скачать книгу бесплатно
Мифология НАСА в изложении специалиста по тракторам и комбайнам, выпускника сельскохозяйственного института, «ракетчика» Шунейко И. И.: «Лунный корабль фирмы Grumman Aircraft Engineering Corp. (США) имеет две ступени: посадочную и взлетную. Посадочная ступень, оборудованная самостоятельной двигательной установкой и шасси, используется для снижения лунного корабля с орбиты ИСЛ и мягкой посадки на лунную поверхность. Взлетная ступень с герметической кабиной для экипажа и самостоятельной двигательной установкой перевозит астронавтов с поверхности Луны на орбиту ИСЛ в командный отсек. Ступени соединены четырьмя взрывными болтами. Взлетная ступень имеет 3 основных отсека: отсек экипажа, центральный отсек и задний отсек оборудования. Герметизируются только отсек экипажа и центральный отсек, все остальные отсеки лунного корабля негерметизированы. Объем герметической кабины 6,7 м?, давление в кабине 0,337 кг/см?. Высота взлетной ступени 3,76 м, диаметр 4,3 м. Конструктивно взлетная ступень состоит из шести узлов: отсек экипажа, центральный отсек, задний отсек оборудования, связка крепления ЖРД, узел крепления антенн, и тепловой и микрометеорный экран.
Цилиндрический отсек экипажа диаметром 2,35 м, длиной 1,07 м (объемом 4,6 м?) полумонококовой конструкции из хорошо сваривающихся алюминиевых сплавов марок 2219—Т8751, 2210—Т81, 2239—Т851, имеющих изотропные характеристики, предел прочности на растяжение 44,3 кг/мм?, предел текучести 35,1 кг/мм?, одинаковые во всех направлениях, минимальное удлинение 5%». Взлетная ступень лунного корабля. Ерунда это все. Я написал, если бы взлетела, ибо самое непонятное для меня заключается в том, что неясно: а где собственно газоотвод для осуществления взлета и работы ЖРД взлетной ступени? Судя по следующим фотографиям, этот вопрос остается открытым, в центре должен находиться ЖРД посадочной ступени и аппаратура автоматики управления. А куда взлетный факел от работающего ЖРД будет истекать? Как сказано в (1) «Посадочная ступень лунного корабля в виде крестообразной рамы из алюминиевого сплава несет на себе в центральном отсеке двигательную установку с посадочным ЖРД фирмы STL. В четырех отсеках, образованных рамой вокруг центрального отсека, установлены топливные баки, кислородный бак, бак с водой, гелиевый бак, электронное оборудование, подсистема навигации и управления, посадочный радиолокатор и аккумуляторы». Никакого газоотвода не предусмотрено. Взлетная ступень тоже глухо сидит впритык, никаких тебе зазоров, газоотводных ферм или отверстий.
К тому же конструкция собрана из тонколистового металла и не рассчитана на сильные газодинамические возмущения. Немного о том, во что упирается сопло взлетной ступени ЛМ. Так вот, ряд любознательных читателей после первых публикаций начали вопрошать: да быть такого не может! Есть там зазор! Есть и все тут! И даже такой как нужно. О том, какой нужно зазор поговорим ниже, а о том, каков он есть, поговорим прямо сейчас. Как в таких случаях говорят – лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать – итак, вот он – зазор! На фотографиях выше хорошо видно, что срез сопла на одном уровне с плоскостью днищ баков, а они фактически лежат на нижней ступени. Вам видно? Нет? Тогда еще снимок в полете – срез сопла и поверхности днищ баков практически принадлежат одной плоскости. Поскольку некоторые особо ретивые критики выдвинули гипотезу, что газ прорывался вниз, в отсек посадочного ЖРД, то необходимо решительно опровергнуть этот «слух»: Снизу под соплом взлетного двигателя стоит теплозащитный щит, или Ascent Engine blast deflector (на рисунке №104). Зачем вообще нужен зазор перед соплом? Хотя все вполне очевидно, тем не менее, после первой публикации этого факта возникла масса вопросов у читателей: зачем вообще нужен газоотвод, газорассекатель, кому нужен зазор, и какой должен быть его размер? Задача сводится к бассейну с двумя трубами – в одну трубу вливается, в другую выливается… Если вливаться будет больше, чем выливаться, то бассейн переполнится.
Другими словами, если приход газа из сопла в область под соплом двигателя будет превышать количество выхода газа наружу, то давление газа в области под соплом будет резко расти. Произойдет лавинообразный заброс давления, который приведет к микровзрыву. Такие микровзрывы часто происходят при запусках ЖРД и без всякой преграды! Порой это приводит к серьезным поломкам, а то и авариям. Просто преграда усиливает эффект в десятки-сотни раз. В нашем случае это может привести к разрушению соплового насадка ЖРД ЛМ. Теперь, давайте рассчитаем минимально необходимое значение зазора между соплом и нижней поверхностью. Автор для начала вооружился компьютерной программой расчета термодинамических параметров и обнаружил, что для взлетного двигателя ЛМ который работает на аэрозине-50 и азотном тетроксиде при массовом отношении окислителя к горючему 1,6:1 при давлении в камере сгорания ~8,4 кгс/см
и степени расширения 45,5:1 (расходный диаметр сопла ~0,79 м) будет наблюдаться следующая картина (с учетом реальных потерь и частичном догорании продуктов диссоциации газа в сопле):
В камере сгорания: температура Тк~3000К; показатель адиабаты ?~1,23; молярная масса Мк~20,7 г/моль;
На срезе сопла: температура Тс~1150К; показатель адиабаты ?~1,26; молярная масса Mс~21,2 г/моль;
Итого: удельный импульс I~310 сек (оценка); скорость газа ~2890 м/с; тяга F~15,3 кН при расходе топлива m`=5,05 кг/с.
