![]() |
|
сделать стартовой | добавить в избранное |
![]() |
Промышленность и Производство
Техника
Особенности газо-пылевых образований в верхней атмосфере, связанных с выбросами продуктов сгорания ракетных двигателей |
Особенности газо-пылевых образований в верхней атмосфере, связанных с выбросами продуктов сгорания ракетных двигателей. В работе представлены результаты исследования оптических явлений в верхней атмосфере сопровождающих запуски ракет и связанных с особенностями структуры и динамики газо-пылевых образований в верхней атмосфере. Наиболее интенсивные, крупномасштабные и динамичные явления обусловлены особыми режимами работы ракетных двигателей, в частности, разделение ступеней и отсечкой тяги твердотопливных ракетных двигателей и физическими условиями в области пролета ракеты. Yu.V.Pla ov, G. .Kulikova, S.A.Cher ous. – he fea ures of gas-dus forma io s i he upper a mosphere co ec ed wi h rocke lau ches. he resul of i ves iga io of op ical phe ome a i he upper a mosphere co ec ed wi h rocke lau ches is prese ed. his phe ome a are caused by sca eri g of su ligh o gas-dus forma io of rocke exhaus havi g cer ai fea ures a s ruc ure a d dy amics. he mos i e sive, large-scale a d dy amic phe ome a co ec wi h special modes of e gi es opera io , i par icular, wi h separa io s of s ages a d solid fuel e gi es swi ch off as well as physical co di io s i he upper a mosphere. 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 таких искусственных образований в верхней атмосфере сопровождается достаточно необычными оптическими явлениями, обусловленными рассеянием солнечного света на продуктах сгорания и их взаимодействием с компонентами верхней атмосферы . Исследование этих оптических явлений позволяет получить информацию об антропогенном загрязнении околоземного космического пространства, процессах взаимодействия загрязняющих выбросов с окружающей средой, динамических процессах в верхней атмосфере. При проведении патрульных наблюдений полярных сияний на камерах полного обзора неба в северных регионах Советского союза в течение многих лет регистрировались оптические явления в верхней атмосфере, сопровождающие запуски ракет, производимые с космодрома Плесецк и испытательных ракетных полигонов. Оптические эффекты, связанные с работой ракетных двигателей, были зарегистрированы в виде треков и диффузных крупномасштабных образований на панорамных фотографических и спектральных камерах. Кроме того, для получения данных об их развитии с достаточно высоким пространственным и временным разрешением был проведен ряд комплексных целенаправленных наблюдения таких явлений. Всего было зарегистрировано более пятидесяти оптических явлений, сопровождающих запуски ракет. В результате анализа данных наблюдений отдельных наиболее интересных явлений были получены оценки характерных структурных и динамических параметров крупномасштабных образований в верхней атмосфере, развивающихся при пролете ракет с работающим двигателем. В частности, было показано, что характерные скорости расширения газо-пылевых облаков образованных ракетными выхлопами составляют 1-2 км/сек, а их размеры могут достигать нескольких сотен километров в поперечнике.
