Спуск американских и русских аппаратов: сравнение
Многие исследователи американского космического обмана, в том числе Александр Попов, Сергей Еременко, Анатолий Панов и другие справедливо указывают на отсутствие видимых следов термического воздействия в виде нагара на стенках приводнившихся капсул «Меркурий» и «Джемени».
Даже простое визуальное сравнение спускаемых аппаратов СССР и США после их приземления говорит о совершенно разной физике процесса.
Спускаемый аппарат «Меркурий» МА-6
Спускаемый аппарат «Союз»-37
На фото ни малейших следов нагара на стенках капсулы
Вся поверхность покрыта продуктами коксования теплозащиты
Небольшое отступление: почему вообще должны быть следы нагара на поверхностях спускаемого аппарата?
Нагар − это результат работы абляционной теплозащиты!
Поскольку не все читатели знакомы с физикой данного вопроса, прочитаем для них небольшую, но крайне полезную лекцию.
Термодинамика для «чайников»
Для тех, кто плохо разбирается в космических кораблях, но хорошо разбирается в чайниках, предложим следующую аналогию: спускаемый аппарат космического корабля - это тот же чайник для газовой плиты, только очень большой и немного странной формы…
При всех натяжках, эта аналогия очень точно объясняет суть работы теплозащиты спускаемого аппарата.
Механизм работы теплозащиты изложим в форме вопросов и ответов.
1. Правда ли, что спускаемые аппараты делают из жаропрочных металлов и сплавов?
Нет, не правда. Советские пилотируемые спускаемые аппараты, начиная с первого «Востока», изготовляли из легкоплавких алюминиевых сплавов для облегчения веса конструкции. При этом алюминиевая обшивка кабины грелась незначительно - не выше +50°С, что давало космонавтам возможность совершать полет в простых спортивных костюмах, без скафандров (начиная с «Восход-1» и вплоть до злополучного «Союз-11»). Например, в быту мы совершенно спокойно греем воду в простом алюминиевом чайнике. Никому даже в голову не придет делать чайник из титана, никеля или жаропрочной стали!
2. Правда ли, что спускаемый аппарат сгорает при торможении в атмосфере из-за слишком высокой температуры воздуха в ударной волне?
Нет, не правда. Например, температура пламени горелки газовой плиты вдвое превышает температуру плавления алюминия, из которого делается кухонная посуда, например, кастрюли, те же алюминиевые чайники. Но чайнику это ровным счетом ничем не грозит, пока в нем налита вода. Поэтому, сама по себе температура газа не является единственным определяющим фактором.
3. Почему сгорает чайник?
Это тот редкий случай, когда любая домохозяйка даст фору даже доктору наук. Элементарно! Потому что в чайнике нет воды!
Теперь переведем данный ответ на язык физики. Все, что нужно знать из курса термодинамики - это то, что тепло передается исключительно от горячего тела холодному, но никак не наоборот! При этом теплообмен пропорционален разности температур двух тел, а не абсолютной температуре как таковой.
Нагревание чайника на газовой плите хорошо описывается законом Ньютона-Рихмана:
dQ = α·(tг - tст)·dS·dt
Здесь: tст и tг - температура стенки и температура газа; α - коэффициент теплоотдачи; dS - поверхность теплообмена; dt - время теплообмена
4. Что происходит с пустым чайником на огне?
Наличие позитивной разницы температур между пламенем и чайником (tг - tст) > 0 формирует конвективный теплообмен dQ от пламени на стенку чайника.
Поскольку чайник пуст, то дальше передать полученную теплоту некуда. Поэтому полученное от пламени тепло идет на повышение внутренней энергии металла - на его нагрев. Можно, конечно, сделать чайник исключительно толстостенным, чтобы нагрев металла длился как можно дольше. Но такой чайник будет очень тяжелым и дорогим, а значит - никому не нужным.
5. До каких пор будет нагреваться чайник?
Пока будет положительной разница температур пламени и стенки (tг - tст) > 0 будет конвективный теплообмен, т.е. будет нагрев чайника.
Чайник всегда стремится достичь температуры пламени: tст → tг
Поэтому пустой алюминиевый чайник «сгорит» при любой температуре пламени, будь то 1000°С, 2000°С или 5000°С. Просто с разной скоростью…
6. Что надо сделать, чтобы чайник не сгорел?
