为什么土星五号的尾焰会呈现出这种状态？
土星五号那令人震撼的尾焰，绝不仅仅是火箭发动机喷射燃料产生的简单火焰。它是一种复杂而壮观的物理现象，是多种因素协同作用的结果。要理解它为什么是那个样子，我们得从构成它的一切说起。
首先，燃烧本身是核心。土星五号作为一项史无前例的巨大工程，其第一级发动机——F1发动机，燃烧的是煤油（RP1）和液氧（LOX）的混合物。想象一下，如此巨大的发动机，需要每秒燃烧掉 tonnes 级的燃料，才能产生推动火箭挣脱地球引力的巨大推力。当这些燃料在燃烧室中以极高的压力和温度混合、燃烧时，会产生大量的炽热气体。这些气体，主要成分是水蒸气、二氧化碳、一氧化碳以及未完全燃烧的碳氢化合物，被高压从喷管中高速喷射出来。
然后，我们要看喷管的设计。土星五号的F1发动机喷管，是经典的高拉瓦尔喷管（De Laval nozzle）设计。它的形状是关键。喷管内部是一个收缩段，然后是一个最窄的喉部，最后是一个扩张段。当炽热的燃气在燃烧室产生后，首先通过收缩段加速，在喉部达到音速，然后在扩张段继续膨胀，速度大大增加，最终以超音速离开喷管。这种设计是为了最大限度地提高燃气的喷射速度，从而产生最大的推力。
现在，重点来了：与大气层的相互作用。在发射初期，土星五号位于地球大气层中。喷管喷出的燃气本身是非常炽热、高速的气流，但它们离开喷管的压力和速度，与外部大气的压力和密度是不同的。
激波（Shock Waves）和膨压（Expansion Waves）：当高速燃气喷射到大气中时，会发生一个叫做“膨胀”的过程。由于喷管扩张段出口的压力通常低于大气压，燃气就会向外膨胀。这个膨胀过程不是平滑的，而是会产生一系列的膨压波，就像水面平静后荡开的涟漪一样。在某些特定条件下，这些膨压波会相互作用，形成一种叫做“马赫盘”（Mach Disk）或“冲击盘”的现象。你可以想象成，当燃气膨胀到一定程度，速度太快，然后突然“撞”上大气层的阻力，就像一个巨大的气体“门帘”一样，把气流突然压缩和转向。这在土星五号的尾焰中，你会看到一层层明显的“波纹”，就像水面上不规则的波浪，或者像折叠的纸一样，这就是激波和膨压相互作用的视觉表现。这些波纹会反射、叠加，使得尾焰的形状变得非常复杂和动态。
火焰的颜色：土星五号尾焰的颜色，主要是由燃烧产物和它们与空气中的氧气发生二次燃烧决定的。煤油燃烧后产生的碳氢化合物，在高温下会形成烟尘颗粒（主要是碳）。这些碳颗粒被加热到极高的温度，会发出强烈的黄光。同时，高温水蒸气在空气中也可能发出微弱的蓝色或紫色光。但土星五号的尾焰呈现出标志性的橙黄色，很大程度上是归因于那些炽热的碳颗粒。当发动机以最大功率运行时，喷出的气体量和温度极高，这些碳颗粒被加热到白炽状态，所以你会看到一部分尾焰是近乎白色的，而更多的区域则是明亮的橙黄色。
燃气与空气的混合：喷出的燃气和周围的空气会剧烈混合。这个混合过程不是瞬间完成的，燃气在高速运动过程中会卷吸周围的空气。卷吸的空气不仅提供更多的氧气进行燃烧（二次燃烧），也会冷却一部分燃气，影响尾焰的整体形态和温度分布。
声爆和震动：土星五号巨大的推力和发动机工作时产生的巨大声压，也会对周围的空气产生影响，甚至可能与尾焰的流动形成一种共振，进一步影响尾焰的形态。
大气层的密度和压力变化：随着火箭上升，大气密度和压力会逐渐降低。这意味着在低空，尾焰会受到更大的大气阻力，形状会更宽、更扩散，激波结构也更明显。在高空，空气稀薄，尾焰会更集中，颜色也可能略有变化。
