Ещё раз о бароне Мюнхгаузене. Нет ракеты – нет космических полётов.

Начало: https://cont.ws/post/282921

В пилотируемых экспедициях на Луну краеугольным камнем, о который, кстати, споткнулась советская лунная пилотируемая программа, является ракета-носитель. Эта ракета для выполнения полной программы полёта по т.н. «однопусковой» схеме должна – по самым скромным, теоретически минимально допустимым расчетам – выводить на низкую («опорную») околоземную орбиту груз 140 тонн полезной массы. А лучше – больше. Это как раз тот случай, при котором каждый грамм, не говоря уже о килограммах или центнерах, действительно «на вес золота» или даже на порядки дороже.

Таким образом, если не удаётся создать такую ракету, говорить собственно дальше не о чем.

Об испытательных полётах этой фантастической ракеты имеется очень противоречивая информация. Да, попытка её создания была. Вернее, во всех… двух испытательных полётах предпринимались попытки тестирования кислородно-водородных двигателей J-2 большой мощности разных ступеней, которые неизменно заканчивались неудачно. Стараясь показать некие «достижения» в процессе лётных испытаний этой ракеты, НАСА занялось банальными приписками. При проверке оных всплыли крайне неприятные (для официальной версии) нестыковки, которые НАСА даже пыталось объяснить выводом на орбиту… 9-тонной металлической болванки!

В конце концов, как мы уже знаем, вместо доводки технических решений сразу пошел «счастливый период» полётов на Луну. После этого ракета «Сатурн-5» была… списана в музеи и больше никогда не использовалась.

Взлётная масса этой ракеты, снаряжённой для полёта на Луну, согласно данным НАСА составляла 3000 тонн. А маршевых двигателей первой ступени было всего… 5 (пять). Соответственно, тяга каждого двигателя только лишь для отрыва такой ракеты от стартового стола должна быть не менее 600 тонн (по официальным данным – 690 тонн!). Этот двигатель был снаряжен лишь одним соплом (камерой сгорания), т.е. был однокамерным, и назывался F-1. И он также нигде и никогда больше не использовался. 

Максимально мощным двигателем космической ракеты на сегодняшний день является РД-180, тяга которого – 180 тонн. Но при этом у него четыре камеры сгорания, нагрузка на каждую поверхность сопла у которых составляет всего 45 тонн.  

***

Тут спорное утверждение автора, по другим данным:

РД-180 спроектирован на базе двигателя РД-170, используемого на ракетах-носителях «Энергия» и «Зенит». В отличие от четырехкамерного РД-170, двигатель РД-180 имеет две камеры сгорания и новый турбонасосный агрегат меньшей мощности, приводимый в действие одним газогенератором. Тяга РД-180 составляет 400 тонн. 

Удельный импульс показывает, сколько секунд двигатель может развивать тягу в 1 Ньютон на одном килограмме топлива.

Рекордсмены по тяге оказываются, в лучшем случае, в середине списка, если отсортировать его по удельному импульсу, а F-1 с твердотопливными ускорителями оказываются глубоко в хвосте. Казалось бы, вот она, важнейшая характеристика. Но посмотрим на лидеров списка. С показателем 9620 секунд на первом месте располагается малоизвестный электрореактивный двигатель HiPEP. (Их не рассматриваем. Не в этой статье. И не работают они в атмосфере, и хитрожопые американцы забыли написать, что тяга HiPEP указана в граммах.)

С показателем 462 секунды в лидерах среди химических двигателей окажутся отечественный КВД1 и американский RL-10. И если КВД1 летал всего шесть раз в составе индийской ракеты GSLV, то RL-10 — успешный и уважаемый двигатель для верхних ступеней и разгонных блоков, прекрасно работающий уже много лет. В теории, можно собрать ракету-носитель целиком из таких двигателей, но тяга одного двигателя в 11 тонн означает, что на первую и вторую ступень их придется ставить десятками, и желающих так делать нет.

Можно ли совместить большую тягу и высокий удельный импульс? Химические двигатели уперлись в законы нашего мира (ну не горит водород с кислородом с удельным импульсом больше ~460, физика запрещает). Были проекты атомных двигателей (раз, два), но дальше проектов это пока не ушло. Но, в целом, если человечество сможет скрестить высокую тягу с высоким удельным импульсом, это сделает космос доступней. Есть ли еще показатели, по которым можно оценить двигатель?

