实力科普：火箭发射时为什么有奇奇怪怪的烟云？

　　来源：科学大院微信公众号

　　还记得上周刷屏的“不明飞行物”么？ 4月27日20点40分左右，一个飞行器拖着长长的尾迹在华北的夜空中划出一道美妙的曲线。


图1 “4.27”不明飞行物的尾迹

　　有专家认为这是夜光云版本的航迹云，或者称为航迹夜光云。

　　也有专家认为很可能是小型火箭（长度在2米之内）、带有动力的小卫星或者其它用于科学探测的小卫星所致。

　　还有专家从大角度弹道转弯以及自西向东飞行与地球自转相反等细节排除了卫星变轨的可能，指出这可能是我国在进行一种高超声速导弹的试验。

　　目前官方没有对此做出回应，不过，为什么会有专家认为夜空中的尾迹是由火箭造成的？火箭发射的时候为什么会留下奇奇怪怪的轨迹呢？下面就让我们来说说有关火箭尾迹的那点事儿吧。


图2 “4.27”不明飞行物的尾迹

　　火箭尾流：锥形主体+蛇形尾部

　　火箭尾流是火箭推进剂燃烧后生成的高温、高速气体在尾喷管后形成具有复杂的波系结构，包含内射流和外射流，以及边界层。内射流是燃料燃烧所生成的高温、高速化学反应生成物，外射流是低温、低速的混合物气体。


图3 低空火箭尾流可见光图像

　　当火箭飞行高度低时，周围大气稠密，火箭喷流和大气混合的结果是先膨胀后压缩，再膨胀，如此反复形成明显的马赫盘结构。尾流径向直径比较小，轴向长度有限。低空尾流流场可以用连续流的纳维尔-斯托克斯方程建模，其典型温度云图如下所示


图4 低空火箭尾流流场温度云图（来源：作者绘制）

　　当火箭飞行高度逐渐增高时，周围大气逐渐稀薄，火箭喷流和大气混合作用的结果是马赫盘数目逐渐减少，最后消失，喷流充分膨胀，与大气混合后会形成回流区，尾流径向直径变大，轴向长度变长，形成高空雨伞结构。高空尾流流场可用稀薄气体动力学建模，其典型速度云图如下所示：


图5 高空火箭尾流流场速度云图（来源：作者绘制）

　　当火箭飞行速度超过音速时候，会形成两个激波结构。一个在弹体锥形顶部，一个在尾流前部，刚开始弹体激波与尾流激波分离，当飞行高度变高以后，两者混合，从而使得火箭尾流场变大，形成一个巨大的锥形部位。




图6 不同高度火箭尾流的锥形主体结构对比

　　（来源：《Rocket Exhaust Plume Phenomenology》 Frederick S。 Simmons）

　　利用空气动力学成功解释了火箭尾流“烟云”的主体是锥形结构的原因后，那么烟云远端的蛇形尾迹是怎么形成的呢？这是因为尾流中含有大量的三氧化二铝粒子，这些粒径比较小的粒子被喷口喷出后在高层大气中所受的阻力比较小，因此能够持续好几公里。由于平流层和中间层之间的循环气流，造成火箭流场远端与空气混合具有强烈的不稳定性，因而将尾迹吹成了螺旋状。


图7 火箭尾流的蛇形尾部

　　火箭烟云：光学效果

　　在尾流后方还可能存在有大量不同复杂结构的“烟云”。当火箭发动机类型、推进剂种类以及飞行环境不同时，火箭尾流的“烟云”会表现出不同的尺寸与结构。

　　那么为什么我们能看到“烟云”呢？有时甚至还是五颜六色的云呢？其实，这一现象是由火箭升空之后留下的尾迹在阳光、气流和昏暗天空的综合作用下产生的特殊光学效果。


图8 夜间拍摄到的火箭烟云

　　火箭尾流与大气混合后会产生强烈的辐射，但这些辐射的主要波段在红外区域，而我们人眼所见的火箭尾迹主要来自于尾流中含铝的固体推进剂燃烧生成的三氧化二铝粒子散射太阳光所致。

　　以这次的不明飞行物为例，由于中国幅员辽阔，横跨4个时区，在华北东部地区21点左右的时候，新疆地区才刚刚日落。也就是说此时的中国本土的上空依旧能被太阳所照射到，但华北地区处于阴影区域，所以人们夜间也能看到明亮的尾迹，其原理示意图如下：


图10 “4.27”不明飞行物的原理示意图

　　如果观察者的角度比较好，而且观察时间是日出、日落时分，就会看到“云”在高空直射阳光、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体铝颗粒与空气中氧气混合需要满足燃烧条件，所以通常这些“云”在火箭起飞阶段是会不出现的，而是在高空大气中产生。由于三氧化二铝粒子相对气体分子的惯性大以及高空大气粘性小等原因，造成火箭关机后，这些“云”还能存在，最多可维持半小时左右。


图11 高空拍摄到的“4.27”不明飞行物烟云

　　结语

　　综上所述，火箭发射时候的“烟云”是空气动力学与辐射学相互作用的结果。以火箭技术为基础的弹道导弹与高超声速技术是国之重器，随着我国在该领域研究的深入，未来发射活动会更多，这一系列“烟云”在中国上空的出现频率也会越来越高！

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