КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗАПУСКОВ КОСМИЧЕСКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ НА МЕТЕОПРОЦЕССЫ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ ВЛИЯНИЯ

© С.И.Рыбников, Г.А.Ялымов
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "К.Э. Циолковский и научное прогнозирование"
1999 г.

Цель моделирования крупномасштабных метеорологических реакций на запуски тяжелых ракет -количественное оценивание основных параметров метеовлияния запусков в рамках принятой физической его картины.

Модель участка атмосферы, рассматриваемого в качестве объекта частичного управления запуском, выполнена как совместная модель гидротермодинамики

мезомасштабного пограничного слоя атмосферы и уравнения полидисперсной примеси с учетом кинетики конденсции.

Изучаемый процесс формирования метеорологических реакций на ракетный запуск представляет собой сложное последовательно-параллельное соединение следующих сопутствующих пуску сепаратных процессов: образование первичного следа продуктов сгорания ракетных топлив, образование в нижней тропосфере метеотрона - восходящего конвективного потока, частичное преобразование следа и выноса метеотрона в облако аэрозоля, ветровой перенос, тепловая и турбулентная диффузия облака аэрозоля, его седиментация и вход во влагосодержащие слои тропосферы, взаимодействие с их облачностью и водяным паром.

Для решения задачи используется пространственная негидростатическая численная модель гидротермодинамики атмосферы с учетом орографии и термических неоднородностей, модель образования следа из продуктов сгорания, модель распространения примеси в атмосфере с учетом кинетики конденсации, а так же системы граничных условий и критериев оценки устойчивости метеопроцессов. Гидродинамическая модель включает уравнения Навье-Стокса, неразрывности и уравнения температуры. При выводе этой системы основные уравнения осредняются по конечным объемам ячеек. Трудности, возникающие при замыкании уравнений подсеточного масштаба, преодолеваются посредством динамических уравнений в форме завихренности.

Модель образования следа из продуктов сгорания представлена моделью суммы мгновенных площадных источников аэрозольной примеси для фиксированных высот. Моделирование распространения примеси с учетом флуктуационного зародышеобразования и дальнейшего роста частиц в пересыщенном паре выполнено на основе уравнения охранения переносимых субстанций и кинетического уравнения Зельдовича-Френкеля.

В качестве критериев устойчивости атмосферы используются соотношения для безразмерной высоты пограничного слоя, числа Ричардсона и параметра формирования слоистых облаков. За граничные условия взяты нулевые значения турбулентных составляющих в начальный момент времени и на границах.

Полученная система решается с использованием метеорологических и турбулентных характеристик атмосферы (в правых частях уравнений) на основе конечноразностного метода. При первоначальном формировании гипотез интенсивность предполагаемой реакции оценивалась по аналогии с известными результатами экспериментальной Метеорологии. Выбор расчетной сетки основан на предварительном экспериментальном анализе.

Разработанные математические модели описанных процессов формирования, трансформации техногенного аэрозоля, его взаимодействия с тропосферой и формирования метеореакции на запуск позволили оценить ее параметры, в первую очередь зоны и временные интервалы реакции участков атмосферы на запуски конкретных объектов в конкретных точках, т.е. получить систему рабочих гипотез, подлежащих экспериментальной, статистической проверке.