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【求真务实、科学爱国】关于火箭、飞机发动机尾迹的【一点点科普】

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近几天航空好消息振奋人心。但在同时,又开始出现了类似之前“,31马赫遥遥领先”这样的反科学常识怪论,开始用尾迹长度评判飞机速度。
为了【求真务实、科学爱国】,我在这里对火箭、发动机尾迹做一个小小的科普。
【以下为正文】
飞机、火箭尾迹,指飞行器飞过后在空气中留下的较长时间存在的痕迹。通常网友能见到的有两类,一类是尾气凝结形成的“航迹云”,另一类则是发动机高温气流形成的明亮“尾焰”。

图1:典型航迹云
航迹云是发动机燃烧物(主要是水蒸气)在空气中遇冷凝结的产物。一般在高空低温(常年零下)环境下出现。这个高度又被称作“拉烟层”。航迹云一般长度较长。
航迹云的长度,受高空温度、湿度影响较大。良好条件下会形成经久不散的航迹云,但在温度偏高、湿度较低、成云条件不成熟情况下,航迹云会快速蒸发消散,图中这个航迹云在左侧趋于消失,就是消散现象。
航迹云右侧明亮部分属于朝霞、晚霞反光。
图2:典型尾焰
发动机尾焰则是发动机燃料在喷出喷管后继续燃烧的产物。一般长度较短。发光来自于燃烧。
图中是目前“最长的”火箭发动机尾焰。
火箭发动机为获得高比冲,就需要【在保证燃烧室室压和燃气温度的前提下】尽量获得较低的【燃烧产物(气体)平均分子质量】。因此对于液氢液氧、液氧甲烷发动机,要增加燃料比例,形成不充分燃烧,使燃气中保留大量分子质量较小的氢气和一氧化碳。星舰超重助推器的长尾焰,就是由于富燃,大量不充分燃烧生成的一氧化碳在空气中继续燃烧的结果。
如果YF215发动机采用比猛禽发动机更低的燃料混合比(氧化剂重量/燃料重量)以提升比冲,那么将来有可能看到长九出现比星舰更长的尾焰。

图3:飞机发动机尾焰
航空发动机尾焰则非常短,通常只有十米左右长度,甚至看不见尾焰。这是由于航空发动机【为获得最佳燃料利用率】,通常都处于“富氧燃烧”状态。燃气从燃烧室喷出时,已完成燃烧,不会形成尾焰(否则,如果因富燃继续燃烧,发动机涡轮叶片将有烧毁风险,这就是飞机维护中最关注的“起动喷火”故障)。
我们看到的带有“马赫环”的飞机发动机明亮尾焰,其实只在带有加力燃烧室(后燃室)的【内混式涡轮风扇发动机】和【涡轮喷气发动机】中存在。此类发动机为短时增加推力(使飞机达到超音速状态),在发动机涡轮后再次喷入燃料并点火,尾气在喷出喷口时,尚未完全燃烧,于是形成尾焰。不过要说明的是:这种未完全燃烧,仅仅只是燃烧速度低于喷气速度造成,仍然是富氧燃烧,所以尾焰长度很短。
对比图2和图3就能看出这两种燃烧的不同点。飞机发动机尾焰,没有火箭发动机尾焰【缓慢二次燃烧】形成的那种【火焰】。

图4:长征火箭的马赫环
【谈谈喷气速度】
火箭发动机中,海平面发动机扩张比通常在25-49之间。也就是喷口直径通常为【喉部】直径的5-7倍。在这个扩张比加持下,喷气速度能够达到3000m/s以上。
这里说一下为什么要讨论扩张比。因为超音速喷管属于【拉瓦尔管】,典型特征是:亚音速气流随喷管直径减小而加速,在喉部达到音速(音速与温度相关,火箭发动机喉部音速大概在1200m/s),此后随喷管扩张而加速,最终速度与喷管扩张比相关。
而飞机发动机,早期涡轮喷气发动机是在发动机喷口处达到音速(也就是喷口处为喷管最小截面)。喷气流量(推力)则靠调整喷口直径进行控制。后期涡轮风扇发动机(可能有个别涡轮喷气发动机)通过将可调收敛喷口改成“收敛扩散”式,获得超音速喷气,从而增加推力。
但由于这种喷管,要兼顾低推力状态单收敛模式和高推力状态收敛扩散模式,扩张比不高。再加上航空发动机“喉部”出现在喷管的收缩段上,此处燃气温度较低(不超过1000℃),音速也较低,因此喷气速度相对火箭发动机低得多。尾焰与空气混合消散的长度也短的多。
【总结】
综合上述论述,我们看到的高速飞机的【长长的尾焰】其实只是航空发动机的【凝迹云】。凝迹云长度、形态、持续时间与【当地】空气温度(飞行高度)、空气湿度有关。颜色(白色或明亮的橘红色)则与太阳光照条件有关。并不能反映飞机的飞行速度。


IP属地:河北来自Android客户端1楼2024-12-29 15:22回复
    正确的


    IP属地:广东来自Android客户端2楼2024-12-29 16:05
    回复
      2025-08-30 21:18:49
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      你跟他们较真就输了,那些自以为是的,你要是一反驳就给你扣上媚外的帽子


      IP属地:河南来自Android客户端3楼2024-12-29 16:10
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        顶顶


        IP属地:陕西来自Android客户端4楼2024-12-29 16:19
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          赞👍🏻


          IP属地:山西来自Android客户端5楼2024-12-29 16:23
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            谢谢科普


            IP属地:四川来自Android客户端6楼2024-12-29 16:33
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              合理的


              IP属地:河南来自Android客户端7楼2024-12-29 17:16
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                对于星舰尾焰长的观点不是很认同,极大膨胀后剩余燃料未必达到可燃临界浓度


                IP属地:广东来自Android客户端8楼2024-12-29 17:18
                收起回复
                  2025-08-30 21:12:49
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                  不开加力看不到尾焰原因是经过膨胀加速和涡轮做功之后温度降低到了一定程度看不见发光现象


                  IP属地:广东来自Android客户端9楼2024-12-29 17:22
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                    哦还有个细节啊,当时我20年7月第一次看发射时,看见长五也是有黑烟产生的,当时想的是“这都富氧了咋还有黑烟?”后来才知道其实YF100只是预燃室富氧,燃烧室还是富燃的,YF100大部分的燃料都是进入燃烧室的,少部分进入预燃室。
                    然后看星舰发射的时候尾部也拖着红烟,这是因为高温高压下附近的氮气转化成氮氧化物了


                    IP属地:陕西来自Android客户端10楼2024-12-29 18:06
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                      做个更正:帖子中富燃生成物,应该是氢气、水、一氧化碳、二氧化碳和碳单质。高温燃烧和低温燃烧有不一样的地方,反应产物比较复杂。燃烧中,氢会优先反应生成水,碳则优先反应生成二氧化碳,产生部分碳单质。一氧化碳不能说没有,但不很多。这个其实在我《液氧甲烷也是毒发》那个帖子中和吧友讨论过,我给忘了。


                      IP属地:河北来自Android客户端11楼2024-12-29 18:40
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                        支持科普


                        IP属地:重庆来自Android客户端12楼2024-12-29 18:57
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                          IP属地:广东来自Android客户端13楼2024-12-29 19:34
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                            支持正义科普


                            IP属地:江苏来自Android客户端14楼2024-12-29 21:00
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                              2025-08-30 21:06:49
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                              IP属地:新疆来自Android客户端15楼2024-12-29 21:46
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