Температура

Температура

На заре программы «Меркурий» Джон Шиа, главный администратор NASA, предложил способ защиты тепловых экранов космических модулей от растрескивания при вхождении в земную атмосферу после «космического холода»:

«Шиа спросил, за какой период времени тепловой экран охлаждается до той стадии, когда начинаются проблемы. Ответ был — «около тринадцати часов». Так зачем космическому кораблю оставаться в одном положении так долго? Почему бы его не вращать, чтобы тепловой экран оставался теплым в течение всего времени? Вот истоки того, что позже стало называться «шашлычным» режимом, или пассивным терморегулированием, когда корабль совершает один оборот в час на протяжении всего пути к Луне и обратно» (4, с. 176).

Таким образом, Джон Шиа решил, что капсулы Аполлона должны вращаться вокруг продольной оси, прогревая защитный тепловой экран корабля, чтобы он не треснул при вхождении в атмосферу. Было даже придумано красивое название — пассивное терморегулирование (ПТР). Но тепловой экран был закрыт служебным модулем почти до самого момента входа в атмосферу, поэтому я не представляю, чего именно NASA пыталось здесь добиться.

Само по себе вращение корабля не может ни нагреть его, ни охладить. Если жарить целую курицу на вертеле, то совершенно не имеет значения, делает она 5 оборотов в час или 50. Скорость приготовления птицы от этого не меняется. Единственное, что обеспечивает такое вращение, это равномерную прожарку.

Продольное вращение космического корабля лишь равномерно распределяет тепло от солнечного излучения: все стороны корабля нагреваются примерно до одинаковой температуры, если только корабль не направлен точно на Солнце или от него. Но это сильно усложнило бы навигацию, ведь бортовому замеряющему устройству и связанному с ним компьютеру пришлось бы одновременно решать сразу несколько задач. Но в то время компьютерная память была очень ограниченной, а скорость вычислений невысокой.

А вот что Борман пишет о режиме вращения:

«Мы использовали пассивное терморегулирование, которое означало вращение Аполлона-8 вдоль его длинной оси, когда она была направлена в сторону Солнца» (9, с. 205).

Казалось бы, человек получил степень магистра в Калифорнийском технологическом институте и преподавал термодинамику в университете Уэст-Пойнт. При этом он как будто не понимает, что если длинная ось (нос — хвост) направлена в сторону Солнца, то поглощение тепла и так минимально, и вся солнечная сторона поверхности будет нагрета равномерно. Зачем в таком случае вообще нужно это вращение?

Чтобы достичь Луны, Аполлону понадобилось 90 часов, и почти столько же, чтобы вернуться обратно. NASA утверждало, что в течение этого времени и капсула, и служебный модуль использовали кондиционеры, питаемые топливными элементами и другим смонтированным там оборудованием.

День на Луне длится две недели, затем две недели продолжается ночь. Первая экспедиция, Аполлон-11, прилунилась, когда солнце, по заявлениям NASA, находилось всего в 10 град. над горизонтом (хоть это и противоречит фотографиям и расчетам), чтобы избежать полуденной жары. Прилунения последующих Аполлонов происходили в еще более поздние лунные дни, причем в пределах 20 град. от лунного экватора.

Мистер Нобель писал о температуре на Луне:

«Температура поверхности варьируется от +117 град. в чистом солнечном свете в лунный полдень до -172 град. глубокой лунной ночью…» (37, с. 272)

Эти значения похожи на правду. Иначе астронавты непременно указали бы на ошибку. 117 град. — это горячее, чем кипящая вода, даже горячее, чем находящийся под давлением кипяток в бытовых обогревателях и бойлерах.

