«ПЕПЕЛАЦЫ» ЛЕТЯТ НА ЛУНУ. №6

Вместо эпиграфа:

"Да господа, да!

Это был уже третий полет на Луну моего мужа.

Первые два мы совершили с ним вместе.

Впрочем, я об этом еще напишу...

Присоединяйтесь барон, присоединяйтесь!"

Якобина фон Мюнхгаузен,

из к/ф "Тот самый Мюнхгаузен"

Двадцатого июля нас всех ждут большие торжества: 35 лет назад Нейл Армстронг спрыгнул с лестницы и сделал для всех для нас большой шажок, большой для человечества вообще, и для американской киноиндустрии в частности. Надо отдать должное американцам - планируются торжества с размахом.

Например, в печати появилась заметка следующего содержания:

"Лунный Saturn V нуждается в срочном спасении от птиц и водорослей"

23.06.2004 Одна из трех "оставшихся в живых" ракет Saturn V, созданных по американской лунной программе, нуждается в срочном спасении. В космическом центре Джонсона (Johnson Space Center) развернуты работы по масштабной реставрации одного из самых знаменитых "свидетелей" золотого века NASA.

Гигантская ракета длиной около 110 метров стала экспонатом центра в 1977 году. Она предназначалась для запуска Apollo 18, который так и не состоялся после досрочного прекращения американской лунной программы.

Туристы очень любят сниматься на ее фоне, но если подойти поближе становится заметным масштаб разрушений - Saturn V потерял во многих местах краску, часть элементов съела ржавчина, в переплетении механизмов нашли уютное пристанище птицы, а в довершение то тут, то там можно найти ростки растений или даже плесень и морские водоросли. Влажный и теплый климат давно разрушает ракету. Но лишь теперь принято решение о масштабной реставрации исторического аппарата и сооружении вокруг этого монстра постоянного ангара, который оградит Saturn V от погодных воздействий. Работа займет год. Она будет финансироваться правительством, однако также будут собираться частные пожертвования.

Когда я прочитал, что в гордости всего человечества поселились мыши, а часть элементов "съела ржавчина", у меня защемило в сердце. Еще бы! Знамя человечества, светоч американских свершений и на тебе! Будучи с детства не в меру любознательным, я решил уточнить - а что же в этой "вечной" ракете могла съесть ржавчина?

"СТУПЕНЬ S-IC - Конструкция отсека сделана из алюминиевого сплава 7075 (кроме штампованных деталей, которые изготовляются из сплава 7079)... Хвостовая часть обтекателей сделана из титана и нержавеющей стали, так как расчетная температура в этой зоне равна 650° С. Остальная часть конструкции сделана из алюминиевого сплава... Материал обшивки титан 6А1—4V (температура задней и передней кромок стабилизатора 1093 и 400—480° С соответственно)...Топливный отсек состоит из баков горючего и окислителя длиной 13,1 и 19,5 м объемом 835 и 1340 м³ соответственно. Оба бака имеют цельносварную конструкцию, выполненную из алюминиевого сплава 2219

СТУПЕНЬ S-II - Верхний переходник (полумонококовая клепаная конструкция длиной 3,5 м) сделан из алюминиевого сплава 7075-Т6...Баки сделаны из алюминиевого сплава 2014-Т6, переходники и двигательный отсек из алюминиевого сплава 7075-Т6.

СТУПЕНЬ S-IVB - Материал баков алюминиевый сплав 2914-Т6."

Нет, это что-то! Кругом алюминий, титан, нержавеющая сталь. Так заржавело-то что??? Видимо американским ученым удалось осуществить управляемую реакцию ржавления алюминия (т.е. превращение металлического алюминия в оксид железа - ибо ржавчина это именно оксид железа). А может быть они смогли превратить титан в оксид железа!? А вы говорите не бывает философского камня... Как видите бывает, только он работает как-то наоборот: дорогие металлы превращает в труху.

Тут надо бы отвлечься от темы торжеств и чуть-чуть углубиться в изучение конструкции корабля "Аполлон" вместе с лунным модулем, ибо не зная устройство этого "пепелаца", всего остального нам не понять. Изучать мы будем исходя из материалов того же источника (1).

