Почему пламя выхлопных газов двигателей криогенной ступени кажется отделенным от сопла?

Они могут появиться, когда пламя отрывается от сопла, но это, по сути, просто иллюзия, и ожог присутствует по всему шлейфу выхлопа сопла. Однако он почти прозрачен из-за высокой чистоты криогенного топлива и в результате химической реакции, в результате которой образуются молекулы с высокой прозрачностью. Видимость шлейфа, если только вы не запускаете его ночью, на самом деле имеет мало общего с его горением . Ожог _само по себе, поскольку компоненты топлива реагируют (топливо с окислителем), будет в основном в невидимом спектре с топливом, в котором не используются добавки / топливные примеси для смещения теплового излучения в видимый спектр. Вы сами ответили, почему пламя кажется невидимым невооруженным глазом, но вы не упомянули, почему оно кажется отделенным от сопла двигателя, согласно вашему вопросу.

Оба изображения, которые вы приложили к своему вопросу, судя по цвету выхлопного шлейфа и преломлению света , используют LOX/LH2 или жидкий двухатомный кислород O ₂ и жидкий двухатомный водород H ₂ в соотношении 1: 2 в качестве компонентов окислителя + топлива, производя перегретая, но чистая вода H ₂O на выходе из сопла, и если эти шлейфы не соединятся с атмосферными или топливными примесями, они будут казаться почти прозрачными, особенно с учетом давления, под которым они выбрасываются из форсунок сопла в расширительную камеру, где они объединяются. Если вы внимательно посмотрите на изображения, которые вы приложили, вы все же заметите несколько типичное преломление света в воде на перилах испытательного стенда за ними, более выраженное на верхней фотографии.

Итак, теперь вы, вероятно, спрашиваете себя, а как насчет более белого ядра выхлопного шлейфа? Это просто область отрицательного давления, которая принимает различные формы в зависимости от размера сопла, формы и, конечно, скорости впрыска топлива. С некоторыми форсунками многое из этого можно отрегулировать в зависимости от текущих требований к производительности двигателя, поэтому его положение может меняться или даже повторяться чаще, как, например, на этом изображении квадроцикла Armadillo Aerospace, работающего на спиртовом топливе . видимые полосы или ударные алмазы в выхлопном шлейфе:

Короче говоря, области отрицательного (противодавления) будут вызывать образование полос и дополнительных стенок внутри шлейфа. При высоком показателе преломления молекул свет будет рассеиваться на этих краях по зигзагообразной схеме (более вероятно, гораздо более сложной с фактически формирующимся вихрем) и блокировать любой прямой обзор фона. Лучше оставить это объяснение Википедии по физике плюмов :

Ракетный шлейф варьируется в зависимости от ракетного двигателя, расчетной высоты, высоты полета, тяги и других факторов.

Богатые углеродом выхлопы от керосинового топлива часто имеют оранжевый цвет из-за излучения черного тела несгоревших частиц, в дополнение к синим полосам Лебедя . Ракеты на основе пероксидного окислителя и шлейфы водородных ракет содержат в основном пар и почти невидимы невооруженным глазом, но ярко светятся в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазоне . Шлейфы от твердотопливных ракет могут быть хорошо видны, поскольку топливо часто содержит металлы, такие как элементарный алюминий , который горит оранжево-белым пламенем и добавляет энергии в процесс сгорания.

Некоторые выхлопные газы, особенно ракеты на спиртовом топливе, могут иметь видимые ударные алмазы . Это связано с циклическими изменениями давления в шлейфе относительно окружающей среды, создающими ударные волны, которые образуют «диски Маха».

Форма шлейфа зависит от расчетной высоты, на большой высоте все ракеты сильно недорасширяются, и довольно небольшой процент выхлопных газов фактически расширяется вперед.

Короче говоря, ответ на вопрос не совсем в самом горении , так как эти полосы, стенки и любые другие формы, образующиеся внутри шлейфа в результате противодавления, сделали бы это точно так же, если бы не было никакого сжечь для начала. Это происходит из-за преломления света и высокого давления, высокоскоростного выброса, образующего стены, движущиеся в противоположном направлении с каждой стороны стены (отдельный ожог ), или из-за пересекающихся струй (ромбы).

То, что вы видите, — это первый диск Маха (стоячая ударная волна), который вызывает внезапное повышение температуры, давления и плотности.

На выходе из сопла выхлопные газы имеют сравнительно низкую температуру из-за высокой степени расширения. В случае вашего ССМЭ температура составляет около 1200 К. Шлейф водородно-кислородного пламени не коптит, а водяной пар или другие продукты горения недостаточно горячи, чтобы светиться в видимом диапазоне.

Над скачком происходит скачок температуры выше 3000 К, что вызывает термическое возбуждение водяного пара. Иногда вы можете видеть это как слабое красноватое свечение. Происхождение преобладающего широкополосного синего излучения водородного пламени на самом деле неясно. Скорее всего, это хемилюминесцентная рекомбинация радикалов, присутствующих в плюме. Это внезапно усиливается по сравнению с ударом из-за высокой плотности и температуры, вызывая большое количество молекулярных столкновений.

Это из-за излучения черного тела; по мере повышения температуры максимальная длина волны света смещается в ультрафиолетовую (близкую к синей) область, которую люди не видят.

В этой статье говорится:

Водородное пламя, как и пламя спирта, испускает мало видимого излучения, но все же излучает УФ-излучение.

Согласно Википедии :

С увеличением подачи кислорода образуется меньше сажи, излучающей черное тело, из-за более полного сгорания, и реакция создает достаточно энергии для возбуждения и ионизации молекул газа в пламени, что приводит к появлению синего цвета. Спектр пламени предварительно перемешанного (полного сгорания) бутана справа показывает, что синий цвет возникает именно из-за излучения возбужденных молекулярных радикалов в пламени, которые излучают большую часть своего света значительно ниже ~ 565 нанометров в синей и зеленой областях. видимый спектр.