Предельные температуры использования жаропрочных сталей от 850 С у ферритных до 1250 С у аустенитных. Т.е. 1150-1550 К.
При этом у жаропрочных сталей возникает остаточная деформация. Для аустенитных сталей при температуре 1300 К и том давлении, которое декларировано НАСА в камере сгорания Ф-1 остаточная деформация достигает 1%, у ферритных сталей - это же достигается при на порядок меньшем давлении.
Динамика падения способности воздерживаться от пластических деформаций у жаропрочных сталей - экспоненциальная. Для аустенитных жаропрочных сталей напряжение, вызывающее 1% остаточную деформацию, при изменении температуры от 800 К до 1300 К падает в 30 раз. Следовательно, по ходу кривых, на предельной температуре 1550 К аустенитная сталь претерпевала бы опасные остаточные деформации при давлении 6 атмосфер, а не 60-65. Т.е. немедленно после испытаний на стенде - в металлолом. Поскольку корпус камеры сгорания был бы деформирован до неузнаваемости. О повторном запуске речи быть уже не могло.
Правда, американцы периода полетов(и советские эксперты по физическим ограничениям на конструкцию Ф-1) могли об этом просто не знать. Исследования остаточной деформации жаропрочных сталей выполнены в немецких работах 1972 и 1976 г.г.
А высокожаропрочных сплавов на основе никеля и кобальта в период разработки и производства Ф-1 вроде как еще не знали. Первые публикации о разработке этих сплавов относятся к 1967-70 годам. При этом брать и использовать указанные сплавы сразу в ответственную эксплуатацию было ну никак нельзя. Вот фраза из переводного справочника "Металловедение. Сталь", М: Металлургия, 1995:
"Определяющей для длительной прочности никелевых и кобальтовых сплавов является стабильность структуры".
В чем проблема? А проблема в том, что при высоких температурах, происходит распад твердого раствора и выделение некогерентных метастабильных фаз, которые приводят к хрупкому разрушению.
А замечательные жаропрочные материалы, благодаря использованию которых удалось создать великолепные советские движки, - получены методами порошковой металлургии. Это уже начиная приблизительно с середины 70-х. После лунной эпопеи.
Тот жаропрочный материал, о котором я упомянул(порошковый вольфрам, в котором поры между частицами заполнены медью) чем замечателен.
Теплопроводность жаропрочных сталей около 15 ед. СИ, теплопроводность меди - под 400 тех же единиц. Так вот, именно такой материал мог спокойно отводить тепло. А жаропрочная сталь перегревалась.
Воспользуемся данными Шунейко о тепловом потоке на элементы камеры сгорания. 10^4 ккал/м2 в сек ~ 4х10^7 Вт/м2. При использовании жаропрочной стали толщиной 1 мм перепад температур на такой тонюсенькой железяке получается 2700 градусов. Т.е. на обращенном к камере сгорания лице листа - 3000 К. А ведь еще должен быть перепад между топливом и охлаждаемой стенкой. Считать, однако, не будем. И без того - бред сивой кобылы. Для того, чтобы жаропрочная сталь могла выводить указанное тепло и при этом оказываться в рамках предельно допустимых температур, квадратные метры корпуса камеры сгорания должны быть покрыты жаропрочной сталью толщиной не более 0.5 мм.
И эта скорлупка прошла огневое испытание на стенде с давлением в камере сгорания 60 атмосфер, а потом была как ни в чем не бывало поставлена на ракету? - этого просто не может быть!
Вывод: тепловые нагрузки были многократно ниже - за счет снижения температуры в камере сгорания. А заодно пониже было и давление.
Но соответствующие ограничения к 1970 году еще не были столь внятными. Таблички с измеренными теплопроводностями многочисленных материалов - появляются в середине 70-х, когда наука превратилась в индустрию. И когда на любое заявление об использовании какой-нибудь стали с невероятно хорошей теплопроводностью, можно было ткнуть пальцем в советский аналог и сказать: нет, тут теплопроводность может быть 14, ну 14.9, но никак не 50-60(как у обычных сталей). И сослаться на теоретический анализ, связывающий жаропрочтностные характеристики с теплофизическими.
А в 1968-69 году у экспертов не было под рукой таких табличек. А были только фрагментарные данные. У такого-то конкретного материала такая-то теплопроводность. А может, американцы могли сварить другой материал?
