Почему не видно струи ракетного двигателя при старте с Луны?

Краткий ответ: Струя ракетного двигателя имеет слишком низкую плотность газа, чтобы быть заметной в условиях яркого дневного освещения на Луне.

Лунный модуль программы Apollo, который доставлял людей на Луну, а затем возвращал обратно, состоял из двух ступеней: двигатели первой ступени (Descent stage) обеспечивали мягкую посадку, а вторая ступень (Ascent stage) возвращала экипаж на окололунную орбиту. Момент старта с Луны возвратной ступени трижды был заснят дистанционно управляемыми телекамерами с лунных роверов. На имеющихся кадрах виден момент старта корабля, а съемка Apollo 17 показала и несколько десятков секунд полета. При просмотре этих кадров можно обратить внимание, что струя ракетных газов, вырывающаяся из сопла, практически невидима. Мы можем наблюдать разлетающиеся фрагменты экранно-вакуумной теплоизоляции и потоки лунной пыли, но самой реактивной струи как будто нет. Такая картина кажется странной, поскольку многие привыкли к большому хвосту пламени у стартующей ракеты.

Чтобы понять причину «исчезновения» пламени на Луне, надо учесть несколько факторов:

• качество съемки;
• тип топлива и его плотность;
• условия вакуума;
• условия освещения.

Качество съемки

Старт лунного модуля снимали телевизионной камерой с кадром высотой 525 строк в стандартном формате NTSC и с частотой 30 кадров в секунду. Цветная съемка обеспечивалась вращением трехцветного (красный, зеленый и синий) фильтра на колесе. Камера обладала зум-объективом, т.е. могла отдалять и приближать изображение. Максимальный угол обзора камеры составлял 54 градуса, минимальный — 9 градусов. Угловое разрешение съемки составляло от 3 до 0,5 угловых минуты, что с расстояния 150 м дает линейное разрешение от 14 до 2,5 см. Такая съемка не позволяла увидеть мелкие детали корпуса или частицы пыли, поэтому самые мелкие детали картины старта с Луны мы рассмотреть не можем, но облака газа или пыли и крупные куски теплоизоляции, отлетающие в момент старта, все же видны.

Если внимательно изучить покадрово записи момента старта лунных модулей, то можно увидеть облака газа, которые медленно вырываются из-под верхней ступени в первые доли секунды, после запуска двигателя. Затем ускоряющаяся струя газа начинает срывать с нижней ступени легкие элементы теплоизоляции. На первых секундах подъема космического корабля можно увидеть и струю газа из двигателя, но едва подъем достигает нескольких метров, как струя становится невидимой.

Далее подъем совершается без видимых выбросов из двигателя, и только у Apollo 17 после значительного подъема виден источник света в области сопла, когда оно смотрит в камеру.

Лунная пыль ухудшает видимость струи ракетных газов лунного модуля. Это особенно заметно в съемке старта Apollo 16, когда пыль перекрывает практически весь обзор камере, установленной на расстоянии всего 60 м от модуля.

Топливо

Если посмотреть на разные типы стартующих с Земли ракет, то можно увидеть заметную разницу в прозрачности и цвете пламени. Так, у кислород-керосиновых ракет (Saturn V, «Союз», Falcon 9) в момент старта плотная оранжевая струя пламени, которая едва прозрачна. Самую плотную струю дает старт ракеты с твердотопливными ускорителями. Если же взглянуть на старт ракет на несимметричном диметилгидразине (гептиле)/тетраоксиде азота («Протон», «Днепр», Titan III), то можно увидеть струю пламени намного более светлую, полупрозрачную. Кислород-водородные и кислород-метановые двигатели дают почти прозрачный голубоватый огонь.

