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一次平凡的发射却上了全世界的头条,科学解读SpaceX火箭奇观形成原因

勤营销、重品牌的企业,连老天都眷顾!SpaceX就这么莫名捡了一个上全世界头条的机会。

12月23日,中美日上演航天三国演义,在三小时内各自进行了一次航天发射。

先是日本在北京时间09:26分,用H1A火箭发射了自己的一颗高精度气象观测卫星SHIKISAI,中文名“色彩”,同时还搭载了一颗名叫“燕子”的超低轨试验卫星TSUBAME。

仅仅61s后,SpaceX公司在美国加州范登堡空军基地,用猎鹰9号火箭发射了十颗“下一代铱星”通信卫星。

三个小时后,北京时间12:14,中国在酒泉卫星发射中心用长征二号丁火箭发射了陆地资源勘查卫星二号。

如此密集的发射不仅创下了人类最短航天发射间隔的记录,也让大家非常好奇——当天,有四千多人在腾讯新闻讨论,究竟为何三国都会选择在这一天密集发射卫星?

其实这一点更大程度上确实是巧合。即使是事先有所协商,通常也是把发射时间错开,而不是安排得这么接近。这三次发射的都是普通的卫星,虽然也有发射窗口要求,但其实每天都有好几次机会,不必非得要在12月23日。这不像探月或者探测火星,必须抢在一个很窄的时间窗口发射不可。

于是网友猜测,密集发射背后是不是有复杂的技术原因?其实特别简单。比如SpaceX,笔者猜就是想赶紧发完过圣诞节,顺便也给大家送一份圣诞节礼物;中国的航天人们,则是想赶紧搞定、回家过元旦,所有发射场的人都这么想的,真的,虽然是国家任务,但越来越人性化的决策层也会酌情考虑民意。这和麦克阿瑟当年说要在圣诞节前结束朝鲜战争是一个道理。重大节日对人心理状态影响很大,毕竟科学家也得过年!

临近圣诞节,SpaceX确实给大家送上了一份魔幻般色彩的礼物。猎鹰9号火箭发射时,在加州上空制造了一幅奇景。天空中忽然划过的亮光,开始时真的吓到了民众,有人还以为是UFO,据说911都被打爆——报道称有130人打了911报警。马斯克甚至开玩笑说这是来自朝鲜的核动力不明飞行物。

马斯克的推特

等大家明白过来,这不过是一次火箭发射,但是其轰动程度完全可以与不久前的美国日全食媲美,被震撼到的人们纷纷拍摄视频上传社交媒体。地球对面的中国也不例外,笔者的朋友圈瞬间就被发射时的美景刷爆。

如此奇观,真是不多见。很多朋友问我,看过很多次火箭发射了,虽然都很震撼,但怎么就从没见过这么美的发射过程呢?这些奇观背后到底是什么原理?


下面我们就试着仔细分析解读一下,因为没有SpaceX公司的第一手资料支持,以下分析均是根据公开报道所做的科学推测。

这次发射使用的火箭型号是猎鹰9号Block3型,一级火箭是2017年6月发射铱星任务后回收复用的。不过由于这个型号将被更新的Block5替代,所以SpaceX公司决定这次发射任务不再回收一级火箭。这个型号的火箭没有助推器,虽然本次要发射十颗铱星,不过这些卫星都很小(每颗860kg),而且轨道也较低,Block3足以胜任。铱星“下一代”通信卫星星座将由75颗低轨卫星组成,目前已经发射了30余颗,所以今后我们还有机会看到多次类似的发射任务。

视频第一部分是一束红色的亮光像利剑一般划过天空,而且这束光越来越亮。


一级火箭的尾焰

这其实是火箭一级火箭的尾焰。

随后,火箭快速上升,这束光的颜色也越来越淡,变成白色。


一级火箭

随后光束逐渐变细,最后消失。这其实是一级火箭的燃料逐步用尽的过程。


但不久之后,又一个亮点在前方出现,并且光束比之前粗多了。放大看,颜色略微发蓝,头部呈现出明显的锥形。这其实是第二级火箭发动机的尾焰产生的特效。


二级火箭发动机点火

此时火箭速度已经超过7000km/h,极快的火箭就像艺术家一般,用他的笔在夜空中勾画出一幅壮观又带着些许神秘感的图景,摄人心魂。这时火箭的高度超过75km。


二级火箭发动机的尾焰

那么为啥我们的长征二号、日本的H1A火箭都没这么拉风的发射图景,偏偏SpaceX的猎鹰火箭这么拽?虽然马斯克真的很会作秀,不过能够产生如此奇观,真的不是靠刷颜值或拼人品,需要天时、地利皆具备。