Напряженней

Ракетный двигатель выбрасывает массу (продукты сгорания или рабочее тело), создавая тягу. Чем быстрее летит эта самая масса, тем эффективней двигатель ее выбрасывает. И у жидкостных ракетных двигателей есть параметр, который показывает эффективность истечения продуктов сгорания — давление в камере сгорания. Чем больше давление, тем быстрее будут лететь молекулы продуктов сгорания. Двигатель с более высоким давлением в камере сгорания будет эффективнее двигателя с низким давлением на том же топливе. И если мы отсортируем список двигателей по давлению в камере сгорания, то пьедестал будет оккупирован Россией/СССР — в нашей конструкторской школе всячески старались делать эффективные двигатели с высокими параметрами. Первые три места занимает семейство кислородно-керосиновых двигателей на базе РД-170: РД-191 (259 атм), РД-180 (258 атм), РД-171М (246 атм).

Камера сгорания РД-180 в музее. Обратите внимание на количество шпилек, удерживающих крышку камеры сгорания, и расстояние между ними. Хорошо видно, как тяжело удержать стремящиеся сорвать крышку 258 атмосфер давления.

Четвертое место у советского РД-0120 (216 атм), который держит первенство среди водородно-кислородных двигателей и летал два раза на РН «Энергия». Пятое место тоже у нашего двигателя — РД-264 на топливной паре несимметричный диметилгидразин/азотный тетраоксид на РН «Днепр» работает с давлением в 207 атм. И только на шестом месте будет американский двигатель Спейс Шаттла RS-25 с двухсот тремя атмосферами. 

Про SpaceX, чуть -чуть: (ну не смог не написать)

Двигатель, который ты не можешь построить или купить, не имеет для тебя никакой ценности. Этот параметр не выразить в числах, но он не становится от этого менее важным. Частные компании часто не могут купить готовые двигатели задорого, и вынуждены делать свои, пусть и попроще. Несмотря на то, что те не блещут характеристиками, это лучшие двигатели для их разработчиков. Например, давление в камере сгорания двигателя Merlin-1D компании SpaceX составляет всего 95 атмосфер, рубеж, который инженеры СССР перешли в 1960-х, а США — в 1980-х. Но Маск может делать эти двигатели на своих производственных мощностях и получать по себестоимости в нужных количествах, десятками в год, и это круто.

Раз уж зашла речь о спейсэксовских «Мерлинах», нельзя не упомянуть характеристику, которую всячески форсили пиарщики и фанаты SpaceX — тяговооруженность. Тяговооруженность (она же удельная тяга или TWR) — это отношение тяги двигателя к его весу. По этому параметру двигатели Merlin с большим отрывом впереди, у них он выше 150. На сайте SpaceX пишут, что это делает двигатель «самым эффективным из всех когда-либо построенных», и эта информация разносится пиарщиками и фанатами по другим ресурсам. В английской Википедии даже шла тихая война, когда этот параметр запихивался, куда только можно, что привело к тому, что в таблице сравнения двигателей этот столбец вообще убрали. Увы, в таком заявлении гораздо больше пиара, нежели правды. В чистом виде тяговооруженность двигателя можно получить только на стенде, а при старте настоящей ракеты двигатели будут составлять меньше процента от ее массы, и разница в массе двигателей ни на что не повлияет. Несмотря на то, что двигатель с высоким TWR будет более технологичным, чем с низким, это скорее мера технической простоты и ненапряженности двигателя. Например, по параметру тяговооруженности двигатель F-1 (94) превосходит РД-180 (78), но по удельному импульсу и давлению в камере сгорания F-1 будет заметно уступать. И возносить тяговооруженность на пьедестал как самую важную для ракетного двигателя характеристику, по меньшей мере наивно.

Вывод

Как вы уже, наверное, догадались, введение было написано несколько провокационно (простите). На самом деле, у ракетных двигателей нет одного параметра, по которому их можно выстроить и четко сказать, какой самый лучший. Если же пытаться вывести формулу лучшего двигателя, то получится примерно следующее:

Самый лучший ракетный двигатель — это такой двигатель, который вы можете произвести/купить, при этом он будет обладать тягой в требуемом вам диапазоне (не слишком большой или маленькой) и будет эффективным настолько (удельный импульс, давление в камере сгорания), что его цена не станет неподъемной для вас.

****

Но продолжим:

И этот двигатель (РД-180)… продается Россией в США для использования на тамошних ракетах класса «Атлас». А своего двигателя большей или хотя бы сравнимой мощности с 180 тонн у США до сих пор нет.

