近日,长征六号甲运载火箭划破天际。在夜幕降临后的珠海,无数市民抬头仰望,看到一个如展开的折扇又似飘逸水母的发光体,静静绽放在高空。人们纷纷举起手机,记录下这浪漫又震撼的一刻。
这朵被网友称为“火箭云”的奇观,转瞬即逝,但它背后的故事却不简单。它不仅是物理学在大气层上勾勒的绝美画卷,更拉开了中国低轨卫星互联网加速组网的宏大序幕。这次长征六号甲火箭执行的,正是我国“千帆星座”的组网任务。简单来说,就是将一批批通信卫星送入近地轨道,编织一张“天上的通信网络”。
为了读懂这朵“云”,本报特别邀请了珠海市香洲区天文爱好者协会秘书长刘鑫、前航天五院(中国空间技术研究院)工程师任亮,从天文观测与航天工程的视角,为大家揭开它的神秘面纱。
采写:本报记者 余沁霖
图片:珠海天文协会会员
这朵“云”不是云
记者:很多市民抬头看见的,是一朵巨大的、发光的云。请您为读者直白地讲一讲,火箭云到底是什么?
刘鑫:火箭云本质上不是真正的自然云,而是火箭发射后在高空中留下的尾迹,在特定阳光照射条件及不同大气环境下,发生的一种绝美视觉现象。
任亮:它非常类似喷气式飞机在天空拉出的“白线”航迹云。火箭发动机喷出的高温燃气里含有大量水蒸气,喷射到高层大气时,会因为低温迅速凝华成固态冰晶。但“火箭云”与航迹云最大的不同在于光线。只有在清晨或黄昏发射的火箭,我们才能观测到它。因为此时地面已经入夜或天还没亮,但高空仍然能被地平线下的阳光照射到。于是,这些悬浮在暗夜高空中的冰晶尾迹,就像被“自上而下”点亮的巨大水母,显得格外璀璨夺目。它被称作“水母效应“,它并不是自己发光,而是在反射高空中的阳光。
一场高空的流体力学交响乐
记者:大家在珠海看到的火箭云呈扇状、水母状,还能变色,为什么它看起来是这样的?是不是每次火箭发射都能看到这样的云?
刘鑫:火箭进入不同高度,会遭遇完全不同的温度、气压、密度和光照条件,尾流会发生不一样的反应,产生不同形态甚至不同颜色。这次从太原发射的火箭,来到珠海上空时,已经是二级火箭阶段,燃料更纯净,空气更稀薄,尾流更容易扩散,于是形成像伞盖、扇形、水母样的大面积形状。到了更高空的电离层,还有几率与带电粒子发生作用,局部出现类似极光机制的微弱发光。
但是,并不是每次发射我们都有机会看到火箭云。它取决于发射时间是否处于暮光照明窗口、观测地点是否处于轨迹覆盖区域、当地天气是否具有观测条件。这些因素缺一不可。
任亮:火箭云的形状和颜色,取决于高层大气的流体力学特性和火箭飞行轨迹。高空气压低,尾气喷出后水平方向扩散速度高,在不同风层和气流作用下,便被吹成弯曲或飘逸的形状。而颜色主要来自阳光通过冰晶和颗粒物的散射与反射,和彩虹、晚霞的原理类似,因此能出现蓝色、橙色甚至粉紫色的丰富变化。除了前面说的暮光时段,火箭燃料类型也很关键——通常需要液氧煤油或液氧液氢这类能产生大量水蒸气的燃料,为冰晶形成提供物质基础。加上观测地必须天气晴朗、大气通透、无厚重云层。所以,每一次肉眼目击,都是一次幸运的“难得偶遇”。
珠海为何成为“幸运锦鲤”?
记者:这次珠海能看到如此清晰的火箭云,和我们当地的地理位置、气候条件是否有关?未来低轨卫星发射日益密集,广东地区会频繁观测到吗?
刘鑫:这次珠海能看到,主要是长六甲火箭此次发射任务的特性、珠海的地理位置、天气等多方面条件叠加的结果。
任亮:除了前面提到的苛刻气象条件,珠海的地理位置是先天优势——它正好处于太原卫星发射中心发射火箭飞行轨迹的必经之路。当火箭飞到广东上空的高空区域时,扩散范围达上千公里的尾迹,正好进入我们的视野。
随着国家和商业航天火箭发射频率增高,大家目击火箭云的潜在机会增加了。但能否看到,仍然受制于发射窗口必须是晨昏时段、当地天气条件良好等硬性约束。火箭云依然是一个考验运气的“偶发天象”,而非日常景观。
“吹”动卫星的脉搏
记者:任亮老师研究过等离子脉冲推进器,喷出这朵“云”的发动机,和您研究的等离子脉冲推进器是一回事吗?我们如何理解离子脉冲推进器?
