Здравствуйте, Уважаемые читатели!
Вашему вниманию предлагается седьмая статья рубрики "Американская лунная эпопея"! Предыдущие статьи данной рубрики Вы можете прочитать по следующим ссылкам:
Следует отметить, что для того, чтобы полёт КА состоялся, необходимо, чтобы РН могла вывести его на орбиту Земли. Для этого необходимо, чтобы двигатели первой ступени могли оторвать ракету космического назначения с заявленной массой от стартового стола и разогнать ракету с полезной нагрузкой до расчётной скорости. Здесь я кратко рассказал Вам о ракетных двигателях.
Согласно официальной версии НАСА, американцы смогли разработать для РН "Сатурн-5" уникальный мощнейший двигатель F-1, который работал на паре КРТ керосин + жидкий кислород, имел стандартную для американских двигателей трубчатую конструкцию (сопло состояло из парных полых трубок из нержавеющей стали, соединённых пайкой, по которым прокачивался керосин, трубки шли парами: аверс-реверс) и огромное давление в камере сгорания. Так, НАСА указывает, что их двигатель F-1 имел диаметр камеры сгорания - 99 см, давление в камере сгорания - 6,77 МПа (это очень выдающийся для американских керосин-кислородных двигателей параметр, ниже покажу почему), тяга в вакууме - 7740,5 кН или 790 т, тяга у Земли - 6770 кН или 690 т, соотношение окислитель/горючее - 2,4. Конструктивно сопло имело степень расширения 10, а также имело неохлаждаемую насадку, которая увеличила степень расширения до 16. Следует также отметить, что на охлаждение сопла поступало только 70% горючего.
Почему американцы решили создать такой большой двигатель? С одной стороны задумка правильная: чем больше сам двигатель, тем меньше таких двигателей нужно для первой ступени РН, тем меньше для них необходимо материалов и тем меньше суммарная масса двигателей и КРТ, следовательно, получается выигрыш в стартовой массе. Это в теории.
Однако практика показала, что это не так. Почему? Потому что в двигателях с камерой сгорания более 60 см возникают неконтролируемые высокочастотные продольные и поперечные вибрации. Данные вибрации очень опасны для двигателя, поскольку легко разрушают пайку трубок. Причиной данных вибраций является нелинейность процесса сгорания КРТ в камерах сгорания с большим диаметром.
Следует отметить, что за 10 лет до Вернера фон Брауна с этой проблемой в СССР сталкивался академик Глушко в рамках разработки двигателя РД-105. Однако удовлетворительных результатов ни один метод избавления от данных вибраций не дал. Двигатель терял тягу и удельный импульс. Именно поэтому Глушко перешел полностью на малые двигатели.
Для избавления от поперечных вибраций можно применить конструктивное решение, которое Глушко также ранее апробировал - установку специальных форсунок с увеличенным диаметром, антипульсационных перегородок в инжекторе и снижение перепада давления в форсунках. Что и было сделано фон Брауном. Однако, избавившись от поперечных вибраций, он, таким образом, снизил удельный импульс двигателя более чем на четверть! (норма для пары КРТ керосин + жидкий кислород - 3500 м/с, а получился 2590 м/с)! Это вызвано тем, что указанные конструктивные решения значительно снижают полноту сгорания КРТ. Низкий же удельный импульс означает низкую экономичность данного двигателя, а значит, необходимость наличия бОльшего количества КРТ для РН.
Изложенное привело не к выигрышу в массе РКН, а к значительному проигрышу! Таким образом, масса РКН превысила первоначальные расчеты весьма значительно, что стало причиной значительного удорожания РКН. Кроме того, от продольных вибраций Вернер фон Браун так и не избавился.
Теперь разберемся с тем, почему тяговые характеристики не соответствуют заявленным выше.
