Как обещал моим читателям в предыдущей части - разбираем подводные камни и даже подводные "булыжники" относительно "минометного старта".
Для начала - немного простой теории.
Предположим - минометный старт был.
Для Аполлон 17 - набор высоты в 20 м за три секунды - по видео.
Перемещение при равноускоренном движении при "старте с места", то есть при нулевой начальной скорости
S=at**2/2
На основании этого мы вычислили ускорение а=4,5 м/с2
Если не "с места" то немного иначе
S=V0t+at**2/2, где V0- первоначальная скорость, с которой "начался разбег".
Подставляем все исходные данные из предыдущей статьи
Путем несложных вычислений получаем V0=4,1 м/с.
Характеристическая скорость взлетной ступени более 2000 м/с. 4 м/с - это 0,2%
Немного в сторону - про ускорения и перегрузки.
Диаметр сопла взлетного двигателя 78 см.
При дозвуковом течении газов из патрубка (сверхзвуковое - отдельная тема, коснемся его далее) установленная перед ним преграда оказывает воздействие на струю и повышает давление в патрубке. Патрубок - это сопло двигателя, как вы поняли:
Заметное влияние преграда оказывает до расстояния 0,5d - после этого площадь зазора становится больше удвоенной площади патрубка, и влияние преграды на повышение давления - становится незначительным.
На этом расстоянии - 40 см или 0,4 м должна быть набрана скорость в 4,1 м/с.
Если ускорение при этом постоянное, то получаем его величину около 10 м/с2 (1g) и время 0,3 с.
Но так как зазор увеличивается, то к величине 0,5d указанное ускорение стремится к нулю, а наши 10 м/с2 есть среднее ускорение на этом участке. Начальное же - примерно в 2 раза больше - 2g - вроде как немного, но для экипажа в скафандрах, в положении стоя, после нескольких суток невесомости а затем низкого лунного тяготения - всеж многовато.
Но патрубок не был установлен вплотную - зазор до некого "отражателя" был 10 см (по уверениям "защитников" оф версии), поэтому расстояние набора эффективной скорости за счет повышения давления уменьшается, а перегрузка - возрастает. Осторожная оценка дает максимальную величину перегрузки в 2,5-3g.
Действие - кратковременно - но малоприятно.
Представьте - вы стоите на полу (или в лифте) и этот пол очень быстро, практически ударом подскакивает вверх на 20 см. Если вы стоите, согнув ноги в коленях - вы, вероятно амортизируете этот удар. А если вдруг нога прямая (а человек обычно стоит ослабив одну ногу и зафиксировав другую) то действие этого удара весьма неприятно.
Тайминг-высота
Сравним подъем А17 при "минометном" старте (начальная скорость 4,1 м/с) и последующем ускорении 1,74 м/с2 и при обычном старте с ускорением в 4,5 м/с2 - то, что получилось по нашим расчетам.
Первая секунда - набранная высота
Старт с ускорением 4,5 м/с2 - 2,25 м - немного меньше высоты взлетной ступени (3,76 по антеннам или 2,8 по корпусу).
"Минометный старт" - 5 м - почти полуторная высота по габариту взлетной ступени, почти двойная по корпусу.
Вторая секунда - набранная высота
Старт с ускорением 4,5 м/с2 - 9 м - 2,4 ступени по габариту или 3,2 по корпусу (3,76 м по антеннам или 2,8 м по корпусу).
"Минометный старт" - 11,7 м - 3,1 габарита или 4,2 корпуса.
Проиллюстрирую все это графиком. По горизонтали - время, по вертикали - высота. Нижний график - обычный. Верхний - "минометный".
Включайте видео взлета Аполлон-17, анализируйте зависимость высоты от времени. Задача при обычном, не обработанном каким то образом видео, не совсем простая - очень короткие интервалы времени.
Многократный просмотр на большом мониторе, с разбивкой секунд до одной- двух- десятых, показал, что нижний график и видео лучше коррелируют, нежели верхний и видео.
Сверхзвук
Но для начала - немного про настоящий "минометный старт".
Шахта (функция ствола орудия) ракета с обтюрацией (функция снаряда) и каким то образом созданное давление в нижней части шахты. Может от внешнего источника, может быть пороховой газогенератор. Может даже запуск ракетного двигателя (но на сниженных параметрах - то есть никакого истечения сверхзвуковой струи нет) - повышенное давление в нижней части шахты выталкивает снаряд-ракету
На правом фото хорошо видны отлетающие пояски обтюраторы.
То есть - миномет или орудие в самом прямом смысле.
ЛМ
Никакого "ствола" и "снаряда", есть некий "отражатель".
В соответствии с оф версией - взлетный двигатель не дросселируемый.
То есть - или работает на полную тягу, или не работает вообще.
Предположим, что двигатель в данной конфигурации запустился. Скорость истечения реактивной струи - примерно 3 км/с.
Истекающая струя "втыкается" в близко расположенный "тазик" сферической формы. Тормозится. А дальше - примерно такая картина
Если расстояние достаточное - то все растекается по сторонам.
Примерно так стартовала "Редстоун"
Только по центру был "рассекатель" который вместо прямого скачка уплотнения организовывал наклонный скачек.
Или ракеты Илона Маска с "табуретки".
