Ральф Рене - Как NASA показало Америке Луну
I (ватты) = e × a × A × K4,
где е — коэффициент излучения (равен 0,5 в нашем случае), а — постоянная Стефана-Больцмана (равная 5,6703x10E-8), А — площадь в квадратных метрах, К- температура в Кельвинах.
Тепло, излучаемое с единицы площади поверхности, пропорционально четвертой степени абсолютной (по Кельвину) температуры этой поверхности. Как мы знаем, «четвертая степень» числа означает, что это число должно быть помножено на себя 4 раза. Например, четвертая степень числа 2 равняется 16 (2 х 2 х 2 х 2), а четвертая степень числа 3 равна 81 (3 х 3 х 3 х 3). Число 3 в 1,5 раза больше числа 2. Однако четвертая степень числа 3 в пять с лишним раз больше четвертой степени числа 2 (81/16 = 5,0625). Таким образом, тело с температурой поверхности 3 К излучает в 5 раз больше тепла, чем тело с температурой 2 К. Чем выше температура, тем ниже это соотношение.
Количество излучаемого тепла также зависит от коэффициента излучения и колеблется в пределах от 0 до 1. Идеальный излучатель — это 1, идеальное зеркало — это 0, поскольку оно отражает все падающее на него тепло. При этом коэффициент остается тем же, независимо от того, поглощается тепло или излучается.
Формула Стефана-Больцмана позволяет получить численное выражение в ваттах, которые, умножив на 860, можно перевести в калории — тепловую величину, которая нам привычнее.
Температура поверхности Солнца составляет 6000 К. Излучаемая энергия при такой температуре просто колоссальна. Используя закон Стефана-Больцмана, мы получаем, что 73 487 090 Вт на квадратный метр передается в космос. После прохождения почти 150 миллионов км до Земли это значение падает до 1353 Вт на квадратный метр у границ атмосферы (8, с. 316).
Кипение — испарение жидкости путем подведения тепла.
Когда мы кипятим любую жидкость, мы получаем пар этой жидкости. Наряду с осязаемым теплом (которое можно измерить и термометром), каждый грамм пара содержит большое количество неосязаемого тепла, которое называется теплотой испарения. Если пар физически удалять с места испарения, оставшаяся жидкость охлаждается. Температура кипения жидкости в большой степени зависит от давления окружающей среды. На горной вершине, где атмосферное давление ниже, вода закипает при более низкой температуре. Температура замерзания жидкости также зависит от давления, но в гораздо меньшей степени.
Если поместить стакан с водой в герметичную камеру и постепенно откачивать из нее воздух, создавая тем самым вакуум, вода закипит без какого-либо добавления тепла. А если в стакан поместить термометр, то при отводе пара мы увидим падение температуры воды по мере ее выкипания. При достаточно низком давлении, или высоком вакууме, часть воды превратится в лед, в то время как другая ее часть будет кипеть. В конце концов, вся оставшаяся в стакане вода замерзнет, отдав тепловую энергию выкипевшей воде.
Если вы не поняли, что отводили тепло путем удаления пара, вам может показаться, что вакуум холодный. Большинство научно-фантастических книг, фильмов и телесериалов на космическую тему именно из этого заблуждения и исходят. Но это не так. Если бы космос был настолько холодным, как нам говорят, то любая поверхность корабля, находящаяся по другую сторону от космического светила, стала бы очень хрупкой и подверженной разрушению. Слишком низкие, равно как и слишком высокие, температуры могут серьезно повлиять на структурную целостность большинства материалов. В арктические и антарктические зимы температура падает ниже отметки -50 град. С. В таких условиях резина теряет гибкость, а металл становится ломким. Однако -50 град. С (223 К) — это очень горячо по сравнению с -273 град. С, то есть абсолютным нулем (0 К).
Замораживание — процесс понижения температуры путем удаления тепла.
Механическое замораживание требует больших энергозатрат, мощных моторов, насосов и охладителя, чтобы отвести тепло из хорошо теплоизолированного контейнера. Охладитель должен накапливать тепло, которое он впитывает из контейнера, а также отдавать это тепло в теплообменнике. Насос нужен для перемещения горячего охладителя от контейнера к теплообменнику, а холодного — в обратном направлении.
Теплообменник является ключевой частью конструкции, он передает тепло теплоотводу, которым на Земле является воздух нашей атмосферы или вода в любом водоеме. При отсутствии места, куда можно отвести тепло, не было бы ни замораживания, ни кондиционирования в привычном нам виде. Если включить кондиционер в замкнутом помещении, температура внутри помещения поднимется, хотя непосредственно рядом с аппаратом будет чувствоваться ток холодного воздуха.
Взрывное замораживание — быстрое падение давления жидкости или газа.
В углекислотном огнетушителе прозрачный углекислый газ находится в жидком виде под высоким давлением. При нажатии на рычаг выпущенная из-под давления жидкость моментально превращается в тонкую струю исключительно холодных сухих ледяных частиц. Изначальное тепло теряется из-за колоссального падения давления.
Топливные элементы — генераторы, использующие топливо и кислород, главным образом, для производства электричества постоянного тока и воды вместо тепла. Они схожи с батареями, однако в отличие от батарей, которые с помощью химических процессов накапливают электрическую энергию, топливные элементы путем химического процесса производят относительно небольшое количество электроэнергии, которая не накапливается, а подается по мере надобности.
Когда в закрытой системе (дом, машина и т. д.) образуется количество тепла, большее, чем удается отвести, температура этой системы повышается. Как вы далее увидите, космический корабль или космический скафандр — хороший тому пример.
Резюмирую все сказанное выше: если бы вакуум был холодным, то для охлаждения какого-либо предмета достаточно было бы просто создать вакуумную камеру вокруг него.
Проблемы космических модулей
Как мы уже знаем, проводившиеся на земле испытания ракет-носителей и космических капсул обнаруживали массу проблем при каждом запуске. Однако и сам лунный экспедиционный модуль отличался, мягко говоря, весьма капризным нравом. Этот нелепый и неуравновешенный агрегат был настолько уязвим на Земле, что взрывался при каждом испытании. Он имел историю стопроцентного провала — но лишь до тех пор, пока не стал использоваться на Луне. Там он чудесным образом шесть раз подряд совершил идеальные посадки на лунную поверхность. Так, по крайней мере, говорится в легенде NASA.
Однако помимо очевидных выявленных технических проблем, проявившихся во время испытаний, космические модули представляли собой целый кладезь и прочих разноплановых неувязок. О них и поговорим.
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).
