¿Por qué las llamas de escape de los motores de etapa criogénica parecen estar separadas de la boquilla?

Pueden aparecer cuando la llama se separa de la boquilla, pero en esencia eso es simplemente una ilusión y la quemadura está ahí, en todo el penacho de escape de la boquilla. Sin embargo, es casi translúcido debido a la alta pureza de los propulsores criogénicos y por la reacción química que produce moléculas que tienen una alta translucidez. La visibilidad del penacho, a menos que esté lanzando de noche, en realidad tiene poco que ver con su quema . la quemaduraen sí mismo, a medida que los componentes propulsores reaccionan (combustible con el oxidante) estarán principalmente en el espectro no visible con propulsores que no usan aditivos / impurezas de combustible para cambiar la radiación de calor al espectro visible. Usted mismo se ha respondido por qué la llama parece invisible a simple vista, pero no mencionó por qué parece estar separada de la boquilla del motor, según su pregunta.

Ambas imágenes que adjuntó a su pregunta, a juzgar por el color de la columna de escape y la refracción de la luz , usan LOX / LH2 u oxígeno diatómico líquido O ₂ e hidrógeno diatómico líquido H ₂ en una proporción de 1: 2 como oxidante + componentes propulsores de combustible, produciendo agua sobrecalentada pero pura H ₂O en el escape de la boquilla, y a menos que estos penachos se combinen con impurezas atmosféricas o propulsoras, aparecerán casi translúcidos, especialmente dada la presión que expulsan de los inyectores de la boquilla hacia la cámara de expansión, donde se combinan. Si observa detenidamente las imágenes que adjuntó, aún notará una refracción de la luz algo típica del agua en las barandillas de las instalaciones de prueba detrás de ellas, más pronunciada en la fotografía superior.

Bien, entonces probablemente te estés preguntando ahora, ¿qué pasa con el núcleo más blanco de la columna de escape? Esa es simplemente un área de presión negativa que forma diferentes formas según el tamaño de la boquilla, la forma y, por supuesto, la tasa de inyección de combustible. Con algunas boquillas , gran parte de esto se puede ajustar según los requisitos de rendimiento actuales del motor, por lo que su posición puede variar, o incluso puede repetirse con más frecuencia, como por ejemplo en esta imagen del vehículo cuádruple de Armadillo Aerospace alimentado con alcohol que muestra bandas visibles, o diamantes de choque , en el penacho de escape:

Sin embargo, en resumen, las áreas de (contra) presión negativa causarán este bandeado y la formación de paredes adicionales dentro de la pluma. Con moléculas de alto índice de refracción, la luz se dispersará en estos bordes en un patrón en zigzag (lo más probable es que sea mucho más complejo con vórtices que se forman en realidad) y bloqueará cualquier vista directa del fondo. Prefiero dejar esta explicación a Wikipedia sobre la física de Plume :

El penacho del cohete varía según el motor del cohete, la altitud de diseño, la altitud, el empuje y otros factores.

Los gases de escape ricos en carbono de los combustibles de queroseno suelen ser de color naranja debido a la radiación de cuerpo negro de las partículas no quemadas, además de las bandas de cisne azules . Los cohetes a base de oxidante de peróxido y las columnas de cohetes de hidrógeno contienen en gran parte vapor y son casi invisibles a simple vista, pero brillan intensamente en el ultravioleta y el infrarrojo . Las columnas de humo de los cohetes sólidos pueden ser muy visibles, ya que el propulsor suele contener metales como el aluminio elemental, que arde con una llama de color blanco anaranjado y añade energía al proceso de combustión.

Algunos escapes, en particular los cohetes alimentados con alcohol , pueden mostrar diamantes de choque visibles . Estos se deben a variaciones cíclicas en la presión de la pluma en relación con el ambiente, creando ondas de choque que forman 'discos Mach'.

La forma de la columna varía según la altitud de diseño; a gran altura, todos los cohetes están muy poco expandidos y un porcentaje bastante pequeño de los gases de escape termina expandiéndose hacia adelante.

En resumen, la respuesta a la pregunta no está exactamente en la quemadura en sí misma, ya que estas bandas, paredes y cualquier otra forma que se forme dentro de la columna como resultado de una contrapresión lo harían igual de bien, si no hubiera ninguna. quemar para empezar. Se debe a la refracción de la luz y la eyección de alta presión y alta velocidad que forma paredes que viajan en dirección opuesta a cada lado de la pared ( quemadura separada ), o debido a la intersección de los chorros (diamantes).

Lo que ves es el primer disco Mach (una onda de choque estacionaria), que provoca un aumento repentino de la temperatura, la presión y la densidad.

A la salida de la tobera, los gases de escape tienen una temperatura comparativamente baja debido a la alta relación de expansión. En el caso de su SSME, la temperatura es de aproximadamente 1200 K. El penacho de llama de hidrógeno-oxígeno no genera hollín, y el vapor de agua u otros productos de combustión no están lo suficientemente calientes para irradiar en el visible.

Sobre el choque, la temperatura salta por encima de 3000 K, lo que provoca la excitación térmica del vapor de agua. A veces se puede ver esto como un tenue brillo rojizo. El origen de la radiación azul de banda ancha dominante de las llamas de hidrógeno en realidad no está claro. Lo más probable es que se trate de una recombinación por quimioluminiscencia de los radicales presentes en la pluma. Esto se intensifica repentinamente sobre el choque debido a la alta densidad y temperatura, lo que provoca una gran cantidad de colisiones moleculares.

Es por la radiación del cuerpo negro; a medida que aumenta la temperatura, la longitud de onda máxima de la luz se desplaza a regiones ultravioleta (casi azul) que los humanos no pueden ver.

Este artículo dice:

La llama de hidrógeno, como la llama del alcohol, emite poca radiación visible pero aún así emite radiación UV.

Según Wikipedia :

Con el aumento del suministro de oxígeno, se produce menos hollín que irradia el cuerpo negro debido a una combustión más completa y la reacción crea suficiente energía para excitar e ionizar las moléculas de gas en la llama, lo que lleva a una apariencia azul. El espectro de una llama de butano premezclada (combustión completa) a la derecha muestra que el color azul surge específicamente debido a la emisión de radicales moleculares excitados en la llama, que emiten la mayor parte de su luz muy por debajo de ~565 nanómetros en las regiones azul y verde de el espectro visible.