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北京夜空“龙状祥云”奇观刷屏 原来是快舟火箭干的

泡沫 更新于 2019-12-9 09:11:03 | 显示全部楼层
  今天傍晚,北京天空出现龙状的祥云,你看到了吗?网友们纷纷拿起手机相机拍摄,瞬间在朋友圈刷屏了。
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  对此,微博认证为“航天科工火箭技术有限公司技术经理”的微博网友@快舟火箭首席科学家助理,在微博上公开“认领”称这是今天快舟一号甲运载火箭发射所造成的火箭尾迹云。
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  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**流和外射流,以及边界层。**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。


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  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:


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88fcb9da-b426-42ad-8c5a-844429665815.png 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:


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88fcb9da-b426-42ad-8c5a-844429665815.png 高空火箭尾流流场速度云图

  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。


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88fcb9da-b426-42ad-8c5a-844429665815.png 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,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。

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88fcb9da-b426-42ad-8c5a-844429665815.png 火箭尾流的蛇形尾部

  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。


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  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。


  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,最大可维持半小时左右。


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