為什麼登月艙起飛畫面中看不到火箭的尾焰？

作者丨飛蠓

最近有網路大V持續發布懷疑上世紀70年代阿波羅登月事件真實性的微博，這些「質疑」有一些是他自己原創的，例如「登月之前沒有進行任何實驗」，非常幼稚可笑，很容易就解釋清楚了；有些是他抄過來的，例如「登月艙起飛畫面中看不到火箭的尾焰」，這個「質疑」在維基百科中文版「阿波羅登月計劃陰謀論」詞條所列出的陳年老謠中列第10。我曾經說過，廣為流傳的那些所謂「質疑」就那麼幾條，其中有些還是值得展開科普一下的，不是為闢謠，是可以藉機把相關的一些科學知識介紹一下。這裡我們首先要談談「火」。

火是人類最早掌握的的自然力之一，至少100萬年前直立人就知道使用火。人類用火的歷史如此之久，以至於人類幼崽是動物里罕見的不怕火、喜歡玩火的種類，需要成人去教育他避開火的危害。古人視火為一種神奇的物質。在中國傳統自然哲學裡，火是五行之一，在古希臘自然哲學裡，火是四元素之一。我們一直要到18世紀才知道燃燒現象不過是一種激烈的發光發熱的氧化反應，火焰不過是燃燒時的一種現象，現在任何一個初中畢業生都知道這個知識點。更進一步的解釋是：火焰是物質燃燒造成的高溫氣體，如果溫度超過一定的限度，比如2000℃，火焰甚至是一種等離子體。

初中化學課上老師會告訴我們，酒精燈的火焰大體分三層：位於核心的焰心，由可燃燒而未燃燒的氣體組成；位於焰心之外的內焰，溫度比焰心高，因為碳粒被燒亮而呈現明亮的黃白色，是由未充分燃燒的氣體組成的，具有還原作用；位於最外層的外焰，溫度最高，由於完全燃燒而呈現淺黃或透明的藍色，是完全燃燒的氣體組成的，具有氧化作用。如果你的初中化學知識還沒還給老師，就應該還記得做實驗時應該用酒精燈外焰加熱實驗容器。外焰的邊緣通常很清晰，這是因為外焰的能量傳遞給所接觸到的空氣之後會驟降。

火焰發出的光從哪裡來呢？主要是兩個來源，一個是火焰中的原子（和基團）的核外電子受熱後處於激發態，再次回落到基態時放出各種波長的光（明線光譜），另一個是火焰中的固體顆粒受熱後發出的黑體輻射（連續光譜）。相應的，火焰的顏色也跟這兩個因素有關。首先是火焰中元素和基團的明線光譜的特徵，例如天然氣燃燒時羥基（OH）釋放的光集中在紫外波段，烴基（CH）釋放出的光集中在可見光的紫色波段，所以充分燃燒的本生燈的火焰是暗藍色，近乎無色；另一個因素是火焰中夾雜的固態顆粒的溫度，我們從日常生活經驗中能知道，隨著溫度的上升，一個熱物體的顏色會逐漸從暗紅、紅、橙過渡到黃、黃白、白和藍，不同的顏色大體上對應了物體不同的溫度，火焰溫度越高，其中夾雜的固態顆粒的溫度也越高，其顏色就更偏藍，反之亦然。

理解了這些基礎知識，我們再來看火箭發動機的尾焰。火箭發動機的原理比較簡單，燃料在燃燒室內燃燒，產生高溫高壓氣體，這些氣體通過燃燒室出口處的噴管噴出，壓力作用於燃燒室和噴管，形成一個推動火箭發動機向反方向運動的力。高溫高壓氣體離開噴管之後，就形成了所謂尾焰。

我們在觀看大型運載火箭發射現場視頻的時候，往往會被長達幾十上百米的火箭尾焰和高達200分貝的強烈噪音所震撼，而這也是我們對火箭發射的刻板印象。實際上，火箭發動機在離開地球大氣層後的尾焰呈現的是另外的狀況。這些畫面以往我們難以看到，但是隨著近10年來遙測技術的進步，越來越多的運載火箭在箭體和整流罩內安裝了工業攝像頭，能夠把監控到的畫面實時傳輸到地面，從而使我們能夠以第一視角看到火箭發動機尾焰在不同高度所呈現出的狀態。例如youtube上有一個將近5分鐘的科技視頻「Inside a Rocket From Take Off To Orbit (External Cameras) in HD」（鏈接），我們可以清楚地看到在火箭飛出濃密大氣層後，明亮的尾焰慢慢消失不見了，尾焰整體蓬開同時變得非常暗淡。為什麼？

主要原因是我們看到火箭尾焰中的明亮部分，是尾焰中的固體顆粒被加熱後形成的，與火箭尾焰溫度密切相關。火箭在地面附近工作時，由於濃密空氣的包裹，尾焰氣體擴散慢，根據理想氣體狀態方程我們可以知道，尾焰的溫度降低得也慢，尾焰中各種原因形成的固體顆粒的溫度保持的時間也比較長，但到了高空稀薄空氣地帶，由於氣壓小，尾焰氣體膨脹速度要快得多，溫度下降的速度也會快得多，那些固體顆粒的溫度相應也快速下降，這就導致尾焰中明亮的部分大大減少，只能在距離噴管很近的範圍內存在。

航天工程上把火箭在大氣層內噴出的氣流稱為尾焰，在大氣層外噴出的氣流稱為羽流。一般說來，羽流只有在被明亮光源，例如太陽，照亮的情況下才能被看到。嫦娥三號和長征三號乙運載火箭正常分離入軌後，正對著太陽，它的調姿發動機工作時噴出的羽流因為逆光而被陽光照亮，被長三乙上安裝的攝像頭拍到了，非常漂亮。

阿波羅登月艙攜帶的燃料是航空肼50，氧化劑是四氧化二氮，完全燃燒的情況下呈現透明的淡藍色。在近乎真空的月亮表面，它的火箭發動機工作時只會噴出暗淡的羽流，由於太陽光是從攝影機背後照過來的，羽流是順光，不易與背景分開，故而很難被拍到，再加上當時的攝像機解析度有限，所以看不到壯觀的火箭尾焰一點兒都不奇怪。至於留在月面上的登月艙下降級四周的所謂「 明亮火光」，顯然只是被擾動的月塵而已。

此外，如果我們檢視2013年嫦娥3號在月面登陸時的實時視頻（鏈接），也能注意到雖然它的緩衝發動機一直在工作，但我們在下降相機拍到的畫面中始終看不到「尾焰」，只有在即將著陸時發動機氣流吹動月塵我們才能意識到它的存在。倘若有別有用心的人據此說我們嫦娥三號降落視頻是攝影棚吊威亞製作的，不知道該網路大V和他的擁躉作何感想？-

-完-

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！