книги из ГПНТБ / Гайгеров С.С. Исследование синоптических процессов в высоких слоях атмосферы

няя тепловая скорость молекул воздуха внутри патрубка.

Максимальная относительная ошибка определения давления по данным этих

При скорости и положении ракеты, характеризующихся числами Маха более 3 и углами атак менее 10°, достаточно точные данные плотности могут быть по­ лучены по измерениям одного напорного давления. Представляет интерес мето­ дика измерения напорного давления, основанная на принципе торможения газом тонкой металлической вибрирующей диафрагмы. Амплитуда электрически воз­ буждаемых колебаний диафрагмы зависит от давления окружающего газа. Изме­ ряемая сила тока, требуемая для вибрации с данной амплитудой, служит мерой давления газа. Этот метод выбран для разрабатываемой в США системы опе­ ративных измерений плотности в слое 50—120 км [254].

7. НЕКОТОРЫЕ ПАРАШЮТНЫЕ СИСТЕМЫ И ЗАМЕДЛИТЕЛИ

При конструировании парашютов и замедлителей для метеоро­ логического ракетного зондирования предусматриваются следую­ щие требования: большой эффективный коэффициент торможения, надежность, достаточная степень наполнения, простота. конструк­ ции, низкая стоимость, малый вес, малый объем в сложенном со­ стоянии, высокая степень устойчивости, возможность радиолока­ ционного прослеживания.

Важнейшей обобщающей характеристикой парашюта служит баллистический коэффициент

W

площадь материала, использованного для изготовления купола парашюта. Оче­ видно, что, чем меньше величина k, тем действие замедлителя оказывается бо­ лее эффективным.- Большие парашютные купола из очень легких материалов при наличии очень легких- и миниатюрных приборов позволяют значительно замед­ лять снижение.

Скорость снижения парашюта является важным фактором, влияющим на точность измерения ветра. Ошибка измерения ветра, определяемая разностью скоростей ветра (vw) и парашюта (vP), пропорциональна квадрату нисходящей

Конструкция замедлителя, основанная на иных принципах наполнения и до­ стижения устойчивости, как бы объединила в себе особенности наполняемого баллона (сферы) и парашюта, откуда и происходит ее название — баллют. На­ полнение баллюта производится за счет воздуха, сжатого скоростным напором набегающего потока. Силы внутреннего давления превосходят силы внешнего давления на всем высотном диапазоне, поэтому баллют надежно наполняется без применения наполнительного устройства (как у сферы). Для устойчивого по­ лета, в отличие от парашюта, баллют не нуждается в применении проходов (по­ ристости). Устойчивость и достаточное торможение обеспечиваются взаимодей­ ствием конфигурации баллюта с набегающим потоком. Повышению устойчивости баллюта способствует наполняемый пояс на внешней поверхности замедлителя,

Рис. 26. Стабильный замедлитель (старут), наполняемый за счет воздуха, сжимаемого скоростным напором набегающего потока.

на котором осуществляется срыв струй. Недостатком баллюта является его чув­ ствительность к проколам и разрывам ткани. Как указывалось выше, один из видов баллюта широко применяется на ракетной сети США вместе с ракетой

(рис. 26). Его варианты применяются для других ракетных систем. Увеличенный

ность обеспечить дозвуковые скорости снижения до высоты 100 км, является лен- точно-ячейковый парашют стоксового обтекания. Конструкция ленточно-ячейко- вого замедлителя является дальнейшей разработкой идей Фаси о создании ку­ полов парашютов из редкой ткани или сетки, осуществляющих торможение в ре­ жиме обтекания вязким газом [210].

Разрабатываемый в США ленточно-ячейковый парашют стоксового обтекания состоит из купола, наполняемых расчалок или каркаса и строп для крепления

Рис. 27. Проектируемый ленточно-ячейковый высотный парашют, работающий в режиме обтекания вязким газом.