Основным механизмом свечения таких искусственных образований является рассеяние солнечного излучения на дисперсной компоненте продуктов сгорания. Взаимодействие газовой фазы продуктов сгорания с веществом атмосферы приводит к изменению скоростей и направлений ионно-молекулярных реакций, что также может приводить к появлению аномалий в собственном свечении верхней атмосферы . Статистический анализ оптических явлений, связанных с запусками и маневрами ракетно-космической техники позволяет сделать общие оценки пространственно-временных масштабов и заключения о физических механизмах развития явлений. Совокупность крупномасштабных оптических явлений в средней и верхней атмосфере, сопровождающих запуски ракет можно, с некоторой долей условности, разделить не несколько основных типов. 1). Явления, развивающиеся в области стратосферы на высотах 40-50 км, связанные с выбросами остатков компонент топлива после отделения первых ступеней ракет носителей. Характерными особенностями развития таких образований являются: относительно небольшая скорость их расширения, определяемая диффузией и ветровым разносом; дрейфовые перемещения под действием стратосферных ветров; продолжительное время жизни; относительно высокая яркость, позволяющая проводить оптические наблюдения таких образований, как в сумеречное, так и в дневное время суток. Указанные особенности определяются в основном физическими условиями в области развития этих явлений, а также составом и количеством инжектируемого в атмосферу вещества. На рис.1 приведена последовательность фотографий, иллюстрирующих развитие искусственного облака, образованного в результате слива компонент топлива жидкостной ракеты-носителя на высоте ~ 45 км. Общая масса выброшенного вещества составляла около 0,5 тонны. Значимость исследования такого типа явлений в первую очередь связана с необходимостью оценки степени возможного загрязнения окружающей среды. 2). Оптические явления, развивающиеся при прохождении ракеты носителя областей атмосферы вблизи турбопаузы на высотах 100-120 км. Такие явления наблюдаются в сумеречных условиях, имеют достаточно большую яркость (часто наблюдаются визуально с расстояний до 1000 км) и определяются рассеянием солнечного света на расширяющемся облаке продуктов сгорания. Скорости расширения таких образований составляют 1-2 км/сек, характерный поперечный размер 100-200 км. Локализация таких явлений на высотах 100-120 км определяется условиями торможения дисперсной компоненты продуктов сгорания. Потеря импульса относительно крупной частицы при ее движении в верхней атмосфере описывается уравнением m d = p r2 V2 r d , где m=4¤3p r3 r0 масса частицы (r0 - плотность частицы), r и V ее радиус и скорость, а r плотность атмосферы. Нетрудно найти изменение скорости частицы со временем V=V0 ¤(1 3rV0 ¤ 4 r0 r) и характерную «длину торможения», т.е. расстояние, на котором скорость частицы уменьшается в e раз L = 4 r0 r ¤ 3 r l (1 ¤ ), где = 4 r0 r ¤ 3 r V0, а (1 ¤ )=1. На меньших высотах след ракеты имеет относительно небольшой поперечный размер. На высотах более 120 км дисперсная компонента продуктов сгорания практически свободно разлетается и яркость пылевого облака незначительна, а интенсивность солнечного света, рассеянного на газовой компоненте продуктов сгорания мала по сравнению с рассеянием на дисперсной фазе.
В качестве примера на Рис.3 показано развитие газо-пылевого облака, образовавшегося во время запуска ИСЗ «Молния» на высоте 100-130 км. На больших высотах при работе двигателей ракет-носителей и двигателей космических аппаратов также развиваются оптические явления, обусловленные рассеянием света на дисперсной фазе продуктов сгорания. Однако из-за быстрого расширения продуктов сгорания и относительно небольшого секундного расхода топлива двигателей последних ступеней ракет и космических аппаратов интенсивность свечения этих образований на несколько порядков меньше . 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 . 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 . 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) . 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 -
