СПОСОБ СОЗДАНИЯ ИСКУССТВЕННЫХ ОБЛАКОВ ПАРООБРАЗНЫХ ЩЕЛОЧНЫХ И ЩЕЛОЧНОЗЕМЕЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ В ВЕРХНЕЙ АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CREATE ARTIFICIAL CLOUDS OF VAPOROUS ALKALINE AND ALKALI-EARTH METALS IN UPPER ATMOSPHERE OF EARTH AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к методам изучения верхней атмосферы Земли и околоземного космического пространства путем создания искусственных светящихся облаков (ИСО) и может быть использовано, например, при активных воздействиях на атмосферные процессы.
В последнее время для исследования верхней атмосферы стал широко применяться метод искусственных светящихся облаков. Суть метода сводится к наблюдениям оптических эффектов, возникающих при выбросе в атмосферу с помощью ракет определенных химических веществ. Одним из направлений в развитии подобных экспериментов является использование ИСО в качестве зонда для изучения ионосферных и магнитосферных электрических полей и геомагнитного поля.
Вещества, используемые для создания искусственных образований должны удовлетворять нескольким требованиям. Прежде всего, они должны легко испаряться и легко ионизироваться под действием ультрафиолетового излучения солнца. Кроме того, выброшенные вещества должны излучать в видимом диапазоне спектра, в этом случае ИСО можно будет наблюдать с поверхности Земли с помощью оптических приборов. В дальнейшем было показано, что более всего для этих целей подходят щелочные и щелочноземельные металлы.
В настоящее время основными способами создания ИСО являются образование облаков парообразных металлов с помощью кумулятивных зарядов и при горении пиротехнических составов. В первом случае под действием ударной волны, генерируемой зарядом взрывчатого вещества, происходит испарение металла и его ускорение до больших скоростей (более 10 км/с). Такой способ, например, был использован для выброса струи парообразного бария с борта ракеты в верхних слоях атмосферы Земли (Скомаровский B.C. Эффекты кумулятивной инжекции бария в нижней ионосфере. Диссертация кандидата физико-математических наук, М., 1981, 149 с.).
Однако такой способ создания ИСО наиболее рационально использовать для изучения магнитосферы и геомагнитных полей Земли, поскольку выбрасываемые пары металла формируются только в виде струи.
Кроме способа образования паров щелочноземельного металла, основанного на кумулятивном эффекте, известны способы, основанные на горении термитных составов, одним из компонентов которых является металл-парообразователь или его соединение с кислородом. Так, например, известно получение паров бария в верхних слоях атмосферы по следующей химической реакции (Подгорный И.М. Активные эксперименты в космосе. - М.: Знание, 1974. - 7 с.):
CuO+1,6 Ва=Cu+ВаО+0,6 Ва (пар).
Состав имеет ряд существенных недостатков. Наиболее важным из них является низкий выход паров бария - около 11%. Другим недостатком указанного состава является наличие в нем металлического бария. Барий обладает высокой химической активностью, особенно по отношению к кислороду и воде. Это приводит к повышенной пожароопасности и необходимости изготовления, применения и хранения состава и зарядов на его основе в атмосфере инертного газа, например в аргоне.
Наиболее близким к изобретению является способ создания ИСО путем выброса парообразных щелочных металлов, испаряемых в процессе горения высокотемпературного термитного состава (прототип) (Шидловский А.А. Основы пиротехники. М., Машиностроение, 1964, с.294-295). В СССР в 1958 г. И.С.Шкловский и В.Г.Курт провели эксперимент по созданию натриевого облака на высоте 430 км с помощью метеоракеты. Для испарения металлического натрия использовался железоалюминиевый термит. Натрий дробился на небольшие кусочки, смешивался с термитом, и вся смесь помещалась в стальной корпус. При горении термита натрий испарялся, и пары его выбрасывались в атмосферу. Принимая во внимание достаточно высокую температуру горения подобных термитов (около 2000°С) и сравнительно низкую температуру кипения металлического натрия (около 880°С), можно предположить, что выход паров металла в этом эксперименте был достаточно велик. С помощью этого метода создания ИСО впервые была определена плотность атмосферы на этой высоте. Плотность вычислялась по значению коэффициента молекулярной диффузии, определяемого из последовательных снимков облака, с использованием модельных значений температуры.
