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[科普] 关于火箭尾焰的颜色

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小肉球 发表于 2019-9-28 10:35 | 显示全部楼层 |阅读模式

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今天看了下关于火箭尾焰色谱用于液发健康监测的东西,发现尾焰颜色这个问题不是一般的复杂,虽然尾焰是啥颜色貌似是吃瓜群众最最关心的问题。在此我们只讨论海平面附近大气压较高情况下的尾焰的可见光谱。一般来说,液发的尾焰可以分成两个部分:核心射流边界的混合层。其中,核心射流由于极高速度可以视为无粘滞力流动,因此核心射流的主要过程在喷出喷嘴出口之后就是一系列的扩张扇和压缩激波,其中压缩激波伴随着温度的骤然升高,一般会形成鲜明的界面,这也就是最最常见的马赫锥的来源。由于激波是不可逆熵增过程,射流的动能会随着压缩次数的增加逐渐损失为热。如果在高速风洞内填入氮气(氮气速度设置为与喷口射流速度大致相同),就可以观察到液发的多个马赫锥,甚至可以多达数十个之多,直到射流降到亚音速为止。
然而对于在静止大气中的液发尾焰而言,其边界层明显会和趋向无穷远处静止的大气成分发生摩擦和混合。在刚出喷嘴的时候,由于喷嘴内壁本身已经有一个缓慢移动的边界层,因此此处发生的过程是核心射流加速这一边界层而本身减速,也就是核心射流损失一部分到边界层之中而边界层变厚。而当一定的距离之后由于雷诺数原因会发生核心射流和边界层的分离,产生一系列湍流,而湍流本身相当于改变核心射流管的形状,而这一改变会产生斜激波,而这些斜激波又会打乱本身有规律的温度压强变化,进而产生更大的速度和压力梯度,从而诱发更大的湍流,这一过程迅速将核心射流全部扯入现在是湍流主导的边界层当中,火箭尾焰也就基本到此为止了,而这一终止长度一般远远短于核心流体可以提供的稳定马赫锥交替的长度。作为佐证,不管是什么液发的尾焰的尾部都是标志性的迅变湍流的不规则状
在核心流体中,由于温度和压强有规律的随着马赫锥而变化,因此其中的化学组分也随着进行有规律的周期性变化
而边界层的情况则更为复杂。由于液发一般是富燃的,而边界层由于直接和喷管内壁接触一般会设计成格外富燃,因此会不可避免地和大气中的氧气进行二次补燃,而另一方面,由于边界层即使在稳定层流部分也存在剧烈的粘滞力导致的摩擦生热,在转变为湍流之后更是如此,因此实际存在两个独立而又相关的加热过程。如果补燃足够缓慢,比如LOX/RP-1的富含碳颗粒的边界层,还有可能补燃到湍流区还不完成,而尾焰产生类似于燃烧室内燃烧不稳定现象。而如果补燃足够迅速,比如LOX/LCH4,则只会简单地产生一个扩散混合的火焰前锋。