гается наполнять изопентаном или фреоном-11. При снижении до высоты около 36 км система должна деформироваться, обусловливая увеличение скорости спу­ ска, что сокращает время снижения и является положительной особенностью кон­ струкции. Разрабатывается аналогичный тороидальный парашют (в форме во­

8. ДИПОЛЬНЫЕ ОТРАЖАТЕЛИ

Радиолокационное прослеживание дипольных отражателей, сбрасываемых с ракет, является распространенным и эффектив­ ным методом измерения ветра. Благодаря очень малым значениям баллистического коэффициента дипольных отражателей этот ме­ тод успешно применяется до высоты 80 км и более, т. е. на тех высотах, где использование парашютов как датчиков ветра не дает результатов. Это важнейшее преимущество метода дипольных от­ ражателей. Разнообразие типов диполей позволяет выбрать наи­ выгоднейшую скорость их гравитационного оседания в зависимо­ сти от высоты, в то время как парашют имеет значительно мень­ шие возможности в выборе нужных скоростей падения (рис. 28). Это создает преимущества при ветровом зондировании с помощью дипольных отражателей, поскольку реакция падающих объектов

на вертикальный сдвиг ветра является функцией их скорости па­ дения. Другими преимуществами метода диполей являются его простота и относительная дешевизна.

Недостатком метода является изменение размеров облака ди­ полей, которое редеет и увеличивается по площади. Условия отра-

Рис. 28. Скорости падения дипольных отражателей.

жения радиолокационного сигнала ухудшаются с течением вре­ мени, а точность измерений уменьшается: В результате появления неравномерностей плотности облака следящая система радиолока­ тора начинает искать скопление диполей, имеющее наибольшее отражение. Вследствие этого измерение профиля ветра по одному облаку диполей ограничивается слоем толщиной 25—30 км, а ана­ лиз ошибок измерений на соответствующих высотах затрудняется.

Применяются различные виды диполей. Ленточные (плоские) отражатели де­ лаются из фольги, алюминированного майлара со следующими приблизитель­ ными размерами: толщина 0,0015 см, ширина 0,04 см. Длина (обычно половина длины волны РЛС ) меняется от 1,5 до 5 см, контейнер содержит около 106 ди­ полей [161, 249].

С. В. Пахомовым использовались диполи типа ДОС-А-50-К, представляющие собой отрезки стеклянного волокна, покрытые сверху слоем алюминия. Харак­ теристики диполей приведены в табл. 14.

скорости оседания ленточных майларовых диполей, применяемых в США. Н а вы­ сотах более 70 км ДОС-А-50-К значительно эффективнее медных и нейлоновых диполей.

При измерении ветра с помощью дипольных отражателей, сбрасываемых с ракеты М-100, применяются три контейнера. Телеметрический передатчик за­ меняется таким ж е передатчиком уменьшенных размеров. Это позволяет

поместить в головной части контейнер с дипольными* отражателями. Дв а других контейнера устанавливаются в парашютном отсеке, длина которого увеличена на 100 мм (рис. 29). Управление сбросом контейнеров осуществляется с помощью

1 — контейнер в приборном отсеке, 2 и 3 — контейнеры в парашютном отсеке.

электронного реле времени. В интервале высот 90—50 км через промежуток времени около 30 с создаются обособленные облака дипольных отражателей. По­ следовательное определение координат каждого облака диполей осуществляется с помощью одной радиолокационной станции путем периодического разверты­ вания диаграммы направленности антенны радиолокатора в пространстве по определенному закону [160, 162].

В 1971 —1972 гг. на станции Молодежная в Антарктике прово­ дились пуски ракет М-100 для измерения ветра с помощью диполь­ ных отражателей. Зимой максимальная толщина слоя, в котором определялся ветер по прослеживанию одного облака, достигала 40 км (от 90 до 50 км) . Таким образом, данные о ветре по дипольным отражателям практически стыковались с данными о ветре по дрейфу парашюта. Это позволило ограничиться наблюдением одного облака, которое образовывалось путем одновременного сброса двух контейнеров, размещенных в удлиненном парашютном

мощью радиолокационной станции в режиме автоматического со­ провождения цели по азимуту и углу места.

Типичный ход скорости падений диполей в Молодежной для зимы (средней за июнь—август) и для лета (средней за вторую половину ноября и декабрь) оказался следующим:

Дрейф светящихся облаков фиксируется с помощью синхронной фотоили

ных следов, которые можно фотографировать в течение периода от одной до нескольких минут. Эти следы позволяют наблюдать движение воздуха в диапа­ зоне высот 90—200 км не только в сумерки, но и ночью. Среди способов созда­ ния упомянутых следов можно назвать использование смеси из 80% триметилалюминия (ТМА) — А1(СН 3 ) 3 —20% триэтилалюминия (ТЭА) — А1(С 2 Н 5 ) 3 . Жид­ кая смесь ТМА—ТЭА выдавливается компримированным азотом в окружающую

Остальная часть образует облако замерзших частиц, которые опускаются до вы­ соты около 100 км и, медленно испаряясь, дают начало обширному размытому свечению [253].

