航天科普 | 火箭发动机点火后,都能看到哪些“科学奇观”?
长征七号运载火箭成功发射天舟九号货运飞船时,有网友拍到了壮观的一幕:火箭尾焰在夜幕中展开,如同一只巨型水母,缓缓游过太空,无比惊艳。这是火箭与大自然共同造就的一场“奇观”。其实,在火箭发动机点火后,能看到的不只有“水母”现象,今天就来为大家揭晓~梦幻"水母"——火箭云的奥秘
这是燃气羽流与大气环境相互作用形成的视觉奇观。长征七号使用液氧煤油燃料,燃烧产生的水汽和碳氧化物是基础物质。在接近真空环境中,高温燃气喷出后,水蒸气遇冷直接凝华成固态冰晶,形成"火箭羽流凝结尾迹"。
发射时黎明将至,火箭上升过程逐渐脱离地球阴影区。高空尾焰被"自上而下"的阳光照亮反射,最终形成发光"水母"形态。
捕捉"水母"小贴士
1. 关注火箭燃料类型
2. 选择黎明或黄昏的发射时段
3. 确保高层大气稳定
值得注意的是,"火箭云"并非发射时唯一的科学奇观。
尾焰动态演变——"裙摆"现象
火箭起飞后尾焰呈现动态变化:地面阶段尾焰呈收缩状,随高度增加扩张角逐步增大,接近真空环境时扩张角可超过90°,形成巨伞状结构,为"水母"现象创造条件。
点火瞬间可见钻石型激波结构——马赫环。地面阶段因环境压力大于发动机出口压力,喷流周期性压缩膨胀形成明暗相间的环形结构。当火箭进入高空稀薄空气区域,马赫环会逐渐消失。
火箭起飞后,细心观察者会发现一个过程现象:火箭尾焰如同逐渐舒展的璀璨“裙摆”,即火箭发动机羽流扩张角的动态演变。在地面阶段,发动机尾焰还羞怯地收拢着身姿,呈收缩形态;随着高度增加,尾焰开始舒展身姿,扩张角慢慢增大,在天幕描绘出越来越壮阔的锥形;到接近真空环境时,这个炽热的尾焰甚至会出现大于90°的超大扩张角,就像一把缓缓打开的巨伞,于是,可能就会出现“水母”(“火箭云”)现象。从“马赫环”到“火箭云”,火箭发动机尾焰逐步变化的这些美丽现象虽然震撼,但对火箭来说却是暗藏危机——比如尾焰喷流反卷可能“烫伤”箭体。不过别担心,火箭设计师早有准备:给火箭“涂”防热涂层、“穿”底部防热板、在设计之初用仿真等方式,验证气体中分子随机运动形成的流动现象等,既保障了火箭的安全可靠,也留下了浪漫的“科学奇观”。