научная статья по теме ДИНАМИКА РАЗЛЕТА ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ ВЫКЛЮЧЕНИИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ДИНАМИКА РАЗЛЕТА ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ ВЫКЛЮЧЕНИИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ»

ГЕОМАГНЕТИЗМ И АЭРОНОМИЯ, 2015, том 55, № 5, с. 680-686

УДК 533.951

ДИНАМИКА РАЗЛЕТА ГАЗОПЫЛЕВОГО ОБЛАКА, ОБРАЗУЮЩЕГОСЯ ПРИ ВЫКЛЮЧЕНИИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ РАКЕТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ

© 2015 г. С. Ш. Николайшвили1, Ю. В. Платов2, С. А. Черноус3

Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова, г. Москва 2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Москва, г. Троицк 3Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.) e-mails: ser58ge@gmail.ru; yplatov@izmiran.ru; chernouss@pgia.ru Поступила в редакцию 05.03.2015 г.

Определены скорости расширения сферических газопылевых облаков, образующихся при разделении ступеней твердотопливных ракет в верхней атмосфере. Измеренные скорости лежат в диапазоне 2.5—7.5 км/с. Ускорение дисперсной компоненты происходит на фронте ударной волны, развивающейся при отсечке тяги двигателя. Результаты модельных расчетов интенсивности свечения газопылевых облаков качественно совпадают с фотометрическими профилями изображений этих объектов. В зависимости от массы газопылевого облака и распределения вещества внутри него такие образования могут иметь вид от практически однородных шарообразных облаков до достаточно тонких сферических оболочек.

DOI: 10.7868/S0016794015050107

1. ВВЕДЕНИЕ

К наиболее динамичным и крупномасштабным явлениям в верхней атмосфере Земли относится свечение газопылевых облаков, наблюдающихся при запусках ракет в сумеречных условиях. Моделирование подобных образований заключается в решении, по крайней мере, двух независимых задач: 1) образование дисперсных частиц в выхлопной струе ракетных двигателей и 2) динамика разлета газопылевого облака продуктов сгорания.

Оптические эффекты в верхней атмосфере, сопровождающие запуски как жидкостных и твердотопливных ракет во многом схожи. Однако имеется определенный тип явлений, характерных исключительно для запусков твердотопливных ракет [Платов и др., 2013]. Это крупномасштабные с характерным размером до ~1000 км, часто имеющие вид "бубликов" облака, образующиеся в верхней атмосфере при отсечке тяги твердотопливных ракет.

Цель работы состоит в моделировании таких явлений, определении их характерных параметров и условий их развития.

2. РАЗВИТИЕ СФЕРИЧЕСКИХ ГАЗОПЫЛЕВЫХ ОБЛАКОВ

Запуски твердотопливных ракет часто сопровождаются развитием крупномасштабных дина-

мичных образований, имеющих форму, напоминающую "бублик" [Платов и др., 2003; РМоу й а1., 2004]. Возникновение таких облаков связано с резким сбросом давления в камере сгорания при отсечке тяги двигателя [Колесников и др., 1977; Присняков, 1984], что приводит к практически мгновенному выбросу в атмосферу большого количества топлива и продуктов сгорания. Масса выброшенного вещества определяется давлением в камере сгорания Р, объемом камеры сгорания V, температурой Т и средней молекулярной массой продуктов сгорания ц (Я — универсальная газовая постоянная): М = ^РУ/ЯТ.

Для третьей ступени ракеты носителя (РН) "Минитмен" Р ~ 10 Мпа, V~ 2 м3, Т- 2800 К, ц -- 0.035 и масса инжектированного вещества составляет 30 кг, а для ракет тяжелого класса может достигать сотен килограмм, причем значительная часть вещества находится в дисперсном состоянии.

Для исследования динамики таких образований были обработаны и проанализированы данные регистрации запусков твердотопливных ракет из акватории Белого моря на полигон Куру (п-ов Камчатка), полученные на камерах патрульных наблюдений полярных сияний [СИегпош8 е! а1., 2012], и видеосъемка запусков ракет с полигона Ванденберг (США) [Мти1ешап ..., 2002]. Всего было рассмотрено 8 случаев развития этих явлений. Определение размеров наблюдае-

Рис. 1. Кадр из видеофильма запуска РН "Минитмен". Шарообразное облако (а) образовалось при отделении второй ступени, а "тонкая сферическая оболочка" (б) (фрагмент первого снимка) — при выключении двигателя третьей ступени.

мых облаков и скоростей их разлета проводилось путем измерения азимутов и углов места различных фрагментов явлений на снимках и их привязкой к траекториям запуска ракет с учетом кривизны поверхности Земли.

Скорость расширения "облаков" составляет от 2.5 до ~7 км/с (март 1980 г. - 4.5 км/с; 23.10.1985 г. -3 км/с; 25.12.1986 г. - 3 км/с; 04.11.1983 г.- 3.5 км/с; 26.03.1984 г. - 7.5 км/с; 3.04.1980-5 км/с; 14.10.2002 г. - "Минитмен" (в процессе запуска наблюдалось развитие двух сферических облаков): ~3 км/с и >5 км/с). Результаты измерений для запусков 23.20.1985 г.; 25.12.1986 г.; 04.11.1983 г. и 26.03.1984 г. взяты из работы [Та§1гоу е! а1., 2000]. Следует отметить, что в этой работе ошибочно предполагалось, что запуски ракет осуществлялись с полигона Плесецк, в то время как на самом деле ракеты запускали из акватории Белого моря, однако на результатах измерений эта ошибка практически не сказалась.