Элементарно! Налить в него воды!
7. Что происходит с полным чайником на огне?
Из-за позитивной разницы температур между пламенем и стенкой (tг - tст) > 0, тепло огня dQ передается стенке чайника.
Далее, тонкая стенка чайника передает тепло dQ воде по точно такому же закону Ньютона-Рихмана, только с другим коэффициентом α.
Поскольку масса воды значительно больше массы чайника, то чайник греется медленно.
Но, вот мы доходим до отметки, когда температура воды составит ровно 100°С.
Что будет дальше? Дальше будет происходить самый удивительный процесс - фазовый переход молекул Н2О из жидкой фазы в газовую, именуемый в простонародье - кипение.
Главная особенность фазового перехода (кипения) - оно происходит при постоянной температуре tж=const и сопровождается очень большим поглощением теплоты.
Это означает, что до тех пор, пока в чайнике остается запас воды, он будет «термостатирован» − температура воды никогда не превысит 100°С (при атмосферном давлении), сколько бы вы этот чайник ни грели!
На рисунке слева: кипячение воды в чайнике
Собственно, на этом принципе построена абляционная теплозащита спускаемых аппаратов. Только вместо воды, которую невозможно нанести на стенки спускаемого аппарата, применяется смола, которая отбирает тепло и на свое кипение, и еще на термическую диссоциацию (разложение) смолы на коксовый остаток и газы.
При этом газообразные продукты коксования смолы создают пристеночный слой, существенно уменьшающий конвективный теплообмен между теплозащитой спускаемого аппарата и разогретым до состояния плазмы воздухом.
Таким образом, все без исключения донные теплозащитные экраны орбитальных спускаемых аппаратов имели абляционное покрытие на основе органических веществ − фенольной смолы[1] («Союз»), эпоксидной смолы[10] («Аполлон»), смолы на стекловолокне[8] («Меркурий»).
Поэтому, безотносительно к тому, нанесено ли абляционное покрытие на боковые поверхности капсулы или нет, на них все равно будет образовываться нагар из-за уноса донного коксового остатка набегающим потоком воздуха
Сажа, не будучи газом и не обладая соответствующими свойствами газа, механически выносится потоком воздуха и повторяет линии обтекания спускаемого аппарата. Благодаря высокой адгезии, частицы сажи просто налипают на все боковые поверхности, образуя характерный рисунок «закопченности», который можно наблюдать на любом старом дизельном автобусе возле среза выхлопной трубы.
Стоит ли удивляться, что у многих возникли обоснованные сомнения в достоверности космических полетов капсул «Меркурий» и «Джемени»…
За океаном подобные подозрения были встречены весьма болезненно, и на борьбу с «неверными» были мобилизованы соответствующие информационные ресурсы.
Например, некто Дмитрий Зотьев, называющий себя доктором физико-математических наук в области геометрии, решил дать гневную отповедь «атеистам».
Я бы никогда не обратил внимание на это пропагандистское «наступление», если бы он сам себя не выдал в угаре полемического задора: «Другой «аргумент» от Еременко вызывает щенячий восторг у луноборцев. Он состоит в том, что «Меркурий» и «Джемини» не могли возвращаться с орбиты без абляционной теплозащиты (которая была на «Востоке»). Это - еще одна фантазия, основанная на школьной физике»[3].
Видал я разных кандидатов и докторов наук, доцентов, профессоров и даже академиков, но ни разу ни от кого из них не слышал худого слова в адрес простого школьного учителя физики, которому, если угодно, я бы поставить памятник. Ибо он, учитель физики, является фундаментом естествознания!
Вы можете потом учиться хоть всю жизнь, громоздя этажи знаний и ученых степеней. Но школа, особенно советская, навсегда останется вашим фундаментом, а без фундамента все эти чердаки рухнут, как песочные замки. Поэтому фантазии Зотьева о «школьной физике» выдают в нем неуча и невежду...
Однако, ради объективности, изложим вкратце идеологическую платформу доктора Зотьева.
Двигаясь от противного, мы разберем несколько наиболее «убедительных» доказательств из его американской «методички»[3].
