Поскольку во время наблюдавшегося в полёте пожара ничего серьёзного с ракетой не произошло, и первая ступень отработала полностью, а также в связи с сопротивлением оппонирующих читателей термину «пожар», предлагаю именовать яркое явление огня на стенках бака горючего и двигательного отсека - «Фаер-шоу Сатурн-5».
Шутки в сторону. На самом деле происходящее с Сатурн-5 требует глубокого и серьёзного подхода. Тема не простая.
Это пламенное событие обнаруживало себя не только в миссии Аполлон-11, но и при других стартах Сатурн-5. Поэтому НАСА пришлось давать объяснения о природе этого огня и о степени его опасности в своих отчётах.
В интернете можно найти такой вольный пересказ версии от НАСА в статье «антипопов»:
Данное объяснение не очень корректное и поэтому вызывает у одних специалистов ракетно-космической техники понимание, у других – сомнение.
Автор этого труда привёл хорошие ссылки на документы НАСА.
На чём же аэрокосмическое управление строит своё объяснение «Фаер-шоу Сатурн-5»?
Речь в отчётах этой организации идёт об образовании вокруг нижней части корпуса ракеты вихревой зоны. Вот рисунок из послеполётного отчёта миссии Аполлон-6
Вихри в этой области контактируют с реактивными струями двигателей, подхватывают продукты не полного сгорания и переносят их вверх, «вдоль борта ракеты-носителя». При этом продукты неполного сгорания догорают в вихрях, контактирующих с корпусом ракеты, и могут стать серьёзной проблемой для неё. В этом же отчёте приведены значения измеренных температур корпуса ракеты. Максимальная величина составила 302°С, и было сочтено, что тепловые нагрузки, вызванные этим эффектом допустимы (рабочая температура алюминиевого сплава 2219-87Т, из которого изготовлен бак горючего, до 315°С).
Некоторые думают, что в этом объяснение идёт речь о донном эффекте, или ему подобных случаях образования вихрей за плохо обтекаемыми телами, и приводят в качестве примера затягивание огня на обтекатели посадочных опор Фалькон-9.
А что? Похоже ведь.
Да, затягивание горючих газов и стабилизация пламени на элементах конструкции ракет имеет вихревую природу во всех возможных вариантах. Однако, причина появления этих вихрей может быть разная. В отчётах НАСА речь идёт о возникновении вихревой зоны при срыве потока с боковой поверхности ракеты, по причине взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем. Скачок уплотнения, при этом, может иметь тоже разное происхождение. В объяснении НАСА, скачок уплотнения наползает на боковую поверхность ракеты-носителя, отсоединившись от первой «бочки» реактивной струи двигателя.
Волновой срыв потока, вызванный расширением «бочки» по мере уменьшения атмосферного давления (увеличение высоты полёта), американцы называют Plume-induced flow separation (сокращённо - PIFS).
Кстати, волновой срыв потока происходит и при воздействии на пограничный слой скачков уплотнения, возникающих по иным причинам. Например,
- На околозвуковых скоростях полёта при местном превышении скорости звука (М=1 … 1,2) на поверхностях летательных аппаратов.
- При падении на обтекаемую поверхность скачка уплотнения от соседнего тела, находящегося в том же потоке (падающий скачок уплотнения)
- При обтекании внутреннего тупого угла (например, конический переход от цилиндрической части ракеты меньшего диаметра к цилиндрической части большего диаметра)
- При обтекании, выступающих в поток, элементов конструкции.
- При входе висячего скачка уплотнения в сверхзвуковую часть сопла, работающего на режиме перерасширения.
- И прочее, и прочее, и всё такое прочее …
Ход развития явления копоти и огня на боковой поверхности бака горючего первой ступени Сатурн-5, по версии аэрокосмического агентства, такой.
