Domanda:
Perché le fiamme di scarico dei motori a stadio criogenico sembrano essere separate dall'ugello?
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2013-09-18 12:05:53 UTC
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source Wikipedia- shuttle main engine firing source Wikipedia -J2 engine

Perché le fiamme di scarico dei motori a stadio criogenico sembrano essere separate dall'ugello?

Nella foto in alto, l'area molto luminosa è dove c'è un'onda d'urto interna nel pennacchio, che cambia molto rapidamente le proprietà del gas (ad es. Densità), il che rende il pennacchio visibile all'occhio a un confine molto chiaro (shock) . Le risposte seguenti spiegano * perché * il pennacchio sarebbe visibile o meno per determinate proprietà del fluido.
È una buona domanda: puoi mostrare un collegamento a dove provengono le immagini? Almeno quello in alto? Grazie!
L'intensità della radiazione blu sembra scalare in modo non lineare con la pressione. L'improvviso aumento della pressione a un'onda d'urto statica aumenta la pressione in misura sufficiente per far apparire la radiazione blu. Vedi [questa risposta] (http://space.stackexchange.com/a/17115/12102) e la tesi collegata per ulteriori informazioni. Sì, in realtà si chiama "radiazione blu"!
Tre risposte:
#1
+28
TildalWave
2013-09-18 17:46:59 UTC
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Potrebbero apparire quando la fiamma si è staccata dall'ugello, ma in sostanza è solo un'illusione e la bruciatura è lì, su tutto il pennacchio dello scarico dell'ugello. Tuttavia è quasi traslucido a causa dell'elevata purezza dei propellenti criogenici e della reazione chimica che produce molecole con elevata traslucenza. La visibilità del pennacchio, a meno che tu non stia lanciando di notte, ha poco a che fare con la sua bruciatura . La brucia stessa, poiché i componenti del propellente reagiscono (combustibile con l'ossidante) sarà per lo più nello spettro non visibile con propellenti che non utilizzano additivi / impurità del carburante per spostare la radiazione termica sul visibile spettro. Hai risposto a te stesso perché la fiamma appare invisibile ad occhio nudo, ma non hai menzionato il motivo per cui sembra essere separata dall'ugello del motore, come da domanda.

Entrambe le immagini che hai allegato alla tua domanda , a giudicare dal colore del pennacchio di scarico e dalla rifrazione della luce, utilizzare LOX / LH2 o ossigeno biatomico liquido O 2 e idrogeno biatomico liquido H 2 in rapporto 1: 2 come componenti ossidanti + propellenti del carburante, producendo acqua surriscaldata ma pura H 2 O allo scarico dell'ugello, a meno che questi pennacchi non si combinino con impurità atmosferiche o propellenti , appariranno quasi traslucidi, soprattutto data la pressione che vengono espulsi dagli iniettori degli ugelli nella camera di espansione, dove si combinano. Se guardi da vicino le immagini che hai allegato, noterai comunque una tipica rifrazione della luce dell'acqua alle ringhiere della struttura di prova dietro di loro, più pronunciata nella foto in alto.

OK, quindi probabilmente ti starai chiedendo ora, che dire del nucleo più bianco del pennacchio di scarico? Questa è semplicemente un'area di pressione negativa che forma forme diverse a seconda delle dimensioni, della forma dell'ugello e, naturalmente, della velocità di iniezione del carburante. Con alcuni ugelli, gran parte di questo può essere regolato in base agli attuali requisiti di prestazioni del motore, quindi la sua posizione potrebbe variare, o potrebbe anche ripetersi più frequentemente, come ad esempio in questa immagine del il veicolo quadruplo di Armadillo Aerospace alimentato ad alcol con strisce visibili, o diamanti shock , nel pennacchio di scarico:

enter image description here

In breve, tuttavia, le aree di (contro) pressione negativa causeranno questa formazione di bande e pareti aggiuntive all'interno del pennacchio. Con molecole ad alto indice di rifrazione, la luce si diffonderà su questi bordi in uno schema a zig-zag (molto probabilmente molto più complesso con i vortici che si formano effettivamente) e bloccherà qualsiasi visione diretta dello sfondo. Per lasciare questa spiegazione piuttosto a Wikipedia sulla fisica del plume:

pennacchio del razzo varia a seconda del motore del razzo, dell'altitudine di progetto, dell'altitudine, della spinta e altri fattori.

Gli scarichi ricchi di carbonio dei carburanti cherosene sono spesso di colore arancione a causa della radiazione del corpo nero delle particelle incombuste, oltre alle bande del cigno blu. I razzi a base di perossido e i pennacchi di razzi a idrogeno contengono in gran parte vapore e sono quasi invisibili ad occhio nudo ma brillano intensamente negli ultravioletti e infrarossi. I pennacchi dei razzi solidi possono essere molto visibili poiché il propellente contiene spesso metalli come l ' alluminio elementare che brucia con una fiamma bianco-arancio e aggiunge energia al processo di combustione.

Alcuni scarichi, in particolare razzi alimentati con alcool, possono mostrare diamanti shock visibili. Questi sono dovuti a variazioni cicliche della pressione del pennacchio rispetto all'ambiente che crea onde d'urto che formano "dischi di Mach".

La forma del pennacchio varia dall'altitudine di progetto, ad alta quota tutti i razzi sono grossolanamente sottoespansi e una percentuale piuttosto piccola di gas di scarico in realtà finiscono per espandersi in avanti.