Однако снова и снова NASA проповедует доктрину о «холодном космосе». Гарри Хёрт так рассказывал об отдыхе Олдрина и Армстронга на Луне во время миссии Аполлон-11:

«Олдрин старался свернуться на полу ЛЭМа, но был очень взволнован, да еще и слишком замерз, чтобы нормально спать в отведенный астронавтам 7-часовой промежуток времени перед обратным вылетом. Он впоследствии сообщил: «Нам не давала уснуть температура. Было очень холодно. Спустя примерно 3 часа стало невыносимо. Конечно же, в наших скафандрах функционировала система охлаждения, и мы пытались добиться комфорта путем уменьшения циркуляции воды в них до минимума. Но это не сильно помогло. Мы включили температурный контроль в кислородных системах на максимум. Но и это не возымело особого эффекта. Мы могли бы открыть шторы на иллюминаторах и впустить солнечный свет, чтобы согреться, но это окончательно лишило бы нас всякой возможности поспать"» (13, с. 185).

Неужели NASA не сконструировало систему, которую можно просто отключить? Вопреки заявлениям Олдрина, система охлаждения в скафандре не может функционировать в условиях герметичного салона, находящегося под давлением, — об этом мы поговорим в следующей главе. В своей книге Олдрин описывает тот день:

«Мы почти не спали. Кроме всего прочего, мы были в возбужденном состоянии, да еще и замерзли» (26, с. 239).

Это по меньшей мере странно — ведь все прилунения имели место во время лунного дня, когда поверхность Луны адски раскалена. Если в полдень температура составляет +117 град., не логично ли предположить, что при возвышении Солнца в 10 град. температура поверхности будет хотя бы +80 град.? Не будем забывать также, что на Луне Солнцу требуется более 24 земных часов, чтобы оказаться на такой высоте.

Не логично ли далее предположить, что Солнце нагревает каждый объект на лунной поверхности до приблизительно одинаковой температуры? Ведь нагреваются же на припеке в земных условиях машины, дома, дорожное покрытие. Вы когда-нибудь пытались взять металлический инструмент, оставленный на летнем солнце? Он может вызвать ожог, если не использовать перчатки. А на Луне солнечный свет куда более интенсивен, поскольку не рассеивается атмосферой, как на Земле. Поэтому дневная температура там гораздо выше. И если Солнце нещадно палило, то как могло быть холодно внутри ЛЭМа?

А что касается невозможности уснуть при солнечном свете, то это представляет проблему лишь для вампиров. Нормальные же люди частенько засыпают на пляже. Зачем тогда Бог создал веки, а человек — солнцезащитные очки?

Очевидно, что вся эта история была придумана авторами «космической оперы» с одной целью: затемнить тот факт, что система охлаждения ЛЭМа предназначалась только для охлаждения электронной аппаратуры. Эта система, если она вообще существовала когда-либо, работала на батареях. Но дополнительный отток для системы кондиционирования не был показан ни на одной схеме. Мюррэй и Кокс (Murray & Сох) пишут:

«Поскольку ЛЭМ вместо топливных элементов использовал батареи, кислород не закладывался в расчеты энергообеспечения» (4, с. 426).

Тогда получается, что электронная аппаратура превращала в тепло почти всю подводимую энергию. Мне не верится, что система охлаждения ЛЭМа, как она описана, справлялась даже с этим теплом.

Во время миссии Аполлон-13, NASA нам рассказало о взрыве кислородного бака, что лишило топливные элементы необходимого окислителя. Это привело к полной зависимости астронавтов от батарей ЛЭМа. У Мюррэя и Кокса читаем:

«Постепенно энергопотребление ЛЭМа было снижено до 15 ампер в час, и астронавты, одетые в тонкую одежду, предназначенную для долгого перелета в закрытом пространстве при температуре 21 град., стали замерзать, поскольку температура упала до 15 град. и продолжала падать» (4, с. 428).

Прелюдия к этой душещипательной истории имела место во время экспедиции Близнецы-5, отправленной 21 августа 1965 года с астронавтами Питом Конрадом и Гордоном Купером на борту. Тогда топливные элементы дали сбой, и давление кислорода в них упало с 54 до 8 атм. Они выключили кондиционер внутри капсулы. Давление упало до 3,7 атм во время следующего витка, но затем случилось чудо: давление начало стабилизироваться, хоть и на очень низком уровне (14, с. 96).