在此又有两种情况,如果是燃气发生器循环将富燃涡轮排气注入喷管延伸,则喷管延伸内壁产生一个很厚的快速移动的层,虽然这个层的最外层一样是缓慢移动的边界层,但是由于格外富燃的燃气的主体并不在这个边界层内,而在更内层一点的涡轮排气层内,因此主要的补燃火焰前锋距离喷管出口很可能有一定距离,最著名的例子莫过于F-1发动机的喷管外黑色环了。这是由于一方面这个排期层的环境一出喷管是富燃的,和大气氧气扩散混合需要时间,而另一方面引发燃烧需要的能量主要来自于这个排气层和真正的边界层的粘滞力诱发的摩擦,因此还需要一定距离的摩擦来加热富燃产物,然后才可以燃烧。而如果是全再生冷却的喷管,则既有可能一出喷管就立即补燃,因为此时的边界层内的速度梯度使边界层靠内的部分迅速升温,而因为其在边界层内靠近大气氧气而可以进行燃烧,而此处的燃烧产生的火焰前锋向前传播而稳定在喷管出口处,而不产生明显的补燃火焰前锋形状,比如Merlin 1D起飞时情形,也可能同前一种情况一样在离喷管一定距离才开始补燃,因为此时的边界层要么速度梯度很小,要么过冷,因此同样需要一段距离加热才能补燃。
由于我们讨论的是可见光波长内的波长能量谱分布,因此主导性的因素有两个:一是化学反应致光辐射,这一部分的机制是化学反应释放的化学能的一部分使反应中间产物或者最终产物的电子处于受激发态,当电子返回基态的时候产生特征波长的光辐射,也就是只取决于组分化学结构而无视其他因素的影响。由于量子力学的机制,这些特征波长是分立的,表现为频率谱上的尖峰。一个是类似于黑体辐射的机制,气体或者固体颗粒里的分子互相碰撞导致各自的一部分动能转化为光辐射。由于气体分子的动能是连续的,导致这一部分光辐射的波长也是连续的,并且类似于黑体辐射,这一部分光辐射是高度与温度和压强相关的。当然,真实的光辐射谱基本上是这两部分的叠加而形成的,具体的颜色往往取决于哪一部分占主导性地位
仅以氢氧机为例:SSME的马赫锥是蓝色的,这是化学反应致光辐射,但有趣的是为什么氢氧机尾焰激波会产生蓝色的辐射到现在也没有令人满意的解释,最有可能的是压强突然增加导致的化学平衡移动产生的次生产物H2O2由受激态向基态转换产生的光辐射,而除马赫锥外其他部分一般是红色的,这时由于尾焰中富燃的单个氢原子的alpha谱线,656纳米红色。SSME没有明显的补燃前锋,这是由于H2极快的燃烧速度和极宽的燃烧混合比范围导致的边界层一出喷管就立即全体补燃的结果。尽管肉眼很难看清氢氧机尾焰的末尾是什么样子的,但是UV摄影表明其实尾焰的湍流区温度显著高于非马赫锥的平流区温度,这是由于湍流区不仅存在猛烈的湍流摩擦生热过程,更有全体富燃剩余氢的补燃过程。有趣的是,SSME的喷管如果看进去会看到略带蓝色的白光,而Vulcain只会看到红光,这其实是由于SSME在喷管出口处有一额外的相对于钟形喷管的收敛,而产生了一个压缩斜激波,而这突然抬高了出口边界处的压力,使蓝光盖过富氢的红光,也就是说看到的实际上是压缩斜激波的波前,而并不是真正的核心射流颜色

