“上周刷屏的“不明飞行物”：火箭发射时为什么有奇奇怪怪的烟云？”

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还记得上周刷屏的不明飞行物吗？ 4月27日20时40分左右，一架飞机拖着长长的航迹在华北的夜晚空画出了美丽的曲线。

图1 4.27不明飞行物的痕迹

专家称这是夜光云版本的航迹云，或称为航迹夜光云。

一些专家认为原因很可能是小型火箭(长度在2米以内)、带动力的小卫星或其他用于科学探测的小卫星。

另外，专家还指出，弹道盘旋和从西向东的飞行与地球自转相反等细节排除了卫星轨道改变的可能性，这可能是我国正在进行高超声速导弹的实验。

目前官方没有对此做出回应，但为什么专家认为晚上空的航迹是火箭造成的呢？ 火箭发射时，为什么会留下奇怪的轨迹？ 谈谈火箭的航迹吧。

图2 4.27不明飞行物的痕迹

火箭尾流:锥体本体+蛇尾

火箭尾流是指火箭推进剂燃烧后生成的高温、高速气体在尾喷管之后形成的、包括内部射流、外部射流、边界层在内的多而复杂的波系结构。 内部射流是燃料燃烧生成的高温高速的化学反应产物，外部射流是低温低速的混合气体。

图3低空火箭尾流可见光图像

火箭飞行高度低时，周围大气密集，火箭喷流和大气混合，结果反复出现膨胀后压缩、膨胀的明显的马赫板结构。 尾流的直径比较小，轴向长度有限。 低空尾流场可以用连续流的纳维尔-斯托克斯方程建模，其典型的温度云图如下

图4低空火箭尾流场温度云图(来源:作者图) ) ) ) )。

火箭飞行高度逐渐升高，周围大气逐渐变薄，火箭喷流和大气混合作用的结果是，马赫板数量逐渐减少，然后消失，喷流充分膨胀，与大气混合后形成回流区，尾流径向直径变长，轴向长度变长 高空尾流场可以用稀薄气体动力学建模，其典型的速度云图如下。

图5高空火箭尾流场速度云图(来源:作者图) ) ) ) ) ) ) )。

火箭的飞行速度超过声速时，会形成两种激波结构。 一个在弹体锥的顶部，一个在尾流的前部，最初弹体激波和尾流激波分离，飞行高度变高后，两者混合，火箭尾流场变大，形成了巨大的锥部。

图6不同高度火箭尾流的锥体主体结构

(来源:“rocketexhaustplumephenomenology”联邦快递。 西门子)

用空气体动力学成功解释了火箭尾流烟云的主体为什么是锥形结构后，烟云远端的蜿蜒尾迹是如何形成的呢？ 这是因为尾流中含有大量氧化铝粒子，这些粒径较小的粒子从喷口喷出后，在高层大气中受到的阻力比较小，这可以持续数公里。 由于平流层和中间层之间的循环气流，火箭流场的远端与空气体的混合具有很强的不稳定性，因此将航迹吹成螺旋状。

图7火箭尾流的蛇行尾部

火箭烟云:光学效应

尾流的后方也可能会大量存在各种复杂结构的烟云。 火箭发动机的类型、推进剂的种类以及飞行环境恶劣时，火箭尾流的烟云会显示出不同的尺寸和结构。

那么为什么会看到烟云呢？ 有时是五颜六色的云吗？ 其实，这种现象是火箭上升空后留下的痕迹在阳光、气流和昏暗的天空空的综合作用下产生的特殊光学效应。

图8夜间拍摄的火箭烟云

火箭尾流与大气混合时会产生强烈的辐射，但这些辐射的第一波段位于红外区域，我们眼睛看到的火箭航迹主要起因于尾流中含铝的固体推进剂燃烧生成的二氧化铝粒子散射了太阳光。

以此次不明飞行物为例，由于中国幅员辽阔，跨越4个时区，华北东部地区21时左右，新疆地区刚刚日落。 也就是说，此时的中国本土上空仍然被太阳照射着，但华北地区处于阴影区域，因此人们在夜间也能看到明亮的痕迹，其原理如下。

图10 4.27未确认飞行物体的原理示意图

如果注意者的立场好，另外注意时间是日出、日落的时候，可以看到云在高空阳光直射、散射光的相互作用下形成彩虹色五彩缤纷的云。 由于火箭尾流中的固体铝粒子和空气体中的氧混合需要满足燃烧条件，因此一般这些云不会在火箭起飞阶段出现，而是在高空大气中产生。 由于三氧化铝粒子对气体分子的惯性大，以及空大气粘性小等原因，火箭断电后这些云也经常存在，可以维持30分钟左右。

图11高空拍摄的4.27未确认飞行物体的烟雾

结语

综上所述，火箭发射时的烟云是空气体动力学和放射学相互作用的结果。 基于火箭技术的弹道导弹和高超声速技术是国家的瑰宝，随着我国在这个行业的研究，未来的发射活动将越来越多，这一系列烟云在中国的出现频率也将越来越高。

(这篇文章的照片除了注明以外都来自网络)