Позже было выявлено, что нагреватели топливных элементов дали сбой, а затем элементы просто нагрелись на солнце. Но разве Солнце не светило во время первых трех витков? При этом Купер и Конрад жаловались ЦУПу, что внутри капсулы слишком холодно:

«Мы сидели там и дрожали от холода на протяжении последних нескольких часов» (14, с. 96).

Фрэнк Борман (Близнецы-7), напротив, сетовал на то, что его скафандр слишком теплый и что в салоне слишком жарко (9, с. 136). Это случилось после того, как обогрев салона был снижен до минимума.

Первый вопрос: почему Борман (преподаватель термодинамики, между прочим!) не мог совсем отключить систему отопления? Вы когда-нибудь видели автомобиль, у которого печка не выключается? Обогрев у Бормана наверняка был электрическим. А выключатель-то где?

Второй вопрос: почему у NASA не было обычного термостата, вроде тех, что мы используем в домах и машинах?

Третий вопрос: как эта капсула могла так сильно нагреться, если она половину времени проводила в тени Земли, в то время как экипаж Аполлона-13 замерз, проведя все свое время в солнечном свете?

Итак, еще раз пройдемся по логической цепочке NASA:

1) На стартовой площадке весь корабль охлаждается обычным кондиционером, подключенным к наземному источнику питания в космическом центре Кеннеди.

2) Корабль охлаждается в космосе за счет топливных элементов, но если пропадает питание, то кондиционер отключается.

3) Поскольку кондиционер отключается, корабль начинает остывать.

4) В ЛЭМе кондиционеров не было, поэтому в нем стало еще холоднее.

Отсюда мы извлекаем урок: когда в следующий раз ваш кондиционер начнет проигрывать схватку с летним солнцем, охладить помещение можно путем выключения кондиционера. Необходимо следить за тем, чтобы из-за жары в доме не стало слишком холодно. И наоборот: если зимой вы начнете замерзать, просто выключите обогрев и откройте окна. Блестящая логика NASA в действии!

На Земле утренние лучи быстро прогревают поверхность. Точно так же Солнце нагревает все, находящееся и на лунной поверхности. Мы можем вычислить температуру ЛЭМа, сложив всю входящую тепловую энергию и вычтя все исходящее тепло.

NASA не ответило ни на одно мое письмо с просьбой рассказать о том, какое оборудование использовалось во время миссий Аполлонов, поэтому мне придется сделать несколько допущений, прежде чем я смогу использовать закон Стефана- Больцмана для расчета температуры ЛЭМа, припаркованного на поверхности Луны под палящими лучами солнца.

Сначала надо вычислить все входящее тепло от всех источников. Я выбрал коэффициент отражения равным 0,5 просто потому, что он представляет собой середину между идеальным зеркалом и идеальным черным телом. Солнечные лучи падают на обшивку ЛЭМа с мощностью 1353 Вт на квадратный метр с освещенной стороны (8, с. 316). Таким образом, поглощенное тепло составляет: 1353 Вт х 0,5 = 675,5 Вт на квадратный метр, что можно округлить до 676.

Рассчитаем площадь лунного модуля. По моим предположениям, диаметр ЛЭМа составляет около 4,8 м. Получаем площадь его поверхности — 18 кв.м. Значит, суммарное тепло, полученное от Солнца, составляет: 676 х 18 = 12 168 Вт в час.

Процессы жизнедеятельности нормального человека поддерживают температуру тела, выделяя 111 Вт (8, с. 312). Два астронавта на борту добавляют 222 Вт в общую копилку. Итого, 12 168 + 222 = 12 390 Вт входящего тепла. Чтобы ЛЭМ не стал смертельной духовкой для своих обитателей, он должен отражать большую часть тепла, что при отсутствии кондиционирования может происходить только посредством теплового излучения. Коэффициент отражения остается тем же.

Простейший способ получить ответ — найти температуру, при которой ЛЭМ излучал бы 12 390 Вт со своей теневой стороны. Используем формулу Стефана-Больцмана, чтобы вычислить эту температуру:

Получаем 394 К, или 120 град. С.

Таким образом, чтобы ЛЭМ мог излучать тепло, равное полученному, его температура должна увеличиться до 120 град. С. Поскольку это значение очень близко к оценке температуры поверхности Луны, данной астрономами, можно признать его верным.