На всякий случай для тех, кто думает, что в лунном корабле есть чему ржаветь, огорчим: кругом алюминиевые сплавы марок 2219—Т8751, 2210—Т81, 2239— Т851. Командный отсек (он же спускаемый аппарат) состоит из оболочек: внутренняя оболочка из алюминиевых сотовых профилированных панелей толщиной 20—38 мм, сварной конструкции — герметическая кабина экипажа со свободным объемом 6,1 м³; внешняя оболочка из профилированных сотовых панелей толщиной 15—63 мм, сваренных из листовой нержавеющей стали толщиной 0,2—1 мм.

Если вы внимательно изучите схему Служебного отсека, то убедитесь, что это фактически ракетная ступень, до отказа затаренная топливными баками с вытиснительной системой подачи топлива под давлением сжатого газа -гелия. В частности, давление в камере сгорания маршевого двигателя примерно 7 атм. Это значит, что баки находятся под еще большим давлением - из-за гидравлических потерь нужно подавать гелий под давлением на 10-20% выше чем в ЖРД.

При общем весе Служебного отсека 23264кг в нем залито 18500кг топлива (данные для Аполлон-11). Иначе говоря, при вытиснительной системе топлива в камеру ЖРД, вес ракетной ступени составляет примерно 20..21% от общей массы изделия.


Служебный отсек со служебной двигательной установкой	Командный отсек корабля Apollo. Внутренняя оболочка гермокабины экипажа и тепловой экран

Тем загадочней прозвучат следующие цифры: оказывается, посадочная ступень (нижняя часть лунного корабля, та что на "лапках") при сухом весе 1725кг содержит 8172кг топлива и еще около 200кг других расходных компонентов. Иначе говоря, сухой вес посадочной части составляет 17% от общего веса! Просто диву даешься - там зализанная ракетная ступень, где одни топливные баки, весит 20%, а тут каракатица с лапами - а весит меньше!

Причем что интересно - если удельный вес подвесного топливного бака для "Шатлла" (с давлением наддува пару атмосфер) примерно 5%, то в лунном корабле были достигнуты следующие абсолютные рекорды:

в двух баках взлетной ступени весом 17,3 кг каждый (!) умещалось 2360кг топлива (относительный вес 1,46%); в четырех баках посадочной ступени весом 52,2кг каждый умещалось 8150кг топлива (относительный вес 2,5%). И это при том, что баки работают фактически под давлением выше 8 атм. И почему на взлетной ступени удельный вес бака в 1,7 раз меньше? Там что - другая технология?

Они говорят, что в два бидона весом 34кг втиснули 2,36 тонны топлива!? Чтобы оценить этот трудовой подвиг, представьте себе бочку с квасом, что летом стоят на каждом углу. Она явно весит больше 34кг, а ведь в ней всего 800 литров кваса (если мне не изменяет память). И квасная бочка совсем не под давлением...

Еще интересней история со взлетной ступенью - там всего два топливных бака, один с окислителем, другой с горючим. Суть в том, что соотношение компонентов 1,6:1 или на 1,6кг азотного тетроксида приходится 1кг смеси гидразина и диметилгидразина. Или примерно 900кг топлива и 1460кг окислителя. Для того, чтобы центр масс находился на вертикальной оси симметрии, нужно для баков делать разные плечи - для одного в 1,6 раз больше, чем для другого. С учетом поперечного размера взлетной ступени в 4,3м и поперечника бака 1м, речь идет о метрах - скажем одно плечо 1,25м; другое 2,0м.

Читатель может спросить: ну и что? Сбалансировали, центр масс посередине и все хорошо. Это для статики. Для динамики это плохо по следующей причине: с коромыслом чем оно длиннее, тем хуже балансировать. Есть такой параметр - момент инерции. Он равен I=Σ(Δmi*Ri²). Или момент инерции равен сумме произведений элементарных масс на квадрат расстояния до некой оси вращения. И еще он связан следующим соотношением: I*dω/dt=Σ(Mi) - это что-то типа аналога второго закона Ньютона для вращения. Произведение момента инерции на угловое ускорение равно сумме приложенных моментов внешних сил.

