看尾焰，就能知道哪种推进剂更高效？

上面视频是前几天长征四号乙运载火箭点火起飞的场景，火箭尾部那浓烈的火焰格外夺目。

如果给上面视频中的尾焰拍一张清晰的照片，你可能会看到不一样的美，类似这样：

怎么能这么好看！能清晰地看到尾焰上一节一节的马赫环。（马赫环是在出口气流达到超音速时出现的现象。）

剧烈的燃烧，并非都是看起来“红红火火”的，火箭推进剂不同，燃烧后的尾焰也各不相同，哪种推进剂更高效呢？

可以借助一个专业的名词“比冲”，来衡量火箭发动机的燃烧效率。比冲，定义为单位推进剂所能提供的冲量（冲量，即动量的增量），比冲越高，等质量的推进剂就能产生更大的冲量。

比冲常见的单位是秒（s），可以理解为一公斤的推进剂持续产生一公斤的推力，能持续多少秒。

明确了衡量标准，接下来我们就来欣赏常见的几款尾焰。

这就是最开始提到的尾焰，产生这样尾焰的推进剂，是偏二甲肼-四氧化二氮组合。

而这类推进剂发动机的比冲虽然不算大，但也让人满意，比如视频中的长征四号乙运载火箭就是采用这种推进剂，起飞时第一级火箭的发动机比冲大约260s，二、三级火箭发动机的比冲最高在300s左右。

这种推进剂最大的缺点，就是偏二甲肼和四氧化二氮都有毒性，但好在都有应对策略。加上这种推进剂相对稳定、对应的点火方式也简单，所以是火箭发展早、中期最普遍的液体推进剂之一。

这款尾焰来自煤油-液氧推进剂。

火焰从黄色渐变到蓝色，随之温度也越来越高。相比上一款尾焰，火焰看起来更加不透明，因为煤油燃烧会有少量固体颗粒。

煤油-液氧是大推力火箭常用的推进剂之一，比冲高，而且实用。这类推进剂发动机的比冲，一般都在300s以上。

10月17日，宇宙神5号火箭发射升空，其中间的尾焰就是煤油-液氧推进剂所产生的。

这款尾焰来自液氢-液氧推进剂。上图是德尔塔IV型重型火箭升空的照片，它的尾焰看起来很透明。

不仅尾焰看起来透明，实际这种推进剂也很清洁，因为其燃烧反应物是水蒸气，应该是目前最清洁的火箭推进剂了。而且这类推进剂发动机比冲之高，也是数一数二的，真空比冲往往都在400s以上。

但因为有着推进剂不易储存等诸多难题，导致目前使用也不是很广。尽管如此，因为有前面提到的巨大优势，这种推进剂仍是未来发展趋势之一。

这一款尾焰来自固体推进剂。

在上图中，阿丽亚娜5号火箭尾部两边的火焰粗壮而耀眼，看着图片都觉得要睁不开眼了；相比之下，中间液体推进剂产生的尾焰真的是“小透明”了。因为固体推进剂燃烧后，在其产物中有大量的固体颗粒，所以这款尾焰会如此“不透明”。

相比于液体推进剂，固体推进剂对应的比冲都比较小。例如前面提到的宇宙神5号火箭，其助推器使用固体推进剂，比冲只有279.3s；而第一级采用煤油-液氧推进剂，比冲超过300s；第二级用液氢-液氧推进剂，比冲超过400s。

尽管比冲低，但固体推进剂便于保存，准备时间短，可以随时发射，且成本较低，成为众多火箭助推器和导弹中的推进剂。

本文最后一款尾焰来自甲烷-液氧推进剂。

火焰的温度比较高，所以呈蓝色，马赫环清晰可见。

同样是液体推进剂，放在最后是因为目前还没怎么被实际使用，不过也不会很遥远了。

SpaceX公司研发的“猛禽”发动机正是采用了甲烷-液氧推进剂，近两年的测试成绩不俗，其真空比冲将近400s，推力也强大，将成为SpaceX公司未来星际航行的选择。

正式因为甲烷-液氧发动机比冲高、推力大，运用到星际航行中也容易在太阳系其他行星补充燃料，而且也不会遇到液氢-液氧发动机那么多难题，所以近年来备受青睐。

预计10月29日，在酒泉卫星发射中心将有长征二号丙运载火箭升空，不妨到时看看火箭的尾焰是属于哪款。

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第 208 期