Ещё раз о бароне Мюнхгаузене

4.2.3. Полёт на опорной околоземной орбите.

 

       Давайте представим себе, что ракета «Сатурн-5» вывела на низкую круговую околоземную орбиту связку командного и лунного модуля «Аполлона» и своей третьей ступени общей массой 140 тонн, сообщив этой связке первую космическую скорость – 7,9 км/сек. Возможно ли продолжение экспедиции, если с данным комплексом на околоземной орбите произойдёт какая-либо авария?

 

       Что за вопрос? – скажете вы, – ведь работали же на околоземной орбите различные орбитальные станции, в которых по многу лет сменяли друг друга экспедиции посещения, и ничего с ними критического не происходило! Это верно, однако, не для рассматриваемого нами случая. Ведь рассматриваемый полезный груз имел в своём составе такую «бомбу» замедленного действия, о которой следует рассказать отдельно.

 

       Но перед этим необходимо обязательно вспомнить сложнейшую проблему первых космических аппаратов, забрасываемых в космос СССР и США, – это склонность к беспорядочному вращению. Если пилотируемый космический корабль или автоматический спутник начинал по тем или иным причинам вращение в некоторых плоскостях в невесомости, это было чревато его потерей. Причины, заставлявшие спутник беспорядочно вращаться на орбите, могли быть самыми разнообразными: это и остаточное влияние импульса последней разгонной ступени вследствие расстыковки, и непроизвольное истечение газов из резервуаров с горючим или из двигателей ориентации, и неправильные включения этих двигателей, рассчитанное на расположение центра масс аппарата в одном месте, в то время как он находился в другом, и неравномерный нагрев корпуса, и так далее, и тому подобное.

       Известно, что в СССР проблему компенсации вращения космических кораблей решили с помощью гироскопов, когда микродвигатели ориентации управлялись по алгоритмам, получающим данные от этих гироскопов. В США поначалу такая проблема решалась ещё проще – производилась закрутка космического аппарата вдоль продольной оси движения с помощью двигателей последней ступени ракеты-носителя. Если для беспилотных спутников такое «решение» поначалу имело право на существование, то чем компенсировались эффекты вращения в «Меркуриях», «Джемини» и «Аполлонах», совершенно непонятно. История американской космонавтики об этом деликатно умалчивает. Они как-то об этом не задумывались, впрочем, как и о многом другом…

       Теоретически небольшой пилотируемый корабль на орбите Земли можно стабилизировать с помощью двигателей ориентации. Но это возможно лишь в том случае, если масса этого корабля сопоставима с мощностью этих двигателей, которые имеют к тому же достаточный запас топлива для выполнения такой работы.

 

       Теперь, внимание, вопрос: какими двигателями ориентации можно остановить вращение рассматриваемого комплекса, если его масса согласно официальным данным НАСА составляет 140 тонн? Да, я помню о том, что на поверхности командного модуля «Аполлона» и возвращаемого модуля с поверхности Луны американские конструкторы натыкали более чем два десятка микродвигателей ориентации. Но, во-первых, эти двигатели предназначены для разворотов и перестыковок микроскопически маленьких модулей. Во-вторых, всё это хозяйство пока упрятано под обтекатель третьей ступени «Сатурна-5», который по легенде должен отделиться лишь по пути к Луне в процессе перестроения отсеков. Но мы пока продолжаем полёт и предположительно вращаемся на околоземной орбите. Чем будем гасить это вращение? Маршевым двигателем третьей ступени, что ли? Ведь для выполнения манёвра разгона к Луне надо занять точно выверенную позицию по направлению, и любое вращение обязательно необходимо прекратить.

 

       И теперь об обещанной «бомбе».

       У американских конструкторов, которые пытались создать сверхмощную ракету «Сатурн-5», было одно существенное ограничение, навязанное непонятно кем и для чего – однопусковая схема полёта к Луне. Другими словами, всё хозяйство должно было стартовать в одной ракете, за один раз, одним пуском. Минимальная полезная масса комплекса на опорной околоземной орбите, необходимая для выполнения всей остальной миссии, как уже было сказано, должна быть не менее 140 тонн. Соответственно, теоретические расчёты показывали, что трёхступенчатая ракета на старте должна была весить не менее 3000 тонн, а после отработки и отделения первой ступени на скорости 2.68 км/с – не менее 500 тонн.

