Читать книгу Большой космический обман США. Часть 20. Аэродинамический нагрев и «космические» капсулы НАСА - А. В. Панов - Страница 3

Всем известно, что основоположником современной космонавтики был Константин Эдуардович Циолковский, но в Германии был свой основоположник космонавтики, который до 1924 года был убежден, что он был первым в мире человеком, который обосновал теоретически возможность полетов человека в космос на ракете с жидко реактивным двигателем (ЖРД). Этим человеком был Герман Юлиус Оберт – немецкий учёный и инженер в области космонавтики и ракетостроения, один из основоположников современной ракетной техники. [1]

Оберт только в 1924 году узнал о публикациях Циолковского: «В 1924 году Оберт впервые узнал о работах К. Э. Циолковского, который прислал ему в 1925 году свою книгу, переведённую на немецкий язык учеником Оберта Арзамановым». [1]

До этого момента своей биографии Оберт был полностью убежден, что это он был первым в мире, кто теоретически обосновал возможность космических полетов человека на многоступенчатой ракете: «В 1908 году он окончательно пришёл к выводу о том, что в космос можно выйти только с помощью ракеты. 16-летний гимназист совершенно верно определил и вторую задачу – выбор топлива для ракетного двигателя. До него единственным видом топлива был порох. Герман уже в 1912 году самостоятельно нашёл математическое выражение, которое известно как „формула Циолковского“, и использовал его как руководство к решению поставленной задачи. Ему было ясно, что решение невозможно найти при ориентации на твёрдое топливо (на достигнутом к тому времени уровне развития техники). Поэтому он пришёл к мысли о необходимости использовать в качестве топлива смесь водорода и кислорода». [1] Циолковский вывел указанную формулу, которая теперь известна как формула Циолковского, значительно раньше Оберта: «Теорией движения реактивных аппаратов Циолковский систематически занимался с 1896 года (мысли об использовании ракетного принципа в космосе высказывались Циолковским ещё в 1883 году, но строгая теория реактивного движения изложена им позднее). В 1903 г. в журнале „Научное обозрение“ была напечатана статья К. Э. Циолковского „Исследование мировых пространств реактивными приборами“, в которой он, опираясь на простейшие законы теоретической механики (закон сохранения количества движения и закон независимости действия сил), разработал основы теории реактивного движения и провёл теоретическое исследование прямолинейных движений ракеты, обосновав возможность применения реактивных аппаратов для межпланетных сообщений». [2]

К чести Оберта, он признал первенство Циолковского, как первого в мире основателя теории космонавтики, и никогда его потом не оспаривал. Хотя немецкий инженер, бывший санитар военного госпиталя любил восхвалять свои заслуги: «Моя заслуга состоит в том, что я теоретически обосновал возможность полёта человека на ракете… То, что в противоположность авиации, бывшей прыжком в неизвестное, где техника пилотирования отрабатывалась со многими жертвами, полёты на ракете оказались менее трагичными, объясняется тем, что основные опасности были предсказаны и найдены способы их устранения. Практическая космонавтика стала лишь подтверждением теории. И в этом заключается мой главный вклад в освоение Космоса». [1]

Необходимо признать, что во многом Герман Оберт был действительно первым. В частности он первым исследовал очень важный момент пилотируемого космического полета – возвращение космического аппарата из космоса обратно на Землю. Классик хорошо понимал, что в момент схода космического корабля с орбиты Земли возникает серьезные проблемы. Практические наблюдения за полетом метеоритов, которые часто сгорали в атмосфере, неопровержимо доказывали факт аэродинамического нагрева при попадании с большой скоростью космических тел в атмосферу Земли: «При падении метеоритов можно наблюдать следующие явления:

1. Метеоритные тела достигают Земли не с космической, а лишь с земной скоростью. Это объясняется тем, что сопротивление воздуха растет пропорционально квадрату скорости и так велико, что небольшие тела могут достичь поверхности Земли лишь со скоростями, не превышающими самое большее нескольких сотен метров в секунду.