Главная идея Зотьева проста, как угол дома: советские спускаемые аппараты нагревались сильнее, потому что они − советские! Поэтому они нуждались в серьезной теплозащите. Американские капсулы нагревались незначительно, потому что они − американские! Поэтому их теплозащита была упрощенной. Что тут непонятного?!
Этот идеологический догмат доктор Зотьев пытается доказать при помощи трех бездоказательных утверждений.
Аргумент №1 − НАСА использовало ручное управление при спуске в атмосферу
Доктор геометрических наук Зотьев как бы сам себе задает вопрос и сам себе отвечает:
«Возникает естественный вопрос: почему так сильно грелись «Востоки»? Ответ прост - они были слишком тупо сделаны, т.к. рассчитаны на полет и посадку в автоматическом режиме»[3].
Сильный аргумент - «слишком тупо» сделаны! Но что имел в виду Зотьев? Оказывается, вот что: «… «Восток» был примитивен. Корабль допускал лишь вращения и торможение для схода с орбиты, поэтому выбирать оптимальную траекторию снижения не приходилось» [3].
Схема космического корабля «Восток» (тип 3КА) [7]:
1 - антенны системы связи с Землёй; 2 - приборный отсек; 3 - жалюзи системы терморегулирования; 4 - сопла ориентации ТДУ; 5 - антенны системы «Сигнал»; 6 - тормозная двигательная установка; 7 - антенны телеметрии; 8 - солнечный датчик; 9 - космонавт в катапультируемом кресле; 10 - визир «Взор»; 11 - телекамера; 12 - ручка управления ориентацией; 13 - приборная доска; 14 - антенны командной радиолокации; 15 - спускаемый аппарат; 16 - баллон с азотом; 17 - иллюминатор.
При этом, доктор Зотьев противопоставляет советский «примитивный» корабль американцу: «Джемини» же имел 16 ЖРД ориентации и 16 ЖРД для изменения скорости в двух перпендикулярных направлениях, а также 4 ТТРД для торможения. Летая в режиме ручного управления, он мог себе позволить войти в атмосферу оптимально» [3]
По какой-то неведомой мне причине этот тезис о ручном управлении при спуске в атмосфере очень полюбился нашим американским «партнерам». Здесь Зотьев далеко не одинок. На всемирных просторах Интернета самым разным, совершенно не знакомым между собой людям одновременно пришли в голову абсолютно идентичные, дословно похожие, написанные, как под копирку, мысли. Зотьев оказался лишь одним из проповедников Церкви свидетелей Госдепартамента США.
Вот еще один образчик неуклюжей проамериканской пропаганды: «Помимо этого, «Меркурий» в отличие от «Востока» был именно пилотируемым кораблем. Если на «Востоке» Юрий Алексеевич был просто пассажиром (я бы даже сказал подопытным), а полет проходил в автоматическом режиме, как и ориентация аппарата, то «Меркурий» управлялся пилотом, и одна из основных задач включала в себя ручную ориентацию аппарата при спуске в атмосферу с помощью системы ориентации» [4].
Ересь сия столь вздорна, что должна быть пресечена на корню: не мог пилот капсулы «Меркурия» вручную ориентировать капсулу на участке спуска по одной простой причине − спуск «Меркурия» происходил по неуправляемой баллистической траектории в режиме «закрутки» [9] вокруг продольной оси корабля!
О том, как согласно американской технической документации должен был происходить спуск «Джемини», мы поговорим чуть позже...
[1] «Космические аппараты» Под общей редакцией проф. К.П. Феоктистова. Москва, Военное издательство, 1983г.
[2] «Баллистика летательных аппаратов» Ю.Г. Сихарулидзе, Москва, «Наука», 1982г.
[3] «Джемини» тоже не летали?» Дмитрий Зотьев, http://extremal-mechanics.org/archives/20712
[4] «Первые жестянки в космосе или КА «Восток-1» и КА «Mercury», https://pikabu.ru/
[8] «Results of the first United States manned orbital space flight», NASA, 1962
[9] «Results of the first United States manned suborbital space flight», NASA, 1961
[10] «Пилотируемые полеты на луну, конструкция и характеристики Saturn-V Apollo» М., 1973г. Серия «Ракетостроение», т.3.
https://www.free-inform.ru/pepelaz/pepelaz-15.htm
Даже простое визуальное сравнение спускаемых аппаратов СССР и США после их приземления говорит о совершенно разной физике процесса.
