НЛО и современная наука

Глава 5 АНОМАЛЬНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ТЕХНИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬЮ

Полеты высотных аэростатов. История воздухоплавания восходит к 5 июня 1783 г., когда изготовленный братьями Жозефом и Этьеном Монгольфье из плотной бумаги и наполненный горячим дымом шар оторвался от земли и отправился в первое путешествие по воздушному океану[9].

В том же году состоялся и первый полет человека на воздушном шаре. Подъем на высоту около 300 м совершили два соотечественника братьев Монгольфье — Пилар де Розье и маркиз д’Арлан. Едва успев оторваться от земли, аэронавты начали штурм недоступных до сих пор высот. Вскоре после де Розье и д’Арлана французский ученый Ж. Шарль на аэростате собственной конструкции поднялся на высоту уже 3500 м. В отличие от Монгольфьера его воздушный шар наполнялся не горячим воздухом, а самым легким газом — водородом. В 1803 г. бельгиец Э. Робертсон достиг высоты более 7 тыс. м; в 1875 г. — Г. Тисандье с двумя спутниками — Сивилем и Кроче-Спинелли — поднялись до высоты 8600 м. От недостатка кислорода и переохлаждения оба товарища Тисандье погибли.

Несмотря на непрерывное совершенствование техники и возраставший опыт аэронавтов, стратосферные высоты долгое время оставались недоступными для исследователей. И лишь в 1901 г. десятикилометровый рубеж был официально преодолен немецкими воздухоплавателями Берyсоном и Зюрингом на аэростате «Пруссия». Официально потому, что еще в 1862 г. англичане — пилот Г. Коксуэлл и метеоролог Д. Глейшер, вероятно, достигли высоты более 11 км.

Следующий этап освоения атмосферы при помощи пилотируемых баллонов определялся разработкой и созданием герметизированных систем для размещения экипажей аэростатов, т. е. созданием достаточно безопасных и относительно комфортных условий для их работы. При этом потолок достигаемых высот значительно увеличился. В 1931 г. известный швейцарский ученый О. Пиккар на аэростате «FNRS» достиг высоты 15780 м, через год— 16 370 м.

Следующий рекордный полет в стратосферу был совершен в нашей стране. В 1933 г. практически одновременно в Москве и Ленинграде были изготовлены два аэростата. Ленинградский С-ОАХ-1 имел оболочку из двухслойной прорезиненной материи объемом в наполненном состоянии около 25 тыс. м³. Объем оболочки московского аэростата, названного «СССР», был чуть меньше — 24 тыс. м³.

В ноябре 1935 г. состоялся полет американского аэростата «Эксплорер-2» с экипажем из двух человек — О. Андерсоном и А. Стивенсом, которым на несколько десятков метров удалось превзойти рекорд высоты, установленный на аэростате «Осовиахим». О размерах этого сооружения говорит объем его оболочки — более 100 тыс. м³. Диаметр такого шара около 60 м.

В последующие годы развитие производства легких и прочных синтетических материалов для оболочек позволило значительно увеличить высоту дрейфа аэростатов за счет снижения веса баллонов и увеличения их объема. В 60-е годы регулярными стали полеты на высотах около 30 км, а пилотируемый аэростат «Стратлаб» (США, пилоты М. Росс и В. Празер) достиг высоты 34 700 м.

С развитием автоматизированных систем измерения и передачи информации непосредственное участие исследователей в полетах потеряло практическое значение, и в настоящее время полеты людей на воздушных шарах, вероятно, сохраняют смысл лишь как один из технических видов спорта.

Назначения современных аэростатов и их конструкции. Для исследования состояния различных слоев атмосферы и проведения регулярных метеорологических наблюдений во всем мире широко используются шары-зонды. Современный шар-зонд представляет собой резиновую оболочку диаметром на земле около 2 м, к которой подвешены измерительные приборы. Поднимаясь со скоростью несколько сот метров в минуту, они могут достигать высоты около 30 км, где их диаметр увеличивается почти до 10 м, после чего оболочка разрывается. Запуск таких шаров осуществляется регулярно несколько раз в сутки на всех метеообсерваториях. Дальность полетов шаров-зондов обычно не превышает 10–15 км от места их запуска и определяется локальной скоростью ветра на разных высотах. Полезная нагрузка, которую способны поднять шары-зонды, составляет 1–1,5 кг.