Поэтому всегда стремятся разместить баки ближе к центру масс - чем меньше квадрат расстояния, тем меньше момент инерции - тем меньше нужны потребные управляющие моменты для ориентации. Здесь, разнеся топливные баки на самые края, мы максимально увеличили момент инерции и усложнили задачу ориентации по осям вращения.

Учтите, что на взлетной ступени двигатель не имеет карданного подвеса, и все управление ведется двумя парами малых ЖРД для каждой оси вращения. Тяга каждого по 45кгс. Теперь представьте, что выработка одного компонента идет быстрее, чем другого - и сразу центр масс съехал с вертикальной оси симметрии в сторону на десятки сантиметров.

Между прочим - системы одновременного опорожнения баков (СООБ) на взлетной ступени нет вовсе! Там калиброванные шайбы стоят. А ведь соотношение компонентов может нарушится в силу тьмы разных причин: разный перепад давлений в магистралях подачи, неполное открытие клапана, засоренность фильтра, неодинаковый нагрев и как следствие - расширение жидкого топлива - меньше плотность. Иными словами: на взлетном ЖРД было фиксированное объемное соотношение компонентов, но не массовое, а это две большие разницы!

Напоминаю, что управление по осям вращения только крошечными ЖРД ориентации по 45кгс. Предположим, что в силу технических причин один компонент расходуется быстрее, и массовое соотношение компонентов нарушилось на 10%.

Это значит, что у нас центр масс съехал на величину ~ 2м*(2,4т/4,6т)*10% = ~10см. При этом возникает момент сил при работе взлетного ЖРД порядка M=0,1м*15,6кН=1,56кН*м. Чтобы этот момент парировать, нам нужна суммарная тяга ЖРД РСУ с плечом ~2м порядка 780Н или ~80кгс. Мы можем максимально дать тягу только пары ЖРД РСУ суммой 90кгс.

Но... Пара микродвигатели рассчитаны на импульсный режим, и к тому же два - это с учетом дублирования! Любая ситуация должна рассчитываться исходя из оперирования только одним каналом управления. А это значит, что ЦМ взлетной ступени не должен отклоняться от вертикальной оси приложения тяги больше чем на 5см! Что, как мы только что увидели, из-за отсутствия СООБ и непродуманной конструкции топливных баков просто нереализуемо.

Иначе говоря, ступень крайне неустойчива и все время стремится "кувыркнуться". Скажу больше - она так спроектирована, что у нее нет ни единого шанса.

Интересно заметить, что когда проектировался советский лунный корабль, была поставлена более жесткая задача: центр масс не должен был перемещаться более чем на 3 см (!). Это требовало особого устройства топливных баков блока "Е" советского лунного корабля и двигателей точной ориентации.

Ерунда это все. Я написал если бы взлетела, ибо самое непонятное для меня заключается в том, что неясно: а где собственно газоотвод для осуществления взлета и работы ЖРД взлетной ступени? Судя по рисунку ниже этот вопрос остается открытым - в центре должен находится ЖРД посадочной ступени и аппаратура автоматики управления. А куда взлетный факел от работающего ЖРД будет истекать!?

Как сказано в (1) "Посадочная ступень лунного корабля в виде крестообразной рамы из алюминиевого сплава несет на себе в центральном отсеке двигательную установку с посадочным ЖРД фирмы STL В четырех отсеках, образованных рамой вокруг центрального отсека, установлены топливные баки, кислородный бак, бак с водой, гелиевый бак, электронное оборудование, подсистема навигации и управления, посадочный радиолокатор и аккумуляторы". Никакого газоотвода не предусмотрено. Взлетная ступень тоже глухо сидит впритык, никаких тебе зазоров, газоотводных ферм или отверстий. К тому же конструкция собрана из тонколистового металла и не рассчитана на сильные газодинамические возмущения.

Немного о том, во что упирается сопло взлетной ступени ЛМ.