Прозрачность струи ракетного пламени напрямую зависит от качества сгорания топлива и количества оставшихся сажевых частиц. Керосин сгорает не полностью, и несгоревшие частицы, выбрасываемые из сопла, светятся, частично перекрывая взору пространство по другую сторону ракеты. Если посмотреть старт керосиновой ракеты издалека, то можно увидеть след черной копоти — это те самые частицы сажи, только уже остывшие.

Горючее из семейства производных аммиака (гидразин, гептил) сгорает намного чище, хотя само топливо довольно токсично до реакции в камере сгорания. Сейчас на таком горючем летают только устаревшие ракеты России и Китая. Зато в космосе гидразин сохраняет свою популярность как горючее космических аппаратов. Разработчикам орбитальной техники гидразин нравится за простые условия хранения — практически комнатную температуру для горючего и окислителя. Второе преимущество гидразина и гептила — они самовоспламеняются при контакте с окислителем.

Стартовая ступень лунного модуля Apollo (Ascent stage) использовала двигатель на аэрозине (смесь гептила и гидразина) в качестве горючего и окислителе (тетраоксид азота). То есть пламя стартующего лунного модуля можно сравнить с пламенем ракеты «Протон-М». Разница только в том, что каждый двигатель «Протона-М» выбрасывает в секунду около 500 кг топлива, а взлетающий лунный модуль — 4,5 кг, т.е. примерно в 100 раз меньше. При такой плотности газа заметить его в ярком солнечном свете было практически невозможно, несмотря на его высокую температуру.

Условия вакуума

Струя пламени одного и того же двигателя в условиях атмосферного давления и в вакууме будет отличаться.

Когда мы наблюдаем старт ракеты с космодрома своими глазами или смотрим трансляцию, то видим работу ракетного двигателя в условиях земного атмосферного давления. Наша атмосфера препятствует ракете не только посредством аэродинамического сопротивления у головного обтекателя, но и воздействуя на струю реактивных газов из сопла. Узкий факел пламени у стартующей ракеты — это результат взаимодействия реактивных газов сгорающего топлива и атмосферы. Если проследить за полетом ракеты, то можно заметить, как меняется форма пламени в зависимости от высоты полета, т.е. изменения атмосферного давления.

В момент старта диаметр струи реактивных газов, вырывающейся из сопла, примерно равен диаметру ракеты. По мере подъема уменьшается атмосферное давление, и на высоте 10 км уже заметно расширение струи. На высоте 50 км струя пламени теряет прежнюю плотность и расходится от сопла под широким углом, теряя при этом свечение, за исключением небольшой области у самого сопла. Точно так же ведет себя выхлоп химических ракетных двигателей в космическом вакууме, в том числе непосредственно у поверхности Луны.

Работу ракетных двигателей в вакууме увидеть сложнее. Непосредственно это доступно только космонавтам, нам же остаются только фото и видео с орбиты. Однако таких записей трансляций стартов Space Shuttle и стыковок кораблей «Союз», «Прогресс» и ATV с Международной космической станцией опубликовано немало.

Условия освещения

Старт с Луны происходил в конце лунного утра, когда все пространство было залито яркими солнечными лучами, а съемка велась с солнечной стороны. Хотя на Луне нет голубого неба, как на Земле, но сравнивать старт лунного модуля с ночными запусками ракет с земных космодромов будет ошибкой из-за разницы в освещенности. На Луну падает света даже больше, чем на Землю, из-за отсутствия атмосферы и света, который отражается и рассеивается атмосферой нашей планеты.

Возвращаемая ступень лунного модуля покрывалась светло- серой и бежевой теплоизоляцией, которая хорошо отражала свет. Поэтому камера, снимающая старт корабля, настраивалась на слабую светочувствительность, чтобы кадры не оказались засвеченными.

