Мурманская находка.
Интересующиеся темой "Аполлуниады" помнят этот эпизод американской космической программы.
Официальная версия - американцы потеряли тренировочную капсулу, наши рыбаки нашли и вытащили к себе на борт, а затем привезли в Мурманск. Там, в присутствии журналистов "третьей" страны эту капсулу передали американцам.
Неофициальная версия - эта капсула - есть КК Аполлон-13, который не в какой космос не летал, а плюхнулся в воду где то рядышком со стартом, а наши "рыбаки" его поймали и утащили к себе.
Обе эти версии мне всегда казались крайне сомнительные. Но какого то более логичного объяснения (моего, базирующегося на инженерно-конструкторско-технологической основе) этому не находилось.
И вдруг, при анализе "прелестей водорода" этот эпизод заиграл совсем другими красками...
Об этом - в завершении статьи. Пока же - водород.
Краткое содержание предыдущих публикаций на эту (водородную) тему:
Про запуск мощных "водородников" - только факты, без каких либо демагогий.
"Сатурн-5" - если ее параметры соответствуют тому, что заявлено в оф версии - очень совершенная ракета, даже в сравнении с более поздней "Энергией" - "Сатурн-5" превосходит её. Не говоря уже за "СЛС"...
Достигнуто это, в основном, второй водородной ступенью (на базе мощных "водородников") с вакуумным запуском - на высоте.
Сегодняшнее развитие техники такого на позволят... Никто не умеет запустить мощный "водородник" на высоте.
"Многострадальная" третья ступень "Сатурн-5".
Как "моглики" в пылу спора и защиты оф версии "поливали дерьмом" величайшее достижение НАСА - РН "Сатурн-5", доказывая, что официальная грузоподъемность этой ракеты - ложь, а выводила она на НОО меньше 100 т.
Мощный "водородник" - что за "зверь"?
Какой двигатель, по каким параметрам можно считать мощным "водородником". Почему J-2 отнесен к "мощным".
Про взрыва- и пожароопасность водорода.
И про то, что водород на первой ступени - это:
- и не эффективно, и дорого.
Что есть из водородных двигателей с вакуумным запуском. А что не получается, как ни пытаются этого достичь.
О попытках Пустынского "заболтать" водородную тему, применяя приемы демагогии.
В основном про сравнение запуска у земли мощных "водородников" и мощных "керосинок". Обязательность "продувок" у "водородников" - что бы не "бахнуло", и обязательность "захолаживания" - что бы ТНА не разлетелся от совместных механических и термических напряжений.
Заметки на полях о "водородниках"
О том, как реагируют "моглики" и "защитники" на неудобную для них информацию. По самым разным вопросам, но в данном случае - о "водородниках".
Справедливости ради - "немоглики" и даже "скептики" - не все, конечно, а некоторые из них - точно так же реагируют на неудобную информацию - последние статьи Кинооператора тому очень характерный пример.
Кто сильнее - слон или кит? То есть что важнее - техника или политика?
В приведенных выше статьях анализировалось применение мощных "водородников" на первой ступени и на "как бы второй" ступени - с запуском у земли.
Анализировалось только с технической точки зрения. Одним из основных критериев сравнения различных РН (именно с технической точки зрения) было отношение массы ПН на НОО к стартовой массе РН. То есть относительная масса ПН.
Данный параметр понятен любому инженеру, да и просто технически грамотному человеку.
В процессе обсуждения вышеприведенных статей против данного параметра очень активно и многословно выступил Пустынский - дескать нигде в литературе в определениях такого нет. И сравнивать по такому параметру нельзя - это мол "придумка" ТТТ, а настоящие ракетчики этим никогда не пользуются:
"Относительная масса выводимой ПН никогда не являлась главным критерием качества ракеты, как вы это пытаетесь представить"
Мое взывание к здравому смыслу не возымело никакого эффекта.
Подписчик и читатель канала с ником "Пушкарская слобода" привел в пример Пустынскому вот эту книгу
и сканы из нее
На это Пустынский традиционно "вдарился" в демагогию - много слов без какого либо смысла.
Ну сумасшедший "моглик" - что с него возьмешь... (В. Высотский).
Сегодняшнее применение мощных "водородников" с запуском у земли (а по другому они запускаться категорически не хотят) не дает никакого преимущества в техническом плане - относительная масса ПН на НОО у них вполне "средненькое" и зачастую проигрывает даже "стареньким" РН, таким, как "Протон" на "вонючках". Про более "свежие" РН, такие как ракеты Илона Маска и речь не идет.
