火箭的“麻花辮”奧秘

李欣珂 方敏 劉曉英

逐夢寰宇，問鼎蒼穹，人們對宇宙的探索從未停歇。火箭引擎被點(diǎn)燃，從黑夜與云霧中破土而出，淌游于云霄之外的場面總是充斥著力量與震撼，令人嘆為觀止。而煙塵漫漫，光影重疊之間，火箭尾部幾股明亮的“麻花辮”顯得格外搶眼，其耀眼的光芒仿佛要將黑暗撕破……這不禁讓人感到奇怪，火箭上明亮的“麻花辮”到底是什么呢？

原來，這明亮的“麻花辮”是火箭燃料燃燒形成的尾焰，當(dāng)燃料燃燒生成高溫氣體向后排出時(shí)，就會形成明亮的火焰。但為什么尾焰是一節(jié)一節(jié)的“麻花狀”呢？這是因?yàn)椋诨鸺l(fā)射速度超過音速并達(dá)到一定溫度時(shí)，其噴管口噴出的氣體的內(nèi)外壓力不同，因此產(chǎn)生了膨脹、壓縮的循環(huán)現(xiàn)象。此周期性循環(huán)現(xiàn)象形成了一種激波，在相同間隔內(nèi)，激波處的空氣會被強(qiáng)烈擠壓，導(dǎo)致溫度升高，這樣一來，原氣流中剩余的燃料會二次燃燒，顯得格外明亮。這種形似麻花辮的獨(dú)特氣流結(jié)構(gòu)，通常被科學(xué)家稱為“鉆石型激波”，也就是我們所看到的火箭明亮的“麻花辮”的由來。由于首次對此現(xiàn)象進(jìn)行研究與解釋的是捷克物理學(xué)家、心理學(xué)家和哲學(xué)家恩斯特·馬赫，因此這種一道道圓盤的現(xiàn)象一般被稱為“馬赫盤”。

那為什么火箭的“麻花辮”會有各種各樣的顏色呢？原來，即便同樣是助推劑的燃料也分為不同的種類，我們通常看到尾焰透明呈淡藍(lán)色或橙紅色的是液氫液氧燃料，尾焰根部亮而不透明、尾部呈天藍(lán)色的為液氧煤油燃料，尾焰透明成明亮藍(lán)、黃混合色的為液氧甲烷燃料，而產(chǎn)生明亮的橘黃色尾焰，并伴隨著長長的白色不透明的煙柱的則是固體火箭發(fā)動機(jī)。

那么，這么漂亮的火箭尾焰是無毒無害的嗎？有些燃料的尾焰呈天藍(lán)色或橘紅色，且燃燒時(shí)伴有大量紅煙產(chǎn)生，它就是以偏二甲肼或四氧化二氮為代表的有毒物質(zhì)燃料。這些燃料毒性極強(qiáng)，如果不小心接觸到皮膚或吸入，會對人體造成嚴(yán)重的傷害甚至危及生命，因此使用這種材料也被前蘇聯(lián)的火箭發(fā)動機(jī)專家形象地稱為“抱著老虎睡覺”。

既然這些燃料帶有劇毒，那為什么航天系統(tǒng)還要堅(jiān)持使用偏二甲肼呢？那是因?yàn)椋纂码m帶有劇毒，但在航天領(lǐng)域的使用相對安全。在航天發(fā)射時(shí)，偏二甲肼完全燃燒后可生成無毒氣體，并通過相應(yīng)的排放管道排出。此外，受限于現(xiàn)實(shí)發(fā)展條件，航天事業(yè)發(fā)展初期沒有發(fā)現(xiàn)更安全和高效的替代燃料，因此，在長征五號火箭之前，我國的載人火箭一直采用偏二甲肼作為推進(jìn)劑，并取得了一系列重大的航天成就。

講到這里，大家可能對這個(gè)火箭這個(gè)漂亮的“麻花辮”有了一定的了解，想不到美麗的背后竟然藏著這么多知識，其實(shí)關(guān)于它的秘密還有很多，需要人們未來更加用心地發(fā)現(xiàn)、仔細(xì)地探索。

李欣珂（2002—），女，漢族

單? ? 位：陸軍勤務(wù)學(xué)院

研究方向：物流管理與工程

方敏（2000—），男，漢族

單? ? 位：陸軍勤務(wù)學(xué)院

研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程

劉曉英（1985—），女，漢族

博士研究生

單? ? 位：陸軍勤務(wù)學(xué)院

職? ? 稱：副教授

研究方向：功能材料