Фото © James Rowten с сайта rhfleet.org, 22 декабря 2017 года.  _____ На фото — космическая медуза над Сан-Диего (штат Калифорния, США), возникшая после старта ракеты Falcon 9 компании SpaceX 22 декабря 2017 года. Ракета стартовала с космодрома военно-воздушной базы Ванденберг, которая находится примерно в 390 км от города. По сути, космическая медуза — это конденсационный (или инверсионный) след, почти как след от самолетов. 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. Солнечный свет подсвечивает эти частички, они его отражают и рассеивают, из-за чего мы их и видим. Основное различие следов самолета и ракеты обусловлено тем, что ракеты поднимаются через всю атмосферу Земли, то есть оказываются гораздо выше самолетов. На высоте 30–40 км ни льда, ни пара уже нет, однако след остается. 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. Так как ракеты летят на большой высоте, «медузы» хорошо видны даже ночью: Солнце подсвечивает частички, составляющие выхлоп, находясь под горизонтом. Это делает явление медузы очень похожим на так называемые серебристые облака. Поймать «медузу» можно только в сумерки — в отличие от следа самолета, который лучше виден днем и получается за счет отражения солнечного света, падающего сверху. Своеобразная форма следа — это результат работы двигателя и взаимодействия его с атмосферой. Струя выходящих из двигателя газов проходит через отверстие особой формы — сопло Лаваля. Из камеры сгорания ведет сначала сужающийся, а потом расширяющейся канал.

Схематичное устройство сопла Лаваля. Топливо сгорает в камере двигателя, и из сопла выбрасывается реактивная газовая струя. Сопло превращает хаотическое тепловое движение молекул газа в упорядоченный поток, направленный от ракетного двигателя. _____ Пока газовая струя имеет скорость меньше скорости звука, она будет ускоряться при сужении отверстия. 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). В расширяющейся части сопла давление потока уменьшается, следовательно скорость потока увеличивается. Внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения, и чем выше скорость (и, как следствие, кинетическая энергия), тем больше будет реактивная тяга ракеты, то есть при максимально возможной скорости исходящего потока достигается оптимальный режим работы. После выхода из сопла вещество начинает двигаться в воздушной среде. 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. Маленький хвостик медузы (нижняя «тонкая» часть, наиболее похожая на инверсионный след самолета) как раз и возникает во время движения в оптимальном режиме. Плотность вещества уменьшается с высотой по экспоненциальному закону (то есть довольно быстро), и потому хвостик получается не очень длинный. С высотой давление выхлопной струи двигателей становится гораздо больше атмосферного, и она начинает расширяться. При этом возникают еще разные «щупальца». Дело в том, что при старте работает не один двигатель, а несколько. Чтобы выравнивать траекторию ракеты, могут использоваться двигатели, сопла которых будут направлены в разные стороны, и тогда появляются следы от каждого двигателя по отдельности. Некоторые ракеты-носители умеют поворачиваться и немного вращаются (youtu.be/bDoh8zQDT38). Из-за этого щупальца могут закручиваться, образуя спирали.

Космическая медуза с ярко выраженными «щупальцами». Образовалась после старта ракеты «Зенит» с космодрома Байконур. Фото с сайта planetologia.ru, город Яровое, Алтайский край _____ Когда топливо заканчивается и ступень ракеты отделяется, в «медузе» может возникнуть «провал». Для двигателей второй ступени обычно подбирают более широкие и длинные сопла, чтобы они эффективнее работали при низком атмосферном давлении. При их включении «медуза» может на некоторое время «сжаться». Если ракета изготовлена по пакетной схеме, то есть первая ступень прикреплена сбоку ко второй ступени, то при разделении двигатели первой ступени будут разлетаться в разные стороны. Тогда у нашей «медузы» появятся маленькие «детки». Чаще всего при отделении двигатели выключаются, и след оказывается очень коротким, слабым и незаметным. У ракет с возвращаемой первой ступенью (например, у ракеты Falcon 9) есть двигатели для посадки, которые при работе создают свои маленькие медузы внутри большой. На главном фото такая «медузка» видна чуть левее центра большой медузы.

Кроме самих двигателей и схем полета на форму медузы могут влиять внешние факторы, например, ветер. Тогда узор может довольно сильно исказиться. Так как газ освещается Солнцем из-под горизонта, то на медузу могут проецироваться тени от гор или других наземных объектов.

Так выглядит старт ракеты, снятый с Международной космической станции. На кривизну хвостика повлиял ветер (который есть на высоте примерно до 25 км). Фото из твиттера астронавта NASA Кристины Кук _____ В хорошую погоду «медузу» можно увидеть издалека. Например, в Москве наблюдались следы ракеты «Космос-1188» (Cosmos 1188), запущенной с космодрома Плесецк в Архангельской области 14 июня 1980 года. На сегодняшний день далеко не все запуски космических ракет секретные, поэтому можно даже заранее спланировать «ловлю» космических медуз, причем без применения специальных наблюдательных приборов. Лучше всего любоваться такой красотой невооруженным глазом — «медуза» занимает слишком большую площадь на небе и в поле зрения телескопа попросту не поместится.

Автор статьи: Анастасия Стебалина Источник: https://elementy.ru/kartinka_dnya/1117/Kosmicheskaya_meduza