火箭發動機點火后，都能看到哪些“科學奇觀”？

今天是太空與您相伴的【第2654期】

長征七號運載火箭成功發射天舟九號貨運飛船時，有網友拍到了壯觀的一幕：火箭尾焰在夜幕中展開，如同一只巨型水母，緩緩游過太空，無比驚艷。

這是火箭與大自然共同造就的一場“奇觀”。其實，在火箭發動機點火后，能看到的不只有“水母”現象，今天就來為大家揭曉~

這是火箭飛行過程中燃氣羽流與大氣環境相互作用的結果，結合特定光學條件形成的視覺奇觀。

長征七號運載火箭由火箭院研制，使用液氧煤油作為燃料，燃燒時會產生大量水汽和碳氧化物，它們是形成“水母”現象的物質基礎。

在接近真空的環境下，火箭飛行時產生的高溫燃氣從火箭發動機噴管里噴出，劇烈的壓力變化和超低的高空環境溫度，使得其中的水蒸氣迅速膨脹冷卻并發生相變，從氣態直接凝華成固態冰晶，形成“火箭羽流凝結尾跡”，也是大家口中常說的“火箭云”。

當天發射時天還沒亮，火箭在上升過程中會逐漸脫離地球的陰影區。此時，雖然地面仍處于昏暗之中，但高空的火箭尾焰卻能捕捉到陽光，被“自上而下”照亮反射到地面，從而形成了類似“水母”的發光形態。

彩 蛋

想在家門口捕捉火箭發射時的“水母”？

1

關注火箭使用的燃料

2

關注火箭發射時間是否為黎明或黃昏

3

關注當天高層大氣是否穩定

特別提示：“火箭云”并不是火箭發動機點火后首個“科學奇觀”，一起往下看~

火箭尾焰“拉面”——馬赫環

火箭點火瞬間，首先能觀測到發動機尾部噴出的鉆石型激波結構——馬赫環。火焰噴射的瞬間也像一根根面條，攝影愛好者稱它為“拉面”。

這一現象源于火箭發動機噴流與周圍大氣壓力的相互作用，在地面階段，環境壓力大于發動機出口壓力，火箭發動機噴流擴展有限，產生周期性壓縮和膨脹，形成明暗相間的環形結構。

如果你看到馬赫環逐漸消失，別慌！這只是火箭飛到了空氣更稀薄的高空，即將迎來新的景觀。

尾焰動態演變——“裙擺”

火箭起飛后，細心觀察者會發現一個過程現象：火箭尾焰如同逐漸舒展的璀璨“裙擺”，即火箭發動機羽流擴張角的動態演變。

在地面階段，發動機尾焰還羞怯地收攏著身姿，呈收縮形態；隨著高度增加，尾焰開始舒展身姿，擴張角慢慢增大，在天幕描繪出越來越壯闊的錐形；到接近真空環境時，這個熾熱的尾焰甚至會出現大于90°的超大擴張角，就像一把緩緩打開的巨傘，于是，可能就會出現“水母”（“火箭云”）現象。

從“馬赫環”到“火箭云”，火箭發動機尾焰逐步變化的這些美麗現象雖然震撼，但對火箭來說卻是暗藏危機——比如尾焰噴流反卷可能“燙傷”箭體。不過別擔心，火箭設計師早有準備：給火箭“涂”防熱涂層、“穿”底部防熱板、在設計之初用仿真等方式，驗證氣體中分子隨機運動形成的流動現象等，既保障了火箭的安全可靠，也留下了浪漫的“科學奇觀”。

來源 | 綜合自中國運載火箭研究院、大漠問天

編輯 | 蘆恬瑩

校對 | 李文輝

主編 | 張文軍

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