¿Cuál es la causa de la luz azul de los motores de cohetes LH2/LOX?

A continuación se muestran algunas capturas de pantalla de videos de lanzamiento (o relanzamiento) de alrededor de junio de 2016 de Blue Origin ( enlace de video ) y SpaceX ( enlace de video ). El nuevo pastor arde H 2 / O 2 , mientras que el Falcon 9 quema queroseno/ O 2 .

Creo que al menos parte de la intensa luz blanca/amarilla del Kerosene/ O 2 El escape proviene de la emisión térmica de partículas de carbono (hollín) similar a la emisión de la parte blanca/amarilla de la llama de una vela. Hay muy poca luminiscencia del H 2 / O 2 escape.

La primera imagen en la pregunta ¿Por qué las llamas de escape de los motores de etapa criogénica parecen estar separadas de la boquilla? es bastante llamativo, mostrando una aparición muy repentina de luz brillante cuando el escape es comprimido por una onda de choque estática. Presumiblemente esto es H 2 / O 2 pero no pude ver un enlace o una cita para la imagen.

Izquierda (abajo) Si bien las llamas de las velas también emiten luz azul, se dice que esto se debe principalmente a la emisión de la banda de cisne, las transiciones vibratorias en el carbono molecular como C 2 . Estos no ocurren en H 2 / O 2 combustión. También puede ver la emisión de la banda del cisne estimulada por la radiación solar en el carbono molecular de los cometas: aquí está el cometa C/2014 Q2 (Lovejoy) (tamaño más grande disponible aquí ).

Derecha (abajo) Imagen del disparo de prueba del motor principal del transbordador espacial desde aquí (tamaño más grande disponible aquí ). Tenga en cuenta la aparición repentina de una luz brillante cuando el escape alcanza la onda de choque cerca de la parte inferior de la imagen.

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La respuesta allí que encontré más útil trata sobre la onda de choque y la emisión azul de H 2 / O 2 escape. Así que volví al video de lanzamiento de New Shepard y, efectivamente, puede ver lo que parece una luz azul de la boquilla cuando se ve desde abajo.

¿Qué produce realmente esta luz azul? Lo es H 2 O emisión, OH − emisión, o algo más? ¿Y por qué solo aparece en densidades más altas?

nota al margen: ver O 2 llama ardiendo en H 2 y optimización de la relación de mezcla .

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Sospecho que este artículo responderá a su pregunta, pero no voy a pagar $36 para leerlo. sciencedirect.com/science/article/pii/…
@RussellBorogove Solo leyendo el resumen, esto parece ser realmente interesante. La parte sobre la emisión continua que es altamente no lineal con la temperatura también puede explicar el inicio abrupto de la emisión intensa en el límite de la onda de choque en esta imagen de esta pregunta ; todavía tengo curiosidad por saber qué motor es ese. Si alguien puede acceder a ese artículo o una preimpresión, verifíquelo y vea si puede publicar una respuesta.
@RussellBorogove Hay https://en.wikipedia.org/wiki/ICanHazPDF . Yo no soy un twittero, pero es bueno saberlo. También vea la explicación en la BBC .
@RussellBorogove Este artículo de Science Magazine también es relevante para este problema: sciencemag.org/news/2016/04/…
Estoy bastante seguro de que la imagen es RS-25/SSME. La nervadura es distintiva.
@RussellBorogove - ¡Oh, esto! https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Shuttle_Main_Engine_Test_Firing.jpg Debería haber pensado en hacer una búsqueda de imágenes antes. Derecha.
@RussellBorogove Miré el documento de Schefer 2009, en realidad no hay mucha ayuda allí. Hay datos en su mayoría continuos y las "características espectrales" no son realmente distintas, y no se pudo identificar claramente ningún mecanismo. Para empezar, no estoy seguro de que una pequeña llama en un laboratorio sea representativa del escape de un cohete: presión, temperatura, productos de reacción intermedios, etc. ¡Pero siempre es divertido hacer un viaje a la biblioteca!

Respuestas (1)

Como señaló @Thomas, esta bonita tesis Radiation from High Pressure Hydrogen-Oxygen Flames and its Use in Assessing Rocket Combustion Instability - Ph. D. Thesis, Fiala, T., 2015 analiza este fenómeno. El término radiación azul se sugiere como el mejor disponible.

Si bien hay varias líneas espectrales estrechas en el UV cercano (alrededor de 310 nm) debido al radical hidroxilo excimérico OH ∗ , la luz azul en la parte visible del espectro parece ser un continuo amplio y sin resolver.

