В предыдущих частях статьи (часть 1 и часть 2) было высказано предположение о том, что одним из звеньев в цепи событий, приведших к пожару на американской лунной ракете, был нагрев керосина. Он привёл к повышению давления наддува бака горючего до порога срабатывания дренажно-предохранительного клапана. Последовавший сброс в атмосферу и воспламенение смеси гелия и горючих паров керосина вызвали этот пожар.
В части 3 упомянуто о двух возможных источниках нагрева керосина в баке горючего первой ступени ракеты-носителя Сатурн-5. Ими могли быть аэродинамический нагрев и передача тепла от гелия, подогретого в теплообменнике продуктами сгорания газогенератора после их срабатывания на турбине турбонасосного агрегата.
Прежде чем, выяснить который из них "солирует", а который всего лишь "подпевает", необходимо рассмотреть возможные варианты того, каким образом пары керосина смешались с гелием во внутреннем пространстве бака, свободном от горючего (газовой подушке)?
Для этого в газовой подушке должны были существовать физические процессы, обеспечившие это перемешивание. Иначе, наддуваемый в верхнюю часть бака и сбрасываемый через дренажно-предохранительный клапан, также из верхней части, газ ни коим образом не может подхватить и увлечь за собою наружу пары керосина, находящиеся в нижнем слое газовой подушки.
Основной механизм такого перемешивания проясняется если взглянуть на конструкцию бака горючего первой ступени.
Внутри бака расположены пять тоннелей по которым проходят пять трубопроводов подачи жидкого кислорода к двигателям F-1.
Тоннели делят пространство газовой подушки на пять областей, в которых они оказывают физическое воздействие на окружающий их гелий.
Это четыре зоны, ограниченные этими тоннелями (на рисунке ниже 1,2,3 и 4). И одна кольцеобразная, прилегающая к стенке бака и охватывающая собой все тоннели (область 5).
Рассмотрим процессы, происходившие в любой из областей 1,2,3 или 4. Жидкий кислород, следуя по трубопроводам к двигателям F-1, охлаждал стенки трубопроводов и стенки тоннелей. Охлаждённые стенки тоннелей отбирали тепло от окружающего их гелия. В результате, в четырёх областях газовой подушки, появлялись охлаждённые вертикальные слои этого газа. Эти слои приобретали более высокую плотность нежели весь остальной гелий, находящийся в газовой подушке бака горючего.
Под действием силы тяжести и инерционной силы, вызванной ускоренным движением ракеты, эти массы охлаждённого газа устремились вниз, вытесняя нижний горизонтальный слой гелия, соприкасающийся с поверхностью горючего.
При этом поверхность керосина отдавала своё тепло нисходящим потокам гелия. От этого тот снова становился легче и устремлялся вверх.
Процесс зацикливался. В результате в газовой подушке в областях между тоннелей образовывались четыре конвективных вихря.
Работу на их вращение совершали неуравновешенные силы тяжести и силы инерции, вызванные притяжением Земли, ускоренным движением ракеты, и градиентом температур в газовой среде.
Далее рассмотрим действие этих вихрей в разных вариантах нагрева керосина до 143 °С.
В предполагаемом случае повышения температуры керосина в баке горючего за счёт аэродинамического нагрева, конвективные вихри гелия просто подхватывали пары керосина и перемешивались с ними.
Кроме того, эти вихри взаимодействовали с поверхностью горючего так же, как и при следующем варианте повышения температуры керосина RP-1.
А именно, если нагрев керосина происходил только от горячего гелия, вихревые потоки, возмущая поверхность керосина, имеющего температуру примерно 16 °С, отрывали от неё капли горючего. Область разряжения, существовавшая в центре вихрей, засасывала эти капли и выбрасывала их вверх.
Возникшие восходящие газокапельные потоки смешивались в верхней части бака со слоями горячего гелия, нагретого в теплообменнике
до 143 °С.
Некоторая доля керосина, заброшенного в верхнюю часть бака, при этом испарялась и повышала давление в баке горючего до порога срабатывания дренажно-предохранительного клапана. Другая часть горючего, в виде не испарившихся капель, продолжала витать в газовой подушке.
