В пятой части сделан вывод о том, что срабатывание дренажно-предохранительного клапана и сброс гелия, насыщенного керосином, начался задолго до того, как пламя стало подниматься вверх по первой ступени Сатурн-5. Подача горючей смеси в зону горения начинается всегда раньше воспламенения её от источника огня. Иначе, если нет горючей смеси, то чему воспламеняться? Эта, в общем то, простая истина известна каждому, зажигавшему хоть раз в своей жизни газовую горелку на кухонной плите. В роли источника огня на "Фаер-шоу Сатурн-5" выступили раскалённые реактивные струи, работающих ракетных двигателей.
Но, кроме воспламенения смеси гелия и горючих паров керосина, сбрасываемых в атмосферу, для устойчивого горения этой смеси крайне необходимо существование ещё одного условия:
скорость потока горючей смеси должна равняться скорости распространения пламени.
Если скорость потока горючей смеси меньше скорости распространения пламени, то пламя проскакивает вперёд по потоку, выжигая всю горючую смесь на своём пути. Израсходовав всю горючую смесь, пламя гаснет. Если же скорость подачи горючей смеси превышает скорость распространения пламени, то пламя сдувается вниз по потоку, происходит отрыв пламени.
Реализовать равенство скоростей распространения пламени и подачи горючей смеси в мощных технических устройствах, требующих интенсивного сжигания топлива, довольно сложно. Поэтому для стабилизации процесса горения в них применяют
- либо дополнительные источники огня, непрерывно воспламеняющие основной поток горючей смеси, например, дежурное пламя,
- либо используют стабилизаторы пламени.
Чаще всего, стабилизаторы пламени представляют из себя плохообтекаемые тела, создающие вихри в горящем потоке. Возвратные течения раскалённых продуктов сгорания в этих вихрях непрерывно поджигают горючую смесь, скорость подачи которой может превышать скорость распространения пламени. Этим и обеспечивается устойчивость процесса горения.
Но повышать скорость потока горючей смеси можно не бесконечно. С повышением скорости потока наступает момент отрыва вихря от стабилизатора пламени, и этот вихрь вместе с факелом уносится вниз по потоку. На месте оторвавшегося вихря на стабилизаторе пламени возникает новый вихрь, но уже без огня, который в свою очередь так же отрывается и сносится вниз по потоку. Процесс сжигания горючей смеси прерывается. По этой причине, например, с помощью таких стабилизаторов пламени невозможно реализовать устойчивый процесс горения в гиперзвуковых прямоточных воздушно-реактивных двигателях.
Применительно к «Фаер-шоу Сатурн-5» из условия устойчивого горения следует:
- либо скорость ракеты должна равняться скорости распространения пламени в керосино-воздушной смеси, разбавленной гелием,
- либо на корпусе ракеты должен генерироваться вихрь, удерживающий пламя. Скорость набегающего потока при этом не должна превышать порог срыва этого вихря.
И конечно же,
- раскалённые реактивные струи ракетных двигателей могут выполнять роль дежурного огня, поддерживающего непрерывное горение дренажных газов.
А в таком случае, фронт пламени должен начинаться на срезе сопел двигателей F-1 и уходить вниз по потоку, прочь от двигателей. Но в действительности он расположен выше выходных кромок сопел, под днищем хвостового отсека.
Это видно по расположения огня сразу под стабилизаторами первой ступени. Смотрите стоп-кадр, соответствующий 78 секунде полёта.
Всё свободное пространство от основания ракеты до среза сопел двигателей F-1 (донное пространство) заполнено огнём.
В фильме Moonwalk One (1970) этот этап "Фаер-шоу Сатурн-5" наблюдается на 21 минуте, с 17 по 37 секунду.
Пламя, вспыхнув на срезе сопла, ушло вперёд, вверх по потоку. Такое может быть, если скорость набегающего потока (скорость полёта ракеты) меньше скорости распространения пламени. Только вот, в таком случае ничего не мешало бы дальнейшему продвижению огня вверх по горючей смеси вдоль корпуса первой ступени.
