продуктов сгорания ракетного топлива. Некоторое количество аэрозольных частиц возникает также при микроразрушениях космических аппаратов, выбросах отходов и других процессах, однако по количеству они не идут ни в какое сравнение с топливными аэрозолями.
Прямых природных аналогов оптическим явлениям, обусловленным рассеянием света на ракетных аэрозолях, нет. Те высоты, на которых происходит интенсивный выброс и разлет продуктов сгорания, практически не содержат аэрозолей естественного происхождения. Действительно, до высот порядка 100 км, пока плотность воздуха еще достаточно велика, расширяющееся облако продуктов сгорания эффективно тормозится газодинамическими силами и оказывается локализованным в относительно небольшом объеме. Из-за этих же эффектов вязкости естественные (и, конечно, искусственные) аэрозоли могут существовать на этих высотах во взвешенном состоянии, образуя долгоживущие формации. На больших высотах ситуация меняется.
При отсутствии сил газодинамического торможения продукты выброса ракетного двигателя, расширяясь, могут образовывать облака различной причудливой формы с характерными размерами в десятки и даже сотни километров, существующие значительно меньшее время, чем более низкие конфигурации, — минуты, от силы 10–15 мин.
По интенсивности свечения такие образования могут значительно превосходить все известные природные эффекты. Связано это в основном с массой рассеивающего вещества. Концентрация аэрозольных частиц в серебристых облаках, как отмечалось, составляет около или менее одной частицы в кубическом сантиметре. При их характерном размере около 0,1 мкм масса аэрозолей, содержащихся в кубическом километре, при этом составит около 1 кг. А масса продуктов сгорания, выбрасываемая двигателями второй или последующих ступеней, работающих на высотах выше 100 км, достигает значений 300 кг/с и более. Результаты сравнения очевидны.
На самом деле развитие оптических эффектов протекает более сложным образом, чем описано по этой упрощенной схеме. Например, основной компонентой продуктов сгорания является газообразная фаза, а аэрозоли образуются в незначительных количествах из-за неполного сгорания или конденсации продуктов сгорания в выхлопной струе при ее расширении. Поэтому чаще всего наиболее интересные эффекты развиваются в моменты, когда по разным причинам происходит интенсивное образование аэрозолей, вернее, просто зольной, т. е. мелкодисперсной, фракции продуктов сгорания и компонент топлива. В первую очередь к таким процессам относятся различные, переходные режимы работы двигателей, во время которых процесс горения происходит с отклонениями значений температуры и давления от оптимальных. Как правило, такие ситуации возникают при включении и выключении двигателей.
При запусках двигателей, например, до тех пор, пока в камере сгорания температура ниже определенного значения, полного испарения компонент топлива не происходит и вместе с газами в выхлопе в значительных количествах имеются и достаточно крупные частицы.
Принципиальная схема образования повышенного содержания крупных частиц в продуктах, выбрасываемых жидкостными и твердотопливными двигателями при их включении, примерно одна и та же. Однако поскольку отсечка тяги двигателей в разных конструкциях происходит различным образом, то и механизмы образования зольной компоненты существенно различны. При выключении ЖРД просто перекрываются клапаны в магистралях, подающих топливо и окислитель, и горение прекращается. В этом случае возможен лишь небольшой выброс продуктов неполного сгорания в самом конце режима выключения. Однако вслед за выключением двигателя на активном участке траектории происходит отделение отработавшей ступени носителя, при этом остатки компонент топлива, так называемый гарантийный запас, сливаются через дренажные отверстия из баков. Поскольку такой запас топлива составляет примерно 1–2 % заправочной массы, то общее количество выброшенного, точнее, слитого, вещества, может быть весьма внушительно. Скорость расширения облака, образованного при этом, как правило, невелика. Форма не имеет правильных геометрических очертаний, а направления перемещения определяются ветрами, господствующими на соответствующих высотах.
Выше говорилось, что один из наиболее распространенных способов отсечки тяги РДТТ состоит в резком сбросе давления в камере сгорания за счет открытия в корпусе дополнительных отверстий с большой суммарной площадью. Расположение таких отверстий определяется конструктивными особенностями, однако наиболее часто встречаются системы, в которых такие заглушки располагаются на боковой поверхности или на передней части для создания реверса тяги. Нетрудно понять, что конфигурация газопылевого облака, выбрасываемого при таком режиме работы, во многом определяется скоростями движения ракеты и истечения вещества из всех открытых отверстий в корпусе и их геометрическим расположением. Форма такого «облака» может принимать самые причудливые очертания. Например, в тех случаях, когда стабилизация ракеты осуществляется путем ее вращения вокруг продольной оси, а отверстия расположены на боковой поверхности, струи истекающих продуктов образуют спиральную структуру (рис. 8). В других случаях форма облака может быть близкой к сферической или иметь более сложную «правильную» геометрическую конфигурацию.
Здесь важно отметить главное — при включении и выключении двигателей в той или иной форме происходит выброс относительно большого количества крупных частиц, рассеяние света на которых весьма эффективно. Оценить оптическую эффективность таких образований несложно, исходя из общих достаточно простых соображений. С этой целью прикинем интенсивность света, рассеянного газопылевым облаком в различных условиях. Полагая, что в маршевом режиме работы двигателя продукты сгорания содержат только газовую фазу, нетрудно подсчитать (см. с. 103), что интенсивность излучения, рассеянного на 100 кг вещества[10], составляет приблизительно 5×10-15 от интенсивности падающего излучения. Яркость такого образования ничтожна. Представим теперь, что по крайней мере половина массы такого выброса состоит из частиц со средним размером около 0,1 мкм. В этом случае интенсивность рассеянного света возрастает примерно в 6×108 раз и составит примерно 3×10-6 от интенсивности падающего излучения. При подсветке такого пылевого облака Солнцем в сумеречных условиях освещенность, создаваемая им на расстоянии 300 км, может в несколько раз превышать освещенность, создаваемую полной Луной.
Вот такой весьма интересный, но вполне реальный эффект. Конечно, как и раньше, следует оговориться, что приведенные оценки носят иллюстративный характер и не претендуют на большую точность, но сам процесс развития рассматриваемых явлений описывают правильно. Для более точных расчетов было бы необходимо учесть множество дополнительных обстоятельств: от распределения частиц по размерам и их химического состава до взаимного положения источника света — Солнца, области рассеяния и наблюдателя, что просто невозможно сделать в рамках популярного изложения.
Рис. 8. Зарисовка наблюдателя
Характерный спиралеобразный вид газопылевого облака, образующийся при выключении двигателя ракеты, стабилизированной вращением вокруг продольной оси
Подводя некоторый итог, можно сказать, что оптические эффекты, связанные с запусками ракетной техники, по своей неожиданности, разнообразию форм, числу наблюдений