Дело в том, что в камере сгорания происходит процесс окисления топлива, в результате чего возникает газ с очень высокой температурой. Данный газ называется рабочим телом. Этот газ истекает через сопло. Естественно, в силу главного принципа теплообмена рабочее тело отдает тепло в сопло, нагревая его до высоких температур.
Какие есть варианты снижения теплового воздействия на сопло?
- сделать сопло из очень тугоплавких материалов, например из вольфрамовых сплавов;
- охлаждать сопло.
Чаще всего используется именно второй вариант. Существуют разные типы конструкций сопла с каналами для прокачивания КРТ, которые принимают часть тепла рабочего тела в себя, а потом поступают в камеру сгорания. В американских двигателях до сих пор основной конструкцией сопла является трубчатая.
Вообще трубчатая конструкция практически всех американских керосиновых двигателей из нержавеющей стали имеет серьёзный недостаток, связанный с низкими показателями охлаждения, обусловленными следующими характеристиками:
- керосин - самый худший хладагент (например, гептил или аэрозин при t=50 градусов Цельсия почти вдвое превосходят керосин по коэффициенту охлаждения);
- трубка из нержавеющей стали марки 347 имеет низкую теплопроводность, всего лишь 22 Вт/м*К (к примеру, у советской хромистой бронзы марки БрХ08, используемой в ракетных двигателях, теплопроводность 300 Вт/м*К);
- низкий коэффициент оребрения трубчатой конструкции американских двигателей 1,1 против 2,5 у советских двигателей, что также приводит к низким значениям теплоотвода (по классической теории теплообмена сопло также рассматривается как радиатор, у которого эффективность охлаждения зависит от значения коэффициента оребрения; чем он выше, тем лучше двигатель отдает тепло хладагенту);
- внутренняя стенка сопла у советских двигателей гладкая, т.е. лучше принимает тепло, а у F-1 - волнистая в связи с трубчатой конструкцией, что также ухудшает теплоотвод стенки двигателя;
- по трубкам сопла прокачивается только 70% керосина вместо 100% (т.е. только 70% горючего идет на охлаждение, хотя логичнее прокачивать 100% для того, чтобы отдать тепло бОльшему количеству топлива, и, как следствие, улучшить охлаждение).
Низкий же коэффициент охлаждения приводит к невозможности увеличения внутрикамерного давления. Так, при внутрикамерном давлении 6,77 МПа (номинальном по версии НАСА), температура у стенок двигателя достигает 1300 К в сопле и 1700 К в сопловой насадке. Изложенное обусловлено тем, что удельный тепловой поток возрастает прямо пропорционально увеличению внутрикамерного давления в степени 0,87, в то время как эффективность охлаждения керосином при его массовой прокачке возрастает только в степени 0,8. Таким образом, возникают т.н. "температурные ножницы": температура стенок сопла керосинового двигателя возрастает быстрее, нежели она снижается при охлаждении керосином.
Однако трубчатая конструкция двигателя F-1 имеет два серьезных тепловых ограничения:
- температура пристеночного слоя не должна превышать 800 К, т.к. при превышении данной температуры разрушается пайка трубок, и, как следствие, весь двигатель;
- температура пристеночного слоя не должна превышать 728 К, т.к. при превышении данной температуры происходит коксование керосина, одним из результатов которого является появление сажи в двигателе и, как следствие, черный факел.
Таким образом, т.н. номинальный режим работы двигателя F-1 (давление в камере сгорания 6,77 МПа) в действительности является запредельным. При таком режиме двигатель выбрасывает большое количество сажи и перестает работать в течение 30 сек. При этом у американских ракетных двигателей того времени не существовало завесного охлаждения жидким горючим.
Для решения тепловой проблемы Вернер фон Браун не нашел ничего лучше, чем начать охлаждать сопловую насадку. Для этого оставшиеся 30% керосина он в виде газа направил в место стыка сопла и сопловой насадки. Тамим образом данный газифицированный керосин охлаждает сопловую насадку и немного увеличивает тягу. Однако стенки сопла охлаждаются керосином явно недостаточно, что приводит к коксованию керосина и разрушению двигателя.
