是不明飞行物?不，那是人造奇观！带你认识绝美的火箭云

UFO爱好者

是不明飞行物?不，那是人造奇观！带你认识绝美的火箭云
                    我们经常能看到一些网友在网上放出一些奇怪的云彩照片，这种云彩与我们平日里所见到的云不同。它们明显具有方向性，在起初往往拖着长长的尾巴，到达一定长度时突然开始膨胀起来，顶端往往还有一个亮点向前移动。这种天象往往会被目击者称为不明飞行物，即UFO，然后引发一阵热议。


2018年6月29日“猎鹰9号”
搭载龙飞船前往国际空间站
实际上这种事情早在冷战时期就发生过很多次，这种奇异天象曾经让不少人以为是对方阵营的核导弹来袭而引发恐慌。不过熟悉天文和气象的人对此应该不会大惊小怪，因为这种天象往往都是由于火箭或者导弹发射时造成的一种人造天象——火箭云。
何谓火箭云？
2017年12月23日的圣诞节前夜，太空探索技术公司的猎鹰9号火箭搭载10颗铱星星座卫星，在美国卡纳维拉尔角太空军基地发射，由火箭造成的火箭云吓到了不少人，而当地媒体也做了报道以让大家放心。


2017年12月23日猎鹰9号火箭
在美国卡纳维拉尔角太空军基地发射


发射时形成的火箭云
我们有时抬头就能看到由飞机造成的轨迹云。它们和火箭发射时所造成的火箭云，在本质上是一样的，不过火箭云往往要比飞机的轨迹云高得多。在英文里，由火箭造成的独特天象可以被叫做space jellyfish，中文翻译过来为太空水母，因为其膨胀段与水母的外型非常相像。


2018年6月29日黎明前
从卡纳维拉尔角太空军基地
升空的“猎鹰9号”
如果从气象方面来描述，这种云则可以被称为夜光云。自然条件下，夜光云往往由直径达100纳米的微小水冰晶体组成。一般来说，夜光云存在于约76~85千米的高度，这个高度已经十分接近大气层边缘，是大气中能存在的最高的云，是属于高空卷云的一种。自然条件下往往只能在高纬度地区观测到，观测到的时机也往往是在清晨或黄昏。由于这种云彩的高度十分接近太空，如果我们视阳光作为地球这个球体的一条切线，在地面已经进入黑夜时，处于高空的夜光云在切线以外，依然能够被阳光所照耀，这时在地面上的人们就可以看见在漆黑的天空中有一朵闪耀的云彩。如果能亲眼见到，想来应该是一次人生中难得的体验。
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火箭云可以说是我们在火箭发射中非目的性地造成的一种人造天象。它在火箭的飞行过程中被创造出来，其在可视范围内都可以被人们所观察到，但是最好的观察方向是平行于火箭的发射方向。这样，就可以一睹火箭发射造成的美丽的火箭云。
说到火箭云，就需要说到目前火箭所使用的燃料。综合目前国内外的火箭，主要燃料有这几类：四氧化二氮/肼类化合物；液氧/煤油；液氧/液氢；液氧/甲烷和固体燃料。
这些燃料中，固体燃料被点燃时可以产生大量的颗粒物；其他几种燃料在燃烧过程中都可以产生大量的水蒸汽，处于高层的水蒸汽由于气温低于零度会变成冰晶，而颗粒、水蒸汽、冰晶往往是形成云层的重要因素。在火箭发射过程中，火箭不断向后排出尾气，火箭云便随之被制造出来。近年来，国内的火箭云目击事件也逐渐增多，是因为我国航天事业快速发射，火箭发射次数越来越多。
看火箭云的“门道”
火箭云的形态往往和火箭的型号和类型密切相关。比如，我国的长征五号B火箭，是一种十分独特的一级半火箭，由芯级和助推器组成，芯级一次点火可以直接将载荷送入轨道，没有其他更多的级，所以这种火箭发射产生的云便不会出现断续。不过，世界上大多数火箭都有二级或者更多的级，所以我们仍然以多数火箭可以造成的火箭云作为讨论对象。
火箭云的间断，即一二级分离时云的状态与火箭芯级点火时间有着密切关系，可以说每一种火箭所造成的云都是独一无二的。而同一种火箭造成的云，又由于其发射的轨道和当时的天气、风的强度等而变得十分多样，所以无法一概而论。总而言之，当你真的有幸看到火箭云时，还得具体情况具体分析。
太空探索技术公司的“猎鹰9号”是十分特别的可回收火箭，它的一二级分离、二级点火后，一级便会返回发射地或者回到特定的回收船上，此时甚至会有两个相反的“太空水母”同时出现的奇景。
我国在2021年12月23日发射长征七号甲火箭时，有一位飞行员（微博账号：@天边的贝洛斯）十分幸运地看到了火箭发射的过程，并且看见了非常完美的火箭云并拍了视频。为了方便，我们就以中间的间断作为间隔，分为前半段与后半段来分别进行分析。



2021年12月23日飞行员拍到的
长征七号甲火箭云
火箭云的前半段，云往往比较平直而浓密，这主要是火箭刚刚起飞时所造成的。这一阶段火箭需要尽快离开大气层，几乎与地面保持平行并不断提升自己的垂直和横向速度。如果抽象一些来看，这个过程与数学中对数函数中的lnX的第一象限图像十分相像，不过由于地面和高空往往都有风，所以前半段的云过不了多久就会被吹得像一条弯曲的细蛇，然后逐渐消失在天空中。
而在火箭云的后半段，此时火箭的助推器和芯级都与二级分离，二级点火，火箭所在的高度的大气已经十分稀薄，气压很低，这时从二级喷口喷出的尾气可以比在海平面高度的尾气的扩张范围大得多，火箭二级产生的水蒸汽在高空处凝结后因气压稀薄而扩散，其产生的火箭云也随之逐渐变得大而稀薄，像一只箭头一样直刺苍穹。这种云会一直持续到火箭完全脱离大气层。此后，火箭便不再产生可见的轨迹，向着既定轨道飞去。


长征七号甲发射时
菲律宾网友看到的景象
之后，云彩就会在风的作用下逐渐变形，成为一条弯曲的蛇形，然后逐渐在天上消失。
这就是火箭云从产生到结束的过程。
这个过程变化很快，和自然产生的夜光云一样，火箭云从产生到消失也就不过几个小时，寿命不长。
也许有些读者会注意到，有些关于火箭云的照片和视频中只有后半段。这是因为一二级分离后的火箭飞行速度已经相当快了，它在很短的时间里就飞出去很远，火箭从起飞到载荷分离所经过的距离甚至能跨越一个大陆，路过观察者头上时它已经到了后半段。
2021年12月25日，欧空局阿里安5型火箭发射詹姆斯·韦伯空间望远镜。它从南美洲的法属圭亚那库鲁起飞，在望远镜与二级分离时载荷已经跨越了大西洋和整个非洲大陆，如果此时我们站在非洲大陆的最西角上观察火箭云，那肯定就看不见早就分离的一级和助推器所造成的前半段火箭云，最多只能看见后半段。
除了火箭可以形成这种天象，和火箭亲缘关系较近的弹道导弹也能形成类似的效果，毕竟弹道导弹的飞行过程与火箭颇为相似，只不过火箭是把载荷送到太空，导弹是把载荷送到目标的头顶，它们的形成原理是一样的。
本文原标题为《人造奇观——火箭云》，载于《太空探索》杂志2022年第03期
文/汤川学
本文转载自公众号：中国航天科普
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