Так вот, ряд любознательных читателей после первых публикаций начали вопрошать: да быть такого не может! Есть там зазор! Есть и все тут! И даже такой как нужно. О том - какой нужно зазор поговорим ниже, а о том, каков он есть - поговорим прямо сейчас.

Как в таких случаях говорят - лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать - итак, вот он - ЗАЗОР:

Вам видно? Нет? Ну тогда еще снимок в полете - срез сопла и поверхности днищ баков практически принадлежат одной плоскости:

Нижняя часть ЛМ крупным планом. Позиция №104 - теплозащитный щит, или Ascent Engine blast deflector.

Поскольку некоторые особо ретивые критики выдвинули гипотезу, что газ прорывался вниз, в отсек посадочного ЖРД, то необходимо решительно опровергнуть этот «слух»: снизу под соплом взлетного двигателя стоит теплозащитный щит, или Ascent Engine blast deflector (на рисунке выше показан как позиция №104).

Хотя все вполне очевидно, тем не менее, после первой публикации этого факта возникла масса вопросов у читателей: зачем вообще нужен газоотвод, газорассекатель, кому нужен зазор и каков должен быть его размер?

Фактически задача сводится к известному бассейну с двумя трубами - в одну трубу вливается, в другую выливается... Если вливаться будет больше чем выливаться, то бассейн переполнится. То бишь если приход газа из сопла в подсопловую область будет превышать количество расхода газа наружу - давление газа в подсопловой области будет резко расти, произойдет лавинообразный заброс давления - фактически микровзрыв. Такие микровзрывы часто происходят при запусках ЖРД и без всякой преграды!

Порой это приводит к серьезным поломкам, а то и авариям. Просто преграда усиливает эффект в десятки-сотни раз. В нашем случае это может привести к разрушению соплового насадка ЖРД ЛМ.

Теперь давайте рассчитаем минимально необходимое значение зазора между соплом и нижней стенкой.

Автор для начала вооружился компьютерной программой расчета термодинамических параметров и обнаружил, что для взлетного двигателя ЛМ который работает на аэрозине-50 и азотном тетроксиде при массовом отношении окислителя к горючему 1,6:1 при давлении в камере сгорания ~8,4кгс/см² и степени расширения 45,5:1 (расходный диаметр сопла ~0,79м) будет наблюдаться следующая картина (с учетом реальных потерь и частичном догорании продуктов диссоциации газа в сопле):

в камере сгорания: температура Тк~3000К; показатель адиабаты γ~1,23; молярная масса Мк~20,7г/моль;

на срезе сопла: температура Тс~1150К; показатель адиабаты γ~1,26; молярная масса Mс~21,2г/моль;

Итого: удельный импульс I~310сек (оценка); скорость газа ~2890м/с; тяга F~15,3кН при расходе топлива m`=5,05кг/с

Сечение №1 площади среза сопла S₁= πR². При этом у газа есть только два "разрешенных" направления для истечения наружу - перпендикулярно оси тока газа из сопла. Сечение №2 имеет форму боковых стенок мнимого цилиндра, имеющего высоту h зазора между соплом и нижней частью ЛЕМ-а, и диаметр D - равный диаметру сопла. Площадь такого сечения S₂= πDh.

Условие баланса массы втекающего и истекающего газа запишем через секундный расход массы: ρ₁W₁S₁= ρ₂W₂S₂

здесь W₁,W₂-скорость течения в сечениях №1, №2; ρ₁, ρ₂-плотность газа в сечениях №1, №2.

Теперь построим следующую модель процесса. Сразу оговорюсь, что описание таких процессов носит во многом характер приблизительных аппроксимаций.

Введем следующие допущения: сверхзвуковая струя газа тормозится о стенку, теряет кинетическую энергию и сильно нагревается.

При этом часть теплоты поглощается из-за реакций диссоциации в газе, некоторая част передается стенке.

После торможения, газовая волна «рассеивается», при этом газ изотропно расширяется во все стороны в виде волн «разрежения» (с местной скоростью звука); процесс перетекания газа из сопла наружу носит стационарный (установившийся) характер; цилиндрическая область между стенкой и соплом есть условный сосуд, давление газа вне сопла установилось и не превышает давления на срезе сопла p₂≤ p_{ср.сопла}(тем самым мы исключаем режим «перерасширения» сопла).