В дальнейшем аналогичный метод применялся для определения плотности верхней атмосферы путем одновременных измерений коэффициента молекулярной диффузии и температуры атмосферы по наблюдениям ИСО.
Однако этот способ создания ИСО наряду с достаточным выходом паров натрия имеет ряд существенных недостатков. К сожалению, авторами не были приведены данные по чистоте паров натрия, но, вероятно, данный метод не позволяет получать натриевые пары достаточно высокой чистоты.
Кроме того, невысокая скорость горения термитного состава (несколько миллиметров в секунду) не может обеспечить получения сферического облака паров металлов, динамика изменения формы которого позволяет получить больше информации о процессах, происходящих в атмосфере, в отличие от облаков вытянутой формы.
В связи с этим авторами была поставлена задача разработки нового способа создания искусственных светящихся облаков из паров щелочных и щелочноземельных металлов и устройства для генерации этих паров с выходом на уровне натриевого генератора (прототипа), но лишенных его недостатков.
Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в создании универсального, высокоэффективного и безопасного способа создания искусственного облака паров щелочных и щелочноземельных металлов сферической формы в верхних слоях атмосферы Земли.
Технический результат достигается тем, что в способе создания искусственных облаков паров щелочных и щелочноземельных металлов, основанном на выбросе в верхних слоях атмосферы Земли паров этих металлов, получаемых в результате горения пиротехнических составов, состоящих из термической основы и компонента, содержащего испаряемый металл, в качестве последнего используется неорганический азид испаряемого металла, который одновременно используется и как окислитель термической основы, содержащей в качестве горючего титан.
В основу выбора пиротехнического состава для генерации паров щелочных и щелочноземельных металлов были положены следующие общепризнанные принципы:
- чистота получаемых паров;
- максимальный выход паров испаряемого металла;
- определенная (оптимальная) температура горения состава;
- максимальное содержание в составе испаряемого металла;
Согласно этим принципам применение пиротехнических составов на основе кислородсодержащих окислителей для генерации паров металлов нежелательно. Это вызвано тем, что при горении подобных составов наряду с образованием паров испаряемых металлов образуется мелкодисперсный оксид испаряемого металла или металла-горючего в виде белого дыма, что ведет к загрязнению облака паров. Поэтому составы, применяемые для генерации паров металлов должны в результате горения образовывать пары металлов, и твердые компактные шлаки.
Дальнейший поиск возможных компонентов пиротехнических составов, пригодных для генерации паров металлов, показал, что наиболее целесообразно для этих целей использовать азиды металлов, участие которых в процессе горения происходит в соответствии со следующим уравнением:
1
3
1-2
2
2
1
Me(N)+3(6)Ме→3(6)MeN+Me (пар)
1
где, Me- Li, Na, K, Rb, Cs; Ca, Sr; Ba;
2
Ме - Ti, В, Al, Be, Si, Zr, Hf, V, Nb, Та.
Азиды в данных реакциях служат окислителем, и одновременно, поставщиком парообразных металлов, а металлы - горючим. При своем распаде азиды выделяют азот в активном состоянии, что облегчает его взаимодействие с бором, алюминием и переходными металлами IV и V групп периодической системы элементов с образованием соответствующих нитридов. За счет высокой теплоты горения образующиеся щелочные и щелочноземельные металлы выделяются в парообразном состоянии, а тугоплавкие нитриды металлов остаются в виде компактного твердого остатка. Следовательно, пары металлов получаются в чистом состоянии без загрязнений посторонними примесями, что немаловажно. Кроме того, генерация паров металлов происходит химическим путем - за счет разложения соответствующего азида, что является дополнительным фактором повышения чистоты и выхода металлов в парообразном состоянии.
