По оф версии, у космической капсулы Меркурий была только испарительная система охлаждения - тем самым сублиматором.
Немного предыстории.
Первыми на штурм нижней границы космоса в США бросили ракетопланы - тот известный Х-15
И в данном случае не обошлось опять без теплотехники - то есть охлаждения. При высоких, гиперзвуковых скоростях кинетический нагрев (иначе называют трением о воздух) - просто неизбежен. Темная поверхность ракетоплана - для улучшения излучения тепла - вспоминаем про замерзший Аполлон-13 и Стефана-Больцмана - насколько это возможно.
Но внутри - пилот - и его тоже нужно охлаждать.
При кратковременных полетах это обычно делают вентиляционной системой - запас кислорода или воздушных смесей несколько больший, чем нужно для дыхания, он, кислород или смесь проходит через скафандр в бОльшем количестве и уносит лишнее тепло.
Пока капсулу Меркурий отправляли в суборбитальный полет (что вполне реально - только по мнению автора официальная хронология с реальностью несколько расходится) - вполне хватило бы и вентиляционной системы.
Черная поверхность - радиационное охлаждение при выведении и спуске, по аналогии с Х-15. Хотя при возврате не все однозначно...
Но когда ее "отправили" в орбитальный полет - про охлаждение "забыли".
Очень спешили догнать СССР.
В космосе нет кинетического нагрева. Зато есть нагрев Солнцем, и охлаждение излучением. И для первого и для второго важным является степень черноты тела, которое нагревает солнцем и охлаждает излучением.
На МКС
по имеющимся данным на солнечной стороне температура может достигать (на поверхности, разумеется) до 120 градусов Ц, а на теневой - до -154. Что близко к температурам лунной поверхности.
И это при том, что теплоизоляция вовсе даже не черная.
Восток - поверхность - полированный алюминий
и радиаторы лучистого охлаждения на приборно-агрегатном отсеке.
С Меркурием - все не так.
Капсулу оставили черной - хорошо принимающей тепло, и излучающей.
На солнечной стороне - перегрев от пилота, электрооборудования и от Солнца.
На теневой - интенсивное охлаждение поверхности. Общий баланс - в плюс.
Видимо на этом этапе инженеры достучались до "эффективных менеджеров":
- Что вы, балбесы, делаете??? Ведь любой. немного разбирающийся в теплотехнике, скажет, что бред? Никакой кинетический нагрев на этапе выведения не стоит того, что будет происходить в космосе!
"Балбесы" поняли критику, и КК Аполлон сделали блестящим:
КМ весь оклеен блестящей пленкой.
Но и с Меркурием ситуацию нужно было спасать. Его последователь - Джемини - обзавелся агрегатным отсеком - служебным или сервисным модулем
на котором разместили большущие радиаторы системы лучистого охлаждения. Что бы отводить все то большое количество тепла, которое вливается на солнечной стороне.
Как видите - сервисный модуль покрасили в белый цвет...
Почему не покрасили в белый цвет саму капсулу?
Ну это совсем просто. Если так сделать, то практически любому станет понятно, что с Меркурием что то не так. Значительно проще сделать более эффективную систему охлаждения.
Для Меркурия придумали "палочку-выручалочку" - сублимационную или испарительную систему охлаждения. Которая в принципе может работать и может обеспечить требуемые параметры.
Вот только между принципиальной возможностью и реально работающим оборудование, надежно работающим по такому весьма непростому принципу - дистанция большого размера...
Системы охлаждения КА - одна из причин (повторяю - ОДНА ИЗ) которые позволяют мне говорить:
- Меркурия в орбитальном полете не было
- Джемини мог, и скорее совершил один-два витка по орбите.
- Аполлон мог уверенно летать на НОО в пилотируемом варианте.
Перейдем к основной теме.
В предыдущей статье я достаточно подробно пояснил - чего не понимаю в работе сублиматора
"Теперь описание: пористая пластина, вода пропитывает поры. С одной стороны жидкая вода и давление, с другой вакуум. Жидкая вода, соприкасаясь с вакуумом, активно испарятся, замерзает и закупоривает поры.
То есть, мы имеем этакую "губку", только весьма мелкопористую. С одной стороны поры забиты льдом - никакого движения воды в порах быть не может.
