научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ЗАПУСКАМИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ЗАПУСКАМИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ»

УДК: 533.951

ОСОБЕННОСТИ ОПТИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ЗАПУСКАМИ ТВЕРДОТОПЛИВНЫХ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ

© 2013 г. Ю. В. Платов1, С. А. Черноус2, В. В. Алпатов3

1 Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В.Пушкова РАН (ИЗМИРАН), г. Троицк (Московская обл.), e-mail: yplatov@izmiran.ru 2Полярный геофизический институт КНЦРАН, г. Апатиты (Мурманская обл.)

e-mail: chernouss@pgia.ru, 3 Институт прикладной геофизики им. Е.К. Федорова, Росгидромета, г. Москва

e-mail: v_alpatov@mail.ru Поступила в редакцию 23.03.2011 г. После доработки 11.05.2012 г.

В работе рассматриваются специфические оптические явления, наблюдающиеся в верхних слоях атмосферы и связанные с запусками мощных твердотопливных ракет: развитие сферически симметричных газо-пылевых образований, имеющих в картинной плоскости вид расширяющегося "бублика"; формирование в области пролета ракеты областей с интенсивным сине-зеленым (бирюзовым) свечением, наблюдающимся в сумеречных условиях. Развитие облаков может быть представлено моделью сильного взрыва, возникающего при разделении ступеней твердотопливных ракет в условиях верхней атмосферы. Бирюзовое свечение возникает в результате резонансного рассеяния солнечного излучения на молекулах AlO, образующихся при взаимодействия металлического алюминия, входящего в состав топлива с компонентами атмосферы и продуктами сгорания.

DOI: 10.7868/S001679401301015X

1. ВВЕДЕНИЕ

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 искусственных образований в верхней атмосфере сопровождается достаточно необычными оптическими явлениями, в основном, обусловленными рассеянием солнечного света на продуктах сгорания и их взаимодействием с компонентами верхней атмосферы [Кип§ й а1., 1975; Ветчинкин и др., 1993; Та§1гоу й а1., 2000; РМоу й а1., 2004].

В настоящее время накоплен достаточно большой массив данных о развитии оптических явлений, связанных с запусками ракет, что позволило провести предварительную классификацию наблюдаемых эффектов [РМоу й а1., 2004].

Оптические эффекты в верхней атмосфере, сопровождающие запуски жидкостных и твердотопливных ракет во многом подобны, поскольку и те, и другие связаны с выбросом продуктов сгорания и их взаимодействием с компонентами атмосферы. Однако имеется определенный тип явлений, присущих исключительно запускам твердотопливных

ракет, что определяется особенностями работы твердотопливных двигателей и составом компонент топлива.

Цель работы состоит в интерпретации двух классов оптических явлений, сопровождающих запуски мощных твердотопливных ракет: развитие в верхней атмосфере после разделения ступеней ракет сферических крупномасштабных газопылевых образований, имеющих в картинной плоскости вид "бубликов" и интенсивного бирюзового (сине-зеленого) свечения, наблюдающегося в области пролета ракеты.

2. РАЗВИТИЕ СФЕРИЧЕСКИХ ГАЗО-ПЫЛЕВЫХ ОБЛАКОВ

В работах [Платов и др., 2003; РМоу й а1., 2004] отмечалось, что процесс выключения твердотопливных ракетных двигателей (РДТТ) после вывода ракеты на расчетную траекторию часто сопровождается развитием крупномасштабных динамичных образований, имеющих в картинной плоскости форму, напоминающую "бублик". Этот процесс связан с резким сбросом давления в камере сгорания при отсечке тяги двигателя, что приводит к практически мгновенному выбросу в атмосферу большого количества различных компонент топлива и продуктов сгорания. Количество инжекти-

V • ^

мического разлета продуктов сгорания ракетных двигателей в условиях верхней атмосферы [Ивлев и Романова, 1993; Молчанов и Платов, 2011]. Поскольку давление в камере сгорания ракеты (~10 МПа) намного превышает давление окружающего газа (~5 х 10-4 Па), условие применимости автомодельного решения заведомо выполняются. В этом приближении зависимость радиуса г и скорости V движения ударной волны от времени для сферически симметричного случая имеют вид [Седов, 1987]

г = \Е)' Р/5,

21 Е

1/5

?3/5,

Рис. 1. Редкий снимок "бублика", развившегося после разделения ступеней твердотопливной ракеты. В центре "бублика" видно изображение факела двигателя последней ступени ракеты. Судя по характерным деталям, диаметр облака составляет >200 км. Вся область развития явления, включая место запуска, освещена Солнцем.

