为什么登月舱起飞画面中看不到火箭的尾焰?

飞蠓 2020-01-1001:22:23 评论 3,814 views

阿波罗登月系列

为什么登月舱起飞画面中看不到火箭的尾焰?

编者注:近日,长征五号成功上天,让国人倍感骄傲。通过全程直播画面,我们可看到随着火箭升空,火箭尾焰的明显变化。

长征五号成功上天视频

最近有网络大V持续发布怀疑上世纪70年代阿波罗登月事件真实性的微博,这些“质疑”有一些是他自己原创的,例如“登月之前没有进行任何实验”,非常幼稚可笑,很容易就解释清楚了;有些是他抄过来的,例如“登月舱起飞画面中看不到火箭的尾焰”,这个“质疑”在维基百科中文版“阿波罗登月计划阴谋论”词条所列出的陈年老谣中列第10。我曾经说过,广为流传的那些所谓“质疑”就那么几条,其中有些还是值得展开科普一下的,不是为辟谣,是可以借机把相关的一些科学知识介绍一下。这里我们首先要谈谈“火”。

火是人类最早掌握的的自然力之一,至少100万年前直立人就知道使用火。人类用火的历史如此之久,以至于人类幼崽是动物里罕见的不怕火、喜欢玩火的种类,需要成人去教育他避开火的危害。古人视火为一种神奇的物质。在中国传统自然哲学里,火是五行之一,在古希腊自然哲学里,火是四元素之一。我们一直要到18世纪才知道燃烧现象不过是一种激烈的发光发热的氧化反应,火焰不过是燃烧时的一种现象,现在任何一个初中毕业生都知道这个知识点。更进一步的解释是:火焰是物质燃烧造成的高温气体,如果温度超过一定的限度,比如2000℃,火焰甚至是一种等离子体。

初中化学课上老师会告诉我们,酒精灯的火焰大体分三层:位于核心的焰心,由可燃烧而未燃烧的气体组成;位于焰心之外的内焰,温度比焰心高,因为碳粒被烧亮而呈现明亮的黄白色,是由未充分燃烧的气体组成的,具有还原作用;位于最外层的外焰,温度最高,由于完全燃烧而呈现浅黄或透明的蓝色,是完全燃烧的气体组成的,具有氧化作用。如果你的初中化学知识还没还给老师,就应该还记得做实验时应该用酒精灯外焰加热实验容器。外焰的边缘通常很清晰,这是因为外焰的能量传递给所接触到的空气之后会骤降。

为什么登月舱起飞画面中看不到火箭的尾焰?

酒精灯火焰结构,图据网络

火焰发出的光从哪里来呢?主要是两个来源,一个是火焰中的原子(和基团)的核外电子受热后处于激发态,再次回落到基态时放出各种波长的光(明线光谱),另一个是火焰中的固体颗粒受热后发出的黑体辐射(连续光谱)。相应的,火焰的颜色也跟这两个因素有关。首先是火焰中元素和基团的明线光谱的特征,例如天然气燃烧时羟基(OH)释放的光集中在紫外波段,烃基(CH)释放出的光集中在可见光的紫色波段,所以充分燃烧的本生灯的火焰是暗蓝色,近乎无色;另一个因素是火焰中夹杂的固态颗粒的温度,我们从日常生活经验中能知道,随着温度的上升,一个热物体的颜色会逐渐从暗红、红、橙过渡到黄、黄白、白和蓝,不同的颜色大体上对应了物体不同的温度,火焰温度越高,其中夹杂的固态颗粒的温度也越高,其颜色就更偏蓝,反之亦然。

理解了这些基础知识,我们再来看火箭发动机的尾焰。火箭发动机的原理比较简单,燃料在燃烧室内燃烧,产生高温高压气体,这些气体通过燃烧室出口处的喷管喷出,压力作用于燃烧室和喷管,形成一个推动火箭发动机向反方向运动的力。高温高压气体离开喷管之后,就形成了所谓尾焰。

为什么登月舱起飞画面中看不到火箭的尾焰?

火箭发动机原理示意图,据维基百科

我们在观看大型运载火箭发射现场视频的时候,往往会被长达几十上百米的火箭尾焰和高达200分贝的强烈噪音所震撼,而这也是我们对火箭发射的刻板印象。实际上,火箭发动机在离开地球大气层后的尾焰呈现的是另外的状况。这些画面以往我们难以看到,但是随着近10年来遥测技术的进步,越来越多的运载火箭在箭体和整流罩内安装了工业摄像头,能够把监控到的画面实时传输到地面,从而使我们能够以第一视角看到火箭发动机尾焰在不同高度所呈现出的状态。例如youtube上有一个将近5分钟的科技视频“Inside a Rocket From Take Off To Orbit (External Cameras) in HD”,我们可以清楚地看到在火箭飞出浓密大气层后,明亮的尾焰慢慢消失不见了,尾焰整体蓬开同时变得非常暗淡。为什么?

Inside a Rocket From Take Off To Orbit (External Cameras) in HD

主要原因是我们看到火箭尾焰中的明亮部分,是尾焰中的固体颗粒被加热后形成的,与火箭尾焰温度密切相关。火箭在地面附近工作时,由于浓密空气的包裹,尾焰气体扩散慢,根据理想气体状态方程我们可以知道,尾焰的温度降低得也慢,尾焰中各种原因形成的固体颗粒的温度保持的时间也比较长,但到了高空稀薄空气地带,由于气压小,尾焰气体膨胀速度要快得多,温度下降的速度也会快得多,那些固体颗粒的温度相应也快速下降,这就导致尾焰中明亮的部分大大减少,只能在距离喷管很近的范围内存在。

为什么登月舱起飞画面中看不到火箭的尾焰?

羽流,2010年4月宇宙神5号发射X37B时所摄(此时未完全脱离大气层,还能看到一点尾焰)

航天工程上把火箭在大气层内喷出的气流称为尾焰,在大气层外喷出的气流称为羽流。一般说来,羽流只有在被明亮光源,例如太阳,照亮的情况下才能被看到。嫦娥三号和长征三号乙运载火箭正常分离入轨后,正对着太阳,它的调姿发动机工作时喷出的羽流因为逆光而被阳光照亮,被长三乙上安装的摄像头拍到了,非常漂亮。

阿波罗登月舱携带的燃料是航空肼50,氧化剂是四氧化二氮,完全燃烧的情况下呈现透明的淡蓝色。在近乎真空的月亮表面,它的火箭发动机工作时只会喷出暗淡的羽流,由于太阳光是从摄影机背后照过来的,羽流是顺光,不易与背景分开,故而很难被拍到,再加上当时的摄像机分辨率有限,所以看不到壮观的火箭尾焰一点儿都不奇怪。至于留在月面上的登月舱下降级四周的所谓“ 明亮火光”,显然只是被扰动的月尘而已。

2013年嫦娥3号在月面登陆视频

此外,如果我们检视2013年嫦娥3号在月面登陆时的实时视频,也能注意到虽然它的缓冲发动机一直在工作,但我们在下降相机拍到的画面中始终看不到“尾焰”,只有在即将着陆时发动机气流吹动月尘我们才能意识到它的存在。倘若有别有用心的人据此说我们嫦娥三号降落视频是摄影棚吊威亚制作的,不知道该网络大V和他的拥趸作何感想?

(完)​​​​

飞蠓

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