В чем причина синего свечения ракетных двигателей LH2/LOX?

Ниже приведены несколько снимков экрана с видеороликов о запуске (или повторном запуске) примерно в июне 2016 года от Blue Origin ( ссылка на видео ) и SpaceX ( ссылка на видео ). Новый Шепард горит ЧАС 2 / О 2 , в то время как Falcon 9 сжигает керосин/ О 2 .

Я считаю, что по крайней мере часть интенсивного белого/желтого света от керосина/ О 2 Выхлоп происходит от теплового излучения углеродных частиц (сажи), аналогичного излучению бело-желтой части пламени свечи. Люминесценция очень мала ЧАС 2 / О 2 выхлоп.

Первое изображение в вопросе Почему пламя выхлопных газов двигателей криогенной ступени кажется отделенным от сопла? довольно поразительно, показывая очень внезапное появление яркого света, когда выхлоп сжимается статической ударной волной. предположительно это ЧАС 2 / О 2 но я не мог видеть ссылку или цитату для изображения.

Слева (внизу) Хотя пламя свечи также излучает синий свет — говорят, что это в основном излучение полосы Лебедя — колебательные переходы в молекулярном углероде как С 2 . Они не встречаются в ЧАС 2 / О 2 горение. Вы также можете увидеть эмиссию полосы Лебедя, стимулированную солнечным излучением, в молекулярном углероде комет - вот комета C/2014 Q2 (Lovejoy) (большой размер доступен здесь ).

Справа (внизу) Изображение тестового запуска главного двигателя космического корабля "Шаттл" отсюда (большой размер доступен здесь ). Обратите внимание на внезапное появление яркого света, когда выхлоп достигает ударной волны в нижней части изображения.

введите описание изображения здесь введите описание изображения здесь

Ответ , который я нашел наиболее полезным, обсуждает ударную волну и синее излучение от ЧАС 2 / О 2 выхлоп. Итак, я вернулся к видео запуска New Shepard и, конечно же, вы можете увидеть что-то похожее на синий свет из сопла, если смотреть снизу.

Что на самом деле производит этот синий свет? Это ЧАС 2 О эмиссия, ОЙ эмиссия или что-то другое? И почему он появляется только при более высоких плотностях?

примечание: см. О 2 пламя горит в ЧАС 2 и оптимизация соотношения компонентов смеси .

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

введите описание изображения здесь

Я подозреваю, что эта статья ответит на ваш вопрос, но я не плачу 36 долларов за ее чтение. sciencedirect.com/science/article/pii/…
@RussellBorogove Просто прочитал реферат, это кажется действительно интересным. Часть о том, что излучение континуума сильно нелинейно в зависимости от температуры, может также объяснить внезапное начало интенсивного излучения на границе ударной волны на этом изображении из этого вопроса - все еще любопытно, что это за двигатель. Если кто-то может получить эту статью или препринт, проверьте ее и посмотрите, сможете ли вы опубликовать ответ!
@RussellBorogove Есть https://en.wikipedia.org/wiki/ICanHazPDF . Я сам не твиттер, но это полезно знать. Также см. объяснение на BBC .
@RussellBorogove Эта статья журнала Science также имеет отношение к этой проблеме: sciencemag.org/news/2016/04/…
Я почти уверен, что на фото RS-25/SSME. Ребристость отличительная.
@RussellBorogove - о, это! https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Shuttle_Main_Engine_Test_Firing.jpg Я должен был подумать о поиске изображений раньше. Верно.
@RussellBorogove Я просмотрел документ Шефера 2009 года, на самом деле там не так много помощи. Там данные в основном представляют собой континуум, а «спектральные особенности» на самом деле не различимы, и никакие механизмы не могут быть четко идентифицированы. Я не уверен, что маленькое пламя в лаборатории вообще является репрезентативным для ракетного выхлопа — давление, температура, промежуточные продукты реакции и т. д. Но сходить в библиотеку всегда весело!

Ответы (1)

Как отметил @Thomas, этот хороший тезис « Излучение водородно-кислородного пламени высокого давления и его использование при оценке нестабильности горения ракеты» - докторская диссертация, Фиала, Т., 2015, обсуждает это явление. Термин синее излучение предлагается как лучший из доступных.

Хотя есть несколько узких спектральных линий в ближнем УФ (около 310 нм) из-за эксимерного гидроксильного радикала ОЙ * , синий свет в видимой части спектра кажется широким неразрешенным континуумом.

