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                中國航天

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                為什么火箭發射后,天空有時會出現“龍狀祥云”?

                更新日期:2019/12/25來源:上海航宇科普中心

                摘自飛行總動員航空網
                        據北京日報12月7日消息:今天傍晚,北京天空出現龍狀的祥云,網友們紛紛拿起手機相機拍攝,照片迅速在朋友圈刷屏了!經記者了解,原來這是快舟一號甲運載火箭發射所造成的火箭尾跡云。
                       火箭尾流是火箭推進劑燃燒后生成的高溫、高速氣體在尾噴管后形成具有復雜的波系結構,包含內射流和外射流,以及邊界層。內射流是燃料燃燒所生成的高溫、高速化學反應生成物,外射流是低溫、低速的混合物氣體。
                        當火箭飛行高度低時,周圍大氣稠密,火箭噴流和大氣混合的結果是先膨脹后壓縮,再膨脹,如此反復形成明顯的馬赫盤結構。尾流徑向直徑比較小,軸向長度有限。低空尾流流場可以用連續流的納維爾-斯托克斯方程建模,其典型溫度云圖如下所示:
                        低空火箭尾流流場溫度云圖
                       當火箭飛行高度逐漸增高時,周圍大氣逐漸稀薄,火箭噴流和大氣混合作用的結果是馬赫盤數目逐漸減少,最后消失,噴流充分膨脹,與大氣混合后會形成回流區,尾流徑向直徑變大,軸向長度變長,形成高空雨傘結構。高空尾流流場可用稀薄氣體動力學建模,其典型速度云圖如下所示: 
                       高空火箭尾流流場速度云圖
                       當火箭飛行速度超過音速時候,會形成兩個激波結構。一個在彈體錐形頂部,一個在尾流前部,剛開始彈體激波與尾流激波分離,當飛行高度變高以后,兩者混合,從而使得火箭尾流場變大,形成一個巨大的錐形部位。
                       利用空氣動力學成功解釋了火箭尾流“煙云”的主體是錐形結構的原因,那么煙云遠端的蛇形尾跡是怎么形成的呢?這是因為尾流中含有大量的三氧化二鋁粒子,這些粒徑比較小的粒子被噴口噴出后在高層大氣中所受的阻力比較小,因此能夠持續好幾公里。由于平流層和中間層之間的循環氣流,造成火箭流場遠端與空氣混合具有強烈的不穩定性,因而將尾跡吹成了螺旋狀。 
                       火箭尾流的蛇形尾部
                       在尾流后 方還可能存在有大量不同復雜結構的“煙云”。當火箭發動機類型、推進劑種類以及飛行環境不同時,火箭尾流的“煙云”會表現出不同的尺寸與結構。
                       那么為什么我們能看到“煙云”呢?有時甚至還是五顏六色的云呢?其實,這一現象是由火箭升空之后留下的尾跡在陽光、氣流和昏暗天空的綜合作用下產生的特殊光學效果。
                       火箭尾流與大氣混合后會產生強烈的輻射,但這些輻射的主要波段在紅外區域,而我們人眼所見的火箭尾跡主要來自于尾流中含鋁的固體推進劑燃燒生成的三氧化二鋁粒子散射太陽光所致。
                        如果觀察者的角度比較好,而且觀察時間是日出、日落時分,就會看到“云”在高空直射陽光、散射光的相互作用下,形成彩虹色的“五彩祥云”。由于火箭尾流中的固體鋁顆粒與空氣中氧氣混合需要滿足燃燒條件,所以通常這些“云”在火箭起飛階段是會不出現的,而是在高空大氣中產生。由于三氧化二鋁粒子相對氣體分子的慣性大以及高空大氣粘性小等原因,造成火箭關機后,這些“云”還能存在,最大可維持半小時左右。 
                夜間拍攝到的火箭煙云

                記者:周文麗


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