為什麼搭載天宮二號的長征火箭的尾焰是五顏六色的？

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看了央視直播的天宮二號發射直播，很好奇為什麼尾焰的顏色是五顏六色的？

謝邀。圖中的二級火箭有主機、游機兩套發動機，都屬於燃氣發生器循環，分別有各自的噴管和渦輪泵廢氣排氣管，排出的氣體溫度和成分（氧化劑和燃料的比例）各不相同，發光顏色也不一樣。

在真空環境下，由於分子自由運動，尾焰中的一部分氣體會擴散開來，逆流包裹整個火箭的底部。幾路氣體相互混合，不同的成分和溫度產生更多的顏色組合。

產生這些顏色的原理類似焰色反應，但發光的成分不是金屬離子，而是反應過程中產生的自由基（分子碎片），如H、OH、C2、C3之類。按照 @劉輿帥的說法應該以激發態的自由基NH2*為主。

噴管直接噴出的氣體溫度和速度很高，接近完全燃燒（左上角游機小噴管和中間主機大噴管下面青藍色），逆流的溫度較低(中間主機大噴管周圍少量黃綠色)。而渦輪泵廢氣排氣管的氣體溫度和速度很低，以貧氧燃燒的燃料為主（左側渦輪機紅熱，火焰紫紅色）。

另外，由於攝像機的白平衡未知，視頻里看到的顏色不一定反映實際顏色。黃綠色可能實際上是黃色。

以下備註：

燃氣發生器循環具體的工作原理：為什麼SpaceX的梅林1D發動機有排氣管排出廢氣，而中俄的YF-100和RD-180煤油機卻不需要？ - 法式油炸薯條的回答

火焰成分用cpropep http://bbs.kechuang.org/t/77715 計算結果
N2O4:UDMH混合比2.61，燃燒室壓強6MPa
左、中、右 CHAMBER THROAT EXIT 依次為燃燒室、噴喉、噴管出口的平衡產物成分。
實際由於氣體膨脹降溫速度快，燃燒室中的自由基成分會殘留到火焰里。

不過按照 @劉輿帥的說法，OH*比OH要少10個量級，激發態的（發光的）分子非常少，並且形成路徑和基態分子是不同的，因此這個計算並不能算出火焰的顏色……

Computing case 3
Shifting equilibrium performance evaluation

Propellant composition
Code Name mol Mass (g) Composition
639 NITROGEN TETROXIDE (LIQ.) 28.3661 2610.0000 2N 4O
963 UNSYM-DIMETHYLHYDRAZINE (UDMH) 16.6394 1000.0000 2C 8H 2N
Density : 1.164 g/cm^3
4 different elements
N O C H
Total mass: 3610.000000 g
Enthalpy : 229.64 kJ/kg

148 possible gazeous species
3 possible condensed species

CHAMBER THROAT EXIT
Pressure (atm) : 60.000 34.621 0.068
Temperature (K) : 3445.914 3262.793 1294.658
H (kJ/kg) : 229.636 -418.302 -5178.724
U (kJ/kg) : -988.558 -1557.856 -5610.620
G (kJ/kg) : -38060.633 -36673.775 -19564.692
S (kJ/(kg)(K) : 11.112 11.112 11.112
M (g/mol) : 23.519 23.806 24.924
(dLnV/dLnP)t : -1.02627 -1.02202 -1.00000
(dLnV/dLnT)p : 1.49168 1.43720 1.00001
Cp (kJ/(kg)(K)) : 5.29587 5.05709 1.76279
Cv (kJ/(kg)(K)) : 4.52939 4.35123 1.42919
Cp/Cv : 1.16922 1.16222 1.23342
Gamma : 1.13929 1.13718 1.23342
Vson (m/s) : 1178.08375 1138.36683 729.86975

Ae/At : 1.00000 69.87836
A/dotm (m/s/atm) : 28.91394 1929.87170
C* (m/s) : 1734.83636 1734.83636
Cf : 0.65618 1.89579
Ivac (m/s) : 2139.40913 3420.19841
Isp (m/s) : 1138.36683 3288.87843
Isp/g (s) : 116.08111 335.37227