Итак, для старта с Луны использовалось топливо с высоким качеством сгорания; трансляция велась при помощи камеры не лучшего по сегодняшним меркам качества; в вакууме ракетная струя разлетается шире, чем у ракет, стартующих с Земли, а значит, плотность ракетной струи меньше. Однако главная причина невидимости реактивной струи лунного корабля — яркий солнечный свет, и в этом можно убедиться, сравнив съемки подъема стартовой ступени лунного модуля Apollo с современными съемками работы ракетных двигателей в вакууме.

Сегодня мы имеем немало возможностей увидеть работу двухкомпонентных ракетных двигателей непосредственно в космосе — на низкой околоземной орбите или у поверхности Луны. Работу кислород-керосинового ракетного двигателя Merlin 1D можно наблюдать во время трансляции пусков ракеты Falcon 9. Высокое качество записи и множество камер позволяют увидеть полет на всех этапах выведения — с момента старта и до отделения полезной нагрузки на целевой орбите. Практически во время каждого невоенного запуска можно увидеть работу двигателя в вакууме с камеры, размещенной на самой ракете.

Правда, ракеты SpaceX летают на кислород-керосиновой топливной паре и в секунду расходуют 330 кг топлива, выдавая тягу 93 т в вакууме, чем сильно отличаются от двигателя лунного модуля. Примеры, более близкие к лунному старту по составу топлива и по его расходу, можно увидеть в полете космических кораблей Space Shuttle, «Прогресс», «Союз» или модуля МКС «Звезда».

Российские грузовые корабли серии «Прогресс» и пилотируемые «Союзы» регулярно стыкуются с Международной космической станцией. Стыковки можно наблюдать в прямом эфире или посмотреть записи телетрансляции, на этих кадрах видна работа двигателей причаливания и ориентации тягой 13,3 кг. Также можно посмотреть записи стыковки европейского тяжелого грузового корабля ATV с МКС. Его двигатели ориентации обеспечивали тягу 22 кг.

Таким образом, мы можем увидеть в деле двигатели причаливания и ориентации космических кораблей в условиях вакуума и при разных режимах солнечного освещения. И здесь становится очевидно, что видимость ракетных струй напрямую зависит от уровня освещения и настроек камеры. В разные моменты времени, в зависимости от источников света в поле видимости, автоматика камеры меняет светочувствительность, и от этого зависит, видим мы работу двигателей или нет. Когда камера снижает светочувствительность, чтобы избежать засветки, хорошо видна поверхность корабля, но работа ракетных двигателей не видна, или виднеются только небольшие участки струи с наибольшей плотностью непосредственно у сопла. Когда светочувствительность повышается и корпус корабля оказывается засвеченным, тогда проявляются фонтаны газа из двигателей.

Другие условия возникают, если съемка идет на теневой стороне Земли. Тогда наоборот: светочувствительность камеры высока, но элементы корабля все равно едва видны из-за слабого освещения, зато можно наблюдать бледно светящуюся струю ракетных газов.

Третий режим съемки, наиболее удобный для наблюдения ракетного выхлопа, — когда корабль на теневой стороне Земли, но освещается отраженным от нашей планеты солнечным светом.

Наиболее близкий из доступных съемок аналог старта Apollo с Луны — это моменты включения орбитальных двигателей кораблей Space Shuttle. Двигатели коррекции шаттлов, или Orbital Maneuvering System (OMS) модели AJ-10, имели тягу около 3 т каждый, что довольно близко к тяге главного двигателя стартовой ступени лунного модуля Apollo — 1,6 т. Топливные компоненты также схожи: у шаттла это топливная пара монометилгидразин/тетраоксид азота, у Apollo — аэрозин/тетраоксид азота. Включение двигателей OMS можно наблюдать в записях стартов шаттлов в моменты отделения внешнего топливного бака — большой оранжевой цистерны, которая питала стартовые кислород- водородные двигатели. Многократно записанный момент разделения бака и корабля позволяет увидеть один и тот же процесс в разных условиях освещения. Шаттлы стартовали и днем, и ночью, потоки реактивных газов OMS освещались солнцем под всевозможными углами.

