火箭尾焰为何是“变色龙”?

作者:梅小娟

□梅小娟

近日,美国商业空间站推力器进行地面模拟真空试车,喷射出令人心醉的蓝色尾焰。其实,由于推进剂成分、工作原理等不同,航天发动机的尾焰好像变色龙一样奇妙,我们最容易观察的火箭尾焰就是典型。

在发射时,有的火箭尾部喷吐着红色烈焰升空,有的排放白色尾焰,还有的火箭尾焰呈现蓝紫色。我们欣赏五颜六色的火箭尾焰由明亮转为艳丽之余,不禁会问:它们是如何形成的呢?

火箭尾焰源自燃料与氧化剂在发动机中的“激情碰撞”,共同演绎了一场绚丽的化学反应。其中,推进剂成分是影响火焰颜色的直接因素,不同的火箭发动机喷射的燃烧气体温度和成分各不相同,导致尾焰颜色不一样。可以说,火箭尾焰的颜色不仅反映了发动机的性能和状态,也是其设计和工作原理的直观表现。

常见的火箭发动机液体推进剂组合包括偏二甲腓加四氧化二氮、液氧煤油、液氢液氧、液氧甲烷等。其中,偏二甲腓加四氧化二氮燃烧会产生红色尾焰,主要原因是低温的四氧化二氮在常温下表现出强氧化性,分解出红棕色的二氧化氮气体。我国长三甲系列火箭起飞时,肆意喷射的红色尾焰就是燃烧顺畅的证明。

我国新一代液体燃料火箭点火时,浓厚的“白烟”往往缭绕在发射台四周。其实,所谓“白烟”大部分是水蒸气,在火箭使用无毒无污染的液氢液氧推进剂时特别明显,尽显环保高效的优势。我国还有部分新一代液体燃料火箭采用液氧煤油推进剂,燃烧会产生二氧化碳和水蒸气,而二氧化碳在高温下先是呈现黄色,随着温度越来越高,逐渐变成蓝色。

随着可回收复用火箭成为发展潮流,液氧甲烷推进剂越来越受青睐。当火箭燃烧这种推进剂起飞时,尾焰会呈现蓝、黄、紫红等混合颜色,这也是发动机工作原理和推进剂化学反应特性共同决定的。有趣的是,液氧甲烷推进剂火箭的尾焰颜色很像煤气灶火焰,因此被外界戏称为“煤气灶色”。

其实,火箭尾焰还会呈现橙褐色,往往是因为这类火箭使用固体推进剂,其中含有碳和某些金属化合物,起到瞬间增大推力的效果。