Дальнейший отбор систем, пригодных к практическому использованию, осуществлялся после оценки максимальных температур, развивающихся в процессе их горения. Согласно принципам отбора составов для генерации паров металлов заслуживали внимание те системы, у которых температура горения выше температуры кипения испаряемого металла, но ниже температуры разложения соответствующего нитрида металла, т.е. должно соблюдаться условие:
кип.
г.
разл.
Т<Т<Т
Исходя из этого условия, оказалось, что для испарения щелочных и щелочноземельных металлов наиболее рационально использовать пиротехнические составы, состоящие из титана и соответствующего азида металла. Составы на основе титана, кроме того, имеют высокое содержание испаряемого металла. Титан доступен и относительно дешев.
В последующих исследованиях более подробно были исследованы составы для генерации паров бария и лития, для которых были определены зависимости выхода паров металлов от плотности состава, дисперсности компонентов, соотношения компонентов и давления. Данные зависимости определялись в экспериментах, в которых образцы составов сжигались в «бомбе постоянного давления» с последующим химическим анализом продуктов сгорания. Как и следовало ожидать, с повышением давления температура кипения испаряемых металлов возрастала. Поэтому выход паров металлов зависел от давления, которое развивается при работе генератора. В связи с чем был определен интервал изменения величины давления, обеспечивающий максимальный выход паров металла. Он оказался равным 20-40 атм.
Были разработаны высокоэффективные составы для генерации паров щелочных и щелочноземельных металлов - лития и бария, состоящие из стехиометрической смеси азидов соответствующих металлов с титаном с выходом испаряемого металла до 100%.
Свидетельством возможности создания подобных составов для генерации паров других щелочных и щелочноземельных металлов - натрия, калия, рубидия, цезия, стронция и кальция является близость теплот образования их азидов с теплотами образования азидов бария и лития и меньшая температура кипения этих металлов по сравнению с барием и литием. Проведенные в дальнейшем лабораторные исследования подтвердили это предположение.
Известны устройства для создания облаков паров щелочных и щелочноземельных металлов в верхних слоях атмосферы. Так, например, в способе, основанном на кумулятивном эффекте, используется заряд взрывчатого вещества, в одном из торцов которого сформирована конусообразная или цилиндрическая кумулятивная воронка, облицованная испаряемым металлом, а в другом торце установлен электродетонатор для вызова взрывчатого превращения заряда (Скомаровский B.C. Эффекты кумулятивной инжекции бария в нижней ионосфере. Диссертация кандидата физико-математических наук, М., 1981, 149 с.). Достоинством кумулятивных устройств является высокая эффективность преобразования энергии взрыва в кинетическую энергию струи паров металла. Степень испарения вещества, находящегося в кумулятивной выемке, зависит от его свойств и может достигать 8-12% его массы. Однако изготовление и применение подобного рода устройств сопряжено с повышенной опасностью, поскольку они содержат заряды чувствительных и высокобризантных взрывчатых веществ, а также химически активный металл - барий. В связи с этим такие устройства достаточно сложны в изготовлении и требуют их отстрела от ракеты и дальнейшей стабилизации.
Наиболее близким к изобретению (прототип) является устройство для создания облака щелочного металла (натрия), состоящее из цилиндрического стального корпуса, донного воспламенительного узла и головного узла с выхлопным отверстием (Шидловский А.А. Основы пиротехники. М., Машиностроение, 1964, с.294-295). Устройство снаряжалось смесью железоалюминиевого термита с металлическим натрием. При горении термита происходило испарение натрия, давление в устройстве возрастало, и пары металла через выхлопное отверстие выбрасывались в атмосферу. Наряду с достаточно высоким выходом паров натрия устройство имело существенный недостаток - использование металлического натрия и относительно большое время выброса его паров, вызванное невысокой скоростью горения термита. Натрий обладает высокой химической активностью. Это приводит к повышенной пожароопасности и нестабильности состава, поэтому изготовление, применение и хранение изделий на его основе должны производиться в атмосфере инертного газа.
