Почему американцы вообще не могли полететь на Луну
Фото взято из открытых источников
Фото взято из открытых источников
Сейчас активно обсуждается вопрос - летали американцы на Луну или нет. Сторонники теории о том, что американцы туда летали, в качестве одного из доказательств приводят американское чудо - ракету-носитель "Сатурн-5" с поистине прорывным двигателем F-1!
Однако что-то мне не очень верится в такой прорыв. Поясню почему. Я оканчивал Военно-Космическую академию им. А.Ф. Можайского и у меня, как человека, знакомого с ракетно-космической техникой, имеется ряд соображений.
Во-первых сразу вызывает сомнение в этом тот факт, что СССР в ракетно-космической гонке опережал американцев лет на 10 по всем статьям. И тут раз и появляются чудесным образом технологии, которые опережают советские! Откуда?
Во-вторых, двигатель F-1 - это однокамерный жидкостный ракетный двигатель (ЖРД) прямого сгорания, т.е. работает по принципу сопла Лаваля. Пара компонентов ракетного топлива (КРТ) - керосин (топливо) + жидкий кислород (окислитель). По идее они должны давать удельный импульс двигателя 3500 м/с. А дальше начинаются странности. Диаметр камеры сопла данного двигателя - 99 см. И движок работоспособный??
Почему такой вопрос? Дело в том, что движки с диаметром камеры более 60 см - неработоспособны. В чем причина?
1. В них начинают появляться большие высокочастотные вибрации, которые приводят к разрушению двигателя. Данные вибрации - следствие нелинейности процесса сгорания топлива в больших камерах. При работе двигателей с диаметром камеры более 60 см возникают продольные и поперечные вибрации. Образование вибраций происходит при наличии временного и пространственного условий.
Пространственное условие заключается в горении топлива вблизи пучностей волн давления, т.е. ближе к середине двигателя.Временное условие образование высокочастотных вибраций рассчитывается по формуле tп=mT/2, где tп - среднее время преобразования КРТ, Т - период собственных колебаний газа в камере, m - нечетное число. Данное уравнение является трансцендентным и решается не математическим путем, а конструкторским или эмпирическим путем. Вопрос, как избавиться от временного условия образования вибраций?? Есть 2 варианта:
- воздействовать на tп (суть воздействия заключается в варьировании скоростью впрыска и мелкостью распыления жидких компонентов топлива, условиями смесеобразования, химической активности КРТ и т.д.);
- воздействовать на Т (суть воздействия заключается в уменьшении геометрических размеров камеры сгорания, т.е. сделать ее диаметром менее 60 см, либо установить перегородки внутри камеры сгорания рядом с головкой).
Как американцы решали этот вопрос?
Они устанавливали антипульсационные перегородки на смесительной головке инжектора, делали форсунки большего диаметра, а также старались снижать перепады давления на форсунках. При этом увеличение размера форсунок и применение перегородок ведет к существенному снижению полноты сгорания топлива. Т.е. применение вышеизложенных методов существенно снизило удельный импульс двигателя, который стал менее 2600 м/с (для пары керосин+кислород вообще удельный импульс свыше 3500 м/с)!! При этом данные методы позволили ликвидировать только поперечные вибрации, а вот продольные вибрации американцы ликвидировать не смогли.
Смесительная головка инжектора ЖРД F-1 с антипульсационными перегородками (изображение взято из открытых источников)
Смесительная головка инжектора ЖРД F-1 с антипульсационными перегородками (изображение взято из открытых источников)
2. Все американские ЖРД, работающие на паре керосин+кислород, в том числе более современные, развивали максимальное внутрикамерное давление 4,6 МПа, а F-1 развил аж 6,7 МПа!! Каким образом это получилось?? Объяснений нет. Чтобы вы понимали, поясняю, что внутрикамерное давление пропорционально тяге двигателя, чем выше давление, тем выше тяга. А внутрикамерное давление имеет зависимость от качества охлаждения. При этом керосин - самый плохой хладагент.
Дело в том, что удельный тепловой поток растет пропорционально давлению в камере в степени 0,87, тогда как эффективность охлаждения растет пропорционально массовой прокачке хладагента (керосина) в степени 0,8. Поэтому с ростом давления в камере возникают "ножницы": тепловой поток растет опережающими темпами по сравнению с ростом охлаждения при пропорциональном увеличении расхода керосина в трубках охлаждения. Т.е. при повышении внутрикамерного давления температура в камере будет увеличиваться и керосиновое охлаждение становится неэффективным. А при превышении температуры 800 К пайка трубок охлаждения перегревается, теряет прочность и двигатель разрушается. Поэтому керосиновые двигатели достигли потолка внутрикамерного давления в 4,6 МПа, а дальше преодолеть тепловой барьер не могли. При этом никаких конструктивных изменений F-1 по сравнению с аналогичными керосиновыми американскими двигателями не претерпел, применялась та же система охлаждения, что и на остальных американских двигателях, т.е. спаянные трубки из нержавеющей стали. Иных конструктивных изменений тоже нет.
