不同運載火箭的尾煙區別為什麼這麼大？不僅是燃料問題這麼簡單

2020年7月份，中國，美國，阿聯三國發射了本國的火星探測器。由於火星探測一直備受矚目，再加上此次中國也進行本國的火星探測任務，使得火星探測器的熱度劇增。至少在2018年只有美國發射「洞察」號火星探測器時，都沒有多少人關注。

看到許多人都問同個類型的問題：為什麼中國和美國的火箭尾煙區別那麼大

確實，尾煙區別非常明顯，即使不是細心的人也可以發現。中國的「長徵5號」運載火箭沒有尾煙，而且火箭的尾焰清晰。但是美國的「阿特拉斯5型」尾煙特別大，尾焰也不清晰。

原因很多，我可以一一介紹講解，如果你能認真看完會有不少收穫。

主要原因：助推器不同，助推器燃料不同。

運載火箭分為固體燃料的運載火箭和液體燃料的運載火箭。在人們的思想中，固體火箭就是落後的，以後會被淘汰的。但事實並非如此，固體火箭以其獨特的優勢一直存在於火箭家族中。以前有，現在有，以後也會有。

而美國此次發射「毅力號」火星車的「阿特拉斯5型」運載火箭，這款火箭芯級使用的是由俄羅斯動力機械生產聯合體所研製的RD-180分級燃燒循環發動機，助推器採用的就是固體火箭。

圖為高空視角的「毅力號」發射

美國人使用固體火箭做助推器的年代相當長了，早在中國發射「東方紅」時就已經有使用了，甚至美國人在後來的太空梭中也使用了固體助推器。

而中國此次發射「天問一號」火星車的「長徵5號」運載火箭，使用的是液體助推器，這款助推器採用了型號為YF-100的分級燃燒循環，液氧煤油發動機。中國使用液體助推器的年代也並不短，但是我們是在2016年才開始使用的無毒環保液體助推器，之前全部都是使用偏二甲肼為燃料的劇毒火箭。

液體火箭並非沒有煙，取決發動機。

如圖，這是美國太空探測技術公司的「默林」發動機，同樣採用液氧煤油，但是大家可以看到發動機噴口旁邊那濃濃的黑煙。之所以會這樣，與發動機的循環方式有關。

火箭發動機基礎知識：循環方式

我會用儘量通俗的語言向大家講解這點，液體火箭發動機的循環方式是指，把火箭燃料從火箭燃料箱中抽出送至發動機進行燃燒產生推力的方式。

循環方式有很多種，我只介紹主流的兩種：燃氣發生器循環和分級燃燒循環。

燃氣發生器循環是指，先抽出一部分燃料來燃燒產生高溫高壓氣體去推動發動機的渦輪泵進行做功，之後這部分氣體會做為廢氣直接排出。上敘的「默林」發動機就是這種循環方式，濃煙就是廢氣。

雖然「長徵5號」的芯級火箭發動機YF-77同樣是使用了燃氣發生器循環，不過由於燃料採用的是液氫液氧，因此是不會有黑煙的。

圖為「重型獵鷹」發射片段，可以非常明顯地看到濃煙，這是在直播時所看不到的。

分級燃燒循環其實是在燃氣發生器循環上面改進來的。同樣是抽出一部分或者是全部燃料來燃燒產生高溫高壓氣體去推動發動機的渦輪泵，但不同也是最難的是，之後這氣體會注入燃燒室進行二次利用。因此這種循環方式效率較高，基本上沒有煙。上敘的YF-100發動機就是採用了這種高效的循環方式。

富氧及富燃

我們都知道液體火箭的燃料是由推進劑和氧化劑組合的，它們是有一定比例的，而這比例不是一塵不變的。推進劑多點的，稱之為「富燃燃燒」，氧化劑多點的，稱之為「富氧燃燒」。

結碳是煤油的特性，而不完全燃燒的煤油會釋放出黑煙。富燃燃燒都是不完全燃燒的，因此煙也較多，上敘的「默林」發動機就是。（好吧，全文都拿默林開刀）

物質的性能決定其用途。

固體火箭推力很大，通常是液體發動機的幾倍，比如美國太空梭的助推器推力超過了，千噸。什麼概念？一臺默林發動機的推力才90噸。但是固體火箭燃燒時間短，比衝低。而液體發動機又相反，通常推力都不大，但比衝高。不過俄羅斯是個例子，俄羅斯家的液體發動機推力非常高，像RD-170，推力700多噸。美國並不是沒有這麼高推力的發動機，而是沒有這麼高推力但效率也高的發動機。

現在主流的火箭燃料都是液氫液氧，但是這推力一般都不高，因為技術性問題。比如，中國，日本，歐洲三個的液氫液氧發動機，沒有一個推力比「默林」發動機高，但是比衝方面能把「默林」按在地上暴打。不過並非都是這樣，美國的RS-68液氫液氧發動機推力有近300噸。

因此人們就把液氫液氧火箭與固體火箭結合起來，固體火箭提供必要的推力保證火箭能上天，液體火箭提供高比衝使火箭能運載更多的貨物。