火箭发射时为什么有奇奇怪怪的烟云？

文章来自“科学大院”公众号

作者：Roger

前几天傍晚，北京、天津、河北等地上空能看到一条“龙”状的云盘旋蓝天，引起市民争相拍照，朋友圈刷屏，这到底是一朵什么云呢？

（图片来源：微博@气象北京）

气象专家解释，“祥云”实际是火箭发射留下的航迹云。12月7日16时52分，我国在太原卫星发射中心用快舟一号甲运载火箭，采用“一箭六星”的方式，成功将和德二号A/B卫星、天仪16/17卫星、天启四号A/B卫星发射升空。这是太原卫星发射中心在6个小时之内的第二次发射，创下了中国航天发射的新纪录。由于高度极高，河北、北京等地均能看到火箭升空的航迹云 。

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流的那点事儿吧。

火箭尾流：近场喷流+远端尾迹

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的复杂波系结构，包含近场喷流和远端尾迹。近场喷流是燃料燃烧所生成的高温、高速混合物的流动；远端尾迹是喷流与远端大气混合以后形成的低温、低速的混合物的流动。

低空火箭尾流可见光图像

随着火箭发动机类型、推进剂种类以及飞行环境有所不同，火箭尾流会呈现出不同的形态。

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：

低空火箭尾流流场温度云图（图片来源：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：

高空火箭尾流流场速度云图（图片来源：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。

不同高度火箭尾流的锥形主体结构对比（图片来源：《Rocket Exhaust Plume Phenomenology》 Frederick S. Simmons）

利用空气动力学成功解释了火箭尾流近场喷流的形状，那火箭尾流远端尾迹的不同形态是怎么形成的呢？

众所周知，火箭按推进剂的不同可分为液体和固体两类火箭。通常液体火箭产生的尾流主要是气体成分，如液氧煤油的燃烧产物是水蒸气、二氧化碳、一氧化碳等。尾流组分动量较小，尾迹相对规则，不易朝着远处扩散。而固体火箭为了提高比冲，通常在推进剂中添加金属（主要是铝粉）。这样一来，燃烧后的尾流中除了气体组分之外，还含有大量铝的氧化物，如氧化铝和三氧化二铝。含铝氧化物的固体颗粒具有较大的动量，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。此外，由于平流层和中间层之间存在循环气流，造成火箭流场远端与空气混合具有强烈的不稳定性，因而可能将含有铝氧化物的尾迹扩散成了不规则的螺旋状。火箭关机后，这些“尾迹”还能存在，最多可以维持数小时。

火箭尾流的蛇形尾部（图片来源：央视网）

火箭烟云：尾流的光学效果

我们用空气动力学解释了火箭尾流的形状，那么为什么火箭尾流还有颜色？

其实造成这一现象的原因除了火箭尾流的组分不同之外，还因为尾流在阳光、气流和昏暗天空的综合作用下产生了特殊的光学效果。

（图片来源：央视网）

通常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集中在红外区域，而我们人眼所见的火箭尾迹的颜色主要是由于尾流中不同组分对可见光波段太阳光的散射。

通常液体火箭尾流光学通透性好，呈亮白色，固体火箭尾流光学通透性差，但是色彩更为丰富。如果观察者的角度比较好，而且观察时间是日出、日落时分，就会看到火箭尾流形成的“烟云”在高空直射阳光、散射光的相互作用下，形成“五彩祥云”。

通过烟云的颜色，我们还可以推测火箭尾流的成分：烟云如果是红色，火箭尾流中可能含有锶的氧化物；如果是青绿色，可能含有钡的氧化物；如果是白色条带，可能含有铝的氧化物；如果是黄绿色，则可能含有铜的氧化物。

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太空探测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！

本文于2018年5月3日首发于科学大院

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