為什么有的火箭發(fā)射冒白煙有的冒紅煙？

編者按

四月追風(fēng)，逐夢星河。4月24日是中國航天日，今年更是中國航天事業(yè)創(chuàng)建七十周年。從東方紅一號劃破天際，到空間站常駐太空，一代代航天人腳踏實地、勇敢探索，讓探索宇宙的腳步穩(wěn)步前行。本周，我們將聚焦航天主題，解鎖航天知識、回望發(fā)展征程、解讀深空探索故事，一同觸摸航天溫度，仰望浩瀚蒼穹，感受中國航天跨越七十載的堅守與成長。

每次看火箭發(fā)射直播，當(dāng)?shù)褂嫊r歸零的瞬間總讓人心潮澎湃，火箭底部噴涌出滾滾濃煙，箭體緩緩掙脫發(fā)射塔的束縛，加速沖向天際。不過細(xì)心的人可能會發(fā)現(xiàn)，不同的火箭，噴出的煙霧顏色大不一樣——有的紅棕色，有的雪白色，有的橙黃色，還有的泛著藍(lán)色。這些五顏六色的尾焰，其實是火箭在“自報家門”：它肚子里裝的是什么燃料。

長征五號B運載火箭發(fā)射

圖片來源：新華社

火箭尾焰的顏色，主要取決于發(fā)動機里燃燒的推進劑成分。推進劑由燃料和氧化劑兩部分組成，燃料負(fù)責(zé)燃燒釋放能量，氧化劑負(fù)責(zé)提供氧氣——因為太空中沒有空氣，火箭必須自己帶夠“干糧”上路。不同的燃料與氧化劑組合，燃燒后的產(chǎn)物千差萬別，也就出現(xiàn)了不同顏色的尾焰和煙霧。下面蝌蚪君將以我國長征系列火箭為例，帶大家了解火箭不同的燃料與氧化劑組合。

紅色煙霧的“老前輩”：偏二甲肼與四氧化二氮

如果看長征二號F運載火箭發(fā)射神舟飛船的畫面，會發(fā)現(xiàn)火箭點火后尾部涌出大片紅棕色煙霧，氣勢逼人。這股紅煙來自一種經(jīng)典的常溫推進劑組合：偏二甲肼作為燃料，四氧化二氮作為氧化劑。

這種組合最大的優(yōu)點是可以在常溫下穩(wěn)定儲存，不需要麻煩的低溫保溫設(shè)備，加注流程成熟可靠，技術(shù)經(jīng)過了幾十年發(fā)射任務(wù)的反復(fù)驗證，我國長征系列火箭里，長征二號各型號各級及助推器、長征三號系列各型號芯一、二級及助推器、長征四號系列各型號各級都用的是偏二甲肼加四氧化二氮的組合。四氧化二氮本身無色，但未完全反應(yīng)的四氧化二氮在常溫下容易分解出二氧化氮，而二氧化氮正是紅棕色的氣體，所以火箭發(fā)射時會看到紅棕色的煙霧。偏二甲肼與四氧化二氮一接觸就能自動著火，省去了復(fù)雜的點火裝置，這也是它在早期航天任務(wù)中被廣泛使用的原因之一。

長征二號F運載火箭發(fā)射

圖片來源：新華社

不過這種推進劑有一個明顯的短板：有毒性。無論是偏二甲肼還是四氧化二氮，對人體和環(huán)境都有一定的危害，加注時需要格外小心。而且它的燃燒產(chǎn)物中含有二氧化氮等有害氣體。隨著航天技術(shù)的進步，我國新一代火箭已經(jīng)逐步用更環(huán)保的燃料替代了它。

長征四號乙運載火箭發(fā)射

圖片來源：新華社

白煙滾滾的“綠色新秀”：液氧煤油

近幾年看長征七號發(fā)射，畫面風(fēng)格和之前看長征二號、三號、四號系列有了大的變化——紅棕色的煙霧消失了，取而代之的是鋪天蓋地的雪白色煙霧，像一大團棉花糖從發(fā)射臺底部翻滾而出。

白煙的背后是燃料的換代。長征七號是我國第一款全面采用液氧煤油推進劑的中型火箭，煤油燃燒的主要產(chǎn)物主要是二氧化碳和水蒸氣，但在高溫燃燒過程中還會生成大量熾熱的微小碳顆粒（煙炱），這些顆粒在噴流中發(fā)光，使尾焰呈現(xiàn)橙紅至黃白色。同時，尾氣中的水蒸氣在膨脹冷卻后會迅速凝結(jié)成微小水滴，對光產(chǎn)生強烈散射，從而在尾焰外圍形成白色煙霧。和偏二甲肼—四氧化二氮的組合相比，液氧煤油無毒無害，安全性大幅提高，火箭的發(fā)射準(zhǔn)備周期也大大縮短。