Да что там говорить о 180-тонном двигателе, если с 2011 года оказалось, что у США вообще нет средств для доставки космонавтов даже на околоземную орбиту! После вывода из эксплуатации (как экономически не оправдавшего себя) комплекса «шаттлов» доставкой пилотируемых кораблей-наследников советских «Салютов» на околоземную орбиту к Международной Космической Станции занимаются исключительно ракеты-наследники советских «Союзов» – «Союзы-ТМ», а полезных грузов и топлива для обеспечения функционирования МКС – наследники советских «Прогрессов»-космические «грузовики», выводимые на орбиту ракетой-наследницей советского «Протона». Это – реальные космические системы, обеспечивающие полёты в космос.

А что имеется у НАСА для доставки людей в космос по состоянию на 2012 год? Ничего.

Если бы существовал двигатель с тягой 690 тонн, это радикальным образом изменило бы всю пилотируемую космонавтику. Для создания обитаемых космических станций на околоземной орбите достаточно было бы двух-трёх пусков сверхтяжелых ракет с выводом на орбиту полезного груза по 140 тонн, а не 10-15 тонн – максимум 24 тонны (с помощью «шаттла»), как это вынужденно происходит по сегодняшний день. Кроме этого, минимум 10-15% всей массы отдельных космических аппаратов должны составлять стыковочные узлы, переходы, шлюзовые камеры. Из-за этого масса бесполезных стыковочных переходов на больших станциях (типа «Мир» или МКС) доходит до 25% от общей массы всего комплекса, который нужно время от времени доразгонять, используя лишние тонны горючего, постоянно охлаждать, контролировать герметичность и т.д.

Исходя из такого невероятного расточительства НАСА, похоронившего уникальную ракету и не менее уникальный двигатель, исследователи всегда очень живо интересовались техническими характеристиками того и другого. Выяснилось много чего интересного… Среди прочего, например, то, что материал сопел двигателей F-1 не может выдерживать заявленные нагрузки по давлению и температуре, возникающие в рабочем режиме его использования. Этот материал попросту разлетелся бы на куски при подобных нагрузках. В конце 60-х по этому поводу можно было навешать макарон на уши хоть всему миру, но за последние 40 лет материаловедение достигло такого уровня, что вышеуказанную информацию можно просто и легко проверить с помощью специализированных справочников и программ. Но об этом, конечно, в новостях вам никто не расскажет, просто «уже никто никуда не…» летит.

Сами же неиспользованные ракеты «Сатурн-5», переданные в музеи, вдруг начали… ржаветь. Понятно, что материалы, используемые в космической ракетной технике, ржаветь не могут по определению, поскольку они не состоят из низкокачественной стали или железа. Но для хранения ракет «Сатурн-5» потребовался ремонт и покраска, дабы очередной ляп легенды НАСА не бросался в глаза хотя бы посетителям музея.

Но что же за ракеты стартовали «на Луну» при большом стечении публики?

О, барон Мюнхгаузен, как мы помним, был не только самым смелым и сильным, но исключительно находчивым! Без изрядной доли находчивости – на грани фокуса – и здесь не обошлось.

Когда появились современные развитые средства для анализа видеоматериалов, отснятых при стартах «лунных» экспедиций на ракете «Сатурн-5», выяснились очень пикантные подробности начальных этапов этих полётов.

Во-первых, на сегодняшний день невозможно различить, какие именно двигатели работают у этих ракет – F-1, двигатели ракеты «Сатурн-1В» или какие-либо другие кислородно-керосиновые двигатели, имеющиеся у НАСА под рукой на то время; например, от неких МБР, одолженных по случаю у военных.

Во-вторых, различными исследователями, среди которых выделяются имена Покровского, к.ф.м.н. Попова и других, были выполнены независимые оценки скорости данной ракеты в различные моменты полёта и на разных высотах на основе имеющихся официальных видеоматериалов НАСА и любительских киносъёмок. Для этого применялись методики оценки скорости по углу конуса Маха, по динамике деформирования взрывного облака в момент завершения работы первой ступени, по времени достижения ракетой слоя высотных перистых облаков, по угловому размеру ракеты и некоторые другие.

