тягу в доли ньютона и имеют размеры всего несколько сантиметров. Мощные же твердотопливные двигатели, используемые в качестве стартовых ускорителей тяжелых ракет-носителей, имеют тягу в несколько меганьютон, а их размеры составляют несколько десятков метров.
Условия, необходимые для оптимального функционирования двигателя, могут частично варьироваться скоростью подачи горючего и окислителя. Естественно, что вначале, когда процесс горения еще не установился, сгорание может происходить не полностью и наряду с газообразными продуктами сгорания в выхлопной струе могут присутствовать относительно крупные — микронные и субмикронные — частицы. Выброс негазообразных продуктов происходит также при включении двигателей и сливе неиспользованных компонент топлива после отделения отработавших ступеней носителя.
Твердотопливные ракетные двигатели по сравнению с жидкостными обладают как рядом преимуществ, так и некоторыми недостатками. К их достоинствам в первую очередь относятся высокая степень надежности и относительная простота устройства, что обусловливает их широкое применение в военной технике, системах спасения на космических кораблях, в реактивных системах управления, в качестве стартовых блоков ракет-носителей и других комплексах. К недостаткам РДТТ можно отнести сложности управления тягой этих двигателей и меньшую удельную тягу по сравнению с ЖРД.
Основным параметром, характеризующим скорость и устойчивость горения твердых топлив, является давление в камере сгорания, служащей одновременно и местом хранения топлива. Поскольку устойчивое равномерное горение происходит лишь при достаточно высоком давлении, составляющем обычно несколько десятков атмосфер, то для выключения — отсечки тяги двигателя — необходимо уменьшить давление в камере сгорания. Наиболее отработанный в настоящее время способ состоит в практически мгновенном открытии с помощью пиротехнических устройств дополнительных отверстий в корпусе с большой суммарной площадью. При этом продукты сгорания истекают не только через сопло в одном направлении, но также и через эти отверстия, формируя выхлопную струю сложной формы. Давление резко падает, и горение остатков топлива прекращается.
Естественно, что как и в ЖРД, на переходных режимах работы РДТТ, когда давление и температура в камере сгорания отличаются от расчетных, процесс горения происходит не оптимальным образом и в состав продуктов сгорания в выхлопной струе входят вместе с газовой фазой и мелкодисперсные частицы.
Несмотря на ограниченное использование РДТТ в космической технике, существуют несколько конструкций ракет-носителей для запусков ИСЗ, все ступени которых оснащены такими двигателями. В частности, к ним относится четырехступенчатая американская ракета-носитель «Скаут» («Scout»).
Двигатель первой ступени этой ракеты работает около 1 мин, второй ступени — 35 с, третьей — 25 с, четвертой — 28 с.
Секундный расход топлива при работе двигателей различных ступеней составляет около 200, 120, 45 и 10 кг/с, а общее время полета на активном участке траектории занимает около 2,5 мин. Очевидно, что запуск этой ракеты-носителя происходит со значительно большими ускорениями, чем ракеты-носителя «Союз». Параметры активного участка траектории, т. е. его протяженность, крутизна, также имеют свои особенности, определяемые не только параметрами орбиты спутника, но и техническими возможностями ракеты.
Приведенные характеристики помогут понять ряд специфических оптических эффектов, иногда сопровождающих запуски ракетной техники. Но вначале остановимся на возможных простых явлениях, наблюдаемых при полетах такой техники.
Во-первых, следует заметить, что ракета-носитель — это, как правило, достаточно крупная конструкция и с расстояния в несколько десятков километров просто может быть видна невооруженным глазом. При этом близость космодрома, звуковые эффекты, сопровождающие работу двигателя, яркий факел выхлопной струи не оставляют шансов спутать наблюдаемую картину запуска с каким-либо другим событием даже самому наивному очевидцу.
Во-вторых, последние ступени ракеты-носителя, как и другие космические объекты, могут наблюдаться в сумерках в результате отражения света Солнца. Чем крупнее конструкция, тем больше ее блеск; например, орбитальная станция может выглядеть значительно ярче Венеры. В тех случаях, когда космический аппарат вращается при движении по орбите, его блеск периодически меняется, так как изменяется площадь отражающей поверхности. С Земли это выглядит как полет спутника, систематически «мигающего». Более того, из-за особенностей зрения иногда кажется, что спутник летит не по плавной траектории, а как бы совершает рыскающие движения. При некотором опыте наблюдений за ночным небом эти явления все-таки не вызывают существенных трудностей в распознавании у большинства очевидцев.
Третье, на чем следует остановить внимание, — видимость факела работающего двигателя. Он представляет собой поток продуктов сгорания, вылетающих из сопла со скоростью, достигающей иногда 4 км/с. Для большинства же типичных конструкций эта скорость имеет значение около 3 км/с. Хорошо известно, что удельная тяга ракетного двигателя тем выше, чем больше скорость истечения продуктов сгорания, и следовательно, температура в камере сгорания и в выхлопной струе. Поэтому конструкторы двигателей добиваются получения наиболее горячего факела. Как уже отмечалось, в современных двигателях температура продуктов сгорания может составлять более 3000 °C. Имея столь высокую температуру, факел, естественно, является источником интенсивного излучения в широком диапазоне длин волн, от ультрафиолетового до инфракрасного излучения, в том числе и в видимой области. Так как при разлете продуктов сгорания происходит их резкое расширение, то температура факела очень быстро падает с удалением от сопла и наиболее интенсивно излучающая часть факела не слишком велика.
Оценить силу света такого источника можно, полагая, что внутренние части факела, а также, конечно, сами срезы сопла двигателя излучают как черное тело, имеющее соответствующую температуру. Эффективная поверхность такого «черного тела» может составлять несколько десятков квадратных метров. Для оценок возьмем значение S≈10 м2, поскольку ошибка в два-три раза не столь важна при качественных рассуждениях. По закону Стефана — Больцмана мощность излучения черного тела составляет W=SσT4, где S — площадь излучающей поверхности, Т — температура тела, а σ — константа, численно равная 5,7×10-8 Вт/м2. Нетрудно подсчитать, что в видимой области мощность излучения факела двигателя составляет ~106 Вт, световой поток от него ~6×108 лм, а его поверхностная яркость примерно 6×103 сб, что близко к значению яркости ацетиленовой горелки. Освещенность, создаваемая таким источником света на расстоянии 10 км, примерно 1 лк — это в несколько раз больше освещенности от полной Луны.
Очевидно, что такой мощный и яркий источник света будет отлично виден и в ночных, и в сумеречных условиях на достаточно больших расстояниях — до нескольких сотен километров. Правда, сам факел на таких расстояниях имеет уже весьма небольшие угловые размеры и воспринимается чаще всего как «яркая звездочка с хвостиком».
Существует еще один класс оптических явлений, связанных с запусками ракетной техники, которые по своей интенсивности и разнообразию превосходят все другие эффекты. В разделе, посвященном строению и свойствам атмосферы, говорилось о том, что в оптическом отношении наиболее активной компонентой атмосферы является аэрозоль, в том числе и искусственного происхождения. Одним из «поставщиков» этой компоненты практически на любые высоты как раз и являются запуски ракетной техники — выбросы