In breve, la risposta alla domanda non è esattamente nella bruciatura stessa, poiché queste bande, muri e qualsiasi altra forma quella forma all'interno del pennacchio come risultato di una contropressione lo farebbe altrettanto bene, se non ci fosse alcuna bruciatura con cui iniziare. È dovuto alla rifrazione della luce e all'alta pressione e all'elevata velocità di espulsione che formano muri che viaggiano nella direzione opposta su ciascun lato del muro (distaccata bruciatura ), oa causa dei getti che si intersecano (diamanti).

#2
+16
Thomas
2014-12-15 20:15:21 UTC
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Quello che vedi è il primo disco Mach (un'onda d'urto stazionaria), che provoca un improvviso aumento di temperatura, pressione e densità.

All'uscita dell'ugello, i gas di scarico hanno un temperatura dovuta all'elevato rapporto di espansione. Nel caso del tuo SSME, la temperatura è di circa 1200 K. Il pennacchio di fiamma di idrogeno-ossigeno non produce fuliggine e il vapore acqueo o gli altri prodotti della combustione non sono abbastanza caldi da irradiarsi nel visibile.

lo shock, la temperatura salta sopra i 3000 K, che provoca l'eccitazione termica del vapore acqueo. A volte puoi vederlo come un debole bagliore rossastro. L'origine della radiazione blu a banda larga dominante proveniente dalle fiamme di idrogeno in realtà non è chiara. Molto probabilmente, è una ricombinazione a chemiluminescenza dei radicali presenti nel pennacchio. Questo è improvvisamente aumentato durante lo shock a causa dell'elevata densità e temperatura, provocando un gran numero di collisioni molecolari.

La tua risposta racchiude in realtà molti dettagli scientifici in otto frasi e ha molto senso! Pensi di poter aggiungere un link o un riferimento per la temperatura di 1200K? O un posto dove potrei leggere di più sulla chemiluminescenza che viene improvvisamente aumentata dalla pressione?
Ho calcolato io stesso la temperatura di 1200K utilizzando la dinamica dei gas di base ei dati ufficiali per la pressione della camera, ROF, ecc. So di aver controllato i risultati complessivi rispetto ad altre fonti, ma è passato troppo tempo per ricordarmi quale.
L'impatto sulla chemiluminescenza proviene principalmente dalla densità più elevata, non dalla pressione (che è naturalmente accoppiata, però). Se sei interessato, c'è una bella tesi di dottorato su di esso;) http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:91-diss-20150720-1243479-1- 5
re: * 1200K *, OK fantastico, grazie!
Questo è affascinante! Ho chiesto di più sulla luce blu in [questa domanda] (http://space.stackexchange.com/q/16821/12102).
Grazie per il tuo contributo. In realtà penso che tu abbia la risposta "più corretta" qui. Ho usato il tuo link [in questa risposta correlata] (http://space.stackexchange.com/a/17115/12102).
#3
+13
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2013-09-18 17:35:52 UTC
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È a causa delle radiazioni del corpo nero; all'aumentare della temperatura, la lunghezza d'onda massima della luce viene spostata verso regioni ultraviolette (quasi blu) che gli esseri umani non possono vedere.

Questo articolo dice:

La fiamma di idrogeno, come la fiamma di alcol, emette poche radiazioni visibili ma emette ancora radiazioni UV.

Secondo Wikipedia:

Con aumento fornitura di ossigeno, viene prodotta meno fuliggine che irradia il corpo nero a causa di una combustione più completa e la reazione crea energia sufficiente per eccitare e ionizzare le molecole di gas nella fiamma, portando ad un aspetto blu. Lo spettro di una fiamma di butano premiscelato (combustione completa) sulla destra mostra che il colore blu nasce specificamente a causa dell'emissione di radicali molecolari eccitati nella fiamma, che emettono la maggior parte della loro luce ben al di sotto di ~ 565 nanometri nelle regioni blu e verde di lo spettro visibile.

Non sono solo razzi. I vigili del fuoco devono fare attenzione a non entrare in una fiamma di idrogeno se si trovano in una struttura che immagazzina idrogeno.
Per qualche motivo questo link [http://www.en.wikipedia.org/wiki/Flame”(http://www.en.wikipedia.org/wiki/Flame) non funziona per me. Ma se elimino il "www." che funziona per me [http://en.wikipedia.org/wiki/Flame”(http://en.wikipedia.org/wiki/Flame).
La prima frase non può essere la ragione per cui la fiamma all'inizio non emette una luce visibile significativa. Le cose che sono abbastanza calde da emettere una forte luce UV termica saranno estremamente luminose nel visibile. Quando qualcosa diventa più caldo, l'intensità a una parte di lunghezza d'onda maggiore dello spettro continua ad aumentare, poiché la potenza irradiata complessiva aumenta così rapidamente con la temperatura: $ \ sim T ^ 4 $
La prima frase di questo non è fisica corretta. È vero che gli emettitori di temperatura più alta si spostano verso lunghezze d'onda più corte (cioè UV) per l'emissione _peak_, ma l'emissione a una data lunghezza d'onda aumenta solo: man mano che aumenti la temperatura, ottieni sempre più luce rossa, è proprio quello le lunghezze d'onda più corte iniziano a salire ancora di più. Ad esempio, vedere la linea 1000 m su questa figura: https://sunearthday.gsfc.nasa.gov/2009/images/ttt65_image1.jpg


Questa domanda e risposta è stata tradotta automaticamente dalla lingua inglese. Il contenuto originale è disponibile su stackexchange, che ringraziamo per la licenza cc by-sa 3.0 con cui è distribuito.
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