Спускаемый аппарат «Меркурий» МА-6
Спускаемый аппарат «Союз»-37
На фото ни малейших следов нагара на стенках капсулы
Вся поверхность покрыта продуктами коксования теплозащиты
Небольшое отступление: почему вообще должны быть следы нагара на поверхностях спускаемого аппарата?
Нагар − это результат работы абляционной теплозащиты!
Поскольку не все читатели знакомы с физикой данного вопроса, прочитаем для них небольшую, но крайне полезную лекцию.
Термодинамика для «чайников»
Для тех, кто плохо разбирается в космических кораблях, но хорошо разбирается в чайниках, предложим следующую аналогию: спускаемый аппарат космического корабля - это тот же чайник для газовой плиты, только очень большой и немного странной формы…
При всех натяжках, эта аналогия очень точно объясняет суть работы теплозащиты спускаемого аппарата.
Механизм работы теплозащиты изложим в форме вопросов и ответов.
1. Правда ли, что спускаемые аппараты делают из жаропрочных металлов и сплавов?
Нет, не правда. Советские пилотируемые спускаемые аппараты, начиная с первого «Востока», изготовляли из легкоплавких алюминиевых сплавов для облегчения веса конструкции. При этом алюминиевая обшивка кабины грелась незначительно - не выше +50°С, что давало космонавтам возможность совершать полет в простых спортивных костюмах, без скафандров (начиная с «Восход-1» и вплоть до злополучного «Союз-11»). Например, в быту мы совершенно спокойно греем воду в простом алюминиевом чайнике. Никому даже в голову не придет делать чайник из титана, никеля или жаропрочной стали!
2. Правда ли, что спускаемый аппарат сгорает при торможении в атмосфере из-за слишком высокой температуры воздуха в ударной волне?
Нет, не правда. Например, температура пламени горелки газовой плиты вдвое превышает температуру плавления алюминия, из которого делается кухонная посуда, например, кастрюли, те же алюминиевые чайники. Но чайнику это ровным счетом ничем не грозит, пока в нем налита вода. Поэтому, сама по себе температура газа не является единственным определяющим фактором.
3. Почему сгорает чайник?
Это тот редкий случай, когда любая домохозяйка даст фору даже доктору наук. Элементарно! Потому что в чайнике нет воды!
Теперь переведем данный ответ на язык физики. Все, что нужно знать из курса термодинамики - это то, что тепло передается исключительно от горячего тела холодному, но никак не наоборот! При этом теплообмен пропорционален разности температур двух тел, а не абсолютной температуре как таковой.
Нагревание чайника на газовой плите хорошо описывается законом Ньютона-Рихмана:
dQ = α·(tг - tст)·dS·dt
Здесь: tст и tг - температура стенки и температура газа; α - коэффициент теплоотдачи; dS - поверхность теплообмена; dt - время теплообмена
4. Что происходит с пустым чайником на огне?
Наличие позитивной разницы температур между пламенем и чайником (tг - tст) > 0 формирует конвективный теплообмен dQ от пламени на стенку чайника.
Поскольку чайник пуст, то дальше передать полученную теплоту некуда. Поэтому полученное от пламени тепло идет на повышение внутренней энергии металла - на его нагрев. Можно, конечно, сделать чайник исключительно толстостенным, чтобы нагрев металла длился как можно дольше. Но такой чайник будет очень тяжелым и дорогим, а значит - никому не нужным.
5. До каких пор будет нагреваться чайник?
Пока будет положительной разница температур пламени и стенки (tг - tст) > 0 будет конвективный теплообмен, т.е. будет нагрев чайника.
Чайник всегда стремится достичь температуры пламени: tст → tг
Поэтому пустой алюминиевый чайник «сгорит» при любой температуре пламени, будь то 1000°С, 2000°С или 5000°С. Просто с разной скоростью…
6. Что надо сделать, чтобы чайник не сгорел?
Элементарно! Налить в него воды!