2. Метеориты накаливаются при прохождении зоны, лежащей на высоте примерно между 100 и 75 км (вероятно, вследствие того, что их кинетическая энергия превращается в тепло в результате сопротивления воздуха). Упавшие метеориты раскалены по поверхности, внутри же они холодны; на их поверхности видны ясные следы того, что внешний слой был расплавлен и сдут воздухом. Большие метеориты всегда имеют светящийся хвост, который часто можно видеть еще долгое время после того, как сам метеорит уже исчез из вида. Однажды удалось наблюдать хвост, который оставался видимым свыше часа. Цвет этого хвоста соответствовал цвету раскаленных паров железа или раскаленных щелочных металлов. Это позволяет предположить, что хвост состоит из тех же веществ, что и само метеоритное тело, т. е. что он в действительности представляет собою сорванный верхний слой метеоритного тела. Спектроскопическое исследование хвостов является, конечно, исключительно трудной задачей, так как в большинстве случаев они видимы лишь в течение нескольких секунд, и, насколько нам известно, в настоящее время еще нет достаточно надежных спектроскопических исследований метеоритных хвостов.

3. Основываясь на непосредственных наблюдениях, можно утверждать, что светящиеся метеоритные тела имеют температуру от 10000° до 30000°. Если бы температура метеоритных тел была ниже, то можно было бы наблюдать лишь метеориты весьма больших размеров и на Землю часто падали бы метеориты различной величины. Кроме того, трудно было бы объяснить, почему в периоды так называемых звездных дождей, которые часто бывают весьма интенсивными, на Землю в большинстве случаев не падает ни один метеорит. С другой стороны, если температура метеоритных тел была бы выше 30000°, то они светились бы гораздо ярче, чем это наблюдается в действительности. Известен, однако, случай падения метеорита весом 63 кг, который светился так ярко, что его можно было видеть в светлый день. Этот метеорит, несомненно, имел температуру свыше 40000°.

Указанные температуры представляют собой, так называемые эффективные температуры (т. е. температуры, которые должно иметь твердое, абсолютно черное тело при свечении с данной яркостью). Какую же температуру имеют метеоритные тела в действительности, собственно говоря, неизвестно. Можно лишь утверждать, что их действительная температура несколько выше эффективной, но для наших расчетов и не требуется такой точности. При вычислении температуры, которую достигает воздух на вогнутой стороне парашюта, мы исходим из следующего предположения*. Массе воздуха, которую встречает парашют, сообщается столько тепла и кинетической энергии, сколько кинетической энергии теряет ракета вследствие торможения. При этом необходимо также учесть энергию, излучаемую нагретым воздухом. Если воздушный поток полностью задерживался бы парашютом и не раскалялся бы, то его температуру можно было бы легко вычислить; но нагретый воздух должен излучать много тепла, кроме того, неизвестно, какая часть энергии движения воздуха в действительности теряется. Допустим, что она составляет 99%. Однако это допущение является в высшей степени произвольным. Таким образом, приведенный расчет не может ни в малейшей степени претендовать на научную точность. Можно также исходить из другого предположения, – что при набегании воздушного потока на тело в точках встречи (остановки) воздух нагревается вследствие превращения энергии его движения в тепловую. Как известно, техническая единица массы весит 9,81 кг. Чтобы нагреть 1 кг воздуха на 1°, необходимо затратить 0,24 ккал; 1 ккал соответствует работе 426 кгм. Таким образом, для того чтобы нагреть техническую единицу массы на 1°, требуется 1000 кгм. Если воздух движется со скоростью v, то каждая единица массы обладает кинетической энергией v²/2 кгм. Таким образом, набегающий воздух, теряя свою скорость перед телом, нагревается на v²/2000 °С». [3]

Следует отметить, хотя это могло быть ошибкой переводчика, что маловероятно, следующее: Метеориты не могут нагреваться до указанных Обертом температур потому, что при температуре порядка 3000 произойдет испарение этого объекта. Указанные Обертом температуры правильнее было назвать температурой плазмы, которая окружает метеорит в момент его попадания в земную атмосферу.

Советские ученые, в статье Большой Советской Энциклопедии «Аэродинамический нагрев» выражаются более правильно: «Аэродинамический нагрев. нагрев тел, движущихся с большой скоростью в воздухе или другом газе. А. н. – результат того, что налетающие на тело молекулы воздуха тормозятся вблизи тела. Если полет совершается со сверхзвуковой скоростью культур, торможение происходит, прежде всего, в ударной волне, возникающей перед телом. Дальнейшее торможение молекул воздуха происходит непосредственно у самой поверхности тела, в пограничном слое. При торможении молекул воздуха их тепловая энергия возрастает, т. е. температура газа вблизи поверхности движущегося тела повышается максимальная температура, до которой может нагреться газ в окрестности движущегося тела, близка к т. н. температуре торможения:

T₀= Т_н+ v²/2c_p,

где Т_н — температура набегающего воздуха, v — скорость полёта тела, c_p – удельная теплоёмкость газа при постоянном давлении. Так, например, при полёте сверхзвукового самолёта с утроенной скоростью звука (около 1 км/ сек) температура торможения составляет около 400° C. А при входе космического аппарата в атмосферу Земли с 1-й космической скоростью (8,1 км/сек), температура торможения достигает 8000 °С.

