今天是太空與您相伴的【第2654期】
長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射天舟九號(hào)貨運(yùn)飛船時(shí),有網(wǎng)友拍到了壯觀的一幕:火箭尾焰在夜幕中展開(kāi),如同一只巨型水母,緩緩游過(guò)太空,無(wú)比驚艷。
這是火箭與大自然共同造就的一場(chǎng)“奇觀”。其實(shí),在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后,能看到的不只有“水母”現(xiàn)象,今天就來(lái)為大家揭曉~
這是火箭飛行過(guò)程中燃?xì)庥鹆髋c大氣環(huán)境相互作用的結(jié)果,結(jié)合特定光學(xué)條件形成的視覺(jué)奇觀。
長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭由火箭院研制,使用液氧煤油作為燃料,燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量水汽和碳氧化物,它們是形成“水母”現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)。
在接近真空的環(huán)境下,火箭飛行時(shí)產(chǎn)生的高溫燃?xì)鈴幕鸺l(fā)動(dòng)機(jī)噴管里噴出,劇烈的壓力變化和超低的高空環(huán)境溫度,使得其中的水蒸氣迅速膨脹冷卻并發(fā)生相變,從氣態(tài)直接凝華成固態(tài)冰晶,形成“火箭羽流凝結(jié)尾跡”,也是大家口中常說(shuō)的“火箭云”。
當(dāng)天發(fā)射時(shí)天還沒(méi)亮,火箭在上升過(guò)程中會(huì)逐漸脫離地球的陰影區(qū)。此時(shí),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(yáng)光,被“自上而下”照亮反射到地面,從而形成了類似“水母”的發(fā)光形態(tài)。
彩蛋
想在家門(mén)口捕捉火箭發(fā)射時(shí)的“水母”?
1
關(guān)注火箭使用的燃料
2
關(guān)注火箭發(fā)射時(shí)間是否為黎明或黃昏
3
關(guān)注當(dāng)天高層大氣是否穩(wěn)定
特別提示:“火箭云”并不是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后首個(gè)“科學(xué)奇觀”,一起往下看~
火箭尾焰“拉面”——馬赫環(huán)
火箭點(diǎn)火瞬間,首先能觀測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)尾部噴出的鉆石型激波結(jié)構(gòu)——馬赫環(huán)?;鹧鎳娚涞乃查g也像一根根面條,攝影愛(ài)好者稱它為“拉面”。
這一現(xiàn)象源于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流與周圍大氣壓力的相互作用,在地面階段,環(huán)境壓力大于發(fā)動(dòng)機(jī)出口壓力,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴流擴(kuò)展有限,產(chǎn)生周期性壓縮和膨脹,形成明暗相間的環(huán)形結(jié)構(gòu)。
如果你看到馬赫環(huán)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(lái)新的景觀。
尾焰動(dòng)態(tài)演變——“裙擺”
火箭起飛后,細(xì)心觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)過(guò)程現(xiàn)象:火箭尾焰如同逐漸舒展的璀璨“裙擺”,即火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽流擴(kuò)張角的動(dòng)態(tài)演變。
在地面階段,發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰還羞怯地收攏著身姿,呈收縮形態(tài);隨著高度增加,尾焰開(kāi)始舒展身姿,擴(kuò)張角慢慢增大,在天幕描繪出越來(lái)越壯闊的錐形;到接近真空環(huán)境時(shí),這個(gè)熾熱的尾焰甚至?xí)霈F(xiàn)大于90°的超大擴(kuò)張角,就像一把緩緩打開(kāi)的巨傘,于是,可能就會(huì)出現(xiàn)“水母”(“火箭云”)現(xiàn)象。
從“馬赫環(huán)”到“火箭云”,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰逐步變化的這些美麗現(xiàn)象雖然震撼,但對(duì)火箭來(lái)說(shuō)卻是暗藏危機(jī)——比如尾焰噴流反卷可能“燙傷”箭體。不過(guò)別擔(dān)心,火箭設(shè)計(jì)師早有準(zhǔn)備:給火箭“涂”防熱涂層、“穿”底部防熱板、在設(shè)計(jì)之初用仿真等方式,驗(yàn)證氣體中分子隨機(jī)運(yùn)動(dòng)形成的流動(dòng)現(xiàn)象等,既保障了火箭的安全可靠,也留下了浪漫的“科學(xué)奇觀”。
來(lái)源|綜合自中國(guó)運(yùn)載火箭研究院、大漠問(wèn)天
編輯|蘆恬瑩
校對(duì)|李文輝
主編|張文軍
郵箱|ourspace0424@163.com
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