Wie sieht die Abgasfahne einer Rakete im Vakuum aus?

Leider keine birnenförmige Abgasfahne, zumindest nicht im echten Vakuum. Aber Sie könnten etwas Ähnliches wie eine glühbirnenförmige Abgasfahne in großen Höhen sehen, die die ersten Stufen erreichen, bis zu einer Höhe von etwa 135 km (die genaue Höhe hängt von der Trägerrakete und ihrem Aufstiegsprofil ab) über dem Meeresspiegel, wo es noch welche gibt. wenn auch schwacher atmosphärischer Druck, aber die erste Stufe ist bei der Trennung immer noch etwa dreimal niedriger als die Umlaufbahnhöhe der Internationalen Raumstation. Und / oder aufgrund der Geometrie mehrerer Motoren. Die erste Stufe von SpaceX Falcon 9 könnte aufgrund ihrer neun Triebwerke in Octaweb-Anordnung mit einem zentralen Triebwerk und den verbleibenden acht in einem Kreis darum herum besonders gut für eine solche Abgasfahnengeometrie geeignet sein. Sehen Sie sich dieses Video von DSCOVR an(Deep Space Climate Observatory) Start auf Falcon 9 kurz vor der Trennung der ersten Stufe:

Aber Sie haben Recht, die Ausdehnungsrate der Abgasfahne und damit ihre Geometrie sind in der Atmosphäre und im Vakuum erheblich unterschiedlich. Tatsächlich wird sich diese Geometrie sogar in der Atmosphäre mit zunehmender Höhe während des Aufstiegs der ersten Stufe und Abfall des atmosphärischen Drucks ändern;

Während des frühen Aufstiegs in einer Atmosphäre mit hoher Dichte hat die Abgasfahne, die aus der Raketentriebwerksdüse austritt, einen niedrigeren Druck als der umgebende atmosphärische Druck und komprimiert sie zu einem langen und schmalen Strahl. Aufgrund der hohen Abgasgeschwindigkeit und -temperatur interagiert es auch stark mit der umgebenden Atmosphäre und bildet dort, wo es die umgebende Luft ionisiert, eine ausgeprägte Abgasgrenzschicht. Dies bildet Schwadenwirbel, die je nach Düsenverhältnis Schockdiamanten oder Schockscheiben bilden können, wo Schwadenschichten mit erhöhtem Druck einander schneiden, und eine Kombination aus höherem und niedrigerem Schwadendruck und Dichte verleiht ihm dieses unterschiedliche Aussehen. Aber zunächst bleibt die Wolke kohärent und stromabwärts davon führt dies auch zu Kondensstreifenoder ein Kondensstreifen, da die ionisierte Luft, die sich aufgrund eines akustischen Schocks (Überschallabgasgeschwindigkeit) und eines Temperaturunterschieds bildet, mehr atmosphärische Feuchtigkeit anzieht, die bei Kontakt mit Hochtemperatur-Abgasprodukten verdampft oder sich sogar dissoziiert. Raketen, deren Hauptabgasprodukt Wasser ist (wie die STS Space Shuttle-Trägerrakete, die kryogenen flüssigen Wasserstoff und Sauerstoff oder kurz LH2/LOX verwendet hat) produzieren natürlich viel mehr Dampf. So viel Dampf, dass berichtet wurde, dass sich manchmal sogar mehrere Tage nach einem STS-Start leuchtende Nachtwolken bildeten .

Kurz darauf, wenn das Fahrzeug an Geschwindigkeit und Höhe zunimmt, beginnt der atmosphärische Druck zu fallen und die Abgasfahne der Triebwerke der ersten Stufe beginnt sich auszudehnen. An einem bestimmten Punkt ist der atmosphärische Druck genau gleich dem Abgasdruck und die Abgasfahne ist genau so breit wie die Düse des Raketentriebwerks. Dies ist die sogenannte optimale Höhe , oder wo Triebwerke der ersten Stufe den höchsten höchsten Schubkoeffizienten erreichen. Wenn die Rakete höher steigt, fällt der Umgebungsdruck noch weiter ab, entspricht nicht dem Abgasdruck und die Abgasfahne beginnt sich über das Düsenverhältnis auszudehnen:

      ^{Wolke (a) Überdehnung, (b) Idealdehnung und (c) Unterdehnung in einer Glockendüse während des Fluges. Kredit: Rocketdyne, 1999}

Wie stark sich die Wolke ausdehnt, hängt also von der Druckdifferenz zwischen den Abgasprodukten und ihrer Umgebung ab. Im Vakuum jedoch, wo atmosphärischer Druck nicht vorhanden oder nahezu nicht vorhanden ist, wie z. B. nahezu Vakuum in LEO-Höhen (Low Earth Orbit), wo die Luftdichte so gering ist, dass sie sich nicht einmal mehr als ideales Gas verhält, gibt es nichts in der Umgebung zu Abgasfahne nicht mehr begrenzen. Es dehnt sich viel schneller aus und verliert ohne Pinch -Effekt an Dichte und auch die Grenzschicht bildet sich nicht aus.

Es sieht ein bisschen aus wie ein weit geöffnetes Reflektorlicht, das in ansonsten völliger Dunkelheit durch eine leicht feuchte Luft scheint. Je nach verwendetem Treibmittel können schwerere Abgasprodukte etwas besser sichtbar sein als leichtere, da sie länger eine höhere Temperatur behalten, ohne sie an Strahlung zu verlieren, und somit länger durch Schwarzkörperstrahlung mehr Licht erzeugen . Und aus dem gleichen Grund kann es zu einer leichten Verdunstung / Ablation von Düsenmaterialien kommen, wodurch eine orangere Abgasschicht in der Nähe der Düse entsteht. Aber da obere Stufen so leichte Abgasprodukte wie möglich verwenden (sie erreichen eine höhere Abgasgeschwindigkeit, die aufgrund der Natur der kinetischen Energie wichtiger ist als ihre Masse $\begin{smallmatrix} \frac{1}{2}mv^2 \end{smallmatrix}$mit der Quadratwurzel der Geschwindigkeit ansteigend) und eine höhere Raketengeschwindigkeit zusätzlich die Abgasdichte reduziert, wird die Sichtbarkeit der Abgasfahnen der oberen Stufen in der Tat nicht gut sein.

Für ein bisschen mehr über die Abgasfahnenphysik sowohl auf Meereshöhe als auch in großen Höhen empfehle ich den Artikel von Col. Michael Heil über Raketentests im AEDC (Arnold Engineering Development Complex), der zusätzliche Bilder und viel bessere Erklärungen als meine enthält.

Sie sehen so aus :) Hier ist ein Bild von 3 Raketentriebwerken, die gleichzeitig auf den Orbiter feuern. (nach oben, rechts und hinten schießende RCS-Jets)

Nota bene: Das rechtwinklige Objekt direkt über dem nach rechts schießenden Strahl ist eine Reflexion im Fenster, durch das das Bild aufgenommen wird.

Seit diese Frage gestellt wurde, wurden viele Abgasfahnen vom Boden aus gefilmt, die einen schönen Eindruck vom langfristigen Ausdehnungsverhalten vermitteln.

Also, nein, ich würde es nicht kugelförmig nennen, aber ja, der Auspuff dehnt sich im Vakuum aus. Es ist am deutlichsten sichtbar, wenn der Start kurz nach Sonnenuntergang oder kurz vor Sonnenaufgang stattfindet, wenn der Himmel größtenteils dunkel ist, während die Wolke vom Sonnenlicht beleuchtet wird.