尾焰中的“馬赫環(huán)”

杰里米·休斯　蒲澤

你觀看過火箭發(fā)射嗎？你知道火箭騰空而起后尾部噴出的明亮火焰大有學(xué)問嗎？本期，快來跟我們一起認(rèn)識火箭尾焰吧！

說起尾焰，大家首先想到的肯定是超大的“火苗”。但是如果你仔細(xì)觀察這巨大的“火苗”就會發(fā)現(xiàn)，其實(shí)它是由一串等間距圓環(huán)構(gòu)成的。人們將這種結(jié)構(gòu)稱為“馬赫環(huán)”。當(dāng)然，并不是在所有的尾焰中都能看到馬赫環(huán)，只有當(dāng)火箭和飛機(jī)的速度超過音速且達(dá)到一定溫度時，其尾部噴出的氣體在內(nèi)外壓力不一致的情況下，產(chǎn)生膨脹、壓縮的循環(huán)現(xiàn)象，我們才能看到馬赫環(huán)。

在我們看到的各種尾焰中，馬赫環(huán)總是以完美的間隔出現(xiàn)，但其中也存在細(xì)微的差別，因?yàn)楦鞣N發(fā)動機(jī)所采用的噴管形狀各異，而且每個引擎所選擇的燃料種類也都是不一樣的。

梅林火箭發(fā)動機(jī)一般采用液氧煤油推進(jìn)劑，這種推進(jìn)劑燃燒后能夠生成二氧化碳和水，所以飛機(jī)的尾焰會出現(xiàn)白色的羽流。此外，這種推進(jìn)劑燃燒后還會產(chǎn)生固態(tài)碳的顆粒物，這些顆粒在燃燒時閃爍著橘色的光，形成了帶橘色光亮的尾焰。就像蠟燭燃燒時，由于碳顆粒持續(xù)燃燒，燭焰的頂端會發(fā)出橘色的光一樣。

為使推進(jìn)劑燃燒后只產(chǎn)生微量碳顆粒，甚至不產(chǎn)生碳顆粒，SpaceX生產(chǎn)的猛禽發(fā)動機(jī)，以甲烷與氧氣的混合物為燃料，產(chǎn)生的尾焰主要是藍(lán)色，其中帶有淡淡的橘色光。

中國的長征二號運(yùn)載火箭采用的推進(jìn)劑是偏二甲肼和四氧化二氮混合物。這種推進(jìn)劑與甲烷類似，只會生成極微量的碳顆粒。從尾焰的藍(lán)色程度就可以看出這種推進(jìn)劑極高的燃燒效率。不過，長征二號F運(yùn)載火箭所使用的推進(jìn)劑燃燒后還會生成一種含氮基的物質(zhì)，這種物質(zhì)會發(fā)出另一頻率的光。

除了火箭，一些為了超音速飛行而開啟加力燃燒室的戰(zhàn)斗機(jī)也會產(chǎn)生馬赫環(huán)。