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bighead29 发表于 2019-9-28 11:15 | 显示全部楼层
说了一大堆也不明白。我就是发现。现在的长征火箭尾焰是偏红的。而80发射的东风5却是偏蓝的。同样毛子的质子也偏蓝。估计是燃料和氧化剂混合比有关。
 楼主| 小肉球 发表于 2019-9-28 11:20 | 显示全部楼层
bighead29 发表于 2019-9-28 11:15
说了一大堆也不明白。我就是发现。现在的长征火箭尾焰是偏红的。而80发射的东风5却是偏蓝的。同样毛子的质 ...

两者都是毒发,混合比应该很接近才对。更可能的原因是不同强度激波引发的化学组分变化,质子的喷管设计和cz系列应该不是太一样,我猜质子的激波更厉害一点,把化学平衡推得更靠高压一点。
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lovelove 发表于 2019-9-28 11:32 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
小肉球 发表于 2019-9-28 11:20
两者都是毒发,混合比应该很接近才对。更可能的原因是不同强度激波引发的化学组分变化,质子的喷管设计和 ...

长征是开试发动机,质子是补燃的,火焰肯定不一样
 楼主| 小肉球 发表于 2019-9-28 11:33 | 显示全部楼层
lovelove 发表于 2019-9-28 11:32
长征是开试发动机,质子是补燃的,火焰肯定不一样

喷口处的压强应该相似猜对~0.4bar,差的是比冲,也就是排气速度。
lovelove 发表于 2019-9-28 11:35 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
小肉球 发表于 2019-9-28 11:33
喷口处的压强应该相似猜对~0.4bar,差的是比冲,也就是排气速度。

开式发动机有废气排气
 楼主| 小肉球 发表于 2019-9-28 11:38 | 显示全部楼层
lovelove 发表于 2019-9-28 11:35
开式发动机有废气排气

这里他说的应该是主喷口的颜色看起来不一样
StdNormDist 发表于 2019-9-28 16:47 | 显示全部楼层
煤油机的橙黄色火焰来自碳颗粒的黑体辐射,尾部的蓝色火焰来自含碳有机小分子燃烧的分子光谱(颜色类似于CO在O2中燃烧所产生的蓝色)
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35786 发表于 2019-9-28 21:53 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
最好配上图更直观
cooldiy_cn 发表于 2019-9-28 22:15 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
你们都没有考虑到摄影器材的问题 拍摄的设备不是光谱仪 而是只对几个小区域光谱敏感的摄像机 由于火箭尾焰光谱的离散性 会导致摄影设备对颜色的还原性很差 肉眼所见与摄像机拍摄的视频颜色不同 乃至不同设备拍摄同一尾焰颜色也不同
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king22 发表于 2019-9-28 22:18 | 显示全部楼层
没有图不直观,有图就好了。
35786 发表于 2019-9-28 22:31 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
cooldiy_cn 发表于 2019-9-28 22:15
你们都没有考虑到摄影器材的问题 拍摄的设备不是光谱仪 而是只对几个小区域光谱敏感的摄像机 由于火箭尾焰 ...

说的是,简单的摄像机白平衡不统一看到的就是几个结果了
cooldiy_cn 发表于 2019-9-28 23:35 来自航空航天港手机版! | 显示全部楼层
如果不相信 去买几个不同方案摄像头 和手机一起 拍摄 淘宝买辉光放电管和高频高压源 有充氢氧啥的都有 实际拍下就知道氢 氧的辉光放电 不同器材拍出来的色偏有多大了!和肉眼看到的颜色完全不一样!不同器材也不一样!
 楼主| 小肉球 发表于 2019-9-29 02:08 | 显示全部楼层
cooldiy_cn 发表于 2019-9-28 23:35
如果不相信 去买几个不同方案摄像头 和手机一起 拍摄 淘宝买辉光放电管和高频高压源 有充氢氧啥的都有 实际 ...

我想说的是光谱的能量分布问题
这个是客观的,肉眼也好摄像头也好只不过是对这一客观问题的刻画而已
不论摄像头怎么调整,一个650nm主峰值的辐射和一个450nm主峰值的辐射也是不同的
xiaolifeidao 发表于 2019-9-29 06:30 | 显示全部楼层
氢氧机尾焰


                               
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xiaolifeidao 发表于 2019-9-29 06:31 | 显示全部楼层
煤油机尾焰


                               
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xiaolifeidao 发表于 2019-9-29 06:34 | 显示全部楼层
毒发机的尾焰图没有找到
 楼主| 小肉球 发表于 2019-9-29 07:27 | 显示全部楼层
xiaolifeidao 发表于 2019-9-29 06:34
毒发机的尾焰图没有找到

直接搜质子或者SS-18,一大把
xiaolifeidao 发表于 2019-9-29 07:43 | 显示全部楼层
小肉球 发表于 2019-9-29 07:27
直接搜质子或者SS-18,一大把

发现北朝鲜的毒火箭



                               
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xiaolifeidao 发表于 2019-9-29 07:48 | 显示全部楼层
毒火箭的特殊烟尘颜色



                               
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