Я что-то упустил? Ах, да! Как может машина, которая изначально была достаточно теплой, чтобы в ней жить, вдруг стать слишком холодной, чтобы в ней спать? Это находясь-то под палящим солнцем! ЛЭМ оставался на Луне в течение 24 с лишним часов, и NASA утверждает, что наши храбрые астронавты в нем спали, отдыхали, ели, использовали для отходов, когда они не гуляли «по улице». К тому моменту, когда программа потребовала их возвращения, ЛЭМ должен был быть таким же горячим, как поверхность Луны! Тем не менее наши отчаянные астронавты как ни в чем не бывало поднялись по лестнице и заползли внутрь. Какое же им потребовалось мужество, чтобы залезть в эту «духовку»! У них и в самом деле были «правильные данные»!

Если космос холодный, зачем NASA понаставило столько радиаторов на служебный модуль — не только для охлаждения его самого, но еще и командного модуля? Ведь в космосе не может быть различных климатических зон: одна для околоземной орбиты, а другая — для окололунной. Если там так холодно, то почему не было обогревателей для отсеков? Ведь одним из требований программы «Аполлон» была возможность нахождения астронавтов внутри кораблей без скафандров (15, с. 97).

Олдрин выходил в открытый космос на Близнецах-12:

«Работая снаружи в дневное время, он мог ощущать сильное тепло от солнечного света на задней внутренней части герметичного скафандра; он едва не получил ожог кожи. В том месте находилась внешняя молния, и ее металлическая часть была раскалена от теплового излучения» (27, с. 215).

Каждый виток Земли вокруг своей оси означает один день, который можно определить как период между двумя восходами Солнца. Однако, поскольку капсула обращалась вокруг Земли приблизительно за 80 минут, это был один «день» для астронавтов, что означало приблизительно 40 минут дневного света. За 40 минут металлическая молния раскалилась настолько, чтобы обжечь Олдрину спину. А металлический ЛЭМ Аполлона-11, который стоял на Луне почти 12 часов, не нагрелся! В последующих миссиях ЛЭМ был выставлен под палящее солнце на несколько дней. И все равно сильно не нагревался. Может, солнечные лучи ослабевают на Луне? Или космос на Луне холоднее?

ЛЭМ должен был испечь наших киногероев вскоре после прилунения и задолго до того момента, как они смогли снова взлететь с Луны, чтобы состыковаться с командным модулем.

Мюррэй и Кокс писали о том, как беспокоился хьюстонский ЦУП — а вдруг холод выведет из строя измерительные приборы, и точность в одну сотую градуса пропадет:

«Они обдумывали страшную возможность: астронавтам придется выключить систему навигации и оставить ее на холоде…» (4, с. 414)

Вот так — ни много ни мало!

Если космос может охладить корабль, почему Мюррэй и Кокс написали после интервью с экспертами NASA приведенные ниже строки?

Была огромная проблема с водой. Электроника в космическом корабле выделяла тепло, которое отводилось антифризом, циркулирующим в системе. Теплый антифриз охлаждался путем его проведения через заключенные в лед трубы. Лед создавался космическим холодом из воды, запасенной на ЛЭМе. По мере того как антифриз проходил через трубы, лед испарялся и выкипал (4, с. 426).

Сначала NASA волновалось по поводу трудностей функционирования системы охлаждения. Потом Хьюстон переживал из-за возможного воздействия холода на измерительные приборы. Где логика? Эти две причины для беспокойства взаимно исключают друг друга!

Это не космический холод заставил воду превратиться в лед. Просто космос — бесконечный теплоотвод. Как мы видели, тепло от электронного оборудования составляет лишь очень незначительный процент от всего тепла, которое нужно было отвести. Командный модуль тоже должен был нагреваться с каждой минутой, проведенной под солнцем. Сколько же воды потребовалось радиаторам, чтобы охлаждать корабль в течение двухнедельного путешествия под палящим солнцем?