任亮:完全不是一回事。我们看到的火箭云,源自燃料和氧化剂剧烈燃烧化学反应喷出的尾气,主要是水蒸气和二氧化碳。这是化学火箭的领域,负责“大力出奇迹”,把载荷送上天。
我曾研究的卫星等离子体推进器,属于电推进范畴,老一辈航天人叫它“电火箭”。它不发生化学氧化还原燃烧,而是靠太阳能帆板产生的电能工作。简单说,它用电能产生强大电场或磁场,将惰性气体或固体金属工质电离成等离子体,再将带电粒子高速喷出,产生极其微弱的推力——大概只能吹动一张纸巾。但在太空中没有空气阻力,这种微小而持续的推力在“积跬步以至千里”的作用下,可以让航天器慢慢加速到很高速度,或者精准地调整自己的轨道位置。
所以,化学火箭负责“送上去”,电推进负责在太空里“精打细算”地调整姿态、维持轨道或进行深空探测。
卫星发射的意义是什么?
记者:我们为什么要发射这些卫星?“千帆星座”组网后,我们的手机信号会变好吗?
任亮:目前国内外发射的卫星主要有三大功能:通信与连接、导航与定位、观测与探测。这次大家看到的,正是通信卫星。
对普通人的日常手机使用,比如在市区打电话、刷视频,低轨卫星互联网影响不大。它的真正价值在于消灭“信号盲区”——在传统基站无法覆盖的偏远地区、海岛、深山、沙漠、海洋甚至飞机上,提供便捷的网络连接。当发生地震、洪水等破坏性灾难时,通信卫星也是建立应急通信和互联网连接的关键保障。航空和航海目前已借助类似系统获得稳定的全球互联网连接,未来我们也将享受这一便利。
大湾区的航天产业机遇
记者:珠海及大湾区在卫星终端制造、海洋通信应用等方面,是否有承接低轨卫星互联网产业的可能性?
任亮:专家综合表示,可能性非常大,且优势明显。
第一,制造业基础雄厚。大湾区拥有全世界最发达的电子信息制造和精密制造产业链,完全有能力将卫星地面终端这类先进电子通信设备低成本、高质量地生产出来。
第二,海洋经济需求迫切。珠海是海洋大市,发展海洋牧场、海上风电、海上运输等,都极其依赖稳定高速的通信。低轨卫星互联网是解决海上通信“最后一公里”难题的最佳方案,珠海可以针对海洋应用开发专用终端和通信服务系统。
第三,政策与资本优势。粤港澳大湾区是国家战略,拥有先行先试的政策优势和雄厚资本支持。
第四,区位与人才优势。珠海毗邻港澳,拥有良好的国际视野和人才吸引力。
因此,珠海及大湾区完全有可能成为低轨卫星互联网产业的重要基地,在卫星终端制造、海洋通信应用、运营服务等领域大有可为。
科学比幻想更奇妙
记者:对那些在珠海看到火箭云、对航天产生兴趣的年轻人和小朋友,两位最想说什么?
任亮:我想对他们说:“你们看到的,是人类最浪漫的‘人造风景’,也是你们触手可及的未来。”
火箭云不仅仅是尾气和冰晶,它是物理、化学、流体力学和光学共同奏响的交响乐。它告诉我们,科学和工程不仅能解决实际问题,更能创造出惊人的美学。我们今天看到的这束光,或许就是点燃心中航天梦想的星火。不要只惊叹于它的美丽,更要好奇它背后的原理。保持这种好奇,去学习,去动手,去探索。未来的航天工程师、科学家、甚至飞往火星的宇航员,可能就站在今天仰望星空的你们中间。航天不仅需要“心脏”,更需要源源不断的新鲜血液。
请记住,我们在珠海看到“火箭云”的惊艳瞬间,是物理世界的真相,不是科幻电影。科学比幻想更奇妙。去探索它吧!仰望星空,脚踏实地。
小贴士
想要入门该看什么?
刘鑫:想要了解天文气象航天方面的知识,建议从“仰望星空+动手实践”循序渐进学习。天文方面可通过《夜观星空》等了解一些天文基础知识,气象推荐《超有趣的云科学》,航天方面可以看看《藏在身边的航天科技》,实验方面,水火箭安全易操作,网购也非常方便。
任亮:
●第一阶段:激发兴趣(适合小学生)
纪录片:
《飞向月球》(央视出品):了解人类探索月球的历程。
《行星Planet》(BBC出品):了解太阳系各大行星,建立宇宙视野。
《旅行到宇宙边缘》(National Geographic):非常震撼的宇宙科普片,旅行者号探测器。
书籍:
《太空百科全书》(DK):图文并茂,内容丰富,适合孩子查阅。
《给孩子的宇宙启蒙书》(作者:池内了):用简单的语言讲清楚宇宙是怎么回事。
简单实验:
气球火箭:用气球、吸管、绳子模拟火箭的反冲原理。给气球充气,松开口子,它会飞出去!这解释了火箭为什么能前进(作用力与反作用力)。
水火箭:用塑料瓶、水和打气筒做水火箭,观察高压气体将水喷出后瓶子的飞行,是最经典的火箭原理实验。
●第二阶段:深入了解(适合中/大学生)
书籍:
《宇航概论》《航空航天概论》。