Старт «Союза»

На великолепном снимке Ивана Тимошенко и Павла Швеца запечатлены первые секунды после старта 7 февраля 2020 года с космодрома Байконур ракеты-носителя «Союз-2.1Б», которая вывела на орбиту очередную порцию спутников проекта OneWeb. На фото мы видим первую ступень трехступенчатой ракеты с работающими жидкостными ракетными двигателями РД-107 (в четырех боковых блоках) и РД-108 (в центральном блоке). Тридцать два сопла порождают завораживающе красивую картину истечения реактивных струй. Как устроены эти струи и почему они имеют такую сложную форму?

В ракетном двигателе топливо, сжигаемое в камере сгорания, превращается в очень горячий сжатый газ, который вылетает через сопло, создавая реактивную силу тяги. В жидкостных ракетных двигателях горючее и окислитель (топливная пара) подаются под большим давлением в форсунки, расположенные в начале камеры сгорания. Смешивая компоненты, форсунки распыляют топливо в камеру сгорания, где в процессе горения происходит преобразование запасенной в топливе химической энергии в энергию сжатия и тепла. Получившийся раскаленный газ устремляется в реактивное сопло. Сужающаяся дозвуковая часть сопла ускоряет поток, и в самой узкой части сопла — критическом сечении — он приобретает скорость звука. Далее поток оказывается в расширяющейся части, становится сверхзвуковым и продолжает разгоняться до самого среза сопла. Истечение этой струи порождает реактивную силу в обратном направлении: она составляет основную часть силы тяги двигателя. Тяга всех двигателей складывается в тягу ступени, разгоняющую ракету. Двигатели РД-107 имеют четыре основные камеры сгорания и две небольшие рулевые камеры, у центрального РД-108 четыре основные и четыре рулевые камеры. Горючим для них служит керосин, а окислителем — жидкий кислород.

Схема работы жидкостного ракетного двигателя

Итак, из сопел ракетного двигателя вырываются раскаленные газовые струи. Но что именно мы видим как языки яркого пламени? Кажется, что они вылетают изнутри сопел, но это не так: пламя возникает только на срезе сопла, и чуть ниже мы разберемся, как это происходит. Вообще, такое яркое пламя наблюдается только на Земле (точнее, в кислородной атмосфере). Если бы можно было посмотреть на старт аналогичной ракеты с любого другого тела Солнечной системы, то были бы видны только бледные тусклые струи — и никакого слепящего огня. Всё дело в догорании в земной атмосфере остатков керосина и сажи, образовавшейся в камере сгорания.

Большинство форсунок камеры сгорания двухкомпонентные — в них одновременно поступают и керосин, и кислород. Они образуют девять плотных концентрических кругов, чтобы сжигать как можно больше топлива в единицу времени (а чем больше расход топлива в ракетном двигателе, тем выше его тяга). А вот форсунки самого внешнего, десятого, круга — однокомпонентные, в них подается только керосин. Распыляя его вдоль стенки камеры сгорания, форсунки создают защитную газожидкостную пленку, снижающую температуру и защищающую тем самым стенку от прогорания. Распыленному периферийными форсунками керосину не хватает кислорода, поэтому он сгорает не полностью, а частично испаряется или термически разлагается до чистого углерода. Эти керосиновые пары и углеродная сажа образуют периферийный слой «выхлопной» струи, который обогащен горючими веществами. Поскольку температура струи на выходе из сопла составляет около 1700°C, при доступе к атмосферному кислороду в этом слое начинается горение — его мы и видим как яркие желтые языки пламени. Во внутренней же части струи керосин, сгорающий с достаточным количеством кислорода, в конечном итоге разлагается на невидимые в раскаленном состоянии водяной пар и углекислый газ. Получается, что выхлопная струя ракетного двигателя светит только своей поверхностью.

Но почему поверхность струи светится не равномерно? На ней явно видны яркие полосы и тонкие волокна, разделенные темными «щелями». Атмосферный воздух, затягиваемый движением струи, подсасывается к срезу сопла не ровным и плавным боковым течением. Напротив, он устремляется к кромке сопла с такой силой, что закручивается в многочисленные отдельные вихри, которые усиливают приток кислорода в местах встречи с краем сопла. Сгорание в этих местах становится более интенсивным и ярким, а огромная скорость струи растягивает пятна усиленного горения в почти ровные яркие полосы.