Следы ТМА—ТЭА на высотах 90—140 км создаются также с помощью ору­ дийных снарядов. След сохраняется до 15 мин и может быть виден на рас­ стоянии до 340 км [358, 359].

Измерения ветра на больших высотах с помощью оптического слежения ис­ кусственных химических образований проводятся в СССР, США, Франции и дру­ гих странах [2, 266, 307, 107, 23, 3]. Средние квадрэтические ошибки определения ветра этими методами составляют 10—13 м/с по скорости и 15—20° по направ­ лению.

В Ы В О Д Ы

Из изложенного выше следует, что все методы ракетных на­ блюдений, возникшие около 20 лет тому назад, применяются до сих пор и получили дальнейшее развитие на основе достижений современной техники. Это свидетельствует о правильности выбора физических принципов измерения в соответствующих слоях атмо­

длины свободного пробега молекул метод термометрического тела становится все менее применимым, и здесь получают приоритет иные физические принципы измерений структурных параметров атмосферы — акустические, падающих сфер и манометров, а для определения ветра в связи с уменьшением плотности атмосферы парашют заменяют дипольные отражатели и химические облака.

Почти все системы метеорологического ракетного зондирования проводят измерения в полностью или частично совпадающих диа­ пазонах высот, что дает возможность проводить сравнения. В по­ следние годы ряд локальных сравнений включал разнообразный

что сопоставимость данных улучшается по мере усовершенствова­ ния методики измерений, в ряде случаев требуется уточнение по­ правок [313, 280].

По-видимому, необходимо организовать международные срав­ нения различных методов измерений в слое атмосферы от 30 до

100 км. Такое сопоставление, организованное достаточно широко, позволило бы выяснить сравнительную точность измерений раз­ личными методами. Кроме того, массовый учащенный запуск ра­ кет может дать новый материал о суточном ходе метеорологиче­ ских параметров, о мезомасштабных образованиях на различных высотах и т. д.

Для подобных сравнений необходимо выбрать эталон. Однако нельзя назвать какой-либо один метод измерений, который явился бы эталоном для различных параметров и большого диапазона высот. Судя по изложенному выше, можно принять, что для тем­ пературных измерений в слое 40—80 км таким эталоном мог бы явиться ракетно-гранатный метод. Для измерений ветра ниже 50— 60 км эталоном мог бы служить парашют с достаточно низким баллистическим коэффициентом. Для высот 60—90 км предпочти­ телен метод дипольных отражателей.

Сравнения различных метеорологических ракетных систем из­ мерений необходимы в связи с задачами обработки и синоптиче­ ского использования спутниковых данных об уходящем инфракрас­ ном излучении атмосферы. Уместно заметить, что в принципе использование одного прибора делает спутниковые глобальные данные более однородными, чем радиозондовые и ракетные данные.

В условиях невозмущенного термобарического поля и симмет­ ричной зональной циркуляции середины лета синоптический ана­ лиз индивидуальных и средних ракетных данных имеет существен­ ное значение для оценки сопоставимости различных методов зондирования в слое 20—70 км.

Г л а в а II

1.ТЕРМИЧЕСКОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЫ

СПОМОЩЬЮ СПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НА ИСЗ УХОДЯЩЕЙ

РАДИАЦИИ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЯ—АТМОСФЕРА

термического зондирования [327]. В дальнейшем идея дистанцион­

подхода к решению обратных задач атмосферной оптики [141, 312, 311, 164, 48]. В настоящее время спектральные измерения восходя­

мофеева [122], поэтому мы рассмотрим здесь в основном возмож­ ности термического зондирования со спутников верхней страто­

окна около 11 мкм. Значения радиации регистрировались с проме­ жутками 8 с. Линейное пространственное разрешение составляло около 225 км. Абсолютная точность измерений находилась в пре­

программы термического зондирования на борту ИСЗ «Метеор»,