Сечение №1 площади среза сопла S
= ?R?. При этом у газа есть только два «разрешенных» направления для истечения наружу – перпендикулярно оси тока газа из сопла. Сечение №2 имеет форму боковых стенок мнимого цилиндра, имеющего высоту h зазора между соплом и нижней частью ЛЕМ-а, и диаметр D – равный диаметру сопла.
Площадь такого сечения S
= ?Dh.
Условие баланса массы втекающего и истекающего газа запишем через секундный расход массы:
?
W
S
= ?
W
S
здесь W
,W
-скорость течения в сечениях №1, №2; ?
, ?
-плотность газа в сечениях №1, №2. Теперь построим следующую модель процесса. Сразу оговорюсь, что описание таких процессов носит во многом характер приблизительных аппроксимаций. Введем следующие допущения: сверхзвуковая струя газа тормозится о стенку, теряет кинетическую энергию и сильно нагревается. При этом часть теплоты поглощается из-за реакций диссоциации в газе, некоторая част передается стенке. После торможения, газовая волна «рассеивается», при этом газ изотропно расширяется во все стороны в виде волн «разрежения» (с местной скоростью звука); процесс перетекания газа из сопла наружу носит стационарный (установившийся) характер; цилиндрическая область между стенкой и соплом есть условный сосуд, давление газа вне сопла установилось и не превышает давления на срезе сопла p
? p
Тем самым мы исключаем режим «перерасширения» сопла. Поскольку ряд читателей задавали вопросы: откуда автор это все взял – отвечаю. Подобная модель базируется на общих принципах, описанных в книге «Расчет и проектирование систем разделения ступеней ракет», Колесников К. С., Кокушкин В. В., Борзых С. В., Панкова Н. В., МГТУ им. Баумана, 2006 г.». В публикации Рассмотрены проблемы, связанные с расчетом и проектированием систем разделения многоступенчатых ракет и ракетно-космических комплексов. Содержание учебного пособия используется при чтении лекций в МГТУ им. Н. Э. Баумана.
Тогда имеем скорость звука: а
=W
=?RT
/M; Для химически нейтрального идеального газа при отсутствии работы над газом, теплообмена и потерь на трение закон сохранения энергии для газа можно записать в следующей форме: I
= CpT
+ ?W
= CpT
+ ?W
где I
= const – полная энтальпия торможения
Важное примечание. Закон сохранения энергии в таком виде уместен лишь в случае постоянной изобарной теплоемкости, т. е. Cp=const. В общем же случае: Cp?const; ?Cp/?T?0;
Тогда закон сохранения энергии для изоэнтропного течения перепишется так: I
= Cp
T
+ ?W
= Cp
T
+ ?W
;
Для смеси газов, состоящей из продуктов сгорания ракетного топлива, практически всегда можно утверждать, что изобарная теплоемкость даже для фиксированного состава газа незначительно растет с ростом температуры. Поэтому почти всегда, если T
T
то Cp
Cp
. Кроме того, смесь продуктов сгорания ракетного топлива постоянно находится в состоянии поиска химического равновесия, которое при разных температурах и давлениях может установиться при различном составе газовой смеси. Тут дело, вот какого рода: при различных температурах будет разная степень диссоциации многоатомных газов. Скажем, при температурах до T <1500 K диссоциация носит незначительный характер. При Т=2000 К (р=1атм) диссоциации подвергнуться уже 0,7% молекул Н
О и 1,5% СО
. Но уже при Т=3000 К (р=1атм) диссоциации подвергнуться 25% молекул Н
О и 45% СО
.
Диссоциация каждой молекулы сопровождается поглощением теплоты, т.е. уменьшает теплоту реакции горения. Если бы не было диссоциации, то температура горения углеводородов превышала бы Т ? 5000К, но на практике, благодаря потерям теплоты на термическую диссоциацию, температура горения будет на 30% ниже. При ударном торможении потока газа о стенку необходимо учитывать как температурную диссоциацию, которая будет ограничивать нагрев газа, так и теплообмен со стенкой, который, безусловно, будет иметь место. Поэтому, общая форма уравнения для закона сохранения энергии газа при переменной теплоемкости, с учетом потерь на диссоциацию и теплообмен со стенкой, примет вид:
Cp
T
+ ?W
= Cp
T
+ ?W
+?I = Cp
T
+ ?W
+ (Cp
-Cp
) T
+?I
Опуская индекс при Cp
, перепишем уравнение для закона сохранения так:
CpT
+ ?W
= CpT
+ ?W
+ (?CpT
+?I); где Q= (?CpT
+?I).
Таким образом, введя некие тепловые потери Q, физический смысл которых объяснен выше, мы можем привести уравнение для закона сохранения энергии газа к более удобному «адиабатическому» виду (при постоянной изобарной теплоемкости), известному по школьному курсу физики. Для неидеального торможения газа о стенку:
CpT
+ ?W
= CpT
+ ?W
+Q;
Выразим потери энергии газа при ударе через долю кинетической энергии:
Q=? (?W12); где ? – процент потерь при ударе о стенку.
Подставляя в уравнение
W
=?RT
/M; Q=? (?W
) и учтя, что
Cp= (R/M) ?/ (?-1) имеем:
?T
/ (?-1) + ? (1-?) (M/R) W
= ?T
/ (?-1) + ??T
; Отсюда
T
= (? T
/ (? -1) +1/2 (1- ?) (M/R) W??) / (у (у-1) +1/2у)
При ?1=1,26; T1=1150 К; W1=2890 м/с;