Все эти методики показывают хорошую сходимость результатов, что само по себе подтверждает корректность поставленных задач и достаточную точность их решений. Так вот, на наблюдаемых участках полёта ракет «Сатурн-5» во время официально заявленных НАСА пусках экспедиций «на Луну», скорость оказалась не менее чем в два раза меньшей, чем официальные данные НАСА по динамике разгона. Другими словами, наблюдаемые ракеты «Сатурн-5» в первые минуты их полёта, до и после отделения первой ступени, летят вовсе не в космос, так как набора первой космической скорости не происходит. Видеозаписи показывают, что остатки ракеты после завершения работы двигателей первой ступени (неизменно заканчивавшиеся мощнейшим взрывом непонятной природы) летели по свободной баллистической траектории на восток с космодрома НАСА, находящегося на западном берегу Атлантического океана. При этом скорость движения этой потешной ракеты в этот момент составляла приблизительно 1100 м/сек (или ~4000 км/час).

При этом официальные данные, которые приводятся также и в Википедии, гласят: «В течение своих двух с половиной минут работы, пять двигателей F-1 поднимали ракету-носитель Сатурн-5 на высоту 68 км, придавая ей скорость 9 920 км/ч.». Это ложь.

      Посмотрите небольшой отрывок из документального фильма «Moonwalk One» 1970 года выпуска, в котором снят момент отделения первой ступени ракеты «Сатурн-5».

Обратите Ваше внимание на момент странного перебоя в работе двигателей, который происходит за двадцать секунд до момента разделения ступеней. Ничего подобного в реальных космических полётах не происходит. Ракетные двигатели не работают с перебоями, как двигатель в автомобиле с плохо отрегулированным карбюратором. Но, поскольку такой перебой налицо, придётся признать, что в данной конкретной ракете имеются, мягко говоря, некоторые технические проблемы, например, с насосами, подающими компоненты ракетного топлива в камеру сгорания.

Далее происходит момент «отделения» первой ступени «Сатурна-5» в виде невероятно мощного взрыва, выбрасывающего облака газов далеко вперед (!) от летящей ракеты, после которого чётко и ясно видно, что никакого включения двигателей последующей ступени ракеты не происходит. Вместо этого спустя пару десятков секунд отбрасывается кольцеобразный переходник, а также часть оборудования передней части ракеты, имитирующего САС. При этом, в момент отделения САС отчётливо видно, что ракета продолжает полёт в достаточно плотных слоях атмосферы, поскольку после отстрела САС его тут же постепенно сносит назад, как и кольцевой переходник.

Если бы у этой ракеты действительно работали двигатели второй ступени, кольцевой переходник отбросило бы назад с достаточно большим ускорением и он скрылся бы из кадра буквально через секунду. То же самое относится и к САС, отстреливаемой с передней части ракеты, которая ещё долгое время летит параллельно ракете и постепенно отстаёт от неё. Ведь ракета, имея форму пули, обладает лучшими аэродинамическими характеристиками, поэтому её торможение в верхних слоях атмосферы происходит несколько медленнее, чем у переходника и остатков САС.

Вполне прогнозируемо видеоролик на этом заканчивается, поскольку долго показывать полёт простой болванки, в которой не работают никакие ракетные двигатели, постеснялись даже тогда. Дело в том, что для вывода полезного груза на околоземную орбиту по официальной версии НАСА у ракеты «Сатурн-5» должна была полностью отработать первая ступень (а мы видим, что после феерического отстрела первая ступень продолжает отрабатывать двигателями – что за странная расточительность и нерасчётливость !?), потом – полностью вторая ступень, и далее ещё частично третья ступень! Лишь после этого связка «Орла», посадочной лунной платформы, командного модуля «Коламбия» и третьей ступени ракеты должна была оказаться на опорной околоземной орбите.

Но записные шуты из ЦУПа, одетые подозрительно одинаково, с нахлобученными на головы гарнитурами 60-х годов выпуска наверняка этого не знают. Они вообще непонятно чем занимаются: крутят головами, постоянно норовят выскочить с места – короче, никакой иллюзии сосредоточенности и невероятного груза ответственности не наблюдается…

Показательно, что сразу после ухода остатков ракеты из области видимости, когда произошло отделение лишь первой ступени, «специалисты» ЦУПа, вернее имитирующие их актёры, вместе с самим Вернером фон Брауном, побросали все свои занятия (которые до этого времени сводились к сидению за мониторами и наблюдениям за ракетой через бинокли), начали вставать, очень радоваться и поздравлять друг друга, как будто астронавты уже возвратились на Землю с Луны, а не продолжается выход лишь на околоземную орбиту… Но такая радость и беспечность понятна, если знать, что весь «полёт» на этом завершен, а далее просто включена заранее смонтированная запись переговоров между экипажем и ЦУПом, т.е. Луна, можно смело сказать, послезавтра уже «покорена»…

Итак, далее все остатки ракеты продолжают полёт по свободной баллистической траектории. Наверняка после полёта над Атлантикой внешняя обшивка передней части ракеты-пустышки разрушается (возможно, также принудительно, как и при отстреле первой ступени) при входе в более плотные слои атмосферы, а спускаемый аппарат немного обгорает и падает в воду.