Для химически нейтрального идеального газа при отсутствии работы над газом, теплообмена и потерь на трение закон сохранения энергии для газа можно записать в следующей форме:

I₀= CpT₁ + ½W₁²= CpT₂ + ½W₂²где I₀ = const − полная энтальпия торможения

Для неидеального торможения газа о стенку: CpT₁ + ½W₁²= CpT₂ + ½W₂² +Q;

Выразим потери энергии газа при ударе через долю кинетической энергии: Q=η(½W₁²); где η - процент потерь при ударе о стенку.

Подставляя в уравнение W₂²=γRT₂/M; Q=η(½W₁²) и учтя, что Cp=(R/M)γ/(γ-1) имеем: γT₁/(γ-1) + ½(1-η)(M/R)W₁² = γT₂/(γ-1) + ½γT₂;

При γ₁=1,26; T₁=1150К; W₁=2890м/с; М=21,2г/моль; η≈20%; имеем параметры «торможения» до скорости звука:

T₂≈2570K и W₂≈1125м/с - с такой скоростью газ истекает наружу через сечение 2;

Поскольку в нашей модели мы исключили режим «перерасширения» сопла, поэтому p₂≤ p_{ср.сопла} и тогда (ρ₂/ρ₁) ≤ (T₁/T₂);

Отсюда (S₂/S₁) ≥ (W₁T₂)/(W₂T₁) ≈5,75 раз или h≥1,44D или ~1,15м

Данная оценка получена исходя из торможения потока о 100% плоскую стенку до скорости звука. Это наихудший случай, реализованный благодаря специалистам НАСА. Советские специалисты, в таких случаях, вместо плоской стенки ставили профилированный конус-рассекатель, по форме немного похожий на «буденовку», например, как на РН «Восток».

При этом возмущение потока газа существенно минимизируется, и допустимо закладывать зазор порядка h ≥ 0,5D.

Так что господа защитники НАСА должны запастись лупами и искать где там есть зазор порядка ~1,15м.

Это вполне реальная цифра и почти в точности соответствует требованиям по минимальному зазору советского «лунника» ЛК.

Правда, на рисунках видно, что зазор реально не более 10см или даже меньше!

Некоторые оценки, которые проводились на компьютере, показывают, что стартовый заброс давления на срезе сопла при зазоре в 10см может достигать ~1атм и более, хотя нормальное установившееся давление на срезе сопла вышеописанного агрегата в шестьдесят и более раз меньше атмосферного - что-то около ~0,016атм.

Можно подойти с другого конца. Даже самовоспламеняющиеся компоненты не загораются мгновенно. Есть такая штука, как индукция зажигания топливной смеси - время задержки от соприкосновения капель топлива до его воспламенения. В начальный период работы двигателя может возникать заброс давления где-то в полтора раза из-за того, что первая порция топлива еще не воспламенилась, а ей в затылок уже подпирает следующая.

Эффект от утыкания сопла в преграду, на примере ЛМ, будет сопоставим со взрывом небольшого безоболочечного устройства мощностью 150..250г. тротилового эквивалента. Такой «ручной гранаты» под задницей у астронавтов вполне хватит, чтобы пробить осколками все баки и кабину, оторвать сопло и раскидать ошметки корабля в радиусе 50 метров. Разумеется, при условии, что кто-либо вздумал использовать макет лунного модуля ЛМ по его прямому назначению…

Можете полюбоваться на весьма странные кадры старта ЛМ с элементами пиротехнического шоу (короткая яркая вспышка в районе сопла - и клочки летят по закоулочкам):

Все военнообязанные граждане знают, что строго-настрого запрещается упирать казенную часть гранатомета в стену или иную преграду – беды не оберешься. К сожалению, не все в Америке знакомы с этой прописной истиной, иначе они обязательно что-нибудь придумали более оригинальное.