По мере увеличения высоты полёта ракеты, сопла ракетных двигателей переходят на режим работы с «недорасширением». Сперва, при небольшой степени нерасчётности (отношение давления на срезе сопла к атмосферному) на кромке сопла происходит столкновение расширяющейся реактивной струи со спутным потоком. На сверхзвуковой скорости полёта, из-за отклонения спутного потока на границе струи, у кромки сопла образуется скачок уплотнения (линия a-d на рисунке ниже).
С увеличением нерасчётности сопла (понижение атмосферного давления на больших высотах), увеличивается угол границы струи на кромке сопла.
В некоторый момент, угол отклонения потока в скачке уплотнения начинает превышать предельно возможное значение и скачок уплотнения отходит вперёд от кромки сопла. Возникает течение с отошедшей ударной волной.
При дальнейшем расширении «бочки», на кромке сопла продолжается увеличение угла границы струи и скачок уплотнения отходит всё дальше вперёд, вверх по потоку, продолжая своё движение уже по боковой поверхности летательного аппарата. Он способен продвинутся так далеко, что расстояние между ним и кромкой сопла может даже превысить продольный размер ракеты.
На этой стадии происходит взаимодействие скачка уплотнения с пограничным слоем на боковой поверхности летательного аппарата.
Скорость воздуха в пограничном слое меняется от значения равного скорости набегающего потока до нулевого значения на поверхности. Так как набегающий поток сверхзвуковой, то пограничный слой делится на сверхзвуковую и дозвуковую области.
Скачок зависает на некотором удаление от поверхности, в районе сверхзвукового потока.
Давление за скачком больше, чем перед ним, и воздух в дозвуковой области пограничного слоя устремляется против течения из пространства с большим давлением в зону меньшего давления.
Перед скачком уплотнения слой вытеснения в погранслое набухает, и приобретает клиновидную форму. На этом клине перед основным скачком уплотнения возникает ещё один косой скачок уплотнения.
Перетекание воздуха, в направлении противоположном набегающему потоку, вызывает срыв пограничного слоя. В месте с пограничным слоем отрывается набегающий поток. Между поверхностью и потоком формируется вихревая область.
Граница отрыва потока представляет собой окружность, расположенную в месте пересечения скачка уплотнения с цилиндрической боковой поверхностью ракеты. В случае наличия нескольких сопел она близка к окружности. И чем дальше скачок, вызывающий срыв потока, отходит от среза сопел, тем больше форма границы отрыва потока приближается к окружности.
С продвижением скачка уплотнения вперёд, вместе с ним продвигается граница отрыва потока. Растёт область заполненная вихрями. Соприкасающиеся с реактивной струёй вихри подхватывают из неё часть продуктов сгорания и забрасывают их в зону действия вихрей, расположенных выше. И так по цепочке, от одного вихря к другому, догорающие газы из сопла переносятся вверх к месту отрыва потока.
Вот таким возникновением вихревой зоны и объясняет НАСА появление огня вокруг нижней части ракеты-носителя Сатурн-5.
Кстати говоря, участие донного эффекта в этом явлении совсем не обязательно. Волновой срыв потока, вызванный расширением "бочки" может возникать и на ракетах, имеющих конструкцию исключающую появление донного эффекта.
Вроде бы, так всё и происходило при старте Аполлон-11.
На кадрах кинохроники видно, как пламя продвигалось снизу-вверх по корпусу ракеты.
И контур пламени похож на Plume-induced flow separation.
Что же не так в этом объяснении от НАСА?
- Критические публикации о американской лунной программе других авторов:
"К чему же недоверие? Известно ведь давно: летали, не летали - герои всё равно!" Разоблачение Лунной аферы с юмором.
Если у НАСА не было ракеты-носителя для полётов на Луну, то откуда у американцев кино- фотоматериалы об их визитах на спутник Земли?
"Как это снято? Кинооператор разбирает лунные снимки и фотографии из космоса, рассказывает, как в кино снимают невесомость и комбинированные кадры".
Реалистичный взгляд на лунную технику НАСА.
