Warum scheinen die Abgasflammen von kryogenen Stufentriebwerken von der Düse getrennt zu sein?

Sie können erscheinen, wenn sich die Flamme von der Düse löst, aber das ist im Wesentlichen nur eine Illusion, und die Verbrennung ist da, überall in der Abgasfahne der Düse. Es ist jedoch aufgrund der hohen Reinheit der kryogenen Treibmittel und der chemischen Reaktion, die Moleküle mit hoher Lichtdurchlässigkeit erzeugt, nahezu durchscheinend. Die Sichtbarkeit der Rauchfahne hat eigentlich wenig mit ihrer Verbrennung zu tun, es sei denn, Sie starten nachts . Das Brennenselbst, da die Treibmittelkomponenten reagieren (Brennstoff mit dem Oxidationsmittel), liegt meistens im nicht sichtbaren Spektrum mit Treibmitteln, die keine Additive / Brennstoffverunreinigungen verwenden, um die Wärmestrahlung in das sichtbare Spektrum zu verschieben. Sie haben sich selbst beantwortet, warum die Flamme mit bloßem Auge unsichtbar erscheint, aber Sie haben nicht erwähnt, warum sie gemäß Ihrer Frage von der Düse des Motors getrennt zu sein scheint.

Beide Bilder, die Sie Ihrer Frage angehängt haben, verwenden nach der Farbe der Abgasfahne und der Lichtbrechung LOX / LH2 oder flüssigen zweiatomigen Sauerstoff O ₂ und flüssigen zweiatomigen Wasserstoff H ₂ im Verhältnis 1: 2 als Oxidationsmittel + Kraftstoff-Treibmittelkomponenten, die produzieren überhitztes aber reines Wasser H ₂O am Düsenauslass, und wenn sich diese Schwaden nicht mit atmosphärischen oder Treibstoffverunreinigungen verbinden, erscheinen sie nahezu durchscheinend, insbesondere angesichts des Drucks, den sie von den Düseninjektoren in die Expansionskammer ausstoßen, wo sie sich verbinden. Wenn Sie sich die beigefügten Bilder genau ansehen, bemerken Sie jedoch immer noch eine etwas typische Lichtbrechung des Wassers am dahinter liegenden Geländer der Testanlage, die auf dem oberen Foto stärker ausgeprägt ist.

OK, Sie fragen sich jetzt wahrscheinlich, was ist mit dem weißeren Kern der Abgasfahne? Das ist einfach ein Unterdruckbereich, der je nach Düsengröße, Form und natürlich der Kraftstoffeinspritzrate unterschiedliche Formen bildet. Bei einigen Düsen kann vieles davon je nach den aktuellen Leistungsanforderungen des Motors angepasst werden, sodass seine Position variieren oder sich sogar häufiger wiederholen kann, wie zum Beispiel auf diesem Bild des Quad-Fahrzeugs des mit Alkohol betriebenen Armadillo Aerospace sichtbare Streifenbildung oder Stoßdiamanten in der Abgasfahne:

Kurz gesagt, die Bereiche mit negativem (Gegen-) Druck verursachen diese Streifenbildung und zusätzliche Wände, die sich innerhalb der Wolke bilden. Bei Molekülen mit hohem Brechungsindex wird das Licht an diesen Kanten in einem Zickzackmuster gestreut (wahrscheinlich viel komplexer, da sich tatsächlich Wirbel bilden) und jede direkte Sicht auf den Hintergrund blockieren. Um diese Erklärung lieber Wikipedia zur Plume-Physik zu überlassen :

Die Raketenfahne variiert je nach Raketentriebwerk, Konstruktionshöhe, Höhe, Schub und anderen Faktoren.