       Чем разогнать массу 500 тонн от 2.68 до 6.8 км/с с помощью второй ступени? Какими двигателями? Для того, чтобы это осуществить, необходимо было иметь компактные и мощные двигатели с тягой минимум по 100 тс, которые должны были обеспечивать необходимый удельный импульс. Теоретически максимально возможный выход энергии получается в результате горения водорода в кислороде. Поэтому не оставалось ничего другого, как попытаться сделать такой двигатель.

       НАСА заявляет о создании двигателя J-2, работающего на реакции горения водорода в кислороде, где оба компонента находятся в сжиженном состоянии для достижения компактности запаса топлива и достаточности его количества. Пять таких двигателей якобы составляли маршевую связку второй ступени «Сатурна-5», и один J-2 – последней, третьей ступени. Единственный 100-тонник J-2 третьей ступени, по официальным данным НАСА, сжигая часть топлива, разгонял остатки комплекса с 6.8 до 7.9 км/с, выводя его на низкую круговую орбиту вокруг Земли.

       История создания двигателя J-2 – сплошная череда неудач и взрывов, как на земле, так и в космосе. До начала «счастливого периода», ознаменовавшегося полётом «Аполлона-8» с тремя астронавтами сразу к Луне, ни один тестовый запуск J-2 не был завершен успешно!

 

       При рассмотрении следующих этапов экспедиции мы ещё вернёмся к некоторым техническим аспектам работы этого уникального во всех смыслах двигателя. А сейчас лишь отмечу один важнейший фактор, который существенным образом влияет на полёт на околоземной орбите. Дело в том, что согласно официальным техническим характеристикам всего за один час полёта в вакууме третья ступень «Сатурна-5» теряла целых 1,2 тонны топлива вследствие испарения криогенных топливных компонентов. Соответственно, за один полный виток вокруг Земли масса третьей ступени уменьшалась почти на две тонны!

       Что это означает…

 

       Во-первых, интенсивная потеря такого огромного количества сжиженного газа говорит о том, что космический корабль обязательно будет вращаться. Сжиженный газ под влиянием нагрева корпуса корабля от солнечных лучей испаряется сквозь стенки баков и специальные клапаны для стравливания в вакууме несколько интенсивнее, чем на стартовом столе в условиях атмосферного давления. В результате создается нескомпенсированная реактивная тяга, которая приводит к вращению корабля в невесомости.

       Очевидно, что водород испаряется интенсивнее, чем кислород. Водород проникает сквозь стенки баков и в сжиженном состоянии находится при гораздо большем перепаде температур с этими стенками (нагреваемыми Солнцем), чем у кислорода (-253°С против -183°С). Логично предположить, что водорода теряется приблизительно вдвое больше за единицу времени, чем кислорода. Если бы дело происходило при атмосферном давлении, объём газа, покидающего данный космический корабль в разных направлениях, составлял бы 9955 литров в секунду для водорода и 79644 литров в секунду для кислорода. Таким образом, данный корабль получает боковую и закручивающую реактивную тягу от газов, объём которых составляет не менее 90 тысяч литров в секунду! При этом никто не может сказать, в каком именно месте и через какие именно щели в корпусе ракеты эти газы найдут себе выход в космический вакуум. Рассчитать вращающий момент на весь комплекс при этом практически невозможно.

 

       Во-вторых, испарение 1,2 тонны сжиженного газа при т.н. нормальных условиях (на уровне моря при температуре 20°С) эквивалентно образованию объёма газообразной смеси высотой 100 метров и площадью приблизительно в 17 футбольных полей. И это только за один час! В вакууме этот объём будет значительно большим, и весь этот испарившийся водород и кислород будет создавать постоянно расширяющееся облако газов, которое будет перемещаться вместе с кораблём со скоростью почти 8 км/с.

       Из школьного курса неорганической химии известно, что смешивание двух объёмов газообразного водорода и одного объёма кислорода называется гремучим газом. Эта смесь имеет свойство взрываться даже спонтанно, т.е. без видимого повода. В данном случае повод для такого взрыва имеется более чем достаточный, ведь приповерхностный слой (у корпуса ракеты) данной газовой смеси разогревается очень интенсивно за счёт солнечного света. НАСА имело возможность в этом убедиться на собственном горьком опыте: первый раз 5 июля 1966 года при запуске ракеты «Сатурн-1Б», когда изделие SA-203 (позже декларируемое как третья ступень легендарной ракеты «Сатурн-5») взорвалось на околоземной орбите на седьмом витке, разлетевшись на 37 фрагментов; и второй раз – при неудачном испытании ракеты «Сатурн-5». Целью упомянутого полёта «Сатурна-1Б», как указывает НАСА, было «изучение поведения жидкого водорода в невесомости». Видимо, жидкому водороду (а заодно и кислороду, который, кстати, не был полностью израсходован) пришлось за поведение поставить «неуд». Ведь толстые стальные стенки для жидкого водорода и кислорода в космосе сделать нельзя – ограничение по массе. Видимо, именно после этих феерических экспериментов местным умникам стало совершенно ясно, что криогенным компонентам при длительных полётах в космосе не место. Вскоре, как мы уже знаем, последовало увольнение главного конструктора – экс-штурмбанфюрера Вернера фон Брауна и восьми сотен его ближайших соратников по нелёгкому космическому труду, после чего сразу наступил «счастливый период» полётов на Луну…

