После опубликования четвёртой части поиска причины пожара на ракете-носителе Сатурн-5 миссии Аполлон-11, в комментариях на статью появились логичные возражения:
Интересующийся
Когда делают горячий наддув разработчикам (и нашим, и американским, совершенно не нужно, чтобы газ в баке перемешивался. Поэтому все и всегда ставят фитинг. Он равномерно распределяет газ в стороны, а не вниз. Поэтому легкий горячий гелий никогда не перемешивается с тяжелыми парами керосина.
Добавлю от себя.
Более того, горячие массы газа легче холодных. Сами собираются в верхней части бака. Холодные же находятся внизу. Такое расслоение усиливается растущими перегрузками. Инерционные силы сепарируют тяжёлые холодные массы газа вниз к зеркалу топливного компонента, и не дают им смешиваться с верхними горячими слоями.
О том и была написана предыдущая статья, что эту идиллию раздельного существования горячих верхних слоёв газовой подушки и поверхности керосина в баке горючего первой ступени ракеты-носителя Сатурн-5 могли разрушить конвективные вихри. Были предложены несколько вариантов такого процесса. Конечно же, возможны и другие сценарии с участием конвекции.
Она может возникнуть в газовой подушке любых баков, поскольку газ в свободном объёме всегда обменивается теплом с другими средами через боковые стенки бака. Её интенсивность зависит от перегрузок, температурной неоднородности в газовой среде, размеров и пропорции бака (чем меньше отношение высоты бака к его диаметру, тем сильнее конвективный теплообмен между газовой подушкой и компонентом топлива).
Возможность появления конвекции определяется величиной числа Релея - Ra. Этот критерий подобия описывает поведение жидких и газовых сред, когда в них имеется неоднородность массовой плотности (например, вызванной разницей температур). Если число Рэлея, ниже критического значения для среды, то конвективные потоки отсутствуют и теплопередача осуществляется исключительно за счет теплопроводности. Если же оно превышает это значение, теплопередача осуществляется естественной конвекцией.
При горячем наддуве появление конвекции чревато повышением давления в баке.
Сброс дренажных паров в атмосферу в полёте при запуске ракет это обычное явление.
Быть может конвекция в баках является одной из причин срабатывания дренажно-предохранительных клапанов?
Раньше изучению конвекции в газовой подушке бака уделялось очень мало внимания. В нынешнее время появился интерес к этой теме.
Следующее возражение от этого же читателя:
Интересующийся
«//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)?//
В прошлом обсуждении мы выяснили, что оба не поют. Не вскипятить керосин в баке. Времени для этого мало.»
Для того чтобы повысить давление в газовой подушке до порога срабатывания дренажно-предохранительного клапана, совсем не обязательно «вскипятить керосин в баке». Необходимо, только лишь, нагреть поверхность керосина до 143°С. Это может произойти или при омывании зеркала горючего конвективными потоками нагретого гелия, или при забросе мелких капель керосина в верхнюю часть газовой подушки теми же конвективными потоками. А на это времени в одну минуту более чем достаточно.
Ещё одно, очень даже дельное, замечание от Интересующегося касается самой причины возникновения конвекции гелия в газовой подушке бака горючего:
«Тоннельные трубы, кстати, двойные, что после 10 км высоты является практически термосом. И никакого особого охлаждения ГП (газовой подушки) эти трубы не дают.»
Сброс гелия, насыщенного керосином, начался до того, как пламя пожара стало подниматься вверх по первой ступени. Он произошёл в промежутке времени от пролёта облаков до появления инверсионного следа. Ближе к моменту появлению следа в небе. Это заметно по кадрам кинохроники. В этот промежуток времени произошло сильное видоизменение реактивных струй двигателей первой ступени.
Короткое пламя ракетных двигателей с яркими бело-голубыми языками, говорящими о хорошей полноте сгорания топлива в двигателях F-1, превратилось в сильно вытянутый факел.
Также произошло ещё одно видоизменение реактивных струй. Яркий бело-голубой окрас факела сменился на более тусклый красноватый оттенок, свидетельствующий о снижении температуры пламени и обогащении его продуктами неполного сгорания керосина.
Так пылает керосин, если в горючей смеси не хватает кислорода для полного его окисления.
Факел ракетных двигателей просто заливает керосином.
Что произошло?
Уменьшили соотношение компонентов топлива в камерах сгорания (поменьше кислорода, побольше керосина), чтобы снизить удельный импульс и тягу двигателей F-1?
Или во всех движках одновременно прогорели трубки рубашек охлаждения?
Нет, конечно же. Источник горючей смеси для этого факельного шествия находился не в двигателях, а в межбаковом отсеке. Это видно по дальнейшему продвижению огня вверх по корпусу ракеты к выходному отверстию дренажного трубопровода. Просто, вокруг раскалённых реактивных струй образовался дополнительный факел - длинный шлейф пылающего горючего RP-1, сбрасываемого вместе с гелием из бака в атмосферу.
По кинохронике исторического запуска Аполлон-11, срабатывание дренажно-предохранительного клапана произошло до появления инверсионного следа. Процесс нагрева поверхности горючего в баке, естественно, должен был начаться ещё раньше.
По этому факту можно установить до какой высоты произошло срабатывание дренажно-предохранительного клапана бака горючего первой ступени ракеты-носителя.
На широте пуска Сатурн-5 инверсионный след начинает появляться на высоте 13 километров.
То есть до этой высоты произошло срабатывание дренажно-предохранительного клапана, а процесс нагрева керосина в баке горючего с участием конвекции начался гораздо раньше, на более низких высотах. И вариант с термосом «после 10 км высоты»... «можно отправить в корзину»?
Кроме того, причиной появления неоднородности массовой плотности в газовой подушке мог быть подвод тепла от набегающего потока (или отвод тепла в него) через боковые стенки бака горючего.
Итак, выяснив попутно, что сброс гелия, насыщенного керосином, произошёл до начала заползания огня вверх по корпусу первой ступени, продолжим дальнейший поиск первопричины пожа.. «Фаер-шоу Сатурн-5».
P.S. По кинохронике Launch of Apollo 11 in 4k инверсионный след появился на 84 секунде полёта.
То есть на высоту 13 км ракета-носитель Сатурн-5 поднялась за 84 секунды. По отчётам НАСА за это время полёта лунная ракета должна была достичь высоты 14 километров.
Документальное кино про Аполлон-11 демонстрирует всему миру отставание ракеты-носителя Сатурн-5 от графика по высоте полёта.