Если для проведения стандартных метеорологических наблюдений эти ограничения по весу вполне приемлемы, то постановка экспериментов более серьезных, таких, как астрофизические наблюдения или регистрация потоков космических лучей за пределами плотных слоев атмосферы, требует применения более тяжелой аппаратуры, весом в десятки и даже сотни килограмм. Это, безусловно, накладывает определенные ограничения на конструкцию и размеры баллонов.

Существуют два принципиально разных типа применяемых оболочек — открытого и закрытого типов, особенности конструкций которых определяют и соответствующие режимы полетов.

Баллоны открытого типа устроены таким образом, что при помощи специального клапана (так называемый пилотажный аппендикс) внутренний объем оболочки может сообщаться с атмосферой. При полете в дневное время из-за нагрева оболочки и наполняющего ее газа солнечным излучением происходит увеличение объема, и аэростат поднимается. Для прекращения подъема на заданной высоте излишек газа стравливается. После захода Солнца газ остывает, его объем уменьшается, и аэростат опускается вниз. На нижней, допустимой по условиям эксперимента, высоте сбрасывается часть балласта, и спуск прекращается. Таким образом, происходят суточные колебания высоты дрейфа аэростата с амплитудой, которая обычно составляет около 10 км. Возможность изменения высоты дрейфа таких аэростатов в течение дня автоматически или по команде с Земли важна при решении задач, связанных с проведением достаточно длительных наблюдений над ограниченным районом, например, при изучении особенностей воздушных течений в стратосфере.

Дело в том, что в определенные сезоны на высотах около 20 км формируется слой — велопауза — разделяющий потоки воздуха с противоположно направленными скоростями. В средних широтах, например, в конце лета ниже 20 км преобладают западные ветры, выше — восточные. На других широтах имеются свои особенности развития велопаузы.

Периодически поднимаясь и опускаясь сквозь велопаузу и двигаясь в потоках воздуха в горизонтальном направлении, аэростат может как бы циркулировать по замкнутой траектории в вертикальной плоскости на высоте 15–30 км. Поскольку такой режим полета требует постоянного расхода балласта и наполняющего оболочку газа, время существования аэростатов этого типа ограничено и, как правило, не превышает десяти дней.

Более перспективными для длительных исследований являются аэростаты закрытого типа, известные также под названием аэростатов сверхдавления. В этих баллонах давление газа в оболочке превышает давление воздуха на высоте дрейфа настолько, чтобы при охлаждении после захода Солнца не происходило уменьшения объема оболочки. Так как газ в этом случае не расходуется, а его естественные потери определяются в основном диффузией через оболочку, то время жизни таких аэростатов, в принципе, может составлять несколько лет. Рекорд продолжительности полета, установленный в 1970 г., превышает четыре года, в течение которых аэростат совершил более ста кругосветных путешествий на высоте около 35 км.

Принципиальные схемы конструкций различных аэростатов очень близки друг другу. Главной частью любой конструкции является полезный груз, размещенный в гондоле или на грузовой платформе, так как конечной целью любого высотного полета является проведение каких-либо измерений вне плотных слоев воздуха. Спуск научной или измерительной аппаратуры обычно осуществляется с помощью парашютной системы, обеспечивающей относительно плавное приземление и сохранность груза и материалов наблюдений. Эта система срабатывает после отделения грузовой платформы от оболочки аэростата. Отделение груза и разрушение освободившейся оболочки проводится при помощи пиротехнических устройств, срабатывающих но команде с Земли. Размеры платформы с научным оборудованием и парашюта в сложенном состоянии невелики — в лучшем случае несколько метров, поэтому без специальных оптических устройств они недоступны наблюдениям с поверхности Земли (рис. 7).

