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2026年04月29日 星期三
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揭开中国火箭尾焰的色彩秘密

  每次看火箭发射直播总让人心潮澎湃。不过细心的人可能会发现,不同的火箭,喷出的烟雾颜色大不一样。火箭尾焰的颜色,主要取决于发动机里燃烧的推进剂成分。

  红色烟雾的“老前辈”:偏二甲肼与四氧化二氮

  如果看长征二号F运载火箭发射神舟飞船的画面,会发现火箭点火后尾部涌出大片红棕色烟雾,气势逼人。这股红烟来自一种经典的常温推进剂组合:偏二甲肼作为燃料,四氧化二氮作为氧化剂。

  这种组合最大的优点是可以在常温下稳定储存,不需要麻烦的低温保温设备,加注流程成熟可靠。四氧化二氮本身无色,但未完全反应的四氧化二氮在常温下容易分解出二氧化氮,而二氧化氮正是红棕色的气体,所以火箭发射时会看到红棕色的烟雾。偏二甲肼与四氧化二氮一接触就能自动着火,省去了复杂的点火装置。

  不过这种推进剂有一个明显的短板:有毒性。而且它的燃烧产物中含有二氧化氮等有害气体。随着航天技术的进步,我国新一代火箭已经逐步用更环保的燃料替代了它。

  白烟滚滚的“绿色新秀”:液氧煤油

  近几年火箭发射,红棕色的烟雾消失了,取而代之的是铺天盖地的雪白色烟雾,像一大团棉花糖从发射台底部翻滚而出。白烟的背后是燃料的换代。长征七号是我国第一款全面采用液氧煤油推进剂的中型火箭,煤油燃烧的主要产物主要是二氧化碳和水蒸气,但在高温燃烧过程中还会生成大量炽热的微小碳颗粒(烟炱),这些颗粒在喷流中发光,使尾焰呈现橙红至黄白色。同时,尾气中的水蒸气在膨胀冷却后会迅速凝结成微小水滴,对光产生强烈散射,从而在尾焰外围形成白色烟雾。液氧煤油无毒无害,安全性大幅提高,火箭的发射准备周期也大大缩短。

  煤油的优势不止环保。它来源广泛、成本较低,而且能量密度不错。长征七号装备的YF-100液氧煤油发动机单台推力可达120吨,较常规推进剂比冲提高20%,火箭起飞总推力达到730吨。此外,我国还在发展煤基航天煤油,用煤炭转化而来的燃料替代传统石油基煤油,进一步拓宽了燃料来源,单位成本降低超过50%,已经在长征十二号等火箭上成功使用。

  “冰与火”的零排放组合:液氢液氧

  如果说液氧煤油已经够环保,那么液氢液氧则堪称终极清洁能源。液氢作为燃料,液氧作为氧化剂,燃烧之后的产物只有一种——水蒸气,连二氧化碳都没有。

  这个组合的代价是需要面对极端的低温挑战。液氢的沸点是零下253摄氏度,液氧的沸点是零下183摄氏度,箭体内部相当于一个巨大的“冰窖”。长征五号800多吨的总重里,90%是推进剂,其中大部分为低温推进剂(液氢和液氧),因此得了个“冰箭”的称号。加注时空气中的水蒸气遇到冰冷的箭体会凝结成白雾,还没点火就已经“白烟缭绕”了。

  点火之后,“冰箭”瞬间化身为“火球”。芯级火箭液氢液氧燃烧喷射出3000多摄氏度的高温烈焰,尾焰呈现淡蓝色或接近无色。长征五号采用“芯级氢氧发动机+助推器液氧煤油发动机”的组合方案,所以尾焰中心偏淡蓝(甚至透明),外围呈明亮的橙黄色。

  固体火箭的“彩色烟花”

  除了液体燃料,还有一类火箭用的是固体推进剂。长征十一号就是长征系列中唯一一款全部使用固体燃料的运载火箭。

  固体推进剂中通常会加入铝粉等金属添加剂来提高能量,燃烧时金属成分生成金属氧化物,反射光线形成明亮的火焰,不同金属还会产生不同的颜色,多种颜色叠加甚至会出现彩色的尾烟。固体火箭的尾焰常常呈现橙褐色或亮白色,带着明显的烟尘拖尾。它们最大的特点是反应迅速、准备时间短,可以做到随时发射,特别适合需要快速响应的应急发射任务。

  来源:蝌蚪五线谱

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