Динамика

Запуски мощных ракет и работа двигательных установок космических аппаратов сопровождаются выбросами в околоземную среду продуктов сгорания сложного состава, содержащих как газовую компоненту, так и дисперсные образования, что приводит к развитию газо-пылевых облаков, обладающих определенными геометрическими и динамическими особенностями. Развитие таких искусственных образований в верхней атмосфере сопровождается достаточно необычными оптическими явлениями, обусловленными рассеянием солнечного света на продуктах сгорания и их взаимодействием с компонентами верхней атмосферы [1 - 5].

Исследование этих оптических явлений позволяет получить информацию об антропогенном загрязнении околоземного космического пространства, процессах взаимодействия загрязняющих выбросов с окружающей средой, динамических процессах в верхней атмосфере.

При проведении патрульных наблюдений полярных сияний на камерах полного обзора неба в северных регионах Советского союза в течение многих лет регистрировались оптические явления в верхней атмосфере, сопровождающие запуски ракет, производимые с космодрома Плесецк и испытательных ракетных полигонов. Оптические эффекты, связанные с работой ракетных двигателей, были зарегистрированы в виде треков и диффузных крупномасштабных образований на панорамных фотографических и спектральных камерах. Кроме того, для получения данных об их развитии с достаточно высоким пространственным и временным разрешением был проведен ряд комплексных целенаправленных наблюдения таких явлений. Всего было зарегистрировано более пятидесяти оптических явлений, сопровождающих запуски ракет. В результате анализа данных наблюдений отдельных наиболее интересных явлений были получены оценки характерных структурных и динамических параметров крупномасштабных образований в верхней атмосфере, развивающихся при пролете ракет с работающим двигателем. В частности, было показано, что характерные скорости расширения газо-пылевых облаков образованных ракетными выхлопами составляют 1-2 км/сек, а их размеры могут достигать нескольких сотен километров в поперечнике. Основным механизмом свечения таких искусственных образований является рассеяние солнечного излучения на дисперсной компоненте продуктов сгорания. Взаимодействие газовой фазы продуктов сгорания с веществом атмосферы приводит к изменению скоростей и направлений ионно-молекулярных реакций, что также может приводить к появлению аномалий в собственном свечении верхней атмосферы [6 - 9].

Статистический анализ оптических явлений, связанных с запусками и маневрами ракетно-космической техники позволяет сделать общие оценки пространственно-временных масштабов и заключения о физических механизмах развития явлений.

Совокупность крупномасштабных оптических явлений в средней и верхней атмосфере, сопровождающих запуски ракет можно, с некоторой долей условности, разделить не несколько основных типов.

1). Явления, развивающиеся в области стратосферы на высотах 40-50 км, связанные с выбросами остатков компонент топлива после отделения первых ступеней ракет носителей. Характерными особенностями развития таких образований являются: относительно небольшая скорость их расширения, определяемая диффузией и ветровым разносом; дрейфовые перемещения под действием стратосферных ветров; продолжительное время жизни; относительно высокая яркость, позволяющая проводить оптические наблюдения таких образований, как в сумеречное, так и в дневное время суток.

Указанные особенности определяются в основном физическими условиями в области развития этих явлений, а также составом и количеством инжектируемого в атмосферу вещества. На рис.1 приведена последовательность фотографий, иллюстрирующих развитие искусственного облака, образованного в результате слива компонент топлива жидкостной ракеты-носителя на высоте ~ 45 км. Общая масса выброшенного вещества составляла около 0,5 тонны. Значимость исследования такого типа явлений в первую очередь связана с необходимостью оценки степени возможного загрязнения окружающей среды.

2). Оптические явления, развивающиеся при прохождении ракеты носителя областей атмосферы вблизи турбопаузы на высотах 100-120 км.