7. Что происходит с полным чайником на огне?
Из-за позитивной разницы температур между пламенем и стенкой (tг - tст) > 0, тепло огня dQ передается стенке чайника.
Далее, тонкая стенка чайника передает тепло dQ воде по точно такому же закону Ньютона-Рихмана, только с другим коэффициентом α.
Поскольку масса воды значительно больше массы чайника, то чайник греется медленно.
Но, вот мы доходим до отметки, когда температура воды составит ровно 100°С.
Что будет дальше? Дальше будет происходить самый удивительный процесс - фазовый переход молекул Н2О из жидкой фазы в газовую, именуемый в простонародье - кипение.
Главная особенность фазового перехода (кипения) - оно происходит при постоянной температуре tж=const и сопровождается очень большим поглощением теплоты.
Это означает, что до тех пор, пока в чайнике остается запас воды, он будет «термостатирован» − температура воды никогда не превысит 100°С (при атмосферном давлении), сколько бы вы этот чайник ни грели!
На рисунке слева: кипячение воды в чайнике
Собственно, на этом принципе построена абляционная теплозащита спускаемых аппаратов. Только вместо воды, которую невозможно нанести на стенки спускаемого аппарата, применяется смола, которая отбирает тепло и на свое кипение, и еще на термическую диссоциацию (разложение) смолы на коксовый остаток и газы.
При этом газообразные продукты коксования смолы создают пристеночный слой, существенно уменьшающий конвективный теплообмен между теплозащитой спускаемого аппарата и разогретым до состояния плазмы воздухом.
Таким образом, все без исключения донные теплозащитные экраны орбитальных спускаемых аппаратов имели абляционное покрытие на основе органических веществ − фенольной смолы[1] («Союз»), эпоксидной смолы[10] («Аполлон»), смолы на стекловолокне[8] («Меркурий»).
Поэтому, безотносительно к тому, нанесено ли абляционное покрытие на боковые поверхности капсулы или нет, на них все равно будет образовываться нагар из-за уноса донного коксового остатка набегающим потоком воздуха
Сажа, не будучи газом и не обладая соответствующими свойствами газа, механически выносится потоком воздуха и повторяет линии обтекания спускаемого аппарата. Благодаря высокой адгезии, частицы сажи просто налипают на все боковые поверхности, образуя характерный рисунок «закопченности», который можно наблюдать на любом старом дизельном автобусе возле среза выхлопной трубы.
Стоит ли удивляться, что у многих возникли обоснованные сомнения в достоверности космических полетов капсул «Меркурий» и «Джемени»…
За океаном подобные подозрения были встречены весьма болезненно, и на борьбу с «неверными» были мобилизованы соответствующие информационные ресурсы.
Например, некто Дмитрий Зотьев, называющий себя доктором физико-математических наук в области геометрии, решил дать гневную отповедь «атеистам».
Я бы никогда не обратил внимание на это пропагандистское «наступление», если бы он сам себя не выдал в угаре полемического задора: «Другой «аргумент» от Еременко вызывает щенячий восторг у луноборцев. Он состоит в том, что «Меркурий» и «Джемини» не могли возвращаться с орбиты без абляционной теплозащиты (которая была на «Востоке»). Это - еще одна фантазия, основанная на школьной физике»[3].
Видал я разных кандидатов и докторов наук, доцентов, профессоров и даже академиков, но ни разу ни от кого из них не слышал худого слова в адрес простого школьного учителя физики, которому, если угодно, я бы поставить памятник. Ибо он, учитель физики, является фундаментом естествознания!
Вы можете потом учиться хоть всю жизнь, громоздя этажи знаний и ученых степеней. Но школа, особенно советская, навсегда останется вашим фундаментом, а без фундамента все эти чердаки рухнут, как песочные замки. Поэтому фантазии Зотьева о «школьной физике» выдают в нем неуча и невежду...
Однако, ради объективности, изложим вкратце идеологическую платформу доктора Зотьева.
Двигаясь от противного, мы разберем несколько наиболее «убедительных» доказательств из его американской «методички»[3].