В процессе развития облаков скорость их расширения заметно не меняется, т.е. разлет дисперсной компоненты происходит без торможения. Интересно отметить, что при фронтальной скорости расширения облака >7 км/с движение ракеты происходит внутри ею же сгенерированного образования. Этот эффект характерен для взрывных процессов, происходящих в сильно разреженной среде [Баум и др., 1959], во время которых скорость разлета продуктов детонации (взрыва) может достигать значений ~12 км/с.

В зависимости от распределения вещества внутри облаков их можно разделить, с некоторой

долей условности, на два класса: "тонкие" сферические оболочки, когда толщина слоя существенно меньше диаметра, и "шарообразные" облака (рис. 1).

Время развития таких явлений определяется в основном временем подъема и оседания выброшенного вещества под действием силы тяжести до ~100 км, т.е. до границы турбопаузы.

3. МОДЕЛЬ РАЗЛЕТА ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В ПРИБЛИЖЕНИИ СИЛЬНОГО ВЗРЫВА

В качестве модели расширения облака, образованного в результате отсечки тяги твердотопливных двигателей, используется приближение сильного взрыва в газовой среде. Такой подход успешно применялся для моделирования газодинамического разлета продуктов сгорания в условиях верхней атмосферы [Ивлев и Романова, 1993; Молчанов и Платов, 2011]. Давление в камере сгорания ракеты намного превышает давление окружающего газа (~5 х 10-4 Па), следовательно, условия применимости автомодельного решения заведомо выполняются. Зависимость радиуса г и скорости V движения ударной волны от времени для сферически симметричного случая имеют вид:

\!/5

г = |Е| 12/5,

V = 2 (4/5 г

, 51 ■ (1)

где Е - энергия, выделяющаяся при взрыве, а р -плотность газа. На рисунке 2 приведена зависи-

V, м/с

100 200 300 400 500

к, км

Рис. 2. Зависимость скорости ударной волны от высоты для разных моментов времени после взрыва. Высота ~120 км соответствует области отделения 2-й ступени.

мость скорости (м/с) ударной волны через 0.1, 0.2, 0.5 и 1 с после "взрыва" от высоты для Е ~ 2 х х 107 Дж.

Начальная фаза распространения ударной волны сопровождается увлечением дисперсных частиц. Очевидно, что они могут ускориться до наблюдаемых скоростей в поперечном движению ракеты направлении только в первые секунды, при условии, что энергия ударной волны значительно больше суммарной кинетической энергии

частиц. Это условие накладывает ограничение на их общую массу, в частности, при ускорении частиц до скорости ~3 км/с их суммарная масса не должна превышать ~0.1 всей массы инжектированного вещества. В этом случае почти все дисперсные частицы сконцентрированы в относительно тонком слое. Со временем скорость ударной волны уменьшается, а движение дисперсных частиц происходит практически без торможения, и фронт ударной волны в процессе расширения газопылевого облака "отстает" от сферической оболочки. Этот процесс характерен для сильных взрывов в разреженной среде [Баум и др., 1959].

На рисунке 3 показан вид такой тонкой сферической "оболочки", образовавшейся при разделении ступеней твердотопливной ракеты.

Свечение тонкого расширяющегося сферического слоя, кроме рассеяния солнечного света на дисперсной компоненте, может вызываться также скачком температуры на фронте ударной волны [Платов и др., 2013]. На расстояниях в несколько десятков километров от центра взрыва температура на фронте ударной волны будет превышать 1000 К, что достаточно для возбуждения свечения в оптическом диапазоне. На расстояниях сотен километров этот механизм неэффективен, так как с увеличением расстояния температура быстро падает.

Если суммарная кинетическая энергия инжектированных дисперсных частиц составляет значительную часть энергии взрыва, газопылевое об-

Рис. 3. Редкий снимок "бублика", образовавшегося после разделения ступеней твердотопливной ракеты. В центре сферической оболочки виден факел последней ступени. Вся область полета ракеты подсвечена Солнцем. Диаметр сферы составляет не менее 200 км.

Рис. 4. Газопылевые облака, зарегистрированные 30.04.1980 г. (а) и 19.09.1986 г. (б) на камере наблюдения полярных сияний в г. Архангельске. Расстояние от места наблюдения до центра облака ~1000 км.

лако имеет вид не тонкой, а размытой сферической оболочки с толщиной слоя, сравнимой с характерным размером сферы (рис. 4). Расширение такого облака [Беликов и др., 1993] аналогично развитию искусственных облаков, создаваемых в верхней атмосфере в активных экспериментах.

4. РАССЕЯНИЕ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ГАЗОПЫЛЕВОМ ОБЛАКЕ

Интенсивность излучения, рассеянного ансамблем частиц, в релеевском приближении (размер частиц много меньше длины волны рассеянного света) описывается выражением [Ван де Хюлст, 1961]:

1 = ^тЙ (1 + cos2 0)' (2)

L к

где L — расстояние от наблюдателя до области рассеяния; v — объем рассеивающих частиц; N — их число в ансамбле; X — длина волны света; I0 — интенсивность падающего излучения; 9 — угол рассеяния. В коэффициенте к собраны все численные множители и величины, характеризующие физические свойства рассеивающих частиц. Для воды, например, к ~ 10.

Если допустить, что все частицы имеют одинаковый радиус r, общая масса вещества М, а его плотность р, то выражение (3) изменится следующим образом:

I = 10к 4пМГ4 (1 +

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»