Такие явления наблюдаются в сумеречных условиях, имеют достаточно большую яркость (часто наблюдаются визуально с расстояний до 1000 км) и определяются рассеянием солнечного света на расширяющемся облаке продуктов сгорания. Скорости расширения таких образований составляют 1-2 км/сек, характерный поперечный размер 100-200 км. Локализация таких явлений на высотах 100-120 км определяется условиями торможения дисперсной компоненты продуктов сгорания. Потеря импульса относительно крупной частицы при ее движении в верхней атмосфере описывается уравнением m dt = p r2 V2 r dt, где m=4¤3p r3 r0 масса частицы (r0 - плотность частицы), r и V ее радиус и скорость, а r плотность атмосферы. Нетрудно найти изменение скорости частицы со временем

V=V0 ¤(1+3rV0 t ¤ 4 r0 r) и характерную «длину торможения», т.е. расстояние, на котором скорость частицы уменьшается в e раз

L = 4 r0 r ¤ 3 r ln(1+t¤t), где t = 4 r0 r ¤ 3 r V0, а (1+t¤t)=1.

На Рис.2 показано изменения с высотой «длины торможения» частиц с характерным размером 1 мкм для модели атмосферы приведенной в [10].

На меньших высотах след ракеты имеет относительно небольшой поперечный размер. На высотах более 120 км дисперсная компонента продуктов сгорания практически свободно разлетается и яркость пылевого облака незначительна, а интенсивность солнечного света, рассеянного на газовой компоненте продуктов сгорания мала по сравнению с рассеянием на дисперсной фазе. В качестве примера на Рис.3 показано развитие газо-пылевого облака, образовавшегося во время запуска ИСЗ «Молния» на высоте 100-130 км.

На больших высотах при работе двигателей ракет-носителей и двигателей космических аппаратов также развиваются оптические явления, обусловленные рассеянием света на дисперсной фазе продуктов сгорания. Однако из-за быстрого расширения продуктов сгорания и относительно небольшого секундного расхода топлива двигателей последних ступеней ракет и космических аппаратов интенсивность свечения этих образований на несколько порядков меньше [1, 3].

3). Наиболее крупномасштабные динамические явления, развивающиеся на высотах более 150 км, связанные с особыми режимами работы ракетных двигателей. В основном, эти эффекты сопровождают процесс выключения твердотопливных ракетных двигателей, после выводя ракеты на расчетную траекторию. Этот процесс связан с резким сбросом давления в камере сгорания, что приводит к практически мгновенному выбросу в атмосферу большого количества различных компонент топлива и продуктов сгорания. Нетрудно оценить, что количество инжектированного таким образом вещества для мощных ракет может составлять сотни килограмм, причем значительная доля выброса находится в дисперсном состоянии из-за специфического состава топлива и неполного процесса сгорания. Масса вещества, выбрасываемого в атмосферу при сбросе давления в ракете с твердотопливным двигателем определяется давлением в камере сгорания – Р, ее объемом – V, температурой – Т и средней молярной массой продуктов горения - m: М = m Р V / R Т. Для характерных значений Р=10 Мпс, V= 20 м 3, Т= 3000 К, m= 35 [ 11 ]. Такие искусственные «облака» могут подниматься до высот более 700 км, скорость их расширения составляет 2-3 км/сек, а их поперечный размер в отдельных случаях превышает 1500 км [ 5 ]. Время жизни таких образований определяется в основном временем оседания его компонент под действие силы тяжести до ~ 100 км, т.е. до границы турбопаузы. Явления такого класса многократно наблюдались не только в России, но и в США и на Канарских островах, при запусках ракет морского базирования. Интересно отметить, что возможность наблюдения таких оптических явлений на огромных территориях, охватывающих целые регионы и даже страны, их масштабность, необычность, отсутствие природных аналогов часто приводили даже к сенсационным сообщениям в печати о наблюдениях неопознанных летающих объектах (НЛО) [12, 13]. На рис. 4. приведены снимки, демонстрирующие развитие одного из таких явлений.