天时方面:

· 发射时间在傍晚,刚发射时,夕阳还在,所以印衬出一级火箭的尾焰尤其的红;

· 火箭升高后,太阳刚落山,虽然地面已经黑了,但由于火箭在高空仍能被阳光照射,再加上整个天空背景比较暗,所以从地面上看去,就愈发显得火箭的尾焰明亮。

· 为何形成壮观的梭形白色雾状体?是因为猎鹰9号火箭使用液氧、煤油作为燃料,燃烧产物是二氧化碳和水。这些水先被蒸发,扩散后又降温冷凝成小水滴,之后又被阳光照亮。这时候只要观察角度合适,就能看到如此这般,像亮剑、又像某种不可言说之物(有网友建议某杜XX品牌可以赞助一下)的景观。




之前的猎鹰9 Block3火箭发射场景


猎鹰9火箭一级的梅林发动机,一共九台


这次即将发射的猎鹰9火箭,冒出的白色气体是泄露出的少许液氧。液氧+煤油是一种很好的推进剂组合,不仅推力大,安全,也环保,中国长征五号火箭也使用了液氧+煤油方案。

地利方面:

· 加州当地天气非常晴朗,空气能见度极高,以及合适的气温。所以能够观察到火箭的时间非常长。要知道在阴天发射火箭时,火箭起飞后将很快进入云层,在尾焰的作用下,云层会整个闪亮一下,然后地面上的人们就再也看不到火箭了。

天气好,再加上上述原因,使得加州民众大饱眼福,几乎看到了火箭发射的全过程。本次一二级分离时就已经有75km高了,如果不是足够的对比度,很难想象人类可以只靠肉眼看这么远。


非常清晰的一二级分离

· 此外,猎鹰二级使用了真空版梅林发动机,加大了喷管尺寸,点火时,尾焰要更大一些。不过视频中二级火箭点火后,锥形尾焰更加粗壮的主要原因是因为,此时火箭已经飞得很高,这个高度的大气密度已经很低,所以水蒸气的扩散速度更快,因此产生的视觉效果就会更震撼。

下面这张图就是大气密度随高度变化的曲线:


这张图只画出了24km以下的情况,在24km高度,大气密度和压力就只有不到海平面的10%了。一二级分离的高度大约在81km高度,大气密度已经非常低,所以扩散速度很快,这种变化带来的视觉效应也非常显著,

· 仔细看这段的视频,还会发现一个小细节。在锥形尾焰中有一个亮点,在它的照射下,很明显有一圈一圈的烟在飘动,这又是什么?


本次一级火箭并不回收,那么一二级分离后,一级火箭应当关机了,哪里来的亮点呢?

笔者仔细分析了完整版本的高清视频。我们先看全景图,当火箭飞行到后半段,在前方竟然有一弯明月。






追踪整个过程,那个亮点并没有跟着火箭向前。连续分析火箭、月亮和亮点的位置后,笔者曾大胆猜测这会不会是月亮的影子?会不会是火箭尾焰在大气中产生了镜面效果,从而倒映出了月亮。


图中1是火箭,2是月亮,3就是那个亮点

但是通过对火箭发射程序的仔细对照,并了解到虽然这次一级火箭不回收,但仍然会执行正常回收过程的部分动作。并且与SpaceX公司火箭控制室从第二级火箭传回的遥测视频比对,确认这确实是分离后的一级火箭的反推发动机在工作而产生的亮点,在控制室也确实有“Entry Burn ”的指令发出。那些弯弯曲曲的烟圈是RCS碰口吐出来的,而亮点就是反推发动机的焰火。


二级火箭遥测图像给出的一二级分离过程


一二级分离后的二级火箭发动机


工作中的二级火箭真空型梅林发动机

这次发射更神奇的地方是,我们竟然肉眼可见被抛掉的整流罩!只能说当地天气实在太好了。


接着就是顺利的释放卫星,一切非常圆满。


释放卫星

在2017年的圣诞前夜,感谢SpaceX为全人类送上的这份美丽的礼物。并且,在不久之后的2018年1月,马斯克就要把一辆Roadster跑车送上火星轨道,让我们期待再一次被震惊吧。


下个月,Roadster跑车将被送上火星轨道!