspaceprogram.org/papers/advanced%20propulsion%20study.pdf   40. Dennis Wilson, Zhigiang Tan, and Philip L. Varghese.  "Numerical simulation of the blast-wave accelerator", AIAA Journal, Vol. 34, No.  7 (1996), pp. 1341-1347. http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/3.13238?journalCode=aiaaj     скачать здесь:   41. Voitenko A. E. Principal energy characteristics of a linear jet engine.Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. March–April,  1990, Volume 31, Issue 2, pp 273-275  скачать здесь:   42. Dennis Wilson and Zhiqiang Tan. The Blast Wave Accelerator - Feasibility Study. CP552, Space Technology and Applications  International Forum-2001, American Institute of Physics. P. 589-598.  http://www.ramaccelerator.org/home/sites/default/files/STAIF%20blast-0589.pdf  43. Starkenberg J. Shock-Physics Simulations of Blast Wave Accelerator Launch Dynamics. ASME, U.S. Army Research Laboratory 2002.  http://www.ramaccelerator.org/home/sites/default/files/Reno%20AIAA%202002-0682%20BlastWaveAccelSim.pdf   
                                                                                             Ускорители пушечного типа – история развития. Часть 1.