彗星解码(十七)|宇宙里的“烟花”秀:火箭云的科学解码

文摘   2025-01-31 20:31   海南  
彗星解码
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     2025蛇年福启,海南商业航天发射场的首次发射已在天幕上书写下浓墨重彩的一笔——2024年11月30日,长征十二号遥一运载火箭以一飞冲天之势,在二号工位成功首秀,早早地为蛇年新春献上大礼。这场发射不仅标志着我国商业航天发射场的正式启航,更在夜空中绘就了罕见的“火箭云”奇观:四瓣尾焰如鸢尾花美丽绽放,二级分离后的红光似极光漫卷。值此佳节,让我们以科学视角解读火箭云背后的宇宙密码。


宇宙“烟花”:科技与自然共舞  

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|图源网络


火箭发射进入太空后,因为推力、推进剂、上升高度、发射时大气条件的不同等因素,会产生颜色各异、形状各异的火箭云,像人类在太空放了一场又一场烟花秀。长征十二号升空瞬间,四台大推力发动机喷薄而出的尾焰,在海南的晴夜中生成四瓣花状云团,像盛放的鸢尾花。这一现象并非简单的尾焰燃烧,而是高空大气与航天动力协同作用下的产物—火箭云
长征十二号发射任务首席指挥员鄢利清解释,火箭一级飞行至中高空时,发动机燃烧产生的水蒸气与未燃煤油颗粒在高空低温下凝结为冰晶,并在稀薄气流中扩散。此时,四台发动机的推力分布与大气密度梯度形成动态平衡,尾流受空气阻力影响分裂为四股,阳光照射下冰晶折射光线,最终在地面观测中呈现出四瓣对称的“烟花云”。这一现象对发射时机极为苛刻:若云层过密或气流紊乱,尾焰可能仅呈纺锤状或无显著形态。

光奇观:天幕上的化学反应  

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当火箭二级分离后,距地面200-300公里的电离层上演了另一场视觉盛宴:红光如极光般铺展,覆盖范围可达1500公里外的云南泸沽湖,四川的稻城、贡嘎雪山。这一现象的本质是空氧原子受激辐射
二级发动机点火时,火箭已进入空气密度极低的临近空间。推进剂燃烧释放的高能粒子与氧原子碰撞,使其电子跃迁至激发态,回落时释放出波长为630纳米的红光。与极光不同,这一过程无需太阳风参与,仅依赖火箭自身动力与大气成分的相互作用。猎光者拍摄的“红蓝对决”画面中,红光与银河的冷色调交织,实为人类科技与宇宙背景的无声对话。

火箭云的形态密码:从蝌蚪到凤凰

  

长征十二号的云景虽独特,却并非孤例。火箭云的形态实为燃料特性、飞行轨迹与大气条件的综合映射:

蝌蚪云

常见于多级火箭发射。一级尾焰因低空稠密大气限制呈细长轨迹,二级点火后高空稀薄环境使尾迹骤然扩散,形如蝌蚪头部。长征五号B的一级半构型常形成此类云团。

螺旋云

火箭级间分离时剩余燃料的惯性抛洒所致。2017年猎鹰9号发射曾留下“太空水母”般的螺旋尾迹。

涅槃凤凰

有些火箭云像凤凰涅槃,拖着长长的焰光,十分壮观瑰丽。长征十二号一级尾焰在茂名观测者镜头中幻化为凤凰展翅,实因特殊弹道倾角设计,尾流在垂直爬升时受风切变影响呈羽状分散。

燃料类型亦决定云色

液氢液氧燃烧生成纯水冰晶,云体偏银白;固体燃料含铝粉燃烧产物则可能呈现橙黄。

长征十二号采用液氧/煤油,其尾迹冰晶对阳光的瑞利散射(一种光学现象)更易呈现蓝白色调——这种光学现象由大气分子或微小粒子(粒径远小于光波长)引起,短波长蓝光散射强度约是红光的9倍。实际观测中,天文爱好者记录到紫红色尾焰,与理论预期形成有趣反差。究其原因,可能涉及三种光学机制叠加:尾流中未燃煤油颗粒引发的米氏散射(粒子直径接近可见光波长时红光更易穿透)、高空冰晶表面薄膜干涉产生的光谱分离,以及可能的微量钠元素激发(如来自海洋气溶胶的钠原子受热辐射589纳米黄光)与瑞利散射蓝光在视觉感知中的叠加混合形成紫红色调。这种光谱交响乐实为火箭尾流动力学与大气光化学的多重效应共振。

云与光的宇宙对话:从海南到雪域

  

长征十二号火箭发射时产生的火箭云被广东、湖南、云南等多地观测,得益于“暮光效应”的精准利用。尽管发射时间为22时25分(当地已入夜),但火箭在数百公里高度仍处于阳光照射区。地球曲率使得高空尾迹成为“人造夜光云”,其观测窗口与自然夜光云类似,需满足太阳仰角-6°至-16°的临界条件。
海南商业航天发射场凭借北纬19度的地理优势,其低纬度特性可使火箭借助地球自转获得更大初速度(赤道线速度达465米/秒),大倾角弹道设计能覆盖更广星下点区域。这种“黄金纬度+定制弹道”的组合优势,使得当晚从热带海岛到极寒雪山,都观察到了长征十二号的火箭云,在稻城,“火箭云”如极光一般在夜空闪耀,海拔6033米的稻城仙乃日雪山与200公里高空火箭云实现天地同框;在康定,猎户座、贡嘎雪山与“火箭云”浪漫同框,像一场人类科技与宇宙的浪漫对话,大家纷纷拿出手机和相机记录下这难得一见的奇迹。

箭体设计的隐形推手  

长征十二号能缔造如此清晰的云景,离不开其创新构型与动力系统
4米级箭体直径突破传统设计框架,配合修长箭体形成更优气动特性,有效抑制跨音速段气流扰动对尾迹形态的影响。
新型动力集群提供强劲推力,燃烧室采用高压设计,确保尾流中燃料颗粒充分雾化为冰晶生成提供充足凝结核。
这些技术细节,使得长征十二号在完成近地轨道运载任务的同时,意外成为最富观赏性的"航天光影艺术"。

蛇年新春的钟声已经敲响,长征十二号火箭云恰似天宫馈赠的“宇宙烟花”。它不同于烟花的转瞬即逝,而是以冰晶为墨、阳光为笔,在电离层挥洒出绵延千里的科学诗行。当我们在团圆夜仰望星空,不妨将这抹云光视为中国航天人写给深空的新春贺信——未来,海南商业航天发射场将携着人类的宇宙探索之梦,继续在天幕书写属于东方的航天传奇。




文字/视频:赵文瑜
编辑:马语蔓
校对:王   柳
审核:范南虹

关键词:海南商发、海南国际商业航天发射中心、商业航天、火箭、尾焰、极光、火箭云、大气条件、螺旋云、凤凰、蛇年新春、暮光效应、瑞利散射、米氏散射

               

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