Явления, связанные с запусками ракетной техники. Сопоставляя различные явления, воспринимаемые очевидцами как аномальные, можно убедиться, что наиболее многочисленные, а также наиболее интересные и красочные относятся к эффектам, сопровождающим запуски ракетной техники. Грандиозное зрелище старта современных мощных ракет-носителей, выводящих на орбиту искусственные спутники Земли, знакомо почти всем. Многочисленные прямые телевизионные передачи с космодромов, кинохроника, фоторепортажи познакомили нас с этим удивительным зрелищем.
Без сомнения, картина старта производит потрясающее впечатление своей красочной феерией. Однако, несмотря на всю мощь этого зрелища, эффекты, развивающиеся при старте и полете ракеты в нижних слоях атмосферы, имеют довольно локальный характер и по своим масштабам значительно уступают явлениям, сопровождающим прохождение раке*той с работающим двигателем областей, расположенных на достаточно больших высотах.
В настоящее время во всем мире, вероятно, существуют сотни различных конструкций ракетных систем, предназначенных для использования в исследовательских, хозяйственных или военных целях. С некоторой долей условности их можно разделить на несколько групп.
Геофизические ракеты. К этому классу относятся ракеты, используемые для зондирования верхних слоев атмосферы, а также для проведения различных геофизических и астрофизических исследований. Они весьма разнообразны по конструкции, имеют стартовую массу от ста килограмм до нескольких десятков тонн в зависимости от полезной нагрузки и высоты подъема, которая в некоторых случаях превышает тысячу километров. Наиболее часто применяются одноступенчатые или двухступенчатые ракеты. Наиболее мощные геофизические ракеты построены по трехступенчатой схеме. Исследования при помощи таких ракет физических условий на «промежуточных» высотах в диапазоне 30—150 км во многом дополняют исследования, проводимые с аэростатов и спутников.
Особенностью запуска геофизических ракет является практически вертикальный подъем над местом старта и сравнительно короткое время работы двигательной установки с дальнейшим подъемом по инерции до максимальной высоты. У ракет МР-12, например, двигатель работает немногим больше 10 с, за которые ракета успевает подняться на высоту около 10 км. У ракеты «Вертикаль», неоднократно применявшейся в международных геофизических программах, высота активного участка траектории составляет около 130 км при запуске на высоту примерно 500 км и соответственно 170 км при запуске на высоту 1500 км.
Ракеты-носители, применяемые для запусков космических аппаратов. Эти конструкции принято подразделять на несколько классов. Легкий, к которому относятся ракеты-носители типа «Космос» (СССР), американские ракеты «Скаут», «Тор», английские «Блэк Эрроу». Средний класс представляют советские ракеты-носители типа «Восток», «Союз», американские «Титан», «Атлас», ракета-носитель стран европейского сообщества «Ариан», модификации которой, правда, можно отнести и к следующему классу тяжелых ракет. Отечественную технику в нем представляет ракета-носитель «Протон». К сверхтяжелому классу относятся такие мощные системы, как «Сатурн-5», использовавшаяся для выполнения программы «Аполлон» (США) и с тех пор не применявшаяся, корабль многоразового использования «Спейс Шаттл» и созданная в 1987 г. в СССР ракета-носитель «Энергия».
Технические характеристики этих ракет-носителей, далеко не полностью перечисленных выше, содержатся в специальной литературе, ниже будут приведены для примера лишь некоторые из них.
Ракеты, предназначенные для военных целей. Подробные технические данные ракет, предназначенных для военных целей, в широкой печати не публикуются. Заметим, однако, что эффекты воздействия ракетного двигателя на окружающую среду не зависят от того, на какой по назначению ракете он установлен и какой стране принадлежит эта ракета. Поэтому явления, развивающиеся при испытаниях военной ракетной техники, не отличаются от явлений, сопровождающих запуски научно-исследовательских ракет.
В качестве примеров рассмотрим приблизительные схемы запусков двух ракет-носителей, применяемых для вывода на орбиту искусственных спутников Земли.
Советская трехступенчатая ракета-носитель «Союз». Иногда эта ракета используется с четвертой ступенью — так называемый разгонный блок — для вывода спутников типа «Молния» с опорной орбиты на высокоэллиптическую.
После выработки компонент топлива первой ступени, что происходит на высоте около 50 км в конце второй минуты полета, блоки первой ступени отделяются, а двигатель второй ступени, т. е. центрального блока, продолжает работать. Общее время работы этого агрегата составляет примерно 5 мин, после чего происходит отсечка тяги двигателя и отделение третьей ступени и головной части. В зависимости от орбиты, на которую выводится спутник, это отделение может происходить на разных высотах, как правило, больших 150 км.
В момент отделения второй ступени включается двигательная установка третьей ступени. Время работы двигателя третьей ступени около 220 с. Скорости, которые приобретает ракета в конце работы двигателей первой, второй и третьей ступеней, составляют соответственно примерно 3, 7 и 8 км/с. Общее время полета ракеты на активном участке траектории около 9 мин, при этом удаление от места старта обычно превышает тысячу километров. Очевидно, что эффекты, связанные с запуском ракеты, точнее, с работой двигательной установки, могут наблюдаться на достаточно большой территории, а не только в непосредственной близости от космодрома.
Все двигатели этой ракеты-носителя, кроме нескольких, имеющих вспомогательное значение, работают на жидком топливе.
Заметим, что ракетные двигатели можно классифицировать по различным признакам: по виду источника энергии — пневматические, химические, электрические, ядерные; по исходному агрегатному состоянию рабочего тела — газовые, жидкостные, твердотопливные. В настоящее время наибольшее применение получили жидкостные ракетные двигатели (ЖРД) и ракетные двигатели на твердом топливе (РДТТ), которые по мощности и напряженности работы значительно превосходят все другие тепловые двигатели. Достаточно указать, что давление в камере сгорания современных ракетных двигателей может достигать 25 МПа, т. е. 250 атм, а температура составляет до 4000 °C, при этом скорость реактивной струи доходит до 4000 м/с. Весьма разнообразны ракетные двигатели также по размерам и величине тяги. Так, микродвигатели, применяемые в системах ориентации космических аппаратов, развивают 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.