尾焰中的“馬赫環”

杰里米·休斯　蒲澤

你觀看過火箭發射嗎？你知道火箭騰空而起后尾部噴出的明亮火焰大有學問嗎？本期，快來跟我們一起認識火箭尾焰吧！

說起尾焰，大家首先想到的肯定是超大的“火苗”。但是如果你仔細觀察這巨大的“火苗”就會發現，其實它是由一串等間距圓環構成的。人們將這種結構稱為“馬赫環”。當然，并不是在所有的尾焰中都能看到馬赫環，只有當火箭和飛機的速度超過音速且達到一定溫度時，其尾部噴出的氣體在內外壓力不一致的情況下，產生膨脹、壓縮的循環現象，我們才能看到馬赫環。

在我們看到的各種尾焰中，馬赫環總是以完美的間隔出現，但其中也存在細微的差別，因為各種發動機所采用的噴管形狀各異，而且每個引擎所選擇的燃料種類也都是不一樣的。

梅林火箭發動機一般采用液氧煤油推進劑，這種推進劑燃燒后能夠生成二氧化碳和水，所以飛機的尾焰會出現白色的羽流。此外，這種推進劑燃燒后還會產生固態碳的顆粒物，這些顆粒在燃燒時閃爍著橘色的光，形成了帶橘色光亮的尾焰。就像蠟燭燃燒時，由于碳顆粒持續燃燒，燭焰的頂端會發出橘色的光一樣。

為使推進劑燃燒后只產生微量碳顆粒，甚至不產生碳顆粒，SpaceX生產的猛禽發動機，以甲烷與氧氣的混合物為燃料，產生的尾焰主要是藍色，其中帶有淡淡的橘色光。

中國的長征二號運載火箭采用的推進劑是偏二甲肼和四氧化二氮混合物。這種推進劑與甲烷類似，只會生成極微量的碳顆粒。從尾焰的藍色程度就可以看出這種推進劑極高的燃燒效率。不過，長征二號F運載火箭所使用的推進劑燃燒后還會生成一種含氮基的物質，這種物質會發出另一頻率的光。

除了火箭，一些為了超音速飛行而開啟加力燃燒室的戰斗機也會產生馬赫環。