На рис. 5.2 из Fiala 2015 показаны спектры низкого разрешения от ЧАС 2 / О 2 пламя при разном давлении. Нелинейность зависимости интенсивности от давления можно увидеть в существенном скачке интенсивности около 450 нм при увеличении давления с 21 до 30 бар («атмосфер»). Это может быть то же самое начало, которое вызывает внезапное появление синего излучения под двигателем на изображениях тестовых стрельб в вопросе, где первая ударная волна создает объем внезапного высокого давления.

введите описание изображения здесь

В разделе 5.3. Исследование происхождения синего излучения представлены и обсуждены два наиболее похожих источника синей хемилюминесценции :

Синее излучение

Путем пространственной визуализации люминесценции при различных давлениях в сочетании с численным моделированием кинетики и эволюции процессов в пламени Fiala 2015 приходит к выводу, что только вторая реакция (5.2), приводящая к возникновению хемилюминесценции из эксимерных ЧАС 2 О 2 * согласуется со всеми современными экспериментальными результатами.


Спейс шаттл обеспечивает хорошее контрастное изображение как интенсивного желтого света, предположительно от некоторой комбинации сажи излучения черного тела и продуктов реакции алюминия в выхлопных газах SRB, так и синего излучения водоподобных выхлопов основных двигателей шаттла LH2/LOX. . Отчетливо видны ярко выраженная первая статическая ударная волна, за которой следуют ударно-ромбовидные повторы внизу.

введите описание изображения здесьвверху: STS-123 (NASA) отсюда - кадрированный. Вертикальная белая полоса под шаттлом, возможно, представляет собой противомолниеотводную мачту, а не выхлопной шлейф. Также видны растяжки.

Я думал, что основным топливом в SRB является алюминий, создающий много частиц оксида алюминия, из-за чего исходил яркий белый свет. Неправильно?
Я понимаю, что основное внимание в вопросе ОП относится к синему свету от SSME, но в своем ответе вы указали на контраст со светом, излучаемым выхлопом SRB, заявив, что он основан на углероде, что я не считаю полностью истинный. Если вы сравните шлейф выхлопных газов SRB с шлейфом ракеты-носителя RP-1/LOX, скажем, Falcon 9 или Saturn V, топливо на основе углерода дает заметно желтый шлейф, тогда как шлейф SRB ярко-белый, как я понял. быть из (в основном) алюминиевого топлива.
@AnthonyX О! Этому почти два года, и я пропустил тот факт, что ответил на свой собственный вопрос (думал, что это был один из моих первых, очень длинных вопросов), извините за это! Хорошо, я сейчас поправлю формулировку и посмотрю, что я могу сделать, чтобы узнать больше о цвете. Спасибо, что обратили на это мое внимание! Я подумал, что может быть что-то, на что я мог бы сослаться на вопрос , как ранжируются комбинации ракетного топлива с точки зрения «яркости»? но я пока не вижу там ничего убедительного.
Этот ответ может быть неправильным. На фото в этом ответе хорошо видно, что яркая часть находится значительно выше первого ударного диска (диска Маха). Пожалуйста, обратитесь к моим комментариям к ответу @TildalWave на вопрос space.stackexchange.com/questions/2017/…
@verdelite: интересное замечание. Пожалуйста, взгляните на эту картинку: пояснение от aerospaceweb.org: Яркая часть — это диск Маха. Оранжевая зона относится к крайней зоне течения, которая имеет менее крутой угол, чем наклонный скачок уплотнения. Причиной свечения оранжевого цвета является сжигание H2 окружающим воздухом, увлекаемым в поток. Они вызывают связанные с азотом выбросы, описанные Гейдоном (мне пришлось бы перечитать эту замечательную книгу, чтобы дать лучшее объяснение). aerospaceweb.org/question/propulsion/shock-diamonds/…
@ Томас Спасибо. Я думал, что диск Маха был расположен в области «шейки», где диаметр выхлопа был минимальным. Кажется, это не так.
@verdelite как вы думаете, скоро появится еще один пост с ответами? Этот ответ предлагает «хемилюминесценцию эксимерных ЧАС 2 О 2 * " в качестве источника синего света, показанного на изображениях в вопросе. В этих местах я не вижу, как атмосферный азот полностью попадает в центр выхлопной трубы. Объясняется ли это в вашем источнике (источниках)?