La Figura 5.2 de Fiala 2015 muestra espectros de baja resolución de H 2 / O 2 llamas a diferentes presiones. La no linealidad de la intensidad frente a la presión se puede ver en el salto sustancial en la intensidad alrededor de 450 nm a medida que la presión aumenta de 21 a 30 bares ('atmósferas'). Este puede ser el mismo inicio que produce la aparición repentina de la radiación azul debajo del motor en las imágenes de disparo de prueba en la pregunta, donde una primera onda de choque produce un volumen de alta presión repentina.

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En la Sección 5.3. Investigación del origen de la radiación azul Se presentan y discuten las dos fuentes más parecidas a la quimioluminiscencia azul:

Radiación azul

A través de imágenes espaciales de la luminiscencia a diferentes presiones, combinadas con modelos numéricos de la cinética y la evolución de los procesos dentro de la llama, Fiala 2015 concluye que solo la segunda reacción (5.2) que conduce a la producción de quimioluminiscencia a partir de excímeros H 2 O 2 ∗ es consistente con todos los resultados experimentales actuales.

El transbordador espacial ofrece una bonita vista contrastante tanto de la intensa luz amarilla, presumiblemente de alguna combinación de hollín de radiación de cuerpo negro y los productos de reacción de aluminio en el escape del SRB, como de la radiación azul del escape similar al agua de los principales motores LH2/LOX del transbordador. . La primera onda de choque estática pronunciada seguida de repeticiones similares a diamantes de choque a continuación son claramente evidentes.

ingrese la descripción de la imagen aquíarriba: STS-123 (NASA) desde aquí - recortado. La barra blanca vertical debajo del transbordador es posiblemente un mástil anti-relámpagos y no una columna de escape. Los cables de sujeción también se pueden ver.

Pensé que el combustible principal en los SRB es el aluminio, que crea muchas partículas de óxido de aluminio, la luz blanca brillante provenía de eso. ¿Incorrecto?
Entiendo que el enfoque de la pregunta del OP se relaciona con la luz azul de los SSME, pero en su respuesta indicó el contraste con la luz emitida por el escape SRB, diciendo que está basado en carbono, que no creo que sea completamente verdadero. Si compara la columna de escape de los SRB con la de un propulsor RP-1/LOX, digamos Falcon 9 o Saturn V, los combustibles a base de carbono producen una columna notablemente amarilla, donde la columna SRB es de un blanco brillante, lo cual entendí. ser del (principalmente) combustible de aluminio.
@AnthonyX ¡Ah! Esto tiene casi dos años, y me perdí el hecho de que había respondido mi propia pregunta (pensé que esta era una de mis primeras preguntas extremadamente largas), ¡lo siento! De acuerdo, ajustaré la redacción por ahora y veré qué puedo hacer para obtener más información sobre el color. ¡Gracias por traer esto a mi atención! Pensé que podría haber algo a lo que podría vincularme con la pregunta ¿Cómo se clasifican las combinaciones de propulsores de cohetes en términos de "brillo"? pero no veo nada concluyente allí todavía.
Esta respuesta puede no ser correcta. La foto en esta respuesta muestra claramente que la parte brillante está muy por encima del primer disco de choque (disco Mach). Consulte mis comentarios a la respuesta de @TildalWave a la pregunta space.stackexchange.com/questions/2017/…
@verdelite: Ese es un comentario interesante. Por favor, eche un vistazo a esta imagen: explicación de aerospaceweb.org: La parte brillante es el disco Mach. La zona naranja se refiere a la zona exterior del flujo, que tiene un ángulo menos pronunciado que la onda de choque oblicua. La causa de la emisión de luz anaranjada es la quema de H2 con el aire ambiente que entra en el flujo. Estos causan emisiones relacionadas con el nitrógeno descritas por Gaydon (tendría que volver a leer ese gran libro para dar una mejor explicación). aerospaceweb.org/question/propulsion/shock-diamonds/…
@Tomás Gracias. Pensé que el disco Mach estaba ubicado en la región del "cuello" donde el diámetro del escape era mínimo. Parece que no es el caso.
@verdelite, ¿crees que habrá otra publicación de respuesta próximamente? Esta respuesta propone "quimioluminiscencia de excimeric H 2 O 2 ∗ " como la fuente de la luz azul que se muestra en las imágenes de la pregunta. En esos lugares, no veo cómo el nitrógeno atmosférico llega hasta el centro de la columna de escape. ¿Se explica eso en su(s) fuente(s)?
¿Cuál es la causa de la luz azul de los motores de cohetes LH2/LOX?
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