рованного вещества при этом для мощных ракет может составлять сотни килограмм, причем значительная доля выброса находится в дисперсном состоянии из-за специфического состава топлива и неполного сгорания компонент топлива. Масса вещества, выбрасываемого в атмосферу при сбросе давления в ракете с твердотопливным двигателем определяется давлением в камере сгорания — Р, ее объемом — V, температурой — Ти средней молярной массой продуктов горения — ц: М = цРУ/ЯТ. Для характерных значений Р ~ 10 МПа, У~ 20 м3, Т - 2800 К, ц - 0.035 [Экологические..., 2000] масса выброшенного вещества может составлять 300—400 кг. Скорость расширения таких "облаков" составляет ~2 км/с, а их поперечный размер в горизонтальной плоскости может достигать ~1000 км [РМоу е! а1., 2004]. В отдельных случаях фрагменты таких образований могут подниматься до высот ~700 км [Та§1гоу е! а1., 2000], что свидетельствует об их начальной вертикальной скорости ~4 км/с, которая является векторной суммой вертикальной скорости ракеты в момент образования облака (6—7 км/с) и скорости самого облака относительно ракеты. Время развития таких явлений определяется в основном временем подъема и оседания выброшенного вещества под действие силы тяжести до ~100 км, т.е. до границы турбопаузы.

Моделью развития таких явлений может служить приближение сильного взрыва в газовой среде. Такое приближение успешно применялось, в частности, для моделирования газодина-

.р; 5^р,

где Е — энергия, выделяющаяся при взрыве, а р — начальная плотность газа. Полагая, что Е ~ 2 х х 108 Дж (для Р - 10 МПа, У- 20 м3), а р - 10-10 кг/м3, нетрудно найти, что характерная скорость ударной волны составляет ~2 х 103?-3/5 м/с. Полученная величина хорошо согласуется с результатами измерения скоростей разлета облаков дисперсных частиц, образующихся при разделении ступеней твердотопливных ракет [Платов и др., 2003].

Процесс распространения ударной волны может быть связан с увлечением частиц конденсированной фазы. Очевидно, что твердые частиц, если их количество не слишком велико (энергия ударной волны должна быть значительно больше кинетической энергии дисперсных частиц), могут ускориться до скоростей ~2 х 103 м/с в поперечном движению ракеты направлении только в первые секунды разлета. В этом случае почти все вещество сконцентрировано в относительно узком слое позади фронта ударной волны. На рисунке 1 показан вид такой сферической "оболочки" ("бублика" в картинной плоскости), образовавшейся при разделении ступеней твердотопливной ракеты. Свечение достаточно тонкого расширяющегося сферического слоя кроме рассеяния солнечного света на дисперсной компоненте может вызываться также скачком температуры на фронте ударной волны. Зависимость температуры от параметров, определяющих условия в ударной волне имеет вид [Седов, 1987]

Т =

= 2(у-1) С2 = 2(у-1) 4Е

Я (у + 1)2 Я (у + 1)225рг3

здесь Я — универсальная газовая постоянная, г — "радиус" ударной волны, у — показатель адиабаты (для воздуха у ~ 1.4). Нетрудно оценить, что на расстояниях в несколько десятков километров от центра взрыва температура на фронте ударной волны превышает ~1000 К, что вполне достаточно для возбуждения свечения в оптическом диапазоне. На больших расстояниях, составляющих сотни километров, этот механизм свечения, од-

нако, неэффективен, так как температура достаточно быстро падает с расстоянием.

Интересно отметить, что на снимке нет заметной зависимости интенсивности свечения такого облака от высоты, т.е. от угла рассеяния солнечного излучения. Это обстоятельство накладывает некоторые ограничения на размер дисперсных частиц. На рисунке 2 приведены индикатрисы рассеяния, рассчитанные в приближении Ми для сферических частиц различных размеров. В предположении, что при изменении углов рассеяния от 0 до 15 градусов интенсивность рассеянного света должна меняться не более чем в два раза (незначительное изменении фотографической плотности) нетрудно оценить, что диаметр рассеивающих частиц не должен превышать 2—3 мкм (или количество крупных частиц должно быть относительно невелико). Такая оценка достаточно условна, поскольку получена в предположении, что рас-севающие частицы представляют собой ледяные шарики правильной формы, что конечно весьма условно, но для качественного описания эффекта вполне приемлемо.

Приближение сильного взрыва неприменимо в случае, когда масса дисперсных частиц, инжектированных в атмосферу при разделении ступеней, сравнима по величине или превышает массу газовой компоненты. В этом случае для моделирования расширения облака дисперсных частиц достаточно рассмотреть довольно простую схему. Такое "облако" можно представить в виде расширяющейся сферической размытой оболочки. Скорость расширения оболочки определяется начальными условиями инжекции. Сферическая оболочка размывается в результате процессов вязкости. Плотность частиц зависит от расстояния от центра сферы как

п = п0ехр1

Здесь Б0 — текущий диаметр сферы (на уровне максимальной плотности), а — характерный масштаб "размытости" сферической поверхности. Амплитудное значение плотности п0 одинаково по всей поверхности и определяется из условия нормировки

N=

M

m

Х i J 4nR 2n0exp (-

D - D0

dD,

0.05 0.10 0.15 0.20 0.25

0.30 ф, рад

где N — общее количество дисперсных частиц в выбросе, М — общее количество выброшенного вещества, а т — масса одной дисперсной частицы.

Некоторый аналог таких явлений, развивающихся, как правило, со значительно меньшими скоростями, наблюдается при проведении активных экспериментов с инжекц

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»