還記得上周刷屏的“不明飛行物”么？ 4月27日20點(diǎn)40分左右，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。
有專家認(rèn)為這是夜光云版本的航跡云，或者稱為航跡夜光云。
也有專家認(rèn)為很可能是小型火箭(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。
還有專家從大角度彈道轉(zhuǎn)彎以及自西向東飛行與地球自轉(zhuǎn)相反等細(xì)節(jié)排除了衛(wèi)星變軌的可能，指出這可能是我國(guó)在進(jìn)行一種高超聲速導(dǎo)彈的試驗(yàn)。
目前官方?jīng)]有對(duì)此做出回應(yīng)，不過，為什么會(huì)有專家認(rèn)為夜空中的尾跡是由火箭造成的？火箭發(fā)射的時(shí)候?yàn)槭裁磿?huì)留下奇奇怪怪的軌跡呢？下面就讓我們來說說有關(guān)火箭尾跡的那點(diǎn)事兒吧。
火箭尾流：錐形主體+蛇形尾部
火箭尾流是火箭推進(jìn)劑燃燒后生成的高溫、高速氣體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。
當(dāng)火箭飛行高度低時(shí)，周圍大氣稠密，火箭噴流和大氣混合的結(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：
當(dāng)火箭飛行高度逐漸增高時(shí)，周圍大氣逐漸稀薄，火箭噴流和大氣混合作用的結(jié)果是馬赫盤數(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：
當(dāng)火箭飛行速度超過音速時(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。
火箭煙云：光學(xué)效果
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。
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)搜鬯姷幕鸺槽E主要來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光所致。
以這次的不明飛行物為例，由于中國(guó)幅員遼闊，橫跨4個(gè)時(shí)區(qū)，在華北東部地區(qū)21點(diǎn)左右的時(shí)候，新疆地區(qū)才剛剛?cè)章?。也就是說此時(shí)的中國(guó)本土的上空依舊能被太陽所照射到，但華北地區(qū)處于陰影區(qū)域，所以人們夜間也能看到明亮的尾跡，其原理示意圖如下：
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。
結(jié)語
綜上所述，火箭發(fā)射時(shí)候的“煙云”是空氣動(dòng)力學(xué)與輻射學(xué)相互作用的結(jié)果。以火箭技術(shù)為基礎(chǔ)的彈道導(dǎo)彈與高超聲速技術(shù)是國(guó)之重器，隨著我國(guó)在該領(lǐng)域研究的深入，未來發(fā)射活動(dòng)會(huì)更多，這一系列“煙云”在中國(guó)上空的出現(xiàn)頻率也會(huì)越來越高！
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