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.

Статистический анализ совокупности полученных данных позволяет заключить, что динамические и морфологические особенности искусственных образований в верхней атмосфере, связанных с запусками ракет в целом определяются соотношением газовой и дисперсной составляющих. Ниже приведены характеристики двух основных типов оптических явлений наблюдаемых в верхней атмосфере при запусках ракет.

А). Долгоживущие светящиеся образования

Высота развития облака - 80 - 150 км.

Характерные размеры - <100 км.

Время жизни образования 0.1 - 6 часов и более.

Наблюдаемый спектр - дискретные эмиссии.

Регистрируемые яркости до 10-6 сб.

Состав облака - газовая фазы (молекулярная компонента выбросов ракетных двигателей)

Физические механизм свечения - взаимодействие продуктов сгорания ракетных двигателей с компонентами верхней атмосферы и резонансное рассеяние солнечного излучения в качестве превалирующего механизма.

Динамика развития облака определяется процессами молекулярной диффузии [ 14 ].

Б) Динамические образования с коротким временем жизни

Высота развития облака - 100 - 700 км.

Характерные размеры - 100 - 1000 км.

Время жизни образования 1 – 10 минут.

Наблюдаемый спектр - непрерывный.

Регистрируемые яркости до 10 –4 сб.

Состав облака - дисперсная компонента выбросов ракетных двигателей с характерными размерами частиц 0.1 – 10 мкм

Физический механизм свечение - рассеяние солнечного света.

Динамика развития облака - разлет дисперсной фазы компонент ракетного выброса.

При регистрации оптических «ракетных» явлений в той или иной мере, как правило, наблюдаются оба механизма свечения. На Рис. 4, например, отчетливо видно, что после окончания динамической фазы развития явления, долгое время (до нескольких часов после начала развития явления, во время наблюдений - до восхода Солнца) наблюдалось относительно слабое диффузное свечение в месте отделения ступени ракеты-носителя, связанное с эмиссиями газовой компоненты выброса.

Отдельного рассмотрения заслуживает вопрос об образовании дисперсной фазы в ракетном выхлопе. Во-первых, достаточно крупные частицы с размерами до нескольких микрон образуются в результате конденсации паров воды при резком расширении продуктов сгорания [1, 15, 16]. В этих работах было показано, что для объяснения наблюдавшихся явлений достаточно допустить степень конденсации 5-10% водяных паров в факеле ракетных двигателей с образованием кристаллов льда с характерными размерами ³ 100 А. Этот механизм представляется весьма интересным, поскольку является универсальным как для жидкостных, так и для твердотопливных ракет. Кроме того, он не только объясняет динамику развития «ракетных облаков» в верхней атмосфере, но и крупномасштабность явлений, связанных с взаимодействием продуктов сгорания с веществом атмосферы, например в процессе образования ионосферных дыр с пониженной плотностью электронов. Действительно, разлет «ледяной» компоненты ракетного выброса должен приводить к быстрой транспортировке возмущающего фактора на большие расстояния, а возгонка льда в процессе разлета переводит его в «активное» состояние для участия в физико-химических процессах. Однако подробное рассмотрение механизма конденсации-переноса-возгонки с учетом термодинамических процессов пока не проведено.

Образование дисперсной компоненты при отсечке тяги твердотопливных двигателей и сливе компонент топлива после разделения ступеней особых проблем не вызывает, однако, необходимо оценить характерное распределение твердых частиц по размерам для корректной интерпретации результатов наблюдений.

Работа выполнена при поддержке Международного научно-технического центра, проект № 1328-99.

Литература

1. R.T.V.Kung, L.Cianciolo и J.A.Myer, Solar Scattering from Condensation in Apollo Translunar Injection Plume// AIAA Journal. 1975. v.13. №4. P. 432-437

2. Платов Ю.В., Фешин Б.А., Черноус С.А. Аномальные явления факты и вымысел// Наука в СССР. 1989. №. 5. С. 14-22.

3. Chemouss S. A., Platov Y. V. Optical Effects of Exhaust Products of a Rocket Launches," Proceedings of the 19th European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, edited by A. Steen, IRF Scientific Rept. 209, Swedish Inst. of Space Physics, Kiruna, Sweden. 1992. P. 501-505.

4. Ветчинкин Н.В., Границкий Л.В., Платов Ю.В., Шейхет А.И. Оптические явления в околоземной среде при работе двигательных установок ракет и спутников. I. Наземные и спутниковые наблюдения искусственных образований при запусках ракет// Космические исследования. 1993. Т.31. Вып. 1. С. 93-100.

5. Tagirov, V. R., Arinin, V. A., Brändström U., Pajunpää A., Klimenko V.V. Atmospheric Optical Phenomena Caused by Powerful Rocket Launches// Journal of Spacecraft and Rockets. 2000. V. 37. No. 6. P. 812-821/

6. Mendillo, M., Hawkins, G. S., and Klobuchar, J. A. A Sudden Vanishing of the Ionospheric F Region due to the Launch of Skylab// Journal of Geophysical Research. 1975. V. 80. No. 16. P. 2217-2228.

7. Карлов В.Д., Козлов С.И., Ткачев Г.Н. Крупномасштабные возмущения в ионосфере, возникающие при пролете ракеты с работающим двигателем (обзор)// Космические исследования. 1980. Т. 18, Вып. 2., С. 266-277.