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。
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。