長征七號改運載火箭發(fā)射

圖片來源：新華社

煤油的優(yōu)勢不止環(huán)保。它來源廣泛、成本較低，而且能量密度不錯。長征七號裝備的YF-100液氧煤油發(fā)動機單臺推力可達(dá)120噸，較常規(guī)推進劑比沖提高20%，火箭起飛總推力達(dá)到730噸。此外，我國還在發(fā)展煤基航天煤油，用煤炭轉(zhuǎn)化而來的燃料替代傳統(tǒng)石油基煤油，進一步拓寬了燃料來源，單位成本降低超過50%，已經(jīng)在長征十二號等火箭上成功使用。

長征八號甲運載火箭發(fā)射

圖片來源：新華社

“冰與火”的零排放組合：液氫液氧

如果說液氧煤油已經(jīng)夠環(huán)保，那么液氫液氧則堪稱終極清潔能源。液氫作為燃料，液氧作為氧化劑，燃燒之后的產(chǎn)物只有一種——水蒸氣，連二氧化碳都沒有。而且液氫液氧的能量密度在化學(xué)推進劑中數(shù)一數(shù)二，推力強勁。

這個組合的代價是需要面對極端的低溫挑戰(zhàn)。液氫的沸點是零下253攝氏度，液氧的沸點是零下183攝氏度，箭體內(nèi)部相當(dāng)于一個巨大的“冰窖”。長征五號800多噸的總重里，90%是推進劑，其中大部分為低溫推進劑（液氫和液氧），因此得了個“冰箭”的稱號。加注時空氣中的水蒸氣遇到冰冷的箭體會凝結(jié)成白霧，還沒點火就已經(jīng)“白煙繚繞”了。

長征五號B運載火箭發(fā)射

圖片來源：新華社

點火之后，“冰箭”瞬間化身為“火球”。芯級火箭液氫液氧燃燒噴射出3000多攝氏度的高溫烈焰，尾焰呈現(xiàn)淡藍(lán)色或接近無色。長征五號采用“芯級氫氧發(fā)動機+助推器液氧煤油發(fā)動機”的組合方案，所以尾焰中心偏淡藍(lán)（甚至透明），外圍呈明亮的橙黃色。這個方案兼顧了高性能與高推力，已成為嫦娥探月、天問探火等重大深空探測任務(wù)的專屬運載工具。

固體火箭的“彩色煙花”

除了液體燃料，還有一類火箭用的是固體推進劑。固體推進劑的原理有點像超大號的煙花——燃料和氧化劑提前混合好，壓制成藥柱裝在發(fā)動機里，一點火就從頭燒到尾，結(jié)構(gòu)簡單、儲存方便。長征十一號就是長征系列中唯一一款全部使用固體燃料的運載火箭。

固體推進劑中通常會加入鋁粉等金屬添加劑來提高能量，燃燒時金屬成分生成金屬氧化物，反射光線形成明亮的火焰，不同金屬還會產(chǎn)生不同的顏色，多種顏色疊加甚至?xí)霈F(xiàn)彩色的尾煙。固體火箭的尾焰常常呈現(xiàn)橙褐色或亮白色，帶著明顯的煙塵拖尾。它們最大的特點是反應(yīng)迅速、準(zhǔn)備時間短，可以做到隨時發(fā)射，特別適合需要快速響應(yīng)的應(yīng)急發(fā)射任務(wù)。

長征十一號運載火箭發(fā)射

圖片來源：新華社

從長征二號F的紅棕色煙霧，到長征七號的黃白色煙團，再到長征五號的中心淡藍(lán)外圍橙黃烈焰，火箭尾焰顏色的變遷，正好串聯(lián)起中國航天燃料從“有毒”到“無毒”、從“高成本”到“經(jīng)濟環(huán)保”的演進之路。如今，以煤基航天煤油、液氫液氧為代表的新型推進劑正在成為主力，性能更優(yōu)的金屬基推進劑、液氧甲烷等新燃料也在緊鑼密鼓地研發(fā)和測試之中。下次看火箭發(fā)射的時候，不妨留意一下尾焰的顏色——那不僅是一道壯觀的風(fēng)景，更是一份寫在天空里的“燃料說明書”。

以下是蝌蚪君為大家總結(jié)的我國長征系列火箭全型號所用的燃料＋氧化劑組合，感興趣的朋友可以下滑繼續(xù)學(xué)習(xí)哦~

參考資料：

1.https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?ar_id=617207&business_type=100&classify=0

2.http://szb.htgjjl.com/m_htb/2024-07/20/content_56928.html

3.http://www.chinanews.com.cn/gn/2021/05-29/9488344.shtml

4.https://jonhon.china-hanghua.com/news/news_info/1000004598.html

5.https://www.kepuchina.cn/article/articleinfo?ar_id=356065&business_type=100&classify=0

6.https://jonhon.china-hanghua.com/news/news_info/1000003895.html

7.https://jonhon.china-hanghua.com/news/news_info/1000004610.html

來源：蝌蚪五線譜

編輯：測不準(zhǔn)的小陽

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