В советском варианте лунного корабля этот вопрос решался просто - там взлетный и посадочный двигатель были одним и тем же, вернее там была система из нескольких ЖРД, причем при взлете на Луне должно было остаться именно посадочное устройство с "лапками", в центре которого свободный канал для работы ЖРД.

На рисунке ЖРД отмечены номером 25. Как видите, в советском корабле газовый факел вполне нормально расширялся в отверстие в днище и уходил через зазор не меньше 1,3м между поверхностью и поднятым на "лапах" кораблем.

Вот в таких вот нелегких условиях и совершали свои "подвиги" 20 июля 1969 года астронавты корабля "Аполлон-11".

Да, славное было время! Но ветеранов не забыли - награда опять найдет своих героев!

Например, планируются следующие мероприятия:

"Экипажу "Аполлона 11" виртуально подарят лунные камни.

15.07.2004 На следующей неделе 20 июля 2004 г. все прогрессивное человечество и, в первую очередь, США и космическое агентство NASA будут отмечать 35-летие первой высадки человека на Луну. 20 июля 1969 г. лунный модуль Eagle космического корабля Apollo 11 совершил посадку в лунном Море Спокойствия и астронавты Нейл Армстронг (Neil Armstrong) и Баз (Эдвин) Олдрин (Buzz (Edwin) Aldrin) ступили на поверхность Луны. В программе празднования этого юбилея значится и церемония вручения первым лунопроходцам специальных памятных подарков, каждый из которых представляет собой небольшой контейнер с лунным камнем.
Правда, по сообщению источников из NASA, Баз Олдрин, вообще-то, хотел, чтобы всем членам экипажей всех "Аполлонов", побывавших на Луне, подарили несколько памятных лунных сувениров и в том числе запонки с лунными камнями, а, кроме того, дали прибавку к пенсии. Но, наверное, у NASA тоже напряженка с деньгами, да и лунных камней на всех не напасешься (к тому же по две штуки на каждого). Кстати, те камни, которые получат Армстронг и Олдрин, им подарят "виртуально". Они не смогут ими распоряжаться по своему усмотрению (в частности они не смогут их продать), и эти камни должны будут всегда находиться в экспозиции, открытой для публики."

"06.07.2004 / 10:50 ПРИБЛИЖАЕТСЯ 35-Я ГОДОВЩИНА ПЕРВОЙ ВЫСАДКИ ЧЕЛОВЕКА НА ЛУНЕ

Приближается 35-я годовщина со дня первой высадки людей на поверхность нашего естественного спутника. Это эпохальное событие разными людьми было воспринято по-разному: кем-то с восторгом, кем-то со злобой. Безразличных было мало. Сейчас американская газета Florida Today решила собрать воедино воспоминания тех, кто был участником и свидетелем исторического свершения и попросила всех современников откликнуться и прислать письма по адресу letters@flatoday.net. Было бы интересно собрать воспоминания наших соотечественников, которые не зная о тогдашней "лунной гонке", также следили за первыми шагами человека по Луне. Кто готов взяться за перо, пишите по zheleznyakov@rtc.ru. А там посмотрим, что можно будет сделать с этими письмами".

У меня в связи с этим тоже возникли "воспоминания", правда авторство текста принадлежит Юрию Энтину (музыка А. Рыбникова):

А что? Нормальные воспоминания - ничуть не хуже или лучше любых других, и главное - столь же правдоподобные. Ну а чтобы окончательно поставить все на свои места, предлагаю день 20 июля 1969 года считать 32-ым мая. Ибо только 32-го мая свершаются такие космические приключения.

(1) «Пилотируемые полеты на луну, конструкция и характеристики Saturn-V Apollo» М., 1973г. Серия «Ракетостроение», т.3 http://www.epizodsspace.narod.ru/bibl/raketostr3/obl.html

(2) Использованы официальные фото из коллекции НАСА.

(3) «Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет», Колесников К.С., Кокушкин В.В., Борзых С.В., Панкова Н.В., МГТУ им.Баумана, 2006г.


На рисунке хорошо видно, что срез сопла на одном уровне с плоскостью днищ баков - а они фактически лежат на нижней ступени.