Старт ракеты-носителя «Союз-2.1А» с транспортным грузовым кораблем «Прогресс МС-11» в качестве полезной нагрузки 4 апреля 2019 года. Хорошо заметны яркие продольные полосы на истекающей из сопел струе. Также видно, что сама струя на выходе из сопла прозрачная — почти везде можно без труда разглядеть дальнюю кромку сопла. Фото с сайта roscosmos.ru

Хорошо заметно, что сразу после выхода из сопла струи начинают сужаться. Это значит, что струя выходит наружу перерасширенной. Двигаясь в сверхзвуковой части реактивного сопла, поток газа расширяется и разгоняется, но при этом падают его температура и давление. Расширение сильное, в 19 раз (степень расширения — это отношение площади среза сопла к площади критического сечения). Из-за этого давление на срезе сопла составляет около 0,4 атм, и окружающий воздух (у которого давление равно 1 атм) обжимает струю, сужая ее.

На высоте около десяти километров давление на срезе сопла сравняется с атмосферным и струя станет выходить ровно, строго цилиндрически. Это расчетный режим истечения, оптимальный с точки зрения газодинамики, поскольку нет ни стартового перерасширения (при котором атмосфера создает на срезе сопла встречный потоку перепад давления, противодействующий истечению), ни высотного недорасширения. Недорасширение начнется на больших высотах: там атмосферное давление еще ниже, поэтому давление струи на срезе сопла станет больше атмосферного. Из-за этого она продолжит расширяться за соплом, но полезную работу без контакта со стенкой сопла совершать уже не будет.

Из-за перерасширения струя после выхода из сопла имеет форму перевернутого усеченного конуса. В самом узком месте видно яркое поперечное кольцо, после которого струя снова расширяется. На третьем фото можно насчитать по несколько таких ярких колец и циклов сужения-расширения. Эти кольца — диски Маха — представляют собой ударно-волновые уплотнения в истекающей струе, вызванные взаимодействием с атмосферным воздухом. При сужении сверхзвуковая струя тормозится, в ней возникает прямой скачок уплотнения. Важно подчеркнуть, что это торможение не связано с трением об окружающий воздух: здесь происходит геометрическое сужение течения и чисто газодинамическое торможение сверхзвукового потока в сужающемся канале. Из-за сжатия газ разогревается, что усиливает сгорание остатков горючего, — это и приводит к локальному усилению яркости струи. Области повышенной яркости имеют кольцевую форму из-за сочетания уже описанных эффектов: остатки керосина и сажа по-прежнему сосредоточены на периферии «выхлопной» струи, туда же подмешивается больше всего атмосферного кислорода, там происходит дополнительный нагрев из-за скачка уплотнения.

Старт ракеты-носителя «Союз-ФГ» с транспортным пилотируемым кораблем «Союз МС-13», который доставил на МКС Александра Скворцова, Луку Пармитано и Эндрю Моргана. Хорошо видны многочисленные диски Маха в каждой из струй. Также при таком ракурсе видно, что в дисках Маха светится именно периферийный кольцевой слой. Фото с сайта roscosmos.ru

При сжатии струи в прямом скачке уплотнения давление увеличивается и может слегка превысить атмосферное. Тогда за диском Маха струя немного расширяется, при этом разгоняясь. Расширение переходит в перерасширение, вызывающее сужение потока и формирование нового диска Маха. Этот циклический процесс порождает цепочку сужений. На каждом из них происходит небольшая потеря энергии, и в целом струя постепенно замедляется. Но из-за того, что на выходе из сопла скорость струи в несколько раз превышает скорость звука, успевает сформироваться целая серия дисков Маха. Они возникают до тех пор, пока потеря скорости в уплотнениях и рассеивание энергии поверхностью струи не замедлят ее до дозвукового течения и турбулентного перемешивания с окружающим воздухом.

Таким образом, находясь внутри сопла струя всё время ускоряется, а после выхода из него она тормозится атмосферой. На срезе сопла скорость струи достигает 3 км/с. Это соответствует значению числа Маха около 3 — из-за высокой температуры скорость звука в этих условиях равна примерно 1 км/с. При диаметре основных сопел 0,7 метра расстояние до первого сужения струи — примерно метр. Поток преодолевает его за 0,0003 секунды.