А если расстояние как у ЛМ?
Прямой скачек отходит от преграды.... и "запирает" сопло!
Далее - этот скачек уплотнения перемещается в сторону камеры сгорания - очень быстро перемещается. Поскольку реактивная сверхзвуковая струя тормозится о этот скачек уплотнения.
В критическом сечении этот скачек уплотнения (ударная волна, если по простому) складывается с имеющимся там "своим" прямым скачком.
Давление в КС резко возрастает. Далее - возможны варианты - простой вариант - двигатель останавливается - давление в КС выше давления системы подачи (а оно небольшое ). Сложный вариант - что то повреждается или взрывается.
А если не сверхзвук?
То есть, если топливо подается, а на выходе - противодавление и двигатель не может выти на режим? Это то, что мы описали в начале статьи - как мог бы работать "минометный" старт ЛМ.
Тут стоит вспомнить, что есть двигатели для вакуума - когда нет противодавления, и струя на срезе сопла всегда недорасширена.
Полное давление на срезе сопла может быть сколь угодно малым.
Есть двигатели для атмосферы - полное давление на срезе равно давлению атмосферы.
Но чаще атмосферные двигатели "залетают" в технический вакуум, поэтому такой двигатель имеет несколько перерасширенную струю в атмосфере, и недорасширенную в вакууме.
Если вакуумный двигатель запускать в атмосфере - то будет или не запуск, или некоторый "ба-бах!" - это для двигателей на самовоспламеняющихся компонентах.
Развернем немного этот вопрос.
В обычном режиме в двигатель на самовоспламеняющихся компонентах подаются жидкие топливо и окислитель. В КС они смешиваются, нагреваются, испаряются, сгорают, газы истекают через сопло. Процессы смешивания зависят от турбулентности потоков, а оно, в свою очередь от скорости. И если есть противодавление в сопле, то в КС так же повышается давление, а подача топлива (вытеснительная на ЛМ) имеет ограничение по давлению, и перемешивание компонентов ухудшается. В результате в КС накапливается избыточное количество непрореагировавших компонентов топлива. Которые к конце концов прореагируют. Или с простым повышением давления, или с "хлопком" или со взрывом.
Данный "тазик" или "отражатель" - весьма сомнительная добавка на "взлетном столе" - двигатель или не запустится, или уйдет на нештатный режим, или взорвется... Характеристическая скорость взлетной ступени более 2000 м/с. 4 м/с - это 0,2%. Какой нормальный инженер будет бороться за эти 0,2%, когда на другой чаше весов - очень высокая вероятность "гробанутся" на старте?
В качестве аргумента "защитники" в лице Дмитрия приводят отрывок из книги Филина: "Воспоминания о Лунном Корабле"
"Совершенно не представляли себе, как обеспечить старт взлетной ступени. Сейчас многие видят по телевидению старты ракет и имеют представление о наземных сооружениях, обеспечивающих этот процесс. А здесь задача! На Луне, откуда надо взлетать, стартовых устройств нет, значит, все стартовые средства должны быть привезены с собой. Первое, что сразу пришло в голову, использовать для этой цели каркас Лунного посадочного устройства. Свою основную роль он уже выполнил, так пусть теперь послужит стартовым столом. Кстати, у американцев роль стартового стола выполняла посадочная ступень. Борьба за низкую центровку привела к увеличению поперечного размера ракетного блока, при этом его пришлось еще «утопить» в ЛПУ. Выход из туннеля всегда сложен, да еще там на Луне, когда не ясно, какую неожиданность преподнесет незнакомая поверхность. А вдруг под соплом окажется яма, и отраженная струя газов двигателя перевернет взлетный аппарат? Все гениальное просто. А.А.Саркисьян предложил избежать этого при помощи специального экрана сферической формы, центр которого находился в центре масс взлетного аппарата. Тогда любое воздействие газов даст результирующую силу, проходящую через центр масс. Это значит, что аппарат может смещаться вбок, но не опрокидываться. Но это было полдела. Им же был предложен и отражатель газовой струи. Он представлял собой две створки, которые подводились под сопла двигателей после посадки и обеспечивали упорядоченное движение газов. Кроме того, отражатель прижимал посадочную часть ЛК к поверхности Луны при старте взлетной ступени. Выигрыш, как видим, был двойной.
При проектировании корабля, понимая всю ответственность происходящего, каждый стремился, как мы говорили, «перезаложиться», т. е. сделать свой запас, обеспечивающий безопасность работы узла, детали, системы, агрегата.
Вспоминается случай с разработкой отражателя. Получив от газодинамиков нагрузку на отражатель, необходимую для проведения расчетов на прочность, мы обратили внимание, что если распределенное по площади отражателя давление (а так рассчитывалась нагрузка) умножить на площадь отражателя, то получаемая сила в полтора раза превзойдет тягу двигателей, которые своими выхлопными газами и создавали эту нагрузку. Вот так раз! Из ничего мы получили дополнительную силу! "
Дескать - все очень похоже - а уж наши не могут ошибиться!
А если у наших правильно, а у американцев похоже на наше - значит у них тоже правильно?
Что же - это хороший "заход"!
Разберем это в следующей статье.
И озвучу свое мнение, откуда же появился "тазик" и почему на одних чертежах он отсутствует, а на других есть.