Kohlenstoffreiche Abgase von Kerosinbrennstoffen sind aufgrund der Schwarzkörperstrahlung der unverbrannten Partikel zusätzlich zu den blauen Schwanenbändern oft orange gefärbt . Auf Peroxid -Oxidationsmittel basierende Raketen und Wasserstoffraketenfahnen enthalten größtenteils Dampf und sind für das bloße Auge nahezu unsichtbar, leuchten jedoch hell im ultravioletten und infraroten Bereich . Schwaden von Feststoffraketen können gut sichtbar sein, da das Treibmittel häufig Metalle wie elementares Aluminium enthält, das mit einer orange-weißen Flamme brennt und dem Verbrennungsprozess Energie hinzufügt.

Einige Abgase, insbesondere alkoholbetriebene Raketen, können sichtbare Schockdiamanten aufweisen . Diese sind auf zyklische Schwankungen des Plume-Drucks relativ zur Umgebung zurückzuführen, die Stoßwellen erzeugen, die „Mach-Scheiben“ bilden.

Die Form der Wolke variiert von der Entwurfshöhe, in großer Höhe sind alle Raketen stark unterexpandiert, und ein ziemlich kleiner Prozentsatz der Abgase breitet sich tatsächlich nach vorne aus.

Kurz gesagt, die Antwort auf die Frage liegt nicht genau in der Verbrennung selbst, da diese Bänder, Wände und alle anderen Formen, die sich als Ergebnis eines Gegendrucks innerhalb der Wolke bilden, dies genauso gut tun würden, wenn es keine gäbe zu Beginn brennen . Dies ist auf Lichtbrechung und hohen Druck, Hochgeschwindigkeitsauswurf zurückzuführen, der Wände bildet, die sich auf jeder Seite der Wand in die entgegengesetzte Richtung bewegen (abgelöste Verbrennung ), oder aufgrund der sich schneidenden Strahlen (Diamanten).

Was Sie sehen, ist die erste Mach-Scheibe (eine stehende Stoßwelle), die einen plötzlichen Anstieg von Temperatur, Druck und Dichte verursacht.

Am Düsenaustritt haben die Abgase aufgrund des hohen Expansionsverhältnisses eine vergleichsweise niedrige Temperatur. Bei Ihrem SSME beträgt die Temperatur etwa 1200 K. Die Wasserstoff-Sauerstoff-Flammenfahne rußt nicht, und der Wasserdampf oder die anderen Verbrennungsprodukte sind nicht heiß genug, um im sichtbaren Bereich zu strahlen.

Über den Schock springt die Temperatur über 3000 K, was eine thermische Anregung des Wasserdampfes bewirkt. Sie können dies manchmal als schwaches rötliches Leuchten sehen. Der Ursprung der dominanten breitbandigen blauen Strahlung von Wasserstoffflammen ist eigentlich unklar. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um eine Chemilumineszenz-Rekombination von Radikalen, die in der Wolke vorhanden sind. Diese wird aufgrund der hohen Dichte und Temperatur gegenüber dem Schock plötzlich verstärkt, was zu einer großen Anzahl von Molekülkollisionen führt.

Es liegt an der Schwarzkörperstrahlung; Mit zunehmender Temperatur wird die maximale Lichtwellenlänge in ultraviolette (nahezu blaue) Bereiche verschoben, die Menschen nicht sehen können.

Dieser Artikel sagt:

Eine Wasserstoffflamme emittiert wie eine Alkoholflamme wenig sichtbare Strahlung, emittiert jedoch UV-Strahlung.

Laut Wikipedia :

Mit zunehmender Sauerstoffzufuhr wird aufgrund einer vollständigeren Verbrennung weniger Ruß erzeugt, der den schwarzen Körper ausstrahlt, und die Reaktion erzeugt genügend Energie, um Gasmoleküle in der Flamme anzuregen und zu ionisieren, was zu einem blauen Erscheinungsbild führt. Das Spektrum einer vorgemischten (vollständige Verbrennung) Butanflamme auf der rechten Seite zeigt, dass die blaue Farbe speziell durch die Emission von angeregten Molekülradikalen in der Flamme entsteht, die den größten Teil ihres Lichts weit unter ~565 Nanometer in den blauen und grünen Bereichen emittieren das sichtbare Spektrum.