Космическая медуза

Анастасия, отличная тема, на стыке баллистики и живописи; и спасибо, что вы поделились наблюдениями.

Позвольте некоторые уточнения.

Инверсионный след самолета возникает так: к остаткам топлива и продуктам его горения добавляются водяной пар или кристаллики льда, которые постоянно присутствуют в воздухе, и всё это увлекается потоками воздуха, возникшими за движущимся самолетом при работе двигателей.

У самолётов происходит сгорание углеводородов (за исключением боранов на ХВ-70 "Валькирия" и тому подобных редкостей), поэтому в продуктах сгорания много водяного пара - в десятки раз выше, чем их концентрация в атмосфере. Поэтому туман инверсионного следа состоит прежде всего из воды самой струи, продуктов сгорания. Поэтому иногда он так и рассасывается в сотнях метров за самолётом. Если атмосфера в зоне пролёта оказывается в термодинамически неустойчивом состоянии, то только тогда задействуется пар атмосферы, на порядок как минимум более разрежённый. И происходит конденсация атмосферного водяного пара на частицах выхлопа самолёта. Но это не всегда так. Сам же инверсионный след сразу за двигателем - это вода из двигателя, от сгоревшего топлива. И далее в значительной мере остаётся так.

В самой узкой части сопла Лаваля поток исходящих газов приобретает сверхзвуковую скорость, после чего он ведет себя практически как поток несжимаемой жидкости, и к нему применим закон Бернулли: при уменьшении давления потока газ будет увеличивать скорость (и наоборот).

Как несжимаемая жидкость поток ведёт себя на дозвуке, ДО самого узкого места сопла Лаваля. И тут он описывается уравнением Бернулли для дозвукового потока. В самом узком месте (критическом сечении сопла) газ не становится сверхзвуковым, а приобретает звуковую скорость. Но не сверхзвуковую. И только дальше, в в расширяющейся части сопла газ становится сверхзвуковым, в соответствии с чем там в полной мере проявляется его сжимаемость. В противоположность тому, что вы пишете. Вы, возможно, что-то перепутали в переводе.

Самая большая тяга двигателя достигается, если давление струи двигателя и атмосферное давление равны, а сама струя двигается, не сужаясь и не расширяясь. Однако чем выше, тем ниже атмосферное давление, а характеристики двигателя обычно неизменны.

Никоим образом. Характеристики двигателя сильно меняются с высотой. Само это изменение характеристик двигателя с высотой называется высотной характеристикой двигателя.

Дело вот в чём. Атмосферное давление давит прямо в сопло снаружи, противодействуя истечению реактивной струи. Поэтому на старте с уровня моря, при наибольшем давлении атмосферы, тяга двигателя минимальная - стартовая. С ростом высоты давление атмосферы, подпирающее сопло снаружи, уменьшается - поэтому скорость струи растёт, а с нею растёт и тяга с высотой. Максимальная тяга первой ступени достигается при максимальной высоте её полёта. Идеально - в вакууме. Там всегда самая большая тяга.

То есть с ростом высоты меняется тяга двигателя или двигательной установки всей ступени - а это главная его/её характеристика. Так же меняется и удельный импульс. Причем тяга с высотой растёт ощутимо, процентов до пятнадцати, иногда на десятки тонн. Поэтому для численного значения и тяги, и удельного импульса (главных характеристик двигателя) обычно всегда указывают, это тяга и удельный импульс у земли или в пустоте, ибо тяга там и там весьма разная. Так что наибольшая тяга как раз на последнем участке, при максимальном "раздувании" медузы.

А равенство давлений атмосферного и статического на срезе сопла - это лишь этап на траектории. На старте давление на срезе сопла меньше атмосферного, поэтому струя за соплом слегка сужается. Это называется режимом перерасширения. С высотой давления уравниваются. Далее атмосферное давление становится меньше, чем на срезе сопла - после выхода из сопла газ стремится дорасшириться до атмосферного давления. Это режим недорасширения, он всегда завершает работу первой ступени. У второй ступени всегда недорасширение, вследствие исчезающего давления атмосферы.