Если пересмотреть старты шаттлов, то можно сделать вывод, что выбросы реактивных газов из AJ-10 лучше всего видны в ночное время, когда светочувствительность камеры высокая, а ярких источников света в поле видимости камеры нет. Дневной солнечный свет заставляет камеру снижать светочувствительность, но если борта корабля и топливного бака засвечены, т.е. светочувствительность камеры выше нормы, то бледные полосы от двигателей еще можно рассмотреть. Если же светочувствительность камеры соответствует нормальным условиям съемки — когда мы можем хорошо и без засветки рассмотреть и топливный бак, и корабль, то ракетных струй не видно, что полностью соответствует условиям съемки подъема стартовой ступени лунного модуля Apollo.

Возвращаясь к старту лунного модуля и заручившись сравнительным опытом других орбитальных двигателей, мы можем суммировать наблюдения. Во всех случаях мы видим корабль, ярко освещенный солнцем, которое находится позади камеры. При этом практически все поверхности корабля, даже покрытые светлой отражающей теплозащитой, не засвечены, за исключением бликующих поверхностей, т.е. мы видим съемку с низкой светочувствительностью. В момент включения двигателя мы видим облако газа, выходящее из-под верхней ступени модуля. В первые секунды работы двигателя мы видим и узкую струю горячего газа, которая «соединяет» взлетающую ступень и оставшуюся на поверхности Луны. Через пару секунд заметная струя исчезает, хотя по разлетающейся теплозащите нижней ступени и потокам пыли очевиден сильный поток невидимого для камеры газа.

Любопытна причина появления и исчезновения заметной струи ракетных газов в первые секунды старта. Вероятно, это происходит из-за отражения части ракетных газов двигателя стартовой ступени от поверхности нижней ступени. При запуске маршевого двигателя верхней ступени лунного модуля у ракетных газов есть для выхода лишь небольшой промежуток между соплом и нижней ступенью. Хотя основной поток газов из двигателя разлетается в разные стороны, часть поднимается вверх. Отскакивая от корпуса, молекулы газа, которые еще недостаточно остыли после вылета из сопла, сталкиваются со свежим газом из двигателя, нагреваются в соударениях и повышают плотность газа у самой поверхности. В результате более активная часть ракетной струи, которая и так наиболее плотная у сопла, взаимодействует с отскакивающим от нижней ступени газом и нагревается сильнее до такой степени, что это видит камера даже в условиях дневного света.

Кроме того, струе могут придавать свечение не только сами ракетные газы из двигателя, но и частички мусора от корпуса корабля и пыль, которые разогреваются пламенем двигателя и начинают светиться. Когда корабль поднимается на несколько метров и плотности газа и пыли уже недостаточно для свечения, видимая струя исчезает. Тот же эффект можно заметить на испытаниях ракетных систем вертикальной посадки, например New Shepard компании Blue Origin, но уже в обратном порядке.

Наконец, благодаря космонавтике Китая, мы можем посмотреть на работу ракетного двигателя спускаемой ступени у самой поверхности Луны. Записи прилунения автоматических межпланетных станций Chang'e 3 и Chang'e 4 опубликованы на сайте Китайской академии наук. Посадочная масса спускаемых аппаратов составляла около 1400 кг, что примерно в три с половиной раза меньше стартовой ступени лунного модуля Apollo. Зато посадку снимала камера с расстояния около метра, расположенная на самом аппарате и направленная туда же, куда и сопло главного двигателя. Мы можем наблюдать полет от низкой окололунной орбиты до посадки на Луну и несколько секунд после выключения двигателя. У поверхности видна пыль, которая разлетается от действия ракетного двигателя, но сами реактивные газы остаются невидимыми, так как камера ведет съемку ярко освещенной солнцем Луны и ее светочувствительность снижена, как и во всех вышеприведенных примерах дневной съемки.

Материалы для самостоятельного изучения