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為什麽火箭發射時會有形狀奇怪的煙雲?

還記得上周放映的《飛碟》嗎?4月27日20時40分左右,壹架飛機拖著長長的尾跡在華北的夜空中劃出壹道奇妙的曲線。

壹些專家認為這是夜光雲的壹個版本,或者叫做夜光雲。

有專家認為,很可能是小型火箭(長度在2米以內)、有動力的小衛星或其他用於科學探索的小衛星造成的。

有專家從大角度彈道轉彎和逆著地球自轉由西向東飛行的細節上排除了衛星變軌的可能性,指出這可能是中國的高超音速導彈試驗。

目前對此沒有官方回應,但為什麽有專家認為夜空中的尾流是火箭造成的?為什麽火箭發射時會留下奇怪的軌跡?我們來談談火箭尾流。

火箭尾流:錐形體+蛇形尾翼

火箭尾流是火箭推進劑燃燒後產生的壹種高溫高速氣體,在噴管後方形成復雜的波系結構,包括內噴流、外噴流和邊界層。內噴流是燃料燃燒產生的高溫高速化學反應的產物,外噴流是低溫低速的混合氣體。

當火箭飛行高度較低時,周圍大氣較密,火箭噴流與大氣混合的結果是先膨脹,後壓縮,再膨脹,反復形成明顯的馬赫盤結構。尾流的徑向直徑相對較小,軸向長度有限。低空尾流場可以用連續流的Naville-Stokes方程來模擬,其典型的溫度雲圖如下:

當火箭飛行高度逐漸增加時,周圍的大氣變得稀薄。火箭噴流與大氣混合的結果是馬赫盤數逐漸減少並最終消失,噴流充分膨脹。與大氣混合後會形成回流區,尾流徑向直徑變大,軸向長度變長,在高空形成傘狀結構。高空尾流場可以用稀薄氣體動力學來模擬,其典型的速度雲圖如下:

當火箭飛行速度超過音速時,會形成兩個沖擊波結構。壹個在導彈錐體的頂部,另壹個在尾流的前端。起初,導彈激波和尾流激波分離,當飛行高度變高時,兩者混合,使火箭尾流場變大,形成壹個巨大的錐形部分。

火箭尾跡“煙雲”的主體之所以是圓錐形結構,成功地用空氣動力學解釋了,那麽煙雲遠端的蛇形尾跡是如何形成的呢?這是因為尾流中含有大量的氧化鋁顆粒,這些粒徑較小的顆粒被噴嘴噴出後在高層大氣中阻力較小,因此可以持續數公裏。由於平流層和中間層之間的循環氣流,火箭流場遠端與空氣的混合是強烈不穩定的,因此尾流被吹成螺旋狀。

火箭煙霧:光學效果

尾流後面可能存在大量結構不同的復雜“煙雲”。當火箭發動機類型、推進劑類型、飛行環境不同時,火箭尾流中的“煙雲”會呈現出不同的大小和結構。

那麽為什麽能看到“煙雲”呢?有時甚至是五顏六色的雲彩。實際上,這種現象是火箭升空後留下的尾跡在陽光、氣流和黑暗天空的綜合作用下產生的特殊光學效應。

當火箭尾跡與大氣混合時,會產生強烈的輻射,但這些輻射的主要波段在紅外區,我們肉眼看到的火箭尾跡主要是由尾跡中含鋁固體推進劑燃燒產生的氧化鋁顆粒對太陽光的散射造成的。

以這個不明飛行物為例。因為中國幅員遼闊,橫跨四個時區,所以在華北東部21點左右,新疆剛剛日落。也就是說,此時中國上空仍能被太陽照亮,但華北處於陰影區,因此人們在夜間也能看到明亮的尾跡。其原理示意圖如下:

如果觀測者角度好,觀測時間為日出日落,妳會看到“雲”在高空陽光直射和散射光的相互作用下,形成彩虹色的“五彩祥雲”。由於火箭尾跡中的固體鋁顆粒在與空氣中的氧氣混合時需要滿足燃燒條件,這些“雲”通常不會出現在火箭起飛階段,而是在高層大氣中產生。由於氧化鋁顆粒相對於氣體分子的大慣性和高空大氣的低粘度,這些“雲”在火箭關閉後仍然可以存在,最多可以持續半個小時左右。

標簽

綜上所述,火箭發射時的“煙雲”是空氣動力學和放射學相互作用的結果。彈道導彈和以火箭技術為基礎的高超音速技術是我國的重量級。隨著我國在這壹領域研究的深入,未來還會有更多的發射活動,這壹系列“煙雲”在我國上空出現的頻率會越來越高!