Лед сублимирует, отбирая тепло, и оставшаяся в порах жидкая вода в конце концов вся замерзает.
Лед испаряется в вакуум, постепенно освобождая поры. До тех пор, пока граница лед-вакуум на дойдет до второй поверхности "губки". После этого вода вновь должна каким то образом пропитать эту "губку" водой м процесс должен повторится.
Значит сублиматор работает периодически? Рабочий цикл, затем подготовка, второй рабочий цикл? А во время подготовки - охлаждения нет? Значит их, сублиматора, должно быть два?
Или каким то образом сублиматор работает непрерывно? Но по попадавшимся мне описаниям этого не видно.
Такой вот возник интересный (для меня) вопрос. Незнакомый мне ни по образованию, ни по всей разнообразной последующей деятельности."
Но для большинства комментирующих (это в основном "немоглики") это оказалось непомерно сложным и они ответили примерно так:
- Все просто - нажал кнопку - и все работает.
Хотя и "моглики" отметились:
Александр Федоров:
"Вода в вакууме не превращается в лёд. Физику учи! Вода, при быстром испарении может замерзать, а потом превращается в пар, минуя жидкую фазу, охлаждая оставшееся. Вода подаётся постоянно, так что льда не будет."
Вот так просто - вода в лед не превращается, но одновременно с этим - замерзает. Но не замерзает... "Моглик" - ну что с него возьмешь...
Отметившийся dimlar64 - ничуть не лучше..
Разберем процесс.
Возьмем 100 г воды в точке 1 - температура 50 градусов - и быстро переместим в точку 2.
При пониженном давлении вода начнет активно испаряться. На переход в пар 1 г воды нужно 590 калорий тепла. Это тепло берется из теплоемкости воды - вода охлаждается. 1 г воды при температуре 50 градусов содержит 50 калорий тепловой энергии.
Соответственно до охлаждения до нуля в пар уйдут эти 50 калорий - испарится 8 г воды. Останется 92 г воды в жидком виде.
Мы пришли в точку 3.
Но испарение в вакууме не прекратится, только скорость испарения уменьшится в сравнении с тем, что было при 50 градусах.
Но так как вода остыла до нуля - и продолжается отбор тепла - она начинает замерзать.
На переход в лед 1 г воды нужно удалить 80 калорий тепловой энергии (это тепло выделится). На это уйдет 13 г воды. Поучили "льдышку весом в 79 г. с температурой в ноль градусов.
Мы по прежнему в точке 3.
Но если вы посмотрите на диаграмму - лёд при таких параметрах (температура и давление) существовать не может - только пар. И лед продолжает испаряться, переходя в парообразное состояние, хотя скорость испарения - еще меньше, чем у воды с нулевой температурой.
Откуда тепло на испарение льда? Из его теплоемкости. Он продолжает охлаждаться и попадает в точку 4.
Немного не так, на самом деле - точка 4 на границе лёд - пар. В этой зоне - на границе и за границей лёд существует очень долго - можно сказать, что он не испаряется совсем.
Если мы теперь, не меняя давления, подогреем лёд - так, что он вернется в газообразную зону - то лёд начнет достаточно активно испаряться, без перехода в жидкую фазу.
Что интересно - так это то, что если мы уберем нагрев - лёд снова вернется в точку 4 и испарения не будет. Нагреем - снова будет испаряться.
На этом принципе основана сублимационная сушка продуктов. Продукт, даже самый нежный - быстро замораживают, помещают в вакуумную камеру.
Лед начинает испарятся, охлаждаясь при этом, и попадая в зону длительного существования. Зона 4.
Что вы его оттуда извлечь - переместить в зону пара - нужно подогреть. Для этого используют или контактный нагрев или инфракрасный - конвекция в вакууме не работает.
Есть другой бытовой пример сублимации, вполне себе в атмосфере:
В штиль и пасмурную погоду никакой сушки нет - замерзло и может неделями висеть, не меняясь. Аналог точки 4. Почти но не совсем.
Но если есть солнце - хотя и мороз под 40, или есть ветер, а еще лучше и то и другое - сушка весьма успешна. И жидкой воды при этом не образуется.