Коллинз задался этим вопросом в своей первой книге:

«Какой была бы температура внутри корабля, если бы он постоянно находился в солнечном свете, направляясь к Луне? Если солнечная сторона кипела, а теневая замерзала, каким было бы равновесное состояние внутри?» (7, с. 64)

Идем дальше. В мае 1973 года была запущена модернизированная ракета Сатурн-5 с космической лабораторией Скайлэб. Огромная солнечная батарея, выступающая из обеих сторон Скайлэба, как фюзеляжный киль, дала сбой во время планового развертывания. Впоследствии пытливые умы обнаружили, что во время запуска микрометеоритный поток сорвал одну панель и пригвоздил другую. Каким образом метеориты могли одновременно атаковать обе стороны корабля? Этот вопрос до сих пор ставит меня в тупик.

Орбита Скайлэба проходила на высоте 400 км. Вот как Бейкер описывает ситуацию почти через три часа после запуска:

«Персонал, обслуживающий системы жизнеобеспечения, оказался буквально завален информацией, которой никто не ожидал. Температура скакала, как сумасшедшая, но большей частью менялась только в одном направлении — вверх!» (17, с. 474)

Этот человек, современник Олдрина, Коллинза и Армстронга, должно быть, верил, что космос холодный — такой холодный, что планы не предусматривали даже термального вращения по системе Джона Шиа. Напомним, что всего несколькими годами ранее решение о посадке на Луну каждого ЛЭМа принимал ЦУП в Хьюстоне, а не «безответственные» астронавты, управляющие агрегатом. NASA раз за разом демонстрировало чудеса современной телеметрии, несмотря на 2,6-секундную задержку в передаче сигнала на 384000-километровое расстояние!

Видимо, тех гениев сразу же уволили, а оборудование быстренько списали, поскольку в этот раз на расстоянии гораздо меньшем сбоило вообще всё. Один пилотируемый запуск вообще был отменен. Обнаружилась и еще одна незадача: если солнечные батареи направлялись на Солнце, то Скайлэб сильно нагревался, если же корабль отворачивал в сторону от Солнца, ему не хватало электропитания.

Проблему можно было решить еще на стадии планирования, если бы разработчикам вовремя сообщили, что космос не холодный. Они бы сконструировали солнечные батареи с возможностью поворота на 90 град. Тогда корабль можно было бы направить в сторону от Солнца, чтобы он не нагревался, а батареи ориентировать так, чтобы обеспечить полноценное электропитание корабля.

На 12-м витке (спустя примерно 12 часов после запуска) датчики показывали внутри корабля +38 град. С, а температура фюзеляжа достигала +82 град. С. Было ясно, что на этом проблемы с температурой не закончатся (17, с. 476). Во время запуска давление внутри Скайлэба было преднамеренно снижено до 58 мм ртутного столба (0,08 атм), дабы корабль не разорвало. К приему астронавтов планировалось увеличивать давление до 225 мм (0,3 атм), закачивая кислород (17, с. 476). Однако реализацию и этого плана пришлось приостановить, поскольку повышение давления при экстремальной температуре тоже могло разорвать фюзеляж.

Мне в это верится с трудом. Однако достаточно очевидным представляется именно то, что высокая температура при 70 % кислорода может привести к еще одному пожару, аналогичному тому, в котором сгорели Гриссом, Чаффи и Уайт.

Чуть позже в тот же день температура солнечной стороны фюзеляжа достигла снаружи отметки +146 град. С, а внутри, измеренная непосредственно у стены, поднялась до +49 град. С. На теневой стороне значения температур были, соответственно, +32 град. С снаружи и +21 град. С внутри (17, с. 476).

О чем вообще никогда не упоминалось, так это о том, что в отличие от ЛЭМа и командного корабля Аполлона, Скайлэб провел половину времени в тени Земли, не получая вообще никакого солнечного излучения. Разве вблизи от Земли космос не такой же холодный? К вечеру того же дня внутренняя температура достигла своего максимума в +51 град. С и только после этого начала медленно снижаться.

Это еще одна шутка NASA? У Коллинза читаем:

«Пока не было этой тени, температура внутри постепенно поднялась до 66 град. С» (16, с. 175).