Если в первом случае при достаточно длительном полёте температура обшивки самолёта достигнет значений, близких к температуре торможения, то во втором случае поверхность космического аппарата неминуемо начнёт разрушаться из-за неспособности материалов выдерживать столь высокие температуры». [4]

Судя по тексту публикации бывшего медицинского работника в военном госпитале Оберта Германа, он не понимал о чем идет речь. Автор называл температуру торможения, температуру «газа в окрестности движущегося тела» (БСЭ), температурой тела: «Таким образом, искомая температура значительно превышает для ракет 5000°. Если же необходимо предотвратить такое сильное нагревание поверхности, следует подвести достаточное количество охлаждающего вещества, чтобы оно могло отнять тепло Q»… При скорости 10000 м/сек эта температура, безусловно, превышает 15000°. Вероятно, она даже превышает 20000°». [3] Немецкий гений не мог додуматься до очень простой мысли о том, что при названных температурах существовать не сможет. Это тело просто исчезнет и превратиться в раскаленный газ.

Вероятно, что немецкий инженер просто не знал о температурах кипения и температуре испарения железа, базальтов, других металлов. Хотя, с другой стороны, автор в своей публикации вскользь упоминает о парах металла: «Здесь, конечно, предполагается, что закон Стефана-Болыщана выполняется для паров металлов при θ°». [3] Но в тексте все равно автор использует термин «температуры тела», «температура поверхности объекта». Герман Оберт в своей публикации поставил задачу определения температуры неохлажденной поверхности космического объекта, в частности космического аппарата. В начале этой главы он сразу указал, что означают условные обозначения:

«h – толщина воздушного слоя, необходимого для торможения.

p – параметр траектории полета ракеты для межпланетных полетов.

p – давление воздуха после сжатия.

p₀ – давление воздуха до сжатия.

r – радиус Земли.

s – высота над поверхностью Земли.

t – кажущаяся температура воздуха, обусловленная движением.

v – скорость.

H – 7300 – 7400 м

L – сопротивление воздуха.

Q – количество подведенного тепла.

S – количество тепла, отданного излучением.

T – абсолютная температура.

T₁ – абсолютная температура после сжатия.

T₀ – абсолютная температура до сжатия.

β – барометрическое давление.

β_S – давление воздуха на высоте S.

θ – абсолютная температура тела, нагретого вследствие трения в воздухе.

k – отношение между удельными теплоемкостями при постоянном давлении и постоянном объеме.

μ – масса 1 м³ в технических единицах.

ρ – радиус-вектор (проведенный к центру Земли).

α – постоянная излучения в законе Стефана-Больцмана.

τ – истинная температура воздуха.

φ – угол между радиусом-вектором р и избранным неподвижным направлением». [3]

Как видно из списка параметров и обозначений, приведенных автором в начале главы, эту величину θ он упорно называет температурой тела и пытается вывести формулу определения указанной величины, в зависимости от угла вхождения метеорита в атмосферу: «Так как в действительности мы можем сказать лишь кое-что о наблюдаемых излучениях, а об истинной температуре метеоритных тел мы не делали никаких предположений, то следует заключить, что & есть эффективная температура, т.е. та температура, которую должно было бы иметь абсолютно черное тело, светящееся с яркостью; метеорита. Но эта температура и нужна, так как мы хотим лишь знать, какое количества тепла излучается или, вернее, какое количество тепла было-приобретено… Температура неохлажденной поверхности, расположенной под углом α к воздушному потоку, при скоростях 5000 – 15000 м/сек может быть определена по формуле

Приведенные выше формулы выводились так подробно лишь потому, что они, по нашему мнению, дают результаты, приближающиеся к действительности больше, чем все известные нам формулы». [3]

В своей публикации автор довольно подробно описал, как он получил формулу для определения температуры торможения в зависимости от угла входа космического аппарата в атмосферу, от скорости такого объекта, которая была перед торможением в атмосфере земли. Оберт, при этом самом, признавал, что формула является приблизительной: «Это, конечно, лишь очень грубая оценка. Результат может оказаться в 10 раз больше или меньше действительного значения; но он дает, по крайней мере, некоторое представление о порядке величины теплопередач, с которыми нам придется иметь дело». [3]

Судя по тексту публикации Оберта, у него не было представления о том, что во время сверхзвукового полета возникает ударная волна: «Ударная волна – это скачок уплотнения, распространяющаяся со сверхзвуковой скоростью тонкая переходная область, в которой происходит резкое увеличение плотности, давления и скорости вещества. Ударные волны возникают при сверхзвуковых движениях тел». [5] Не трудно понять, что в ударной волне, в условиях реального газа, происходит резкое увеличение температуры.