Рис. 7. Общая схема устройства аэростата

1 — оболочка, 2 — система отражателей для контроля положения аэростата, 3 — устройство отделения, 4 — грузовой парашют, 5 — платформа с научным оборудованием

Для слежения за аэростатом во время его дрейфа в конструкции предусмотрены отражатели, позволяющие проводить радиолокационный контроль его положения. Размеры этих отражателей также невелики.

Самой большой и, конечно, самой впечатляющей частью аэростата является его оболочка. Собственно, когда идет речь о наблюдениях баллонов, практически во всех без исключения случаях имеются в виду именно наблюдения оболочек. Разнообразие баллонов по размерам, форме оболочек, материалам, из которых они сделаны, весьма велико. Классическую, сферическую, форму или, если быть более точным, вид перевернутой капли оболочка принимает только на высоте дрейфа. На земле же и в нижних слоях атмосферы вид баллона совершенно не похож на сферу. Во время подъема аэростата из-за падения давления воздуха с высотой газ в оболочке быстро расширяется, при этом его объем может увеличиться в 300–400 раз по сравнению с первоначальным. В связи с этим при заполнении оболочки газом на земле ее «полезный» объем много меньше максимального.

Подъем аэростата происходит до тех пор, пока оболочка не заполнится расширяющимся газом. Очевидно, что максимальная высота, на которую может подняться аэростат, зависит только от его объема и общего веса всей конструкции.

Кроме сферических, используются баллоны и других форм. Например, во Франции в связи с относительно простой технологией изготовления широкое распространение получили оболочки, имеющие вид тетраэдра — правильной пирамиды. Такие баллоны, в частности, запускались с территории Швеции во время совместного советско-французского эксперимента «Самбо» по исследованию рентгеновского излучения и потоков заряженных частиц в полярных областях. В соответствии с задачами эксперимента время запуска было выбрано таким образом, что аэростаты дрейфовали над территорией Швеции, Финляндии и Советского Союза вплоть до Урала. В ряде случаев применяются оболочки других форм — цилиндрические или, например, двойные, приобретающие на больших высотах вид «куклы».

Иногда оказывается удобнее вместо одной большой оболочки использовать связку небольших, обычно применяемых для запусков метеозондов. В таких связках может находиться несколько десятков отдельных оболочек.

Размеры баллонов или количество шаров в связке выбирается с учетом веса груза и требуемой высоты подъема. В зависимости от этих параметров объем баллонов может варьироваться в очень широких пределах. Так, уже упоминавшиеся тетраэдральные оболочки имеют объемы от 1350 до 150 000 м³, что соответствует длине ребра такой пирамиды от 25 до примерно 110 м. Самые большие из таких баллонов, имея собственный вес около 400 кг, способны поднять груз весом около 100 кг на высоту до 40 км. Меньшие баллоны применяются для запуска на высоты 20–35 км [109].

Еще более внушительны по своим размерам сферические баллоны. При объеме, достигающем 500 тыс. м³, что соответствует диаметру около 150 м — почти треть высоты Останкинской телебашни, или половина высоты Эйфелевой башни в Париже (!), они могут длительное время дрейфовать на высотах более 40 км с полутон-ным грузом научного оборудования.

Легко убедиться, что даже баллон средних размеров, имеющий характерный размер оболочки около 50 м, при наблюдениях с расстояния около 100 км виден как объект, имеющий пусть небольшие, но конечные угловые размеры, примерно 2 мин дуги.

Основное количество запусков высотных аэростатов, число которых превышает 1000 в год, осуществляется в СССР, США, Франции, странах Скандинавского полуострова и Японии. Траектории полетов могут быть ограничены каким-либо небольшим регионом или проходить над обширной территорией планеты.

При полетах на большие расстояния необходимо учитывать специфическое сезонное распределение ветровых течений в стратосфере. В северном полушарии, например, оно таково, что с сентября по март преобладают потоки, направленные с запада на восток, в мае-июне — с востока на запад. Скорости ветра составляют от десятков до двух-трех сотен километров в час. Нетрудно догадаться, что благодаря такому распределению ветров над территорией нашей страны кроме отечественных аэростатов в течение почти всего года могут наблюдаться баллоны, запущенные в европейских странах, а в мае — июле — запускаемые в США и Японии.