Главная идея Зотьева проста, как угол дома: советские спускаемые аппараты нагревались сильнее, потому что они − советские! Поэтому они нуждались в серьезной теплозащите. Американские капсулы нагревались незначительно, потому что они − американские! Поэтому их теплозащита была упрощенной. Что тут непонятного?!
Этот идеологический догмат доктор Зотьев пытается доказать при помощи трех бездоказательных утверждений.
Аргумент №1 − НАСА использовало ручное управление при спуске в атмосферу
Доктор геометрических наук Зотьев как бы сам себе задает вопрос и сам себе отвечает:
«Возникает естественный вопрос: почему так сильно грелись «Востоки»? Ответ прост - они были слишком тупо сделаны, т.к. рассчитаны на полет и посадку в автоматическом режиме»[3].
Сильный аргумент - «слишком тупо» сделаны! Но что имел в виду Зотьев? Оказывается, вот что: «… «Восток» был примитивен. Корабль допускал лишь вращения и торможение для схода с орбиты, поэтому выбирать оптимальную траекторию снижения не приходилось» [3].
Схема космического корабля «Восток» (тип 3КА) [7]:
1 - антенны системы связи с Землёй; 2 - приборный отсек; 3 - жалюзи системы терморегулирования; 4 - сопла ориентации ТДУ; 5 - антенны системы «Сигнал»; 6 - тормозная двигательная установка; 7 - антенны телеметрии; 8 - солнечный датчик; 9 - космонавт в катапультируемом кресле; 10 - визир «Взор»; 11 - телекамера; 12 - ручка управления ориентацией; 13 - приборная доска; 14 - антенны командной радиолокации; 15 - спускаемый аппарат; 16 - баллон с азотом; 17 - иллюминатор.
При этом, доктор Зотьев противопоставляет советский «примитивный» корабль американцу: «Джемини» же имел 16 ЖРД ориентации и 16 ЖРД для изменения скорости в двух перпендикулярных направлениях, а также 4 ТТРД для торможения. Летая в режиме ручного управления, он мог себе позволить войти в атмосферу оптимально» [3]
По какой-то неведомой мне причине этот тезис о ручном управлении при спуске в атмосфере очень полюбился нашим американским «партнерам». Здесь Зотьев далеко не одинок. На всемирных просторах Интернета самым разным, совершенно не знакомым между собой людям одновременно пришли в голову абсолютно идентичные, дословно похожие, написанные, как под копирку, мысли. Зотьев оказался лишь одним из проповедников Церкви свидетелей Госдепартамента США.
Вот еще один образчик неуклюжей проамериканской пропаганды: «Помимо этого, «Меркурий» в отличие от «Востока» был именно пилотируемым кораблем. Если на «Востоке» Юрий Алексеевич был просто пассажиром (я бы даже сказал подопытным), а полет проходил в автоматическом режиме, как и ориентация аппарата, то «Меркурий» управлялся пилотом, и одна из основных задач включала в себя ручную ориентацию аппарата при спуске в атмосферу с помощью системы ориентации» [4].
Ересь сия столь вздорна, что должна быть пресечена на корню: не мог пилот капсулы «Меркурия» вручную ориентировать капсулу на участке спуска по одной простой причине − спуск «Меркурия» происходил по неуправляемой баллистической траектории в режиме «закрутки» [9] вокруг продольной оси корабля!
О том, как согласно американской технической документации должен был происходить спуск «Джемини», мы поговорим чуть позже...
[1] «Космические аппараты» Под общей редакцией проф. К.П. Феоктистова. Москва, Военное издательство, 1983г.
[2] «Баллистика летательных аппаратов» Ю.Г. Сихарулидзе, Москва, «Наука», 1982г.
[3] «Джемини» тоже не летали?» Дмитрий Зотьев, http://extremal-mechanics.org/archives/20712
[4] «Первые жестянки в космосе или КА «Восток-1» и КА «Mercury», https://pikabu.ru/
[8] «Results of the first United States manned orbital space flight», NASA, 1962
[9] «Results of the first United States manned suborbital space flight», NASA, 1961
[10] «Пилотируемые полеты на луну, конструкция и характеристики Saturn-V Apollo» М., 1973г. Серия «Ракетостроение», т.3.
https://www.free-inform.ru/pepelaz/pepelaz-15.htm