Оберт не знал, что такое Аэродинамика разряженных газов. В верхних слоях разряженной атмосфере начинается процесс аэродинамического нагрева: «Аэродинамика разреженных газов – это раздел механики газов, в котором для описания движения газов необходимо учитывать их молекулярное строение. Методы этого раздела механики газов широко применяют при определении аэродинамического нагрева приземляющихся орбитальных аппаратов.

Рис. 3. Фотографии ударной волны перед сферой диаметра d = 15 мм: слева – в разреженном газе; справа – в сплошной среде. На больших высотах атмосфера очень разрежена и средняя длина свободного пробега l молекул между двумя соударениями становится сравнимой с характерным размером движущегося в атмосфере тела d или рассматриваемой области потока. Поэтому методы расчёта течения, применяемые в аэродинамике и газовой динамике, основанные на представлении о газе, как о сплошной среде, непригодны и приходится прибегать к кинетической теории газа. При высоких температурах газа, имеющих место, например, при очень больших скоростях полёта, течение может сопровождаться эффектами возбуждения молекул, их диссоциацией, ионизацией». [6] По указанной причине в статье БСЭ «Аэродинамика разряженных газов», в разряженной атмосфере ударная волна образуется на нижней части космического объекта. Но по мере того, как такое тело с высокой скоростью входит в плотные слои атмосферы, ударные волны воздействуют своеобразными полосами на боковую часть указанного объекта.

Полосы обгорания на боковой поверхности видны на американской капсуле «Драгон» после приводнения. [7] Фотография выполнена, якобы, 15 марта 2016 г. Сведения о параметрах защиты от аэродинамического нагрева: «Теплоизоляционный щит герметичного отсека абляционный, его испарение уносит с собой тепловую энергию. Негерметичный отсек от стыковывается перед завершением миссии и сгорает в атмосфере». [8] Американские чудотворцы не предусматривают абляционную защиту на боковой поверхности такой капсулы. В Будущем это обернется большими неприятностями. В отличие от американской капсулы, проверенный космический корабль «Союз» имеет абляционную защиту на боковой поверхности. Этот проверенный способ защиты от аэродинамического нагрева уже не раз спасал от гибели космонавтов, которые находились в этом аппарате при спуске. Но, как видно на фотографии, такие же полосы обгорания присутствуют и на боковой стороне КА «Союз». [9]

Тепловой экран на капсуле «Союз» отстреливался при посадке. Поэтому оценить степень его обгорания сложно. В открытом доступе отсутствуют фотографии теплового экрана КА «Союз». Но тепловой экран капсулы «Драгон» не отстреливается, частично можно рассмотреть, что он сильно обгорел. Эти изображения подтверждают теоретические расчеты Аэродинамики разряженных газов. Сначала обгорает в большей степени тепловой экран, а затем боковые стороны обгорают полосами. Что касается формулы Оберта, то она вполне применима, для расчета температуры плазмы вокруг тела, а не температуру его поверхности.

Ссылки:

Интернет – ссылки проверены по состоянию на 07.07.20.

1.https://ru.wikipedia.org/wiki/Hermann_Julius_Oberth

2.Космодемьянский А. А.. Очерки по истории механики. 2-е изд. – М.: Просвещение, 1964. – 456 с.

3. Глава: Приземление. Герберт Оберт.

http://epizodsspace.airbase.ru/bibl/obert/puti/12.html?reload_coolmenus

4.БСЭ. Аэродинамический нагрев.

https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/66366/

5.БСЭ. Ударная волна.

https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/142395/

6.БСЭ. Аэродинамика разреженных газов.

https://dic.academic.ru/dic.nsf/bse/66358/

7.https://commons.wikimedia.org/wiki/File:COTS-2_Dragon_on_the_Barge_Heading_Home.jpg

8. https://ru.wikipedia.org/wiki/Dragon

9.https://newsland.com/community/5255/content/rkk-energiia-peredaet-velikobritanii-spuskaemyi-apparat-korablia-soiuz-tma-19m/5586802