Большой космический обман США. Часть 20. Аэродинамический нагрев и «космические» капсулы НАСА

Температура сгорания и испарения пластмасс значительно ниже, чем аналогичная температура асбеста, огнеупорного материала. Это значит, что в зоне теплового экрана, где температура плазмы может достигать 5000—8000°С и выше, до 20000°С, пластмассы испаряться очень быстро. Но асбест какое-то время будет держаться, он будет испаряться с поверхности ТЭ значительно медленнее. В разных источниках информации существуют различные вариации в объяснении, что такое абляционная защита, как она предохраняет настоящий космический аппарат от аэродинамического нагрева, от расплавления и разрушения.

Но наиболее доступным следует признать определения, напечатанные Велюровым, который в предельно доступной и простой форме объяснил принцип абляционной защиты: «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] Действительно, если допустить разогревание поверхности капсулы выше +50°С то резиновая прокладка вокруг люка, которая обеспечивает герметичность его закрытия, начнет размягчаться, при +200°С начнет плавится, а это уже гарантированная разгерметизация всей капсулы. Нагрев алюминиевой, сварной капсулы повышает вероятность ее разрыва по сваренным швам, повышает вероятность полного разрушения всей кабины.

Велюров об уничтожении спускаемого аппарата температурой в ударной волне: «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». [2] Пламя может не достигать температуры плавления железа, но при этом идет размягчение сварочных швов. Если пайка элементов, составляющих чайник, осуществлялась при помощи олова, то разрушение чайника будет очень быстрым, когда кончится вода и температура дна чайника приблизится к температуре пламени.

Велюров о чайнике для «чайников». Автор объясняет, почему чайник не плавится при длительном нагревании:

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: кипячение воды в чайнике». [2] Принцип кипячения воды в чайнике используется в специальных кастрюлях для варки молочной каши. Молоко не пригорает, пока в промежутке между стенками специальной кастрюли, есть вода. Стенки такого приспособления не нагреваются выше температуры кипения. Пока вода в чайнике есть, и она кипит, температура стенки чайника не будет превышать температуры кипения воды. Вода испаряется и начинается увеличение температуры материала чайника. Начинают разрушаться сварные швы.

Может отпасть носик чайника и днище чайника, если он сварен из металлических элементов, которых в таком столовом приборе три штуки: корпус, днище и носик. Температура не достигает температуры плавления металла, а все разрушается – корпус отдельно, днище чайника отдельно, носик отваливается.

Велюров очень доступно изложил ситуацию, которая складывается при наличии абляционной защиты на тепловом экране, в нижней части космической капсулы. А именно, он указал на неизбежное появление нагара и копоти при спуске с орбиты в атмосфере Земли: 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 («Союз»), эпоксидной смолы («Аполлон»), смолы на стекловолокне («Меркурий»), по мифологии.