综合起来，土星五号那独特且震撼的尾焰，就是一团炽热、高速、混合了未完全燃烧产物的气体，在与大气层发生复杂物理相互作用（膨胀、激波、卷吸、混合）的过程中，呈现出的动态、层次分明、色彩斑斓的景象。它不仅仅是火焰，更是能量、速度和物理定律在舞台上的完美演绎。那层层叠叠的波纹，就像是宇宙在向我们展示它隐藏的秩序和力量。
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然后，我们要看喷管的设计。土星五号的F1发动机喷管，是经典的高拉瓦尔喷管（De Laval nozzle）设计。它的形状是关键。喷管内部是一个收缩段，然后是一个最窄的喉部，最后是一个扩张段。当炽热的燃气在燃烧室产生后，首先通过收缩段加速，在喉部达到音速，然后在扩张段继续膨胀，速度大大增加，最终以超音速离开喷管。这种设计是为了最大限度地提高燃气的喷射速度，从而产生最大的推力。
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火焰的颜色：土星五号尾焰的颜色，主要是由燃烧产物和它们与空气中的氧气发生二次燃烧决定的。煤油燃烧后产生的碳氢化合物，在高温下会形成烟尘颗粒（主要是碳）。这些碳颗粒被加热到极高的温度，会发出强烈的黄光。同时，高温水蒸气在空气中也可能发出微弱的蓝色或紫色光。但土星五号的尾焰呈现出标志性的橙黄色，很大程度上是归因于那些炽热的碳颗粒。当发动机以最大功率运行时，喷出的气体量和温度极高，这些碳颗粒被加热到白炽状态，所以你会看到一部分尾焰是近乎白色的，而更多的区域则是明亮的橙黄色。
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声爆和震动：土星五号巨大的推力和发动机工作时产生的巨大声压，也会对周围的空气产生影响，甚至可能与尾焰的流动形成一种共振，进一步影响尾焰的形态。
大气层的密度和压力变化：随着火箭上升，大气密度和压力会逐渐降低。这意味着在低空，尾焰会受到更大的大气阻力，形状会更宽、更扩散，激波结构也更明显。在高空，空气稀薄，尾焰会更集中，颜色也可能略有变化。
综合起来，土星五号那独特且震撼的尾焰，就是一团炽热、高速、混合了未完全燃烧产物的气体，在与大气层发生复杂物理相互作用（膨胀、激波、卷吸、混合）的过程中，呈现出的动态、层次分明、色彩斑斓的景象。它不仅仅是火焰，更是能量、速度和物理定律在舞台上的完美演绎。那层层叠叠的波纹，就像是宇宙在向我们展示它隐藏的秩序和力量。
网友意见
这个问题很有趣，出现了两种东西。
如果说的是那个巨型的类似三角形一样的分界，那个是马赫环的放大版。
这是我从远处拍的猎鹰九号，马赫环的形态是不是已经很明显了？
此外还有一个现象：土星五号的尾焰好像是从箭体中间喷出来的一样。是燃料泄露了吗？
历代土星五号几乎都出现了这个现象，说明这是个常态，不是燃料泄漏。那么那是什么呢？
有答主提到是因为大气压力降低火焰向上膨胀。但这并不是主要的原因。火箭在进入太空后气压几乎为0，这种现象反而不出现了，说明跟气压无关。
其实这种现象叫Plume induced flow seperation（姑且翻译为羽流分离）。土星五号在超音速飞行时会产生激波，而尾部突出来的半圆锥体则会在尾部附近也产生一个激波。
激波面的后方会出现一个低压区产生气流循环，而这个气流循环强到一定程度会把高速喷出的火焰强行吸上去，造成了好像尾焰是从土星五号一级中间喷出来的一样。
其实别的火箭也会出现这种情况，比如猎鹰九号
只不过没那么明显
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