При нагреве этого топлива от воспламенителя (который в простейшем случае представляет собой пиротехнический заряд с электрозапалом) отдельные составляющие топлива вступают между собой в химическую реакцию окисления-восстановления, и оно постепенно сгорает. При этом образуется газ с высокими давлением и температурой. Рис.P1. РДТТ в разрезе: 1 воспламенитель; 2 топливный заряд; 3 корпус; 4 сопло К корпусу РДТТ, который по выполняемым рабочим функциям является и камерой сгорания ракетного двигателя, присоединено реактивное сопло (может быть и несколько сопел, образующих сопловой блок), в котором образовавшийся от сгорания топлива газ разгоняется до скорости, превышающей скорость звука. В результате этого возникает сила отдачи, противоположно направленная истечению газовой струи и называемая реактивной силой, или тягой[2]. В зависимости от конкретного назначения космические РДТТ могут иметь тягу от сотых долей ньютона до нескольких меганьютонов, а продолжительность работы от долей секунды до нескольких минут
2. Расчет платы за выбросы загрязняющих веществ в атмосферу от передвижных источников
3. Моделирование загрязнения атмосферы выбросами из низких источников
4. Пассивные методы обнаружения радиоактивных выбросов в атмосферу
5. Аппаратура, используемая для очистки атмосферы от промышленных выбросов пыли
9. Математическое моделирование биосинтеза продуктов метаболизма
10. Изменение газового состава атмосферы в прошлом и настоящем
12. Оптимизация плана работ по отладке программных продуктов
13. Загрязнение атмосферы передвижными транспортными средствами
15. Загрязнение атмосферы и решение этой проблемы на примере Санкт-Петербурга
16. Загрязнение атмосферы Кемеровской области
17. Вредные выбросы прокатного производства
18. Рекультивация почв загрязненных нефтегазовыми выбросами
19. Атмосфера
21. Нормирование предельно допустимых концентраций и предельно допустимых выбросов
25. Характеристика пищевых продуктов по этикетке
26. Получение, использование цемента и его продуктов (Доклад)
28. Очистка газообразных выбросов от аэрозолей
29. Проектирование систем очистки выбросов цеха литья пластмасс
31. Двигатели внутреннего сгорания
32. Проектирование и исследование механизмов двигателя внутреннего сгорания
33. Влияние автотранспорта на атмосферу
34. Исследование атмосферы планеты Венера
35. Технология хранения и переработка сельскохозяйственных продуктов
36. Тепловой и динамический расчет двигателя внутреннего сгорания
43. Управление рисками и маркетинг на рынках интеллектуального продукта
45. Расчет себестоимости и цены программного продукта по учету прерываний на языке Ассемблер
46. Валовой внутренний продукт (ВВП)
47. Сертификация туристского продукта
48. Двигатели внутреннего сгорания на сжиженном водороде
50. Принципы управления развитием нового продукта на предприятии
51. Оценка времени жизни кольца Плутона в атмосфере планеты
52. Лечебные свойства продуктов питания
53. Исследование мяса и мясных продуктов
57. Определение диаметра короткого трубопровода при истечении в атмосферу
58. Вторжение космических тел в атмосферу Земли
59. Зависимость интенсивности дыхания растительных продуктов от температуры
60. Санитарные требования к первичной обработке продуктов
61. Получение вторичных продуктов из торфа и сланцев
62. Взаимосвязь психической атмосферы в семье и уровня психического развития ребенка
63. Как спасти продукт при помощи скрытого позиционирования
64. Понятие программного продукта
65. Как защитить уникальный продукт от происков конкурентов
66. Можно ли создать формулу успешного продукта
67. Зерно и продукты его переработки
68. Яйца и продукты переработки
69. Молоко молочнокислые продукты
73. Анализ критериев опасности загрязнения атмосферы для растений
74. Технология защиты воздушного бассейна (атмосферы) от загрязнений
75. Расчёт выброса загрязняющих веществ, при сжигании топлива в котлоагрегатах котельной
77. "Туристические" потенциал и продукт национальных парков
78. Атмосфера
81. Загрязнение атмосферы. Лекарственные травы
82. Очистка газовых выбросов фильтрами
83. Имитационная модель возникновения кислотных дождей в атмосфере
84. Гм-продукты: взгляд из Америки
85. Валовый национальный продукт (макроэкономика)
89. Экономическое обоснование разработки программного продукта
90. Валовой национальный продукт и его структура
91. Двигатели внутреннего сгорания
92. Организация борьбы с ВОПР при производстве продуктов холодного копчения
93. Показатель рН
94. Микробиология кисломолочных продуктов
95. Биосинтез аскорбиновой кислоты листьями ячменя в атмосфере азота
96. Система запуска двигателя БТР-50