¿Por qué la llama de la segunda etapa del Falcon 9 es (casi) invisible?

El motor Merlin utilizado por el Falcon 9 quema una mezcla rica en combustible RP-1/LOX, como la mayoría de los otros motores de cohetes. Eso significa que el escape que sale del motor contiene combustible sin quemar, principalmente en forma de hollín. Puedes ver eso en tu foto: hay un escape oscuro.

A nivel del mar, el exceso de combustible/hollín se quema con el oxígeno atmosférico, dejando un rastro de llamas detrás del cohete, que se puede ver muy bien después del despegue. Pero cuanto más alto vuela el cohete, menos oxígeno hay y menos visible se vuelve la llama.

Ahora, la segunda etapa opera en (casi) vacío, donde no hay oxígeno, por lo que el hollín no puede arder en absoluto, por lo que no hay llama.

Si viera una llama en el vacío del espacio, eso significaría que no todo el combustible/oxígeno se quema dentro del motor, lo que implica que el motor no es tan eficiente como podría ser, ya que el combustible que se quema detrás del cohete no proporciona ningún empuje.

Demasiado largo para publicar como comentario.

Consulte Modelización de la combustión de queroseno en condiciones ricas en combustible en Researchgate o aquí o en Avances en ingeniería mecánica 9(7) · Julio de 2017

Además, de Caracterización termofísica de la combustión de queroseno por Ten-See Wang l NASA Marshall Space Flight Center, Huntsville:

Formación de hollín:

En condiciones ricas en combustible, el queroseno/RP-1 forma hollín fácilmente. Esto se debe a que el nafteno y los hidrocarburos aromáticos forman hollín rápidamente (polimerización por condensación) al condensarse directamente en hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Por otro lado, las parafinas forman hollín lentamente. Esto se debe a que las parafinas tienen que romperse primero en fragmentos más pequeños, a partir de los cuales se produce la fusión de los fragmentos para formar naftenos y aromáticos, y la forma de PAH eventualmente e indirectamente (fragmentación-polimerización). ^8,9 Estos PAH, también conocidos como precursores del hollín, luego se someten a una serie de procesos físicos para formar panículas de hollín coagulado. Frenklach et al. ²⁰desarrolló un mecanismo integral de formación de hollín en el que se utilizan 180 especies y 619 reacciones elementales en un intento de describir los procesos de formación de hollín antes mencionados. Sin embargo, en este momento, es demasiado costoso incorporarlo a un código CFD mientras que la oxidación de esas 180 especies ni siquiera se consideró...

⁸ Lawver, BR, "Prueba de prequemadores de alta presión ricos en combustible/oxidante, Informe final, NASA CR-16544, Centro de investigación NASA-Lewis, mayo de 1982.

⁹ Nickerson, GR y Johnson, CW, "Un modelo de predicción de hollín para el programa informático TDK", AIAA Paper 92-3391, julio de 1992

²⁰ Frenklach, M., Clary, DW y Ramachandra, MK, "Estudio de tubos de choque sobre los efectos de la estructura del combustible en los mecanismos cinéticos químicos responsables de la formación de hollín, parte 2", NASA CR174880, mayo de 1985.