При открытии дренажно-предохранительного клапана гелий, вырываясь в атмосферу, уносил с собой и эти мелкие капли. В таком случае, сделанная ранее оценка содержания керосина в гелии, сбрасываемом в атмосферу, на самом деле может оказаться несколько заниженной.
Итак, над образованием смеси гелия и керосина в газовой подушке бака горючего трудились конвективные вихри.
Большие размеры бака и растущая перегрузка, вызванная ускоренным движением ракеты, только способствовали их интенсивности.
В описанных вариантах образования смеси гелия с парами горючего возможен ещё один участник процесса. Это вибрационные колебания на ракете-носителе Сатурн-5, которые возникали сразу после запуска двигателей F-1.
Хоть как-то умозрительно осязать это вибрационное воздействие можно произведя небольшой расчёт.
Виброускорение вычисляют по такой формуле
a = (2 π · f)² · A
А - амплитуда вибрации
f - частота вибрации.
Следовательно, амплитуду колебаний, можно определить таким образом
А = а / (2 π · f)²
Частота вибрации была примерно 4,75 Гц
На протяжении всего полёта с двигателем S-IC
давление в камере сгорания демонстрировало колебания тяги с небольшой амплитудой, варьирующиеся
в диапазоне частот от 4 до 5,5 Герц. Эти частоты, по-видимому, совпадали ...
Поэтому минимальная амплитуда колебаний, например, в самом "спокойном" межбаковом отсеке и при самом малом виброускорении в 0,73 g была
А = (0,73 · 9,81) / (2 π · 4,75)² = 0,008 [м],
то есть смещение от нейтрального положения под действием вибрации составляло 8 мм.
Из-за этой вибрации по поверхности керосина, возможно, гуляла такая рябь, что верхний слой горючего RP-1 превращался в бурлящую пену.
Не все могут представить это явление, но многие могут провести такой эксперимент.
Насколько он подобен процессу, происходившему внутри бака горючего первой ступени Сатурн-5, трудно сказать, но такой эксперимент более чем нагляден.
Он показывает, как вибрация приводит к увеличению площади соприкосновения между жидкостью и газом.
На межфазной поверхности жидкости существует тонкий слой, в котором возникают силы поверхностного натяжения. Действие этих сил проявляется в стремлении жидкости уменьшить свою поверхность. Для растяжения этой поверхности необходимо затратить некоторую работу. Величина работы, которую требуется затратить на образование новой единицы поверхности жидкости при постоянной температуре, называется коэффициентом поверхностного натяжения:
σ = A / S
A - работа
S - площадь.
Из этого можно сделать вывод: увеличение площади поверхности жидкости тем больше, чем большую работу совершают внешние силы и чем меньше коэффициент её поверхностного натяжения.
ΔS = ΔA / σ
Часть энергии вибрационных колебаний, порождённых работой ракетных двигателей F-1, поглощалась горючим, и это могло вызывать рост площади поверхности керосина в виде пены и мелких капель. Другая оставшаяся часть вибрационной энергии приводила к колебаниям элементов конструкции ракеты. Интенсивность этой доли вибрации была измерена датчиками, и мы видим её на графиках и таблицах в отчётах НАСА.
Бурлящая поверхность горючего, порождённая вибрациями, ещё в большей степени могла способствовать насыщению восходящих потоков гелия каплями керосина.
Механизм образования смеси гелия и горючих паров керосина рассмотрен без участия внешнего теплового воздействия на верхнюю часть бака (аэродинамический нагрев, солнечная радиация).
С учётом этого фактора данный процесс выглядит следующим образом.
К компании из четырёх вихрей в областях 1, 2, 3 и 4 присоединяется ещё один вихрь в области 5.
Рассмотренные варианты перемешивания гелия с парами керосина в баке горючего первой ступени ракеты-носителя Сатурн-5 немного похожи на всем известное природное явление.
Одно из отличий этих феноменов друг от друга это источник энергии, питающий их.
В природе вихри, вызывающие смерч, сами высасывают тепловую энергию из окружающей среды за счёт последовательного испарения и конденсации влаги.
В баке горючего первой ступени ракеты-носителя Сатурн-5, как уже говорилось, работу по вращению конвективных вихрей совершали неуравновешенные в газовой среде силы тяжести и силы инерции, вызванные притяжением Земли, ускоренным движением ракеты, и градиентом температур.