       Красноречивым подтверждением сказанному выше являются фотографии стартующих «Сатурнов-5.

Согласно официальной схеме компоновки топливных баков в разных ступенях данной ракеты, вторая и третья ступень якобы работали исключительно на криогенных топливных компонентах – сжиженном кислороде и водороде. Однако, во время старта отчетливо видно, что сжиженный газ находится только в первой – нижней – ступени ракеты, 

поскольку «шуба» намерзшего на поверхность первой ступени атмосферного водяного пара начисто отсутствует на поверхностях второй и третьей ступеней, где якобы плещется ни много-ни мало 1253200 литров жидкого водорода и 423350 литров жидкого кислорода!

Получив и проанализировав хотя бы один непрерывный видеоролик запуска ракеты «Сатурн-5», любой грамотный баллистик с достаточной степенью точности смог бы рассчитать предполагаемое место падения верхней части такой ракеты, что и было сделано в конце 60-х годов советскими специалистами. Что из этого получилось – об этом отдельный увлекательный рассказ в следующем разделе. А пока ещё раз вернёмся к описанию уровня находчивости баронов Мюнхгаузенов из НАСА.

Ошалевшей от великих «успехов» в покорении Луны публике после «возвращения с Луны» нужно было показать – хотя бы мельком – спускаемый аппарат, на котором доблестные астронавты будто бы только что возвратились на Землю. Капсула этого аппарата должна иметь характерные повреждения от горения в высокотемпературной плазме во время торможения в атмосфере: абляционная защита должна была частично сгореть, мелкие выступающие части – быть обугленными или оплавленными. Чтобы не повторять прежних ошибок (как с капсулами «Джемини», на которых после приводнения «из космоса» гордо красовались свежеокрашенные в белый цвет антенны и надписи), в НАСА решили убить двух зайцев: показать многочисленной публике ракету, улетающую «на Луну», и одновременно поджарить в плотных слоях атмосферы спускаемый аппарат, который ещё предстояло найти в водах восточной Атлантики с помощью большого количества американских военных кораблей и подводных лодок.

Насколько удалось бы поджарить в атмосфере макет спускаемого аппарата с помощью такой ракеты, сказать трудно. Поэтому, не исключено, что данную работу немного доделывали прямо на земле.

       Потом этот спускаемый аппарат перевозили к месту возвращения экспедиции «с Луны», цепляли к парашюту и сбрасывали с вертолёта, записывая «последние минуты» славной лунной экспедиции. В этот момент вся военно-пропагандистская машина США была исключительно честной и искренней, показывая возвращение на Землю очередных героев в прямом эфире! Народ плакал от переизбытка чувств…

Советские ракетчики озадаченно чесали затылки. К сожалению, тогда ещё работал «железный занавес», поэтому информации к вероятному противнику не поступало практически никакой. Ну слетали, куда надо. Вот и всё. Но если бы тогда по советскому телевидению показали хотя бы кадры встречи астронавтов, которых извлекают из только что приводнившейся капсулы (не говоря уже о многом другом), ничего, кроме гомерического хохота, эта комедия вызвать не смогла бы. Человек, переживший торможение в атмосфере Земли по однонырковой схеме от второй космической скорости с перегрузками минимум 12G – максимум 40G, точно не смог бы радостно улыбаться, махать руками и бегать по палубе авианосца. Как минимум ему потребовалась бы срочная реанимационная помощь, а как максимум – останки астронавтов ещё долго отскребали бы от внутренностей капсулы. Ну, разве что при зашитой заднице и герметически задраенном скафандре останки находились бы в своеобразных мешках…

Но не будем такими кровожадными, ведь живых людей никто в здравом уме не стал бы подвергать таким закритическим перегрузкам и прочим опасностям, о которых немало будет сказано далее.

Продолжением является: Источник: http://otstoja.net/st2/6/