Но, пламя застряло в донном пространстве аж на двадцать секунд.
То есть, скорость ракеты выше скорости распространения пламени, а продвижению огня в донное пространство способствовали донные вихри. Они же обеспечили стабильность процесса горения дренажных газов, поступающих в донную область сверху.
Итак, на данном этапе "Фаер-шоу Сатурн-5" происходят следующие события:
- Дренажные газы, текущие сверху по одной стороне корпуса первой ступени, попадая в донное пространство, воспламенились от раскалённых реактивных струй.
- Донные вихри распространили огонь по всему донному пространству.
- Возвратные течения этих вихрей обеспечили стабильность процесса горения.
- Кроме того, донные вихри осуществили более-менее равномерное распределение горящих дренажных газов вокруг реактивных струй.
Однако,
подобную картину могут дать и другие процессы, при которых продукты сгорания ракетных двигателей забрасываются обратными течениями в донную область и выбрасываются из неё в атмосферу через боковой просвет между днищем и срезом сопел ракетных двигателей.
Истечение струй из нескольких сопел, при определенных режимах течения и геометрии соплового блока может приводить к взаимодействию реактивных струй между собой. В результате формируется составная струя.
"При малых нерасчетностях или большом разносе сопл струи, истекающие из них, интерферируют друг с другом на больших расстояниях от летательного аппарата. В этом случае струи оказывают эжектирующее действие на область газа, расположенную между соплами. Из этой области к струям непрерывно подтекает дополнительная масса газа, эжектируемая из окружающей среды, и система струй вместе с донной областью работает как эжектор. Увеличение нарасчетности или уменьшение разноса сопл (уплотнение компоновки) приводит к тому, что точка... в которой начинается взаимодействие струй, перемещается по направлению к выходным сечениям сопл и угол, под которым пересекаются границы струй, увеличивается." Это "...приводит к двум явлениям: во-первых, уменьшается поверхность каждой из струй, которая отсасывает газ из донной области, а во- вторых, угол пресечения границ струй может стать таким, что часть газа из пограничного слоя будет разворачиваться в обратном направлении и течь в донную область. Наконец, возможен такой режим течения, когда масса газа, текущего в обратном направлении, значительно превышает эжектируемую массу, которой можно практически пренебречь" (Погорелов В. И. "Беспилотные летательные аппараты: нагрузки и нагрев")
"Из-за взаимодействия струй на начальном участке могут возникнуть обратные течения, которые оказывают интенсивное силовое и тепловое воздействие на днище ракеты и могут привести к аварийным случаям." (страница 29 pdf-документа)
По степени нерасчётности истечения такое взаимодействие реактивных струй характеризуют тремя режимами:
1. Режим эжекции, когда струи, истекающие из блока, не взаимо-
действуют на начальном участке. В этом случае происходит подсос
воздуха из окружающей среды в донную область. Донное давление
при этом меньше давления окружающей среды. Данный режим тече-
ния характерен для РН «Протон», так как диаметр блока достаточно
большой.
2. Режим слабых обратных токов. Взаимодействие струй приво-
дит к образованию обратного течения. Донное давление растет, но
обратный поток еще слаб и может захватываться эжекционным пото-
ком.
Малая часть газа из пограничного слоя, образующегося на невязкой границе струи, устремляется к днищу ракеты.
3. Режим сильных обратных токов. Донное давление становится
намного больше наружного и может наступить такой режим, когда
течение в этой области и, в частности, донное давление не зависят от
давления в окружающей среде. Газ, поступающий в донную область,
уже не вовлекается в струйное течение, а растекается по днищу раке-
ты. Реализуется режим «запирания» донной области.
Третий режим "запирания" тоже даёт внешнюю картину "расположения" факела ракетных двигателей сразу под днищем ракеты.