При визуальных наблюдениях форма оболочки аэростата обычно неразличима, и он виден просто как достаточно яркий объект с небольшими угловыми размерами. Наиболее удобное время наблюдений — сумерки, но из-за достаточно высокого коэффициента отражения материалов, из которых изготавливаются баллоны, они видны и днем при определенных ракурсах наблюдения. Наиболее часто в различных конструкциях баллонов используется полиэтиленовая пленка толщиной от 25 до 50 мкм. В этом случае днем цвет аэростата обычно воспринимается как дымчато-белый. В вечернее или утреннее время в окраске преобладают желтые или красноватые оттенки благодаря изменению цвета Солнца, находящегося вблизи горизонта. Вокруг аэростатов иногда наблюдаются концентрические кольца красных оттенков и развиваются другие оптические эффекты, связанные с состоянием нижних слоев атмосферы, в частности с концентрацией аэрозолей, т. е. уровнем запыленности.

В групповых полетах, когда запускается сразу несколько аэростатов, они могут оказаться разнесенными на десятки километров. Свидетелями такого события летом 1978 г. стали многие жители обширной территории нашей страны от Вильнюса до Киева. Оно вызвало целый поток сообщений о НЛО, однако установить их истинную природу оказалось довольно просто.

После выполнения программы исследований и отделения полезной нагрузки срабатывает устройство уничтожения оболочки, при этом она обычно разрывается на несколько кусков, каждый из которых в течение некоторого времени может наблюдаться как отдельный объект. В редких случаях после спуска груза оболочка не разрушается, а продолжает самостоятельный полет. Внешне это выглядит как дрейф бесформенной массы, переливающейся всеми цветами радуги. Днем оболочка, как правило, выглядит не ярче облаков, но в сумерках может показаться значительно ярче Венеры. С погружением Солнца под горизонт, когда граница земной тени поднимается выше уровня дрейфа аэростата, иногда наблюдается быстрое, почти мгновенное исчезновение объекта наблюдения, которое может восприниматься как «отлет с огромной скоростью».

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.

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 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 и соответственно количеству сообщений от очевидцев по достоинству занимают первое место среди всех «аномальных явлений».

Остается добавить, что во всем мире в год в среднем запускается около ста космических аппаратов. Число испытательных пусков оценить трудно, по, вероятно, их никак не меньше, чем число запущенных на орбиту спутников Земли. Космодромы и испытательные полигоны расположены в различных регионах земного шара, а трассы запусков пролегают над весьма обширными пространствами. Кроме того, в зависимости от программы полета включение, выключение двигательных установок и вспомогательных агрегатов космических аппаратов может происходить и в совершенно «непредсказуемых» районах, никак на первый взгляд не связанных с местом запуска, что еще увеличивает «странность» таких эффектов.

В заключение этой главы остановимся кратко еще на одном эффекте, к которому приводит полет ракеты с работающим двигателем на достаточно больших высотах — образовании «электронных дыр» в ионосфере — так называемый скайлаб-эффект. Еще в 1973 г. при запусках американской ракеты «Сатурн-5» было установлено, что в ионосфере в области прохождения ракеты с работающим двигателем образуются зоны пониженной электронной плотности — «дыры». Их характерный размер в отдельных случаях составлял сотни километров, а время существования превышало час. В дальнейшем было показано, что взаимодействие продуктов сгорания, таких, как вода, углекислый газ и другие компоненты, с окружающим веществом приводит к изменению скоростей и направлений ионно-молекулярных реакций в ионосфере, в результате чего усиливаются процессы рекомбинации и концентрация электронов уменьшается в несколько раз. Одним из следствий этих процессов может явиться нарушение радиосвязи.