Поэтому при равенстве давления на срезе сопла и текущего атмосферного возникает некий оптимум, оптимальный режим, как вы верно пишете ниже - нет и перерасширения, при котором возрастает запирающее действие атмосферного давления при старте. И нету высотного недорасширения, то есть сопло снимает всю тягу с потенциальной энергии сжатия газа, не выбрасывая недорасширенный газ бесполезно расширяться в выхлопе за соплом, вне стенки сопла, без совершения тут работы и не создавая свой кусочек тяги. Но величина тяги тут средняя, не максимальная. Максимальная - всегда в пустоте.

Так как газ освещается Солнцем из-под горизонта

Выхлоп, а не газ. Газ невидим, хоть он освещается, хоть нет. Вокруг выхлопа везде тоже газ, атмосфера, и он так же освещается - однако вы там ничего не видите. Освещается туман из водяного льда и прочие аэрозоли выхлопа.

На высоте 30–40 км ни льда, ни пара уже нет,

Есть, но в меньших концентрациях. Если прям так совсем уж нет - то из чего тогда возникают чисто стратосферные перламутровые облака? Как раз на этих высотах, аккурат посередине между ними? А ниже вы упоминаете в три раза более высотные серебристые облака, уже в ионосфере - не что иное как кристаллы водяного льда.

Сама ракета— это тоже источник частиц, которые вылетают из ее двигателей: в этом случае свет рассеивают продукты горения топлива, его остатки и частички самого двигателя в выхлопе.

Про частички двигателя в выхлопе чересчур смело, Анастасия.) При работе обычных ЖРД никаких частичек самого двигателя (тьфу-тьфу-тьфу, никаких болтов и стружки из сопла не вылетает) - сопло там не прогорает, а больше никаким "частичкам самого двигателя" взяться неоткуда. Материал двигателя не расходуется при его работе ))).

За исключением случаев сопла с абляционным охлаждением - когда сопло постепенно разгорается, выгорает, увеличивая диаметр и выбрасывая свой внутренний сгорающий слой. Это обычно бывает у твёрдотопливных двигателей, у которых нет жидкостного охлаждения сопла, поэтому оно не медное или стальное, а прессованное из всяких композитов, выгорающих во время работы. Только крайне редко абляционные сопла ставят на ЖРД - пример американская ракета Дельта, у которой невидимое бесцветное кислородно-водородное пламя выхлопа - раскалённый водяной пар - подкрашено в жёлто-розовый оттенок как раз сгоранием абляционного покрытия сопла.

В расширяющейся части сопла давление потока уменьшается, следовательно скорость потока увеличивается.

Давление потока уменьшается на всём протяжении сопла, как в сужающейся, так и в расширяющейся части. Но разгон потока в дозвуковой (сужающейся) части и в сверхзвуковой (расширяющейся) части происходит совсем по-разному.

"Струя выходящих из двигателя газов проходит через отверстие особой формы — сопло Лаваля. "
Сопло Лаваля не отверстие, а канал. Отверстие - это, например, критическое сечение или срез сопла. Окружность, образуемая стенками. Это отверстие. Дырка
Обычное круглое, без особенностей формы. А сопло Лаваля - это проточный канал с переменным сечением. Сначала уменьшающимся, потом расширяющимся.

Я в детстве был свидетелем возникновения в вечернем небе чего-то подобного (во всяком случае именно следом ракеты мне ту штуку объяснил тогда взрослый человек). Но форма была совершенно иной. Это был очень красивыц цветок из спирально расходящихся лепестков (почему-то помнится, что их было 5 - разве есть ракеты с пятью соплами?), причём картинка был совершенно симметричной - так, наверное, может быть лишь если ракета летела строго по оси зрения, ровно от меня, как если бы стартовала с моего носа). Лепестки долго светились, увеличиваясь и истаивая.. И все же мне и сейчас кажется это странным и количество лепестков (не четыре) , и то, что я смотрел прямо в хвост ракеты (ведь это значит, что она взлетела где-то рядом со мною, правильно?), и место, где это произошло (Апшеронский полуостров, разве там есть космодром?)
Может быть все же то было совсем другое что-то, не ракеты след?
Что-то иное, кроме ракеты, могло бы создать такое зрелище?