Если у РН с мощными "водородниками" нет преимуществ в техническом плане - может у них экономика замечательная?
В приведенных выше сканах книги это "критерий Д.Л. Толмашевича" - или его вариация - стоимость выведения 1 кг ПН на НОО.
Этому вопросу (стоимости) у меня посвящены две статьи
Стоимость выведения 1 кг на НОО
Просто некоторая выборка по стоимости выведения, от меньшего к большему.
и
Краткий анализ стоимости выведения ПН различными РН
В статье разбиралось: что такое - хорошо, а что такое - плохо.
Что такое хорошо - это пропустим
Что такое плохо - это тоже пропустим
Что такое "очень плохо" - с точки зрения стоимости/экономики:
Это все вместе - водород на первой ступени, "пакет", ускорители с водородом, малая массовость (она не может быть таковой при высокой стоимости), большие гравпотери (малая стартовая тяговооруженность)...
Всего вышеперечисленного уже достаточно для того, что бы сильно сомневаться, что J-2 на водороде, с тягой в 104 тс, запускался на высоте, и не один, а в составе 5 двигателей на второй ступени, а на третьей ступени запускался повторно...
Причем нет никакого сомнения, что этот двигатель существовал (а сейчас существует в музее) и работал на топливной паре водород+кислород. Во всяком случае на испытания на земле.
Что же было на второй и третьей ступени Сатурн-5? Свое мнение постараюсь высказать немного позже.
Пока разберем еще несколько аспектов, которые делают запуск мощного "водородника" наверху проблематичным или даже невозможным.
Воспламенение смеси водород+кислород и давление
Есть водород и кислород (в баллонах под некоторым, сравнительно небольшим давлением) - нужно организовать реакцию горения.
Собираем простейшую схему:
Включаем запальник, открываем клапана и получаем процесс горения водородно-кислородной смеси.
Схему можно несколько поменять - сделать коаксиальные трубки подачи газов - снаружи водород, внутри кислород - можно организовывать лучшее перемешивание газов - можно менять положение запальника - можно несколько "зажать" выходное сечение - но принципиально все останется то же самое.
Теперь перемещаем эту схему в вакуум.
Повторяем все те же действия, что и в газовой среде.
И.... ничего.
Газы идут, запальник работает, но горения смеси нет.
Почему?
Ответ простой - давление, и связанная с ним плотность газовой смеси. Кислородно-водородная смесь воспламеняется при давлении от 6 кПа и выше. К слову - такое давление в земной атмосфере на высоте примерно 18 км.
В случае использования указанной схемы, газы при выходе в пространство импровизированной "горелки" будут быстро расширяться - ведь никакого противодавления не будет - вакуум.
Что бы запустить сей процесс можно указанную схему доработать:
Удлинив трубу "горелку" получим сопротивление выходящему потоку газов. Чем длиннее труба - тем больше сопротивление.
Включим запальник и отроем клапаны. В начальный момент времени, пока труба будет не заполнена газом, давление в районе запальника будет низкое. Ниже необходимого для воспламенения.
По мере заполнения трубы и появления сопротивления движущемуся потоку газов давление в районе запальника возрастет.
Газовая смесь воспламенится.
Далее, по трубе пойдет или фронт горения, или детонационная волна.
Здесь есть следующие нюансы. Давление, при котором воспламеняется газовая смесь зависит так же от температуры газов, и мощности источника воспламенения. Мощность электроискрового запальника не идет не в какое сравнение с мощностью воспламенившегося газа. Потому, то, что не воспламенилось у запальника, пока не было набрано нужное давление (несколько большее 6 кПа) легко воспламенится от горящей газовой смеси.
Давление в трубе и подводящих трубопроводах резко возрастет.
Увеличившееся давление может остановить на короткое время подачу газов - если давление в баллонах и трубопроводах недостаточно высокое. И пламя "сорвется". Затем все может стабилизироваться, а может и нет, и будет пульсация давления.
Если длинная труба имеет изгибы или расширения и сужения, то возможен эффект отражения детонационной (ударной) волны.
Другой вариант для вакуума - вместо длинной трубы - сужение:
Все то же самое, что и с предыдущим вариантом, но значительно меньший объем смеси на момент воспламенения.
При запуске в вакууме нужно будет обеспечить достаточный приток газов, для создания нужного давления, превышающего 6 кПа. При воспламенении будет так же скачек давления. Возможно и отраженная ударная волна.
Но тем не менее - воспламенение по этой схеме не просто возможно - оно реализуемо и реализовано. При сравнительно небольшом размере камеры и при достаточном давлении на подаче газов.