Технический результат, на решение которого направлено изобретение, заключается в создании надежного, безопасного и высокоэффективного устройства для генерации и быстрого выброса в верхние слои атмосферы Земли паров щелочных и щелочноземельных металлов.
Технический результат достигается тем, что в устройстве для генерации паров щелочных и щелочноземельных металлов, содержащем головной узел с выхлопным отверстием, цилиндрический корпус, донный воспламенительный узел и заряд пиротехнического состава, головной узел дополнен сеткой из вольфрама или тугоплавкой стали, а в выхлопном отверстии установлены алюминиевая мембрана и диафрагма из молибдена, цилиндрический корпус снаряжен пиротехническим зарядом из прессованных сплошных цилиндрических шашек или со сквозным каналом, состоящих из стехиометрической смеси азида испаряемого металла и титана, склеенных между собой и сформированных в пиротехнический блок, для зажигания которого используется воспламенительный состав из смеси титана с бором, который находится в каналах блока или расположен на его боковой поверхности, а в воспламенительный узел установлены прессованные шашки из смеси титана с бором с подсыпкой из того же состава и пиропатрон.
22
24
При разработке конструкций устройств для генерации паров щелочных и щелочноземельных металлов авторы ориентировались на применение в них азидосодержащих пиротехнических составов и руководствовались требованиями технического задания организации-заказчика. В соответствие с ними одно из устройств должно создавать облако паров лития сферической формы, выбрасывая 6×10 атомов лития в течение не более 0,5 с, а другое - облако паров бария, выбрасывая 1-3×10 атомов бария в течение не более 1,5 с.
Согласно этим условиям были определены массы азидосодержащих составов и габариты соответствующих устройств. Для герметизации и поддержания оптимального давления внутри устройств во время их работы были применены алюминиевые мембраны и молибденовые диафрагмы, размеры которых подбирались экспериментально. Необходимое время выброса паров металлов из устройств было достигнуто за счет увеличения поверхности зажигания блока основного пиротехнического состава, конфигурация которого также подбиралась экспериментально.
Были разработаны две варианта устройства с разным содержанием испаряемого металла и с различным расположением воспламенительного состава применяемого для зажигания блока азидосодержащего пиротехнического состава - снаружи и изнутри пиротехнического заряда
На рис.1 изображен вариант №1 предлагаемого устройства, содержащего от 1 до 5 г испаряемого металла с расположением воспламенительного состава на боковой наружной поверхности блока азидосодержащего пиротехнического состава, где:
1 - сопло с выхлопным отверстием, 2 - мембрана из алюминия, 3 - диафрагма из молибдена, 4 - корпус головного узла, 5, 8 - воспламенительный состав, 6 - пиротехнический состав, генерирующий пары металла, 7 - корпус, 9 - подсыпка из воспламенительного состава, 10 - корпус донного воспламенительного узла, 11 - пиропатрон, 12 - втулка воспламенительного узла, 13 - донная гайка, 14 - решетка из тугоплавкой стали, 15 - головная гайка.
Технические характеристики одного из устройств варианта №1:
- устройство предназначено для генерации паров лития;
- масса устройства - 727±5 г;
- масса основного состава - 36 г;
- масса лития в составе 1,40 г;
- время работы устройства - не более 2 с;
- максимальное давление в устройстве - не более 50 атм;
- габаритные размеры устройства - 45×119 мм.
На рис.2 изображен вариант №2 устройства, содержащего от 300 до 600 г испаряемого металла с расположением воспламенительного состава внутри каналов блока азидосодержащего пиротехнического состава, где:
1 - сопло с выхлопным отверстием, 2 - мембрана из алюминия, 3 - диафрагма из молибдена, 4 - корпус головного узла, 5, 8 - воспламенительный состав, 6 - пиротехнический состав, генерирующий пары металла, 7 - корпус, 9 - подсыпка из воспламенительного состава, 10 - корпус донного воспламенительного узла, 11 - пиропатрон, 12 - втулка воспламенительного узла, 15 - головная гайка, 16 - сетка из вольфрама, 17 - диафрагма из стали,.