Molar fractions

CN 1.4053e-008 0.0000e+000 0.0000e+000
CO 1.2804e-001 1.1991e-001 5.5916e-002
CO2 8.8753e-002 9.6898e-002 1.6090e-001
COOH 6.7443e-006 3.8040e-006 0.0000e+000
H 1.6477e-002 1.3151e-002 1.0099e-006
HCN 3.2868e-007 1.5174e-007 0.0000e+000
HCO 6.5516e-006 3.3279e-006 0.0000e+000
HNC 8.3902e-008 3.4525e-008 0.0000e+000
HNCO 5.5809e-007 2.9115e-007 0.0000e+000
HNO 1.2165e-005 6.3922e-006 0.0000e+000
HNO2 2.0961e-006 1.0852e-006 0.0000e+000
HO2 6.0256e-005 3.4791e-005 0.0000e+000
H2 6.0530e-002 5.5572e-002 7.2106e-002
HCHO,formaldehy 1.9799e-007 9.8521e-008 0.0000e+000
HCOOH 1.0301e-006 5.7409e-007 0.0000e+000
H2O 3.4394e-001 3.5471e-001 3.6152e-001
H2O2 1.0151e-005 5.7487e-006 0.0000e+000
N 1.1718e-005 5.9636e-006 0.0000e+000
NCO 1.4303e-007 6.1768e-008 0.0000e+000
NH 5.7345e-006 2.7296e-006 0.0000e+000
NH2 3.1823e-006 1.5494e-006 0.0000e+000
NH3 2.5584e-006 1.4535e-006 9.7512e-008
NO 1.2134e-002 9.1411e-003 0.0000e+000
NO2 1.1086e-005 6.3332e-006 0.0000e+000
N2 2.8712e-001 2.8863e-001 2.9321e-001
N2O 3.3426e-006 1.9040e-006 0.0000e+000
O 6.6315e-003 4.7056e-003 0.0000e+000
OH 4.1708e-002 3.3465e-002 6.4468e-008
O2 1.4530e-002 1.1694e-002 0.0000e+000
O3 4.6974e-008 1.8123e-008 0.0000e+000

拓展補充 @浪客的答案
天宮二號由長征二號F運載火箭發射
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%A4%A9%E5%AE%AB%E4%BA%8C%E5%8F%B7
長征二號F運載火箭燃料和氧化劑為四氧化二氮+偏二甲肼
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%95%BF%E5%BE%81%E4%BA%8C%E5%8F%B7F%E8%BF%90%E8%BD%BD%E7%81%AB%E7%AE%AD
所以火箭尾氣的光譜應該為四氧化二氮+偏二甲肼的化學發光光譜+黑體輻射
四氧化二氮+偏二甲肼的燃燒機理還是一個open issue, 暫時也沒有其光譜的量測資料，但是從其化學式上，可以大致推知其燃燒過程中的激發態分子的可能情況

(CH3)2NNH2+2N2O4=2CO2+4H2O+3N2

CH*, NH*, NH2*, CN*, NO*, OH*, CO2*
其中NH*, NO*, OH*的光譜在UV段 (336nm, 310nm and 247nm)，一般來說，只要相機鏡頭合格，基本上是可以濾掉380nm以下的光。
CH*和 CN* 光譜是紫色的，其中CH*偏藍色一些（431.2nm and 388nm）
NH2* 光是從綠到黃到紅色的(526-665nm)
CO2*從紫外到紅色都有連續光譜，其中較強的是淡藍色部分，日常生活中，天然氣火焰（煤氣灶）的光基本上可以看做CH*和CO2*的疊加。

所以圖片中的顏色基本上可以判斷為NH2*光譜為主。

如@浪客所說，如果各個發動機燃燒狀況不同，NH2*光譜顏色可能可以用來判斷尾氣溫度，這個應該還沒人研究過。

關於NH2* 的，還有一個小插曲，今年的International Combustion Symposium有一名成功大學的同學post一個海報，講的是CH4+N2O的燃燒光譜。當時他認為在lean火焰中，其中的紅黃色部分是soot，被一位lund university的老師質疑了，指出是NH2*的光譜。

所以
『而渦輪泵廢氣排氣管的氣體溫度和速度很低，以不完全燃燒的燃料為主（左側渦輪機紅熱，火焰紫紅色）。』
這句話應該是有問題的，應該也是完全的燃燒，但是確實等值比更高（燃料更多），溫度不同會導致激髮狀態不同導致光譜分布的變化。