Тем временем в Хьюстоне боялись, что высокие температуры могут привести к отравлению воздуха угарным газом и толуилендиизоцианатом (ТДИ) от материалов внутри корабля (17, с. 476). Возникло опасение, что лабораторию придется многократно проветривать, чтобы удалить токсичные испарения (17, с. 479).

Поскольку гироскоп и другие измерительные приборы отказали, гении NASA придумали, как определить точную угловую ориентацию, опираясь на температурные показатели. По крайней мере, так они сказали Бейкеру. Он пишет:

«На протяжении прошедшего дня информация от двухстепенного гироскопа о точной угловой ориентации Скайлэба становилась менее и менее надежной, поскольку она не обновлялась данными с сенсоров, сфокусированных на солнечном диске, и аппарат таким образом постепенно утратил точную калибровку, которая у него была на старте. Диспетчеры, теперь хорошо понимавшие влияние местоположения на внешнюю и внутреннюю температуры, могли по повышению или уменьшению температурных показателей определить точную ориентацию Скайлэба» (17, с. 480).

Это напоминает историю про Эмиля Шиссера, который по радиосигналам с Аполлона-11 мог точно определить местоположение корабля. В эту сказку так же трудно поверить.

«27 мая наши космические герои наконец-то поднялись на борт Скайлэба и развернули зонт от солнца. И, как нас уверяют, не без колоссальных усилий. С раскрытым зонтом внутренняя температура упала до +46 град. С, и астронавты легли спать в Скайлэбе» (17, с. 480). Вы когда-нибудь пытались заснуть при температуре +35 град. С, не говоря уже о +46 град. С? Пит Конрад и его ребята действительно проявили чудеса хладнокровия, в буквальном смысле. Вот что значит «правильные данные»!

На следующее утро температура снизилась до +42 град. С, и экипаж приступил к работе. Меня, наконец, осенило, что угол наклона корабля к плоскости орбиты определяет длительность его нахождения в солнечном освещении. Наши полюса имеют наклон 21,5 град. к плоскости вращения. Таким образом, корабль с углом наклона в 21,5 град. половину времени проводил бы в тени. При наклоне 68,5 град. на север он был бы освещен постоянно. Скайлэб, имея северный наклон в 50 град., «загорал на солнышке» 80 % времени.

Корабль, летящий в сторону «новой» Луны, на 384 000 км ближе к Солнцу. Может быть, интенсивность излучения ослабевает по мере приближения к светилу? Или пояса Ван Аллена, которые неким образом собирают радиацию, также аккумулируют в себе и солнечное тепло?

Итак, сделанные из одного материала Скайлэб и Аполлон-13 вели себя абсолютно по-разному: постоянно находясь на солнце, первый перегревался, зато второй отчаянно мерз. Вспомним также, что, по сообщениям NASA, 6 ЛЭМов, которые стояли на раскаленной, как сковорода, поверхности Луны в течение нескольких дней, без кондиционеров, тоже замерзали. Например, Аполлон-16 произвел посадку, когда Солнце было на высоте 30 град. над горизонтом и к этому моменту прогревало поверхность в течение 8 дней. В Нью-Йорке, Солнце находится на такой высоте только в период зимнего солнцестояния. Любой, кто работает на улице или катается на лыжах в это время, расскажет вам о количестве тепла в солнечный день. Астронавты находились на Луне, пока Солнце не поднялось на высоту 68 град. В Нью-Йорке оно бывает так высоко в июле. Много лет назад я проектировал солнечный коллектор и знаю, что если Солнце в зените взять за единицу (достаточную для нагрева поверхности Луны до 120 град. С), то количество тепла будет изменяться по синусоиде. Так, угол возвышения в 30 град. над горизонтом дает 50 %, а угол 68 град. — 92 %. Какой будет температура лунной поверхности после непрерывного нагрева в течение 11 дней? Сколько времени понадобится, чтобы она достигла +100 град. С? Интересно, эти астронавты внутри ЛЭМа тоже не могли спать от холода?

Данный текст является ознакомительным фрагментом.