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关于刷爆朋友圈的SpaceX猎鹰火箭,科学家们是这么看的

摘要: 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的猎鹰火箭这么拽呢?

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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号火箭一下子发射了十颗下一代铱星通信卫星。

三个小时候后,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航天最短密集发射的间隔的记录,也让大家非常好奇,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,即使是商量,通常也都是把发射时间错开而不是搞这么接近。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,更不必非得要在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。

大家通常都会想这背后是不是有复杂的技术原因,其实有时候特别简单。比如SpaceX,我猜就是想赶紧发完过圣诞节,顺便也送给大家一份圣诞节礼物。中国是想赶紧搞定回家过元旦,所有发射场的人都这么想的,这是真的,对决策者也有影响。这和麦克阿瑟当年说要圣诞节前结束朝鲜战争也是一个道理。重大节日对人心理状态影响很大,毕竟科学家也得过年!

今天是圣诞夜,话说SpaceX确实给大家送上了一份美轮美奂的礼物。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,开始时真的吓到了大家,还以为是UFO,据说911都被打爆。马斯克甚至开玩笑说这是来自朝鲜的UFO。

马斯克的推特

等大家明白过了,这不过是一次火箭发射,很快就被可以和前不久美国日全食媲美的奇观震撼,纷纷拍摄视频发到社交媒体,地球对面的中国也不例外,笔者的朋友前瞬间就被发射时的美景刷爆。现在就给大家看看时候剪辑的发射视频。

要提醒大家的是,发射过程比较长,所以视频是人为加速了的,方便大家观看。

如此美景,真是不多见。很多朋友都问我,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?这些奇观背后到底有什么原理?

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,所以都是根据公开报道所做的科学推测。

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。

一级分离

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,颜色带着点蓝色,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的图景,摄人心魂。

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的猎鹰火箭这么拽呢?虽然马斯克真的很会作秀,不过能够产生出如此奇观,主要是天时和地利两个因素。

天时方面:

因为发射时间傍晚,刚发射时夕阳还在,所以印衬出一级火箭的尾焰尤其的红。太阳刚落山,火箭升高后,虽然地面已经黑了,但是火箭速度很快,在高空仍然有阳光能够照到,再加上整个天空背景都比较暗,所以就愈发显得火箭的尾焰很明亮。

猎鹰9号火箭使用的液氧+煤油作为燃料,燃烧产物是二氧化碳和水。

猎鹰9火箭一级和助推器的梅林发动机

猎鹰9火箭一级的梅林发动机,一共九台。

猎鹰9火箭在发射前

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。

这些水先被蒸发,然后又冷凝成小水滴,又被阳光照亮,这时候只要观察角度合适,就会产生了我们看到的亮剑一般的景观。

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。要知道有时候阴天发射火箭,一进入云层,尾焰会先把云层整个闪亮一下,然后就再看不到火箭了。

天气好,再加上背景暗,大家能够明显看到一二级分离过程。

一二级分离的明显过程

一二级分离的明显过程

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有了飞了很高,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。如果大家非常仔细的看这段的视频,会发现一个小细节。在锥形尾焰有一个亮点,在它的照射下,很明显有一圈一圈的烟在飘动,这又是什么?
仔细分析了完整版本的高清视频,竟然发现这很可能是月亮的影子。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。

仔细分析了完整版本的高清视频,竟然发现这很可能是月亮的影子。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,月亮和亮点的关系,笔者认为这确实是月亮的影子。亮点周围出现的烟圈,应该是被月亮进一步照亮的尾焰,被风吹动的效果。当然这部分还属于推测。

图中1是火箭,2是月亮,3就是那个亮点,推测应该是火箭尾焰在大气中产生了镜面效果,从而倒映出了月亮。

在2017年即将结束的这个圣诞节,感谢SpaceX给大家送上的这份美丽的的礼物。而且,在不就的一月份,马斯克要把一辆Roadster跑车送上火星轨道,让我们期待另一次惊讶吧。

下个月Roadster跑车将被送上火星轨道!

(本文摘自公众号“天仪研究院”,文/ 逝水,原标题《科学解读刷爆朋友圈的SpaceX火箭叹为观止的发射视频》)

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