Имея профильное авиационное образование (Харьковский Авиационный Институт - ХАИ), полученное на закате Советского Союза (поступил в 1986 году, диплом в 1993, 6 лет учебы и год армии), я с некоторым снисхождением прочитывал различные статьи в печатных источниках, а затем и в интернетах о "нелетании" американцев на Луну.
Авторитетами для меня были преподаватели ХАИ, специализированная техническая литература - да, летали - говорили они, все остальное - просто публицистика. Да и не сильно глубоко я этот вопрос копал - несмотря на то, что это "как бы сделали" американцы, все равно было приятно, что человечество что то может - например, посетить соседнее небесное тело, а не только мусор производить...
Но 2015 году мое твердокаменное убеждение в правдоподобности полетов американцев на Луну было изрядно расшатано. Один из команды создателей сайта параплан.ру, знания и эрудицию которого я ценил и ценю, и к мнению которого иногда очень внимательно прислушиваюсь (у него образование то же профильное, но по ракетной тематике), бросил в каком то диалоге случайную фразу "не были американцы ни на какой Луне". Меня это зацепило - попросил аргументов...
После этого я перекопал кучу материалов - и не в поиске опровержений, а в первую очередь доказательств полета. В основном с технической стороны. Вот об этом далее и пишу.
Итак - лунный модуль - ЛМ, он же Орел в первом полете. Во всех полетах был достаточно однотипный. Фотографии на официальном сайте:
То, что на этих фотографиях ЛМ выглядит изготовленным в кружке "умелые руки" из реек, картона, скотча и блестящей металлизированной пленки само по себе очень любопытно, но нас это интересует в малой степени.
Ну мало ли как сотрудники НАСА решили выполнить теплоизоляцию? Даже если и на скотче - это их право, нагрузки небольшие, а эстетика первого пилотируемого корабля на другом небесном теле - пусть и не важна. Кое кто из скептиков обзывали за это ЛМ "лунным курятником" - это останется на их совести.
Меня гораздо больше интересовало, что там под этим картоном, скотчем и пленкой? В литературе и в интернете попадались схемы:
Эти схемы я рассматривал еще при учебе в институте, и они вызывали у меня благоговейный трепет свое сложностью, и, главное, непонятностью. Почему и зачем так сделано? Где и в чем логика такого конструктива?
Американцы всем разработанным и изготовленным не разбрасываются (в отличии от СССР пост СССР где страсть к уничтожению старой и не только техники где то глубоко в генах - чего стоит одна только история с НК-33), полеты Аполлонов завершились досрочно и много чего должно остаться. В том числе и не задействованные для последних полетов лунные модули.
В музеях это все, конечно, представлено:
Но как видите - все так же закрыто ЭВТИ (экранно-ваккумной теплоизоляцией).
Последующий настойчивый поиск позволил на найти следующие фотографии:
Рассмотрев все внимательно, я, скажем помягче - был сильно удивлен. Гораздо сильнее, чем от ранее виденных схем и иллюстраций ЛМ.
Что бы рассказать о причинах моего немаленького удивления придется сделать небольшой экскурс в сопромат, строймех, прочность конструкции и расчет конструкции на прочность.
Растяжение.
Для начала - большинство конструкционных материалов лучше всего работают на растяжение. В том числе и алюминиевые сплавы, применяемые в космической технике. Если возьмем полоску металла (алюминиевого сплава) и нагрузим растяжением, то получим такую картину:
Все частицы материала нагружаются равномерно. Да и наш житейский опыт говорит о том же - если мы соберем пучек волокон или проволочек и нагрузим их растяжением, то все они получат примерно одинаковые напряжения. У растягивающих нагрузок есть своя "ахиллесова пята" - это усталость и зависимость от концентраторов напряжения - но это более глубокий уровень обсуждения, пока пропустим. Тем более, что количество циклов нагружения сравнительно невелико - это не самолеты. летающие десятками лет.
Теперь - изгиб:
Как видим, только крайние волокна (крайние слои материала) нагружаются до максимума, середина не нагружена. На эпюру сдвиговых напряжений пока внимания не обращаем, они по абсолютной величине намного меньше растягивающих.
И, наконец - сжатие.
Сжатие коротких и широких элементов - кубик, блок, кирпич - нагружают их равномерно, как и растяжение. Но в авиации космонавтике все элементы узкие и длинные, или просто тонкие пластины или оболочки. И при сжатии они теряют устойчивость.
Для борьбы с потерей устойчивости оболочек при сжатии применяют двойную или одинарную кривизну, большую толщину оболочки, подкрепления, трехслойные конструкции.
Нагрузки, которые испытывают обитаемые объёмы различных космических аппаратов - прежде всего внутреннее давление. Это 1 кг/см2 для полного атмосферного давления, и примерно 0,3 кг/см2 для американских кораблей серии Аполлон - кислородная атмосфера. Они дают основную долю расчетной толщины наружной оболочки.
На внутреннее давление (да и на наружное) лучше всего работает сферическая оболочка:
Материал работает только на растяжение и по всей толщине равномерно. По любым двум взаимно перпендикулярным направлениям напряжения равны. Потому самые лёгкие баллоны для сжатых газов - так называемые шар-баллоны:
Применяют в космонавтике и авиации.
Но форма шара не всегда подходит по компоновке - длина всегда равна поперечному габариту, а это может быть не выгодно.
Потому следующая по эффективности работы на внутреннее давление - это цилиндрическая оболочка:
Здесь напряжение вдоль цилиндра меньше чем поперек - материал нагружен менее равномерно, чем в сферической оболочке. Именно потому все металлические баллоны разрываются только вдоль - поперечные напряжения выше. Но по толщине напряжения распределяются так же равномерно.
У цилиндра есть торцевые стороны. Их решают несколькими основными способами:
Сферические оконечности - как у баллонов высокого давления:
Полусферические - как на выше приведенной схеме или у баллонов на сравнительно не высокие давления:
Полусферическую форму имеет хвостовой гермошпангоут самолета, на котором вы летали:
Конусные оконечности:
И плоские подкрепленные:
Итак, по степени весового совершенства (а вес в космических полетах все определяет) конструкции, работающие на внутреннее давление можно расставить так:
Сферическая оболочка
Цилиндрическая оболочка со сферическими оконечностями
Цилиндрическая оболочка с полусферическими оболочками
Цилиндрическая оболочка с конусными оконечностями
Цилиндрическая оболочка с плоскими подкрепленными оконечностями с диаметром цилиндра меньше его длины
Цилиндрическая оболочка с плоскими подкрепленными оконечностями и диаметром цилиндра больше его длины (консервная банка)
Куб или параллелепипед с плоскими подкрепленными стенками
Теперь посмотрим, как выглядит кабина экипажа ЛМ:
Как видим, в данном случае - "консервная банка". Но возможно на такую конструкцию были какие то вполне определенные обоснования? Попробуем разобрать это, а так же ряд других элементов далее. И сравним с ЛК-3.
Кстати, конусная оболочка - ухудшенный вариант цилиндрической, но во многих случаях является единственно возможным - по целому ряду других причин, не менее важных чем прочность и вес - например, аэродинамика.
Прошу прощения у читателей, дочитавших до этого момента - хотел уложить все в одну статью, но слишком короткое изложение не передает логику, потому получается длинно. И затянуто. Потому на этом пока прервусь, продолжу в следующей части.
Добавляю, по результатам обсуждений, ссылку на четвертую часть: кратенький "ликбез".