火箭发动机点火后，都能看到哪些“科学奇观”？

今天是太空与您相伴的【第2654期】

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~

这是火箭飞行过程中燃气羽流与大气环境相互作用的结果，结合特定光学条件形成的视觉奇观。

长征七号运载火箭由火箭院研制，使用液氧煤油作为燃料，燃烧时会产生大量水汽和碳氧化物，它们是形成“水母”现象的物质基础。

在接近真空的环境下，火箭飞行时产生的高温燃气从火箭发动机喷管里喷出，剧烈的压力变化和超低的高空环境温度，使得其中的水蒸气迅速膨胀冷却并发生相变，从气态直接凝华成固态冰晶，形成“火箭羽流凝结尾迹”，也是大家口中常说的“火箭云”。

当天发射时天还没亮，火箭在上升过程中会逐渐脱离地球的阴影区。此时，虽然地面仍处于昏暗之中，但高空的火箭尾焰却能捕捉到阳光，被“自上而下”照亮反射到地面，从而形成了类似“水母”的发光形态。

彩 蛋

想在家门口捕捉火箭发射时的“水母”？

1

关注火箭使用的燃料

2

关注火箭发射时间是否为黎明或黄昏

3

关注当天高层大气是否稳定

特别提示：“火箭云”并不是火箭发动机点火后首个“科学奇观”，一起往下看~

火箭尾焰“拉面”——马赫环

火箭点火瞬间，首先能观测到发动机尾部喷出的钻石型激波结构——马赫环。火焰喷射的瞬间也像一根根面条，摄影爱好者称它为“拉面”。

这一现象源于火箭发动机喷流与周围大气压力的相互作用，在地面阶段，环境压力大于发动机出口压力，火箭发动机喷流扩展有限，产生周期性压缩和膨胀，形成明暗相间的环形结构。

如果你看到马赫环逐渐消失，别慌！这只是火箭飞到了空气更稀薄的高空，即将迎来新的景观。

尾焰动态演变——“裙摆”

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”。

来源 | 综合自中国运载火箭研究院、大漠问天

编辑 | 芦恬莹

校对 | 李文辉

主编 | 张文军

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