Необходимость исследования всей совокупности таких явлений, сопутствующих запускам ракет, не вызывает сомнений, и не столько в связи с «проблемой НЛО», сколько в связи с актуальностью анализа воздействия технической деятельности на окружающую среду и предупреждением ее возможных пагубных последствий.

Оказывают воздействие запуски ракет и на состояние нижней и средней атмосферы. В этих слоях работают наиболее мощные первые ступени носителей, выбрасывающие такое количество продуктов, инородных для невозмущенной атмосферы, что они могут стать существенным фактором в локальных изменениях химического состава. Такие возмущения вдобавок и достаточно устойчивы — газопылевые следы, оставляемые пролетающей ракетой, в этих слоях могут существовать весьма длительное время — по крайней мере несколько часов — и иногда наблюдаются в сумерках много времени спустя после старта в виде размытых ветрами образований самой причудливой формы.

И в заключение несколько слов об эффектах, косвенно связанных с запусками ракет. Осенью 1988 и 1989 гг. из Астраханской, Волгоградской и ряда других примыкающих к ним областей поступило довольно много сообщений о наблюдениях необычных красочных явлений в августе — сентябре. Вот как описывается такое явление в одной из районных газет («Ленинская трибуна») Ростовской области: «…17 августа… в восточной окраине неба, довольно высоко, вспыхнула жарового цвета точка, мгновенно разрослась, как при взрыве осветительной ракеты, до формы правильного шара и стала величиной с полную Луну. Цвет перешел в зловеще-красный и тут чуть ниже появилась вторая точка. Пока первый шар менял окраску на бирюзовый цвет, затем голубой, вновь образованная точка увеличилась. Окончательный размер ее — величина футбольного мяча.

Этот круг наложился почти на половину на первый, с такой же последовательностью меняя окраску. Потом будто слился, образовав голубую «восьмерку», расположенную с наклоном к горизонту.

Тем временем наискосок, но ниже, вспыхнула третья точка. Разрасталась, меняла с той же последовательностью цвета, но окончательный размер бы поменьше. Совсем маленькой, с ручной мяч, стала четвертая точка. Все это слилось постепенно в одно облако. Цвет из голубого перешел в белесый, и поплыло это облако к югу.

Все явление продолжалось минут пятнадцать. Когда вспыхнула первая точка, часы показывали 21.00».

Как выяснилось в указанный период времени на полигоне Капустин Яр проводились эксперименты по изучению верхних слоев земной атмосферы, связанные с выбросом искусственных облаков на высотах 100–150 км. В этих экспериментах обычно применяются такие вещества, как натрий, литий, цезий, окись бария и другие, которые под действием солнечного излучения легко возбуждаются и дают свечение в строго определенных спектральных линиях. Кроме того, по мере ионизации выброшенных продуктов возникает свечение другого спектрального состава, что приводит к изменению первоначального цвета.

Создаются такие облака путем инжекции вещества с метеоракет. В данном случае, как следует из описания, инжекция проводилась в несколько этапов, что и привело к образованию четырех подобных облаков.

В целом такая картина развивается в условиях, похожих на те, которые являются наиболее благоприятными для наблюдений газопылевого следа ракетного двигателя — наблюдатель находится на ночной стороне, облако освещено солнечным светом. Отличие состоит в том, что в свечении искусственных облаков основную роль играет не просто рассеяние солнечного света, а так называемое резонансное рассеяние, т. е. поглощение излучения в спектральных линиях с последующим переизлучением. Конечно, этот механизм имеет место и при рассеянии света на газопылевом облаке, но определяющим фактором в преобладании того или иного эффекта в этом случае является химический состав облака и размеры частиц, из которых оно состоит.

Список литературы, в которой описывается устройство и особенности работы ракетной техники, очень велик, поэтому ограничимся указанием небольшого числа источников, в которых содержатся основные сведения, [110–117]. Кроме этих книг, также можно рекомендовать вышедшее в издательстве «Советская энциклопедия» прекрасное справочное пособие — энциклопедию «Космонавтика» [118]. Некоторые аспекты искусственного воздействия на верхние слои атмосферы описаны в работах [119–120], где также содержится достаточно обширная библиография.