Вообще внутрикамерное давление до 5,9 МПа американцы смогли поднять. Однако вся прелесть ситуации заключается в том, что такое большое внутрикамерное давление получилось для пары КРТ аэрозин (топливо) + азотный тетраоксид (окислитель)! Эффективность охлаждения аэрозином приблизительно на 50 % выше, чем у керосина, а F-1 - это керосиновый двигатель!
Из вышеизложенного видно, что американцы не смогли решить проблему низкого внутрикамерного давления, и, как следствие, низкой тяги.
В-третьих, СССР также проектировал двигатель РД-105 с большим диаметром камеры - 60 см. Однако проектирование данных двигателей велось еще в 1952-1953 годах. Именно тогда выявилась тенденция двигателей с большим диаметром камеры к разрушению. Глушко рассматривал различные варианты противодействия разрушению двигателей, в том числе и методы, примененные в F-1, однако весь комплекс методов удовлетворительных результатов не дал - двигатель терял тягу, удельный импульс и при этом гарантий от разрушений тоже не было. Поэтому в СССР стали проектировать двигатели с небольшим диаметром камеры, например РД-170 имел диаметр камеры 36 см, а РД-180 имеет диаметр камеры 32 см. Советские инженеры прошли путь с такими двигателями на 10-15 лет раньше!! И не решили эти проблемы. А ведь не дураки были - знали, что делали.
Тут, давеча, один пользователь, хвастающийся своей логикой, мне заявил, что, типа, это просто был выбор советских инженеров. Каюсь, не сказал ему тогда про его "логику", но поясню Вам, уважаемый читатель. Логика создания больших двигателей заключается вот в чем. Куда больше требуется металла, в 5 больших двигателей или в 25 маленьких? Конечно второй вариант, поскольку двигатель - это не только сопло, это насосы, устройства подачи топлива, трубки и т.д. И все это из металла. А если создать 5 больших двигателей? Это значит меньше металла - больше запас КРТ. Больше запас КРТ - можно вывести полезный груз на более высокую орбиту. Более высокая орбита - больше срок активного существования КА, поскольку меньше гравитационное влияние Земли, медленнее КА будет приближаться к Земле, меньше КА тратит топлива на корректировку орбиты, значит запаса КРТ для КА хватит на большее время. Поэтому логика больших двигателей очевидна. Глушко это в 1952 году понимал, поэтому и начал проектировать РД-105 с диаметром камеры 60 см. Однако он потерпел неудачу. А американцы спустя 10-15 лет, не пройдя и половину того пути, который прошел Глушко - смогли? Не верится, ой как не верится, особенно учитывая вышеприведенные аргументы.
В-четвертых, в 2013 году американские инженеры по исходным чертежам воссоздали двигатель F-1 и 1 октября 2013 года провели их стендовые испытания. Видео стендовых испытаний ниже. Результат всех неприятно поразил!! Почему??
1. Как видите, в ходе испытаний возникает сюрреалистическая картина характерного «черного» факела. Что это и откуда взялось?? Черный факел - это сажа!! А является она результатом запредельного режима работы двигателя F-1, который, в свою очередь, является результатом достижения температуры огневой стороны стенки на всем протяжении камеры сгорания до критического сечения свыше 900 К. А для того, чтобы не допустить коксования, т.е. возникновения сажи, эта температура не должна превышать 728 К!!
2. Как Вы, уважаемый читатель, видите, долго данный двигатель не проработал. Причина - запредельный режим работы, при котором довести давление до 6,5 МПа довели, но... Температура камеры более 900 К и пайка просто разрушается, что приводит к прекращению работы двигателя уже через 20-25 сек после включения.
Таким образом, двигатель F-1 является неработоспособным. Единственный вариант его работоспособности - это внутрикамерная температура не более 728 К, т.е. внутрикамерное давление 4,5 МПа. А это, в свою очередь приводит к снижению тяги двигателя приблизительно в 7 раз!! А если учесть низкий удельный импульс, то параметры данного двигателя вообще вызывают грусть!
Таким образом, двигатель F-1 является не величайшим прорывом американской науки, а величайшей пустышкой, не имеющей ничего общего с заявленными НАСА характеристиками! Соответственно, поскольку F-1 не соответствует заявленным характеристикам, то и ракета-носитель "Сатурн-5" заявленным характеристикам не соответствует, в связи с чем данная РН не могла выводить Аполлоны на орбиту полета к Луне. Это, в свою очередь, обуславливает невозможность полетов астронавтов до Луны, а значит американские астронавты на Луне не были.
Александр Шатунов
Этот блог целиком посвящён анализу американской фальсификации полётов на Луну: Лунная афера: Хьюстон, у вас проблемы!
Чтобы сразу видеть мои свежие посты в своей ленте, пожалуйста, добавляйте мой блог в друзья и подписывайтесь на обновления.