В "Прелестях водорода. Часть 3" есть схема РД-0120 ( и выше по тексту ссылка проиллюстрирована этой схемой), а в этой схеме есть элементы с обозначением ЗП1 и ЗП2 - они соответствуют нашему варианту с сужением.
Это - пожалуй минимальный используемый размер подобного устройства.
БОльшие размеры, примеры? Да пожалуйста. Это - по мере увеличения размера:
Газогенераторы "маленьких" двигателей.
Газогенераторы "больших" двигателей.
КС "маленьких" двигателей (хотя некоторые газогенераторы "больших" могут быть больше КС "малых").
КС "больших" двигателей.
Сравним, что будет происходить и меняться при увеличении размера в атмосфере и в вакууме.
Для этого нужно понимать сравнительно простую, но для многих сложную закономерность - "квадрат-куб".
Если мы увеличиваем линейные размеры, площадь возрастает в квадрате, а объем и масса - в кубе.
Рассмотренное выше устройство. При выходе газов из выходного отверстия, сопротивление выходу газов пропорционально периметру отверстия. То есть - пропорционально линейному размеру. Расход газов - пропорционален площади отверстия - то есть квадрату размера.
На малом размере при переходе от атмосферы к вакууму, для создания смеси, способной воспламениться, придется увеличить расход газов и потребное давление. Но - не очень сильно - в пределах разумного.
При переходе к бОльшему устройству - потребный расход и давление возрастет в квадрате от увеличения размера - весьма значительно.
Мощность "хлопка" или даже "взрыва" при воспламенении смеси - пропорционально массе или объему - то есть кубу линейного размера.
Малый размер
Большой размер
Избыточное давление при воспламенении
Для нашего устройства этот скачек давления - показывает, сколько нужно иметь запас давления на подаче, что бы не "сломать" процесс.
Подытожим данный "аспект" - необходимое давление для воспламенения смеси в вакууме.
При переходе к запуску в вакууме, для обеспечения заданного давления, обеспечивающего возможность воспламенения смеси, необходимо увеличивать подачу компонентов топлива. На малых устройствах - таких как запальник - это увеличение не критично. При увеличении размера устройств увеличение количества подаваемых компонентов пропорционально квадрату увеличения линейного размера.
Воспламенение компонентов смеси приводит к скачку давления. На малых устройствах, таких как запальник, эта величина скачка давления не вызывает затруднений при запуске. При увеличении размера устройства увеличение давления при воспламенении пропорционально кубу увеличения линейного размера.
На этом этапе стоит рассмотреть некий "философский" вопрос относительно аргументов и восприятия их современными людьми. В основной своей массе современные люди - "однобитные" - они не могут рассматривать одновременно несколько факторов, влияющих на то или иное событие или какой либо процесс. Одно событие - один аргумент. Если аргумент не достаточно весом - он отбрасывается, и рассматривается следующий. И следующий. Вместе - нет. Простой утрированный пример. На улице холодно и человек мерзнет. На это влияет температура воздуха, ветер, Солнце (лучистое тепло), влажность воздуха. Но современный человек все сведет к одному фактору. Таков уж "продукт" цифровизации, засилья гаджетов, а так же распространяемой идеологии про "подготовленного потребителя".
Обобщим "прелести" водорода, те, что рассмотрели ранее и то, что сейчас в короткий список:
1. Водород дает взрывоопасные смеси в очень широком диапазоне концентраций.
2. Водород в жидком виде очень "холодный".
3. У водорода очень низкая плотность, даже в жидком виде.
4. Водород с окислителем воспламеняется (при наличии источника воспламенения) от вполне определенного давления смеси (примерно 6 кПа) и выше.
Уход, даже частичный, от этих "прелестей" сразу упрощает задачу запуска двигателя в вакууме. Например - путем использования метана. Метан - так же криогенное топливо (горючее), как и водород. Но температура кипения - выше, плотность - выше, диапазон взрывоопасности - много уже. Потому СпейсИкс Илона Маска разработал и довел до работоспособного состояния "Раптор"
с тягой около 200 тс, с запуском как у земли, так и на высоте. А имея мощные двигатели, запускаемые на высоте (и "Мерлин" и "Раптор") , Илон Маск практически не пользуется "костылями" в виде "пакета" (Фалкон-Хеви есть, но весьма условно), предпочитая тандем и запуск второй ступени на высоте.
Моя попытка "уложить" всю информацию в одну статью привело к очень тяжеловесному размеру оной. Даже для завершения написания и проверки неудобно. Поэтому, все взвесив, я ее все таки раздробил на несколько частей, оставив общую "четверку".
Продолжение - часть 4.2