12月7日傍晚，很多人的朋友圈都被這樣一條消息刷屏——有網(wǎng)友發(fā)現(xiàn)傍晚的天空出現(xiàn)了龍狀祥云。此后不少網(wǎng)友紛紛在朋友圈、微博上曬圖，記錄下這一刻。
對(duì)此，微博認(rèn)證為“航天科工火箭技術(shù)有限公司技術(shù)經(jīng)理”的微博網(wǎng)友@快舟火箭首席科學(xué)家助理 ，在微博上公開(kāi)“認(rèn)領(lǐng)”稱這是今天快舟一號(hào)甲運(yùn)載火箭發(fā)射所造成的火箭尾跡云。據(jù)悉，12月7日16時(shí)52分，我國(guó)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用快舟一號(hào)甲運(yùn)載火箭，采用“一箭六星”的方式，成功將和德二號(hào)A/B衛(wèi)星、天儀16/17衛(wèi)星、天啟四號(hào)A/B衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，任務(wù)獲得圓滿成功。這也是太原衛(wèi)星發(fā)射中心在6個(gè)小時(shí)之內(nèi)的第二次發(fā)射，創(chuàng)下了中國(guó)航天發(fā)射的新紀(jì)錄。
什么是“火箭尾跡云”
火箭推進(jìn)劑燃燒后生成的高溫、高速氣體會(huì)在尾噴管后形成具有復(fù)雜的波系結(jié)構(gòu)，包含內(nèi)射流和外射流，以及邊界層。內(nèi)射流是燃料燃燒所生成的高溫、高速化學(xué)反應(yīng)生成物，外射流是低溫、低速的混合物氣體。
低空火箭尾流可見(jiàn)光圖像
當(dāng)火箭飛行高度低時(shí)，周?chē)髿獬砻埽鸺龂娏骱痛髿饣旌系慕Y(jié)果是先膨脹后壓縮，再膨脹，如此反復(fù)形成明顯的馬赫盤(pán)結(jié)構(gòu)。尾流徑向直徑比較小，軸向長(zhǎng)度有限。低空尾流流場(chǎng)可以用連續(xù)流的納維爾-斯托克斯方程建模，其典型溫度云圖如下所示：
低空火箭尾流流場(chǎng)溫度云圖
當(dāng)火箭飛行高度逐漸增高時(shí)，周?chē)髿庵饾u稀薄，火箭噴流和大氣混合作用的結(jié)果是馬赫盤(pán)數(shù)目逐漸減少，最后消失，噴流充分膨脹，與大氣混合后會(huì)形成回流區(qū)，尾流徑向直徑變大，軸向長(zhǎng)度變長(zhǎng)，形成高空雨傘結(jié)構(gòu)。高空尾流流場(chǎng)可用稀薄氣體動(dòng)力學(xué)建模，其典型速度云圖如下所示：
高空火箭尾流流場(chǎng)速度云圖
當(dāng)火箭飛行速度超過(guò)音速時(shí)候，會(huì)形成兩個(gè)激波結(jié)構(gòu)。一個(gè)在彈體錐形頂部，一個(gè)在尾流前部，剛開(kāi)始彈體激波與尾流激波分離，當(dāng)飛行高度變高以后，兩者混合，從而使得火箭尾流場(chǎng)變大，形成一個(gè)巨大的錐形部位。
利用空氣動(dòng)力學(xué)成功解釋了火箭尾流“煙云”的主體是錐形結(jié)構(gòu)的原因，那么煙云遠(yuǎn)端的蛇形尾跡是怎么形成的呢？這是因?yàn)槲擦髦泻写罅康娜趸X粒子，這些粒徑比較小的粒子被噴口噴出后在高層大氣中所受的阻力比較小，因此能夠持續(xù)好幾公里。由于平流層和中間層之間的循環(huán)氣流，造成火箭流場(chǎng)遠(yuǎn)端與空氣混合具有強(qiáng)烈的不穩(wěn)定性，因而將尾跡吹成了螺旋狀。
火箭尾流的蛇形尾部
在尾流后方還可能存在有大量不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)的“煙云”。當(dāng)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)類型、推進(jìn)劑種類以及飛行環(huán)境不同時(shí)，火箭尾流的“煙云”會(huì)表現(xiàn)出不同的尺寸與結(jié)構(gòu)。
那么為什么我們能看到“煙云”呢？有時(shí)甚至還是五顏六色的云呢？其實(shí)，這一現(xiàn)象是由火箭升空之后留下的尾跡在陽(yáng)光、氣流和昏暗天空的綜合作用下產(chǎn)生的特殊光學(xué)效果。
夜間拍攝到的火箭煙云
火箭尾流與大氣混合后會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射，但這些輻射的主要波段在紅外區(qū)域，而我們?nèi)搜鬯?jiàn)的火箭尾跡主要來(lái)自于尾流中含鋁的固體推進(jìn)劑燃燒生成的三氧化二鋁粒子散射太陽(yáng)光所致。
如果觀察者的角度比較好，而且觀察時(shí)間是日出、日落時(shí)分，就會(huì)看到“云”在高空直射陽(yáng)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體鋁顆粒與空氣中氧氣混合需要滿足燃燒條件，所以通常這些“云”在火箭起飛階段是會(huì)不出現(xiàn)的，而是在高空大氣中產(chǎn)生。由于三氧化二鋁粒子相對(duì)氣體分子的慣性大以及高空大氣粘性小等原因，造成火箭關(guān)機(jī)后，這些“云”還能存在，最大可維持半小時(shí)左右。
“火箭尾跡云”此前也曾出現(xiàn)
比如去年4月27日20點(diǎn)左右也曾有“不明飛行物”在網(wǎng)絡(luò)上刷屏，當(dāng)時(shí)據(jù)目擊者稱，一個(gè)飛行器拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的尾跡在華北的夜空中劃出一道美妙的曲線。
當(dāng)時(shí)有專家認(rèn)為這很可能是小型火箭（長(zhǎng)度在2米之內(nèi)）、帶有動(dòng)力的小衛(wèi)星或者其它用于科學(xué)探測(cè)的小衛(wèi)星所致。當(dāng)然除了火箭發(fā)射之外，高超聲速導(dǎo)彈試驗(yàn)也會(huì)造成類似“天象”。