 

       Наконец, в-третьих, интенсивное испарение топлива и вынужденное стравливание окислителя при такой схеме полёта накладывает очень существенные ограничения на время пребывания третьей ступени «Сатурна-5» на околоземной орбите. Если после выхода на околоземную орбиту срочно не улететь к Луне, тогда немного позже уже может банально не хватить топлива! Именно поэтому идеологам-режиссёрам «покорения Луны» из НАСА пришлось откладывать критически важные этапы перестыковок командного модуля на время следования к Луне, поскольку сделать это на околоземной орбите, к тому же сидя верхом на своеобразной пороховой бочке с тысячей горящих фитилей, попросту не было времени. А теневые сотрудники НАСА на форумах сказать об этом не имеют права – однопусковая схема полёта к Луне на кислородно-водородных двигателях загнала их в глухой угол технического абсурда.

 

       Необходимо особо обратить внимание на то, что ни до, ни после «пилотируемых» экспедиций НАСА «к Луне» никогда и ни при каких обстоятельствах баки со сжиженным водородом в качестве ракетного топлива в космосе не использовались. Они используются только в процессе вывода полезного груза на орбиту, когда вероятно образующаяся гремучая смесь сносится набегающим потоком воздуха, а выше – за счёт инерции с корпуса ускоряющейся ракеты.

 

       Однако, мы немного отвлеклись. Нам нужно оценить вероятность безаварийного пребывания 140-тонного комплекса, готового отправиться к Луне, на околоземной орбите на протяжении максимум трёх витков – именно столько отводит НАСА своим астронавтам для проверки всех систем и подготовки манёвра разгона к Луне в разных экспедициях. Как я ранее обещал, мы при каждом удобном случае будем завышать надёжность в пользу НАСА, поэтому – в том числе и для простоты – вероятностями возникновения всевозможных поломок на борту комплекса при «проверке всех систем» и при подготовке к выполнению манёвра разгона к Луне мы просто пренебрегаем.

       Для нашей задачи, по моему мнению, нам вполне хватит официальной статистики эксплуатации двигателя J-2, а также второй и третьей ступеней «Сатурна-5» с этим же двигателем в космических полётах, когда они находились либо на околоземной орбите, либо, как любит выражаться НАСА, «в суборбитальных полётах».

       Итак, до начала «счастливого периода», т.е. полёта «Аполлона-8» с экипажем прямо к Луне, у нас имеется всего 4 (четыре!) запуска S-IVB с двигателями J-2… скажем так, по направлению в космос: два раза на ракете «Сатурн-1Б» и дважды – с помощью «Сатурн-5». Как мы уже знаем, после вывода на околоземную орбиту ракетой «Сатурн-1Б» изделие SA-203 вдруг взорвалось на околоземной орбите на седьмом витке. И, кроме того, после неудачного запуска «Сатурна-5» 4 апреля 1968 года, третья ступень, которая после неудачной попытки повторного запуска двигателя J-2 отделилась от макета лунного корабля, вдруг взорвалась 7 апреля.

       Почему произошли эти взрывы, мы уже разбирали. Теперь давайте займёмся статистикой.

 

       Кроме этих четырёх замечательных тестовых полётов, два из которых окончились взрывом третьей ступени «Сатурна-5» на околоземной орбите, а два других – разрушением третьей ступени c погружением её в воды мировых океанов, у нас имеются следующие легендарные и безаварийные (на данном этапе) пилотируемые полёты в космос – на «Аполлонах-» 8, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 и 17. Путём несложных подсчётов получаем, что надёжность третьей ступени «Сатурна-5» в полёте на околоземной орбите согласно официальных данных НАСА (!) составляет 11/13 = 0,84615… или немногим менее 85%.