Технические характеристики одного из устройств варианта №2:
- устройство предназначено для генерации паров бария;
- масса устройства 5900±50 г;
- масса основного состава 1900±20 г;
- масса бария в составе 519±5 г;
- время работы устройства - не более 3 с;
- максимальное давление в устройстве - не более 100 атм.
- габаритные размеры устройства 100×330 мм.
Устройство (рис.2, вариант №2) работает следующим образом.
При подаче импульса тока напряжением 27 В с бортового блока питания метеоракеты по команде временного механизма на пиропатрон 11, закрепленный в корпусе донного воспламенительного узла 10, происходит его срабатывание, после чего форс пламени через отверстия втулки воспламенительного узла 12 поджигает подсыпку 9 из воспламенительного состава, которая, в свою очередь, воспламеняет донные шашки 8 из воспламенительного состава. Горение донных воспламенительных шашек 8 приводит к зажиганию воспламенительного состава 5, который находится в каналах блока основного пиротехнического заряда 6, установленного в корпусе 7 устройства. Блок основного состава 6 фиксируется в устройстве корпусом донного воспламенительного узла 10 и сеткой из вольфрама 16, которая упирается в корпус головного узла 4. Горение воспламенительного состава 5 приводит к зажиганию основного состава 6, после чего начинается его горение. В результате горения основного состава давление в контейнере возрастает до определенного значения, происходит разрыв алюминиевой мембраны 2 и пары металла через корпус 4 головного узла выбрасываются в атмосферу через сопло 1, удерживаемое в устройстве головной гайкой 15. Величины диаметров отверстий молибденовой диафрагмы 3 и диафрагмы из стали 17 подобраны таким образом, чтобы в процессе горения блока пиротехнического состава внутри устройства поддерживалось давление равное 2-4 МПа (20-40 атм).
В течение ряда лет Обнинским Институтом экспериментальной метеорологии (ИЭМ) (НПО «Тайфун») проводились натурные испытания устройств для генерации паров лития и бария. Искусственные светящиеся облака создавались с целью исследования физических процессов, протекающих в верхней атмосфере, таких как диффузионные процессы, турбулентность, ветер, температура, динамика магнитно-силового поля Земли. Устройства устанавливались на метеорологические ракеты МР-12, пуски которых, например, в период с 1979 по 1980 гг. производились на станциях ракетного зондирования, расположенных в Волгограде (48°41' с.ш., 44°21' в.д.) и на острове Хейса (Архипелаг Земля Франца-Иосифа) (80°37' с.ш., 58°03' в.д.).
В ноябре-декабре 1980 г. состоялась комплексная экспедиция на полярную станцию на острове Хейса. Частью программы исследований было создание искусственных светящихся и ионизированных облаков на высотах до 180 км. Это осуществлялось путем выброса паров металлов бария и лития из компактных устройств, конструкция которых была разработана авторами изобретения. Регистрация динамики перемещения и изменения ИСО со временем проводилась с помощью аэрофотокамер. Масса устройств для генерации паров бария и лития составляла около 6000 г и 700 г, масса составов в них - 1900 г и 38 г, а масса испаряемых металлов - 570 г и 1,4 г соответственно. По истечении 5-10 с, прошедших после работы устройств, были образованы сферические облака паров бария и лития диаметром около 15-25 км и 3-5 км соответственно. Цвет бариевого облака был интенсивно зеленый, а литиевого - оранжевый. В дальнейшем наблюдались очень быстрое отделение ионизированной компоненты бариевого облака и ее перемещение к полярному сиянию, что подтверждало высокую чистоту паров металла. Время жизни облаков составляло от 10 до 30 мин.
На рис.3 изображен внешний вид устройств для генерации паров щелочных и щелочноземельных металлов в верхних слоях атмосферы Земли.