Но:
Анализ экспериментальных исследований показывает, что для
четырехсопловой компоновки режим «запирания» наступает при
l/da < 1,5. Степень нерасчетности может при этом достигать η = 30.
Для реализации режима запирания необходимы нерасчётность 30 и относительный разнос сопел (отношение расстояния между соплами по осям к диаметру на срезе сопла) менее 1,5.
А для начала режима слабых обратных токов нерасчётность истечения должна быть 6-7,5, согласно «ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, КОНСТРУИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА ЛА» Часть 2:
"Имеющиеся экспериментальные данные показывают, что степень нерасчетности η нач. , при которой горячий газ достигает поверхности днища, примерно в 4-5 раз меньше η p. " (η = 30).
А какова же нерасчётность истечения реактивных струй двигателей первой ступени Сатурн-5 на 78 секунде полёта?
В послесловии к пятой части "Причина пожара на ракете-носителе Сатурн-5 миссии Аполлон-11" было установлено, что американская лунная ракета на 84 секунде полёта отстаёт по набору высоты всего то на один километр. Следовательно, высоту полёта этой ракеты для определения внешнего давления атмосферы на 78 секунде полёта вполне можно взять из отчёта НАСА. Эта высота равна 11,7 км. Давление на ней по ГОСТ4401-73 "Стандартная атмосфера" - 20 кПа. Давление продуктов сгорания на выходе сопла двигателя F-1 - 40 кПа. Значит, нерасчётность истечения струй ракетных двигателей
40 / 20 = 2.
Не 6, при котором только начинают образовываться обратные токи. И тем более не 30, когда наступает режим запирания, а всего то 2 (если учесть, выявленный факт работы двигателей F-1 на режиме пониженной тяги примерно в 538,5 тс вместо 691, то давление на срезе сопла будет равно 40 · (538,5 / 691) = 31 кПа, а нерасчётность истечения струй 1,55).
То есть в донной области Сатурн-5 на 78 секунде полёта струи, истекающие из сопел двигателей, не взаимодействуют друг с другом на начальном участке, и осуществляется режим эжекции воздуха из спутного потока.
Картина такого течения становится видна сразу, едва языки пламени горящих дренажных газов отделяются от основного факела реактивных струй ракетных двигателей.
Перед взором предстают ударно-волновые структуры этих струй - "бочки".
Вид этих бочек свидетельствует о том, что пересечение границ реактивных струй (причина появления обратных токов) происходит на значительном удалении от основания ракеты, ближе к месту формирования отражённого скачка уплотнения. То есть и в этот, более поздний, момент времени полёта происходит истечение струй на режиме эжекции.
Возможно кто-то возразит, что ошибочно сравнивать процессы в донном пространстве ракеты-носителя Сатурн-5 на 78 секунде полёта, когда работают все пять двигателей, со случаем истечения реактивных струй из четырёх-соплового блока!!!
Но правда жизни такова:
Сатурн-5 миссии Аполлон-11 на 71 секунде полёта пробивал облака уже с отключённым центральным двигателем (если не восстанавливать истинный хронометраж видеоролика от А. Северского, то аж на 48 секунде полёта).
Посмотрите на пролёт через облака в другом видео.
Где факел от центрального двигателя? Куда подевался?
Эти кадры сняты с другого ракурса через облачную дымку, которая сработала как светофильтр, отсёкший все ореолы и прочее второстепенное излучение, оставив на киноплёнке исторический след только от основного источника света - реактивных струй двигателей F-1. Благодаря этому стало отчётливо видно - реактивной струи от центрального двигателя нет. Этот двигатель уже отключён.
Итог
Режим взаимодействия реактивных струй с обратными токами (тем паче режим запирания) не может объяснить явление, наблюдающееся на 78 секунде полёта.
Только понимание того, что происходит затекание горючих дренажных газов в донную область сверху, проясняет происходящее с ракетой-носителем Сатурн-5.