Таким образом, при т.н. номинальном режиме работы из сопла двигателя F-1 будет вырываться черный факел. Чем опасен черный факел? Сажа, в сущности, является балластом, не совершающим никакой полезной работы и снижающим тяговые характеристики двигателя. Кроме того, сажа аккумулирует тепло от процесса горения и, таким образом, увеличивает температуру стенок сопла.
Так, в ходе стендовых испытаний двигателя F-1 в середине 1960-х в т.н. номинальном режиме из двигателя F-1 вырывался черный факел, показанный на нижеследующем рисунке.
Кроме того в 2013 году в рамках возрождения лунной программы США был взят из музея один из оставшихся двигателей F-1. Данный двигатель решили проверить. С этой целью в октябре 2013 года было проведено тестирование работы газогенератора данного двигателя в т.н. номинальном режиме. Результаты данного тестирования неприятно удивили тестировщиков наличием черного факела.
После данного теста НАСА даже не помышляло о каких-либо попытках возрождения двигателя F-1, т.к. они поняли, что данный двигатель - пустышка.
Последующие события данный вывод только подтверждают. Так, Илон Маск в рамках новой американской лунной программы создал РН SSH (Спейс Старшип Хеви), в котором в первой ступени стоят 30 малоразмерных ЖРД! И он, благодаря современным вычислительным технологиям смог решить проблему рассинхронизации работы всех этих двигателей. Королев и Глушко в 1960-е годы в рамках программы Н-1 данную проблему не могли решить в силу отсутствия в то время достаточно мощных компьютеров для управления этими двигателями. Таким образом Маск фактически признал, что двигатель F-1 - пустышка. Иначе он применил бы 5 данных двигателей.
Изложенное четко указывает на то, что в т.н. номинальном режиме двигатель F-1 (давление в камере сгорания 6,77 МПа, благодаря которому двигатель развивает тягу у земли 690 т) сильно перегревается, в результате чего выбрасывается сажа, являющаяся одним из продуктов коксования керосина, что приводит к появлению т.н. черного факела, а также разрушается пайка трубок, что приводит к разрушению самого двигателя и, как следствие, к остановке его работы.
Что же делать?
Для того, чтобы двигатель F-1 работал нормально необходимо снизить давление в камере сгорания до 4,5 МПа. В этом случае температура стенки камеры сгорания не превысит 728 К, и таким образом, керосин не начнет коксоваться, а пайка трубок - не начнет разрушаться.
Однако, если применить данное решение, то тяги пяти двигателей F-1 явно недостаточно для вывода на опорную орбиту заявленных 47 тонн полезной нагрузки. Изложенное обусловлено тем, что при давлении 4,5 МПа тяга данного двигателя снижается до 420 т.
Что же происходило в действительности в ходе стартов РН "Сатурн-5"??
А происходила в действительности достаточно неприглядная картина. На глазах 100 000 зрителей от стартового стола отрывалась РН "Сатурн-5", которая НЕ несла ни ПКА "Аполлон", ни астронавтов на борту. Данная РН стартовала при двигателях F-1, работавших с внутрикамерным давлением 4,5 МПа, в связи с чем она не несла официально указанной полезной нагрузки, поскольку тяги двигателей для этого явно не хватало. Ну, а далее ракета пролетала над территорией США и падала а Атлантическом океане.
Где же в действительности были астронавты?? На борту авианосцев, которые их потом якобы вылавливали.
Таким образом, т.н. чудо-двигатель F-1 является не величайшим техническим прорывом, а величайшей пустышкой! Именно поэтому американцы не могли долететь до Луны на РН "Сатурн-5" и ПКА "Аполлон". И именно по этой причине американцы в рамках современной лунной программы не возрождают данные двигатели, а используют двигатели с малыми диаметрами камеры сгорания и закупают ракетные двигатели в РФ!
