"Причиной "Фаер-шоу Сатурн-5" стало срабатывание дренажно-предохранительного клапана бака горючего для снижения давления наддува этого бака." - говорится в статье "Причина пожара на ракете-носителе Сатурн-5 миссии Аполлон-11. Часть 1".
На самом деле это лишь крайнее звено в цепи событий, приведших к появлению пламени вокруг ракеты. Также в первой части упомянуто одно из условий осуществления процесса горения: необходимость непрерывной подачи горючего и окислителя в область огня.
Ещё одно условие, необходимое для протекания процесса горения:
2. Доля горючего компонента в смеси должна находится в концентрационных пределах распространения пламени.
Применительно к случаю воспламенения смеси гелия и паров керосина, сбрасываемой через дренажную систему, это условие можно переформулировать так: паров керосина в этой смеси должно быть достаточно для поддержания горения.
Алексей Душичев так прокомментировал предыдущую статью:
"... С чего эт гелий насыщен горючими парами керосина? )))
На тех высотах, где наблюдается это явление, уже перестают догорать высокотемпературные факелы двигателей, куда уж там гелию со следами керосина.
Керосин - не бензин, пары легко не возгоняются ни не горят..."
У меня были такие же мысли о жалких следах керосина, сбрасываемых в атмосферу. Ведь, упругость паров керосина RP-1 и в самом деле очень мала. Всего то 4 мм ртутного столба при 25°С (533,2 Па или 0,077 psi).
Можно даже рассчитать состава смеси гелия и паров керосина по парциальным давлениям компонентов.
Давление наддува при срабатывании дренажного клапана бака горючего 30 psia (абсолютное значение в psi). Оно же и есть давление смеси паров керосина и гелия.
Если принять температуру керосина равной 25°С, то давление его паров
В сумме с парциальным давлением гелия оно составляет эти самые 30 psia.
Объёмная доля паров керосина в смеси с гелием
и равна 0,077 / 30 = 0,0025(6).
Иначе говоря, всего то 0,26 % от объёма смеси. И это ещё без учёта подмеса атмосферного воздуха!
Всё?
Гореть нечему?
Версия рассыпалась?
А что тогда горит?
Судя по цвету пламени и по закопчённой поверхности первой ступени, однозначно, горит керосин. Это факт. И он зафиксирован кинохроникой. Может следует применить свой багаж знаний для объяснения этого факта, вместо того, чтобы с помощью теории подвергать сомнению произошедшее?
Итак, во время полёта ракеты-носителя Сатурн-5 происходит горение керосина, предположительно после срабатывания дренажного клапана бака горючего. Значит, выпускаемый наружу гелий содержал большое количество паров горючего. Такое возможно при высоком парциальном давлении паров керосина в смеси. Давление насыщенного пара любой жидкости тем больше, чем выше её температура. Следовательно, спустя некоторое время от создания в свободном пространстве бака горючего необходимого давления (предстартовый наддув, работа системы наддува) керосин в баке горючего начал нагреваться. Пары горючего повысили давление наддува от номинального значения до порога срабатывания дренажного клапана. В таком случае, давление смеси гелия и паров керосина также составляет 30 psia, а парциальное давление гелия, оно же номинальное давление наддува имеет значение
Тогда парциальное давление паров керосина есть разность этих величин,
ни много ни мало, аж целых 5 psi (0,34 атм).
Объёмная доля паров горючего в такой смеси с гелием
5 / 30 = 0,1(6) или 16,7% от объёма.
Поскольку сумма объёмных долей всех компонентов газовой смеси равна единице
то объёмное содержание гелия в такой смеси
1 - 0,2 = 0,8(3) или 83,3%,
А если пересчитать содержание паров керосина в массовые доли?
Молекулярная масса горючего RP-1 составляет
Молекулярная масса гелия
Молекулярная масса получившейся смеси гелия с парами керосина
4 · 0,8(3) + 164,6 · 0,1(6) = 30,8.
Тогда массовое содержание паров керосина в смеси
0,1(6) · 164,6 / 30,8 = 0,892 или 89,2%,
а массовое содержание гелия
так как
И это всего лишь
1 - 0,892 = 0,108 или 10,8%.
Итак, горючее RP-1 нагрелось в баке до такой температуры, что повысило своими парами давление наддува от номинального 25 psia до 30 psia, и образовала смесь с гелием такого состава:
16,7% паров керосина и 83,3% гелия по объёму,
или
89,2% паров керосина и 10,8% гелия по массе.
Такая смесь очень даже могла полыхать вокруг первой ступени Сатурн-5 миссии Аполлон-11.
Рассчитанное значение концентрации паров керосина приблизительное, так как изначальное давление гелия в газовой подушке бака горючего, при котором началось повышение давления за счёт испарения нагретого керосина, могло иметь любое значение в диапазоне от 24,2 psia до 26,0 psia.
Ещё одно звено в цепи событий, приведших к "Фаер-шоу Сатурн-5" - это нагрев керосина в баке горючего во время полёта.
По этой причине произошло повышение давления наддува, и сработал дренажный клапан. Началось сбрасывание гелия, насыщенного горючими парами керосина, в атмосферу. Эта смесь воспламенилась от раскалённых реактивных струй ракетных двигателей, и ...
конструктивное решение о выведении дренажного трубопровода на внешнюю поверхность ракеты в районе межбакового отсека заиграло яркими красками. Огонь заключил в свои объятия первую ступень и стал подогревать керосин в баке горючего ещё сильнее. Температура керосина, а следовательно и давление его паров стали ещё больше. Это привело к повышению содержания горючих паров в смеси, выбрасываемой наружу. Пламя получило прибавку керосина. Нагрев бака горючего увеличился ... Круг замкнулся. Налицо положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному усугублению ситуации с превышением давления наддува бака горючего, а также с усилением процесса горения вокруг этого бака и хвостового отсека. Этот лавинообразный процесс развивался не до бесконечности, а до некоторого предела. Он перескочил, так сказать, на новый качественный уровень. А именно, в сложившейся ситуации, функционирование первой ступени ракеты-носителя Сатурн-5 стало очень похоже на работу одного бытового прибора. В этом устройстве горючее, перед подачей в горелку, тоже предварительно испаряется за счёт тепловой энергии, вырабатываемой этой же горелкой.
Ох, и досталось же американской лунной ракете...
Но Сатурн-5 достойно перенёс натиск, обрушившегося на него огня. И всё благодаря тому, что на "тех высотах" при низком атмосферном давлении и при разбавлении горючей смеси инертным газом (гелием) температура пламени была не такая уж и высокая.