Если присмотреться (лучше всего смотреть на увеличенные версии первой и второй фотографий), то можно заметить, что светлые полосы и волокна на реактивных струях не идеально ровные: на них есть небольшие искривления, утолщения и неровности. Прикидки расстояний в предыдущем абзаце помогают оценить, что характерная длина этих искривлений — дециметры. Это значит, что время их существования (то есть время прохождения их длины потоком) имеет порядок 0,0001 секунды. Они всё время возникают вновь, поэтому можно считать, что это периодический процесс с частотой 10 кГц (10 000 раз в секунду). Он происходит на поверхности сверхзвуковых потоков большой мощности с непростой формой — всё это создает сложную резонансную картину высокочастотного акустического излучения и звукового давления. От нее не только можно оглохнуть — этот звук настолько мощен, что даже массивные ферменные конструкции старта сотрясаются плотной частой дрожью. Ну а нам повезло, и за уши можно не волноваться — звук к тексту не прилагается, но зато в неровных изгибах светлых линий на реактивных струях непосредственно видно проявление акустических колебаний.

Цвет пламени ракетного выхлопа зависит от типа горючего. Ниже показан выхлоп ракеты «Протон-М». Горючим для его двигателей является несимметричный диметилгидразин. В его молекуле H₂NN(CH₃)₂ всего два атома углерода, поэтому концентрация этого элемента гораздо меньше, чем в более насыщенных углеродом (от С₈ до С₁₅) компонентах керосина. При сгорании диметилгидразина не образуется углеродная сажа — в выхлопе есть лишь прозрачные азот, углекислый газ и водяной пар.

Слева вверху: отрыв «Протона-М» от стартового стола. В нижней части прозрачных голубых реактивных струй видны остроконечные белесые конусы за скачками уплотнения. Фото с сайта roscosmos.ru. Слева внизу: выхлопная струя взлетающего «Протона-М» в более вертикальном ракурсе, также видны белесые конусы за скачками уплотнения. Рыжая полоса на выхлопе из ближнего сопла — это струя окислителя, азотного тетраоксида, имеющего красно-бурый цвет. Он стравливается для сброса избыточного давления в баке центрального блока первой ступени ракеты. Фото с сайта roscosmos.ru. Справа: общий вид факела голубых струй первой ступени «Протона-М2», работающей на несимметричном диметилгидразине и азотном тетраоксиде. Желтизна нижней части факела обусловлена подсветкой возникающего на короткое время водяного тумана прожекторами мачты освещения, видимыми справа. Фото с сайта roscosmos.ru

При неполном сгорании образуется не свободный углерод, а угарный газ (CO). Его реакция с атмосферным кислородом визуально напоминает голубое пламя газовой плиты. Поэтому диметилгидразиновое пламя всегда бледное, прозрачное и похоже на пламя спиртовки, а струи на выходе из сопла светятся слабо. Догорающий на поверхности струй CO в невысоких концентрациях дает легкое бледное свечение, не заслоняющее внутренность струи. Благодаря этому хорошо различимы белесые конусы вершиной против потока — проявления сверхзвуковых скачков уплотнения в струе. В реактивных струях керосиновых двигателей они скрыты за ярким горением остатков горючего.

Еще прозрачнее водяной пар выхлопа кислородно-водородных двигателей — это практически невидимый поток. На последнем фото слева показан работающий главный двигатель «Шаттлов» RS-25. Ударные уплотнения в его струе видны из-за мгновенно выпадающего за ними (в области резкого падения давления) высокотемпературного водяного тумана, имеющего плотный молочно-белый цвет. Настолько горячий туман больше нигде нельзя наблюдать визуально. На водороде летает и американская тяжелая ракета-носитель Delta-IV Heavy с двигателями RS-68, но пламя ее выхлопа окрашено в довольно яркий желтый цвет. Это испаряется защитное абляционное покрытие на поверхности центральной части сопла, вещество которого и окрашивает бесцветный водяной пар испаряющимися ионами натрия.

Слева: работающий главный двигатель «Шаттла» RS-25 во время стендовых испытаний. Истекающая струя состоит из чистого водяного пара и потому абсолютно прозрачна. Внутри струи ниже невидимого скачка уплотнения образуется плотный белый конденсат — высокотемпературный водяной туман, который виден в самом низу снимка. Фото с сайта en.wikipedia.org. Справа: старт ракеты-носителя Delta-IV Heavy с кислородно-водородными двигателями RS-68. Прозрачная струя водяного пара окрашена в желтый цвет продуктами сгорания защитного абляционного покрытия в центральной части сопла. Фото с сайта forum.nasaspaceflight.com

Фото © Иван Тимошенко, Павел Швец с сайта roscosmos.ru.

Николай Цыгикало