被稱作“胖五”的長征五號(hào)，這不快要發(fā)射了嗎。而且還是走帶著火星探測器，去火星這么遙遠(yuǎn)的路線。你說這個(gè)胖子怎么這么有信心？

你還別說，火箭推進(jìn)器就是類似于一個(gè)會(huì)噴火的葫蘆形裝置，火箭之所以能上天全靠這個(gè)葫蘆狀的法寶。

來源：新華網(wǎng)

火箭是航天器的運(yùn)載工具，能夠攜帶多種實(shí)驗(yàn)器材和觀測儀器上太空，是種利用噴射的工質(zhì)產(chǎn)生反作用力推進(jìn)的飛行器。相比于普通飛機(jī)這種上天的航空器，火箭升空的速度那可是杠杠的。想要上天？小編推薦你用火箭。

來源：搜狐

你看火箭模型，會(huì)發(fā)現(xiàn)火箭的pp下面有幾個(gè)小“腳”。你要是把他拆下來看，會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)腳竟然還是葫蘆形狀的?？汕f不要以為這真的是腳，這可就是火箭的推進(jìn)器的拉瓦爾噴管（也作德拉瓦爾），是火箭能夠上天的關(guān)鍵。

拉瓦爾噴管 來源：wikipedia

01??速流體的流動(dòng)

任何生理過程和物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)都遵循能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，流體在流動(dòng)過程中也同理。

流體流動(dòng)過程中會(huì)遵循質(zhì)量守恒對(duì)應(yīng)的連續(xù)性定理，同一時(shí)間內(nèi)流體流進(jìn)任意截面的流量和從另一截面流出的流量相等?？梢缘玫酵普摚旱退伲ㄐ∮诼曀俸芏啵├硐肓黧w（遵循理想流體狀態(tài)方程）連續(xù)不斷地流經(jīng)一個(gè)粗細(xì)不一的管子時(shí)，粗的地方流的慢，細(xì)的地方流的快。這主要是為了保證流量在管道的各個(gè)截面上相等。你也可以在水龍頭上進(jìn)行嘗試，小編提示：不要太過哦，否則你還得洗個(gè)澡。

細(xì)的地方流速快，粗的地方流速慢 來源：vapotherm

流體流動(dòng)也會(huì)遵循能量守恒對(duì)應(yīng)的伯努利原理，對(duì)應(yīng)伯努利方程：

其中，P為流體中某點(diǎn)的壓強(qiáng)，v為流體該點(diǎn)的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點(diǎn)所在高度，C是一個(gè)常量。由此也可以得到這樣的一個(gè)推論：低速理想流體，在速度相對(duì)大的部分靜壓力會(huì)更小一點(diǎn)（文丘里效應(yīng)），可以理解為流體的勢能存在和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)化。像文氏流量計(jì)就是和它有關(guān)。

文氏流量計(jì)原理，流速快的地方壓力小，流速慢的地方壓力大 來源：wikipedia

02??速流體的流動(dòng)

火箭噴管中推進(jìn)氣流真實(shí)情況下是非常復(fù)雜滴，氣流的狀態(tài)能夠達(dá)到亞音速甚至高音速，以上得到的推論都不成立啦。1馬赫定義為1倍的音速，流體的速度可以從0馬赫到20馬赫以上，可以將流體根據(jù)不同的馬赫數(shù)的速度劃分為：不可壓縮、亞音速、跨音速、超音速、高超音速和超高速流。

流速為不同馬赫數(shù)的流體對(duì)應(yīng)的名稱 來源：wikipedia

真實(shí)情況下氣體密度還會(huì)改變，而且氣流是三維空間的流動(dòng)，所以在理解氣流性質(zhì)時(shí)可以做一些簡化?？梢栽O(shè)想氣流是一維的絕熱等熵流動(dòng)，穩(wěn)定且符合理想氣體狀態(tài)方程。那么結(jié)合能量守恒定律和質(zhì)量守恒定律，經(jīng)過復(fù)雜的微分方程的推導(dǎo)，可以得到速度與截面積變化的關(guān)系式：

其中?M?代表氣流的馬赫數(shù)，A?代表噴管截面積，?v?為噴射氣流速度。從上面公式我們可以得到什么結(jié)論呢？

簡單概括一下就是亞音速（包括低速）如果管截面收縮則流速增加，面積擴(kuò)大則流速下降。超音速則相反。

那我們知道火箭的發(fā)射基于動(dòng)量守恒定律，如果能夠使有限的工質(zhì)在燃燒后以更大的速度噴射出來，火箭豈不是就能獲得更高的速度呢？那么太空旅游那就得以實(shí)現(xiàn)了。然而到這里就出現(xiàn)問題了。根據(jù)以上結(jié)論可以看到在截面收縮的管里的氣流，雖然能夠?qū)Φ陀谝羲俚臍饬鬟M(jìn)行加速，但是存在以音速為上限的限制。而對(duì)于截面擴(kuò)展的管來說，雖然能夠使超音速氣流進(jìn)一步加速，但是要是氣流達(dá)到超音速談何容易。不過你要是想起來題目中提到的“葫蘆狀”的拉烏爾噴管，你可能就恍然大悟了，只是準(zhǔn)確的說應(yīng)該是沙漏狀。

03??瓦爾噴管

在還沒有發(fā)明拉瓦爾噴管之前，在人們的觀念里提升噴出蒸汽的速度，得用口徑縮小的噴嘴并增加流體壓強(qiáng)。所以他們以為，氣流的速度是存在上限的。直到瑞典的發(fā)明家卡爾·古斯塔夫·帕特里克·德·拉瓦爾（Karl Gustaf Patrik de Laval），給口徑縮小的噴嘴上加了一段口徑擴(kuò)張的部分。噴出的蒸汽竟然達(dá)到了前所未有的速度，這種口徑先縮小后擴(kuò)張的噴管就被稱作了拉瓦爾噴管，如今被廣泛的用在了火箭推進(jìn)器上。

氣流通過火箭推進(jìn)器的噴管噴出 來源：aerospaceweb

火箭推進(jìn)器 來源：wikipedia

拉瓦爾噴管很好的平衡了氣流在噴管中，亞音速和超音速狀態(tài)下加速時(shí)看似不可調(diào)和的矛盾。如圖在噴管的喉管（管中間最細(xì)的部分）左側(cè)為氣流進(jìn)口，充分燃燒的工質(zhì)在排出時(shí)在喉管處從亞音速被加速到1馬赫。在過了喉管之后，管口豁然開朗，已經(jīng)達(dá)到音速的氣流就很快被加速到了7-8馬赫的超音速狀態(tài)。（速度分布如圖中藍(lán)線）

拉瓦爾噴管模型圖?來源：wikipedia

氣流溫度和氣流壓強(qiáng)也從非常高的狀態(tài)，在經(jīng)歷過加速之后變小。（溫度和壓強(qiáng)在管內(nèi)的分布如圖中紅線和藍(lán)線。）這個(gè)過程也就一個(gè)能量守恒原理，燃燒后廢氣的內(nèi)能轉(zhuǎn)化成了超音速流的動(dòng)能。

可以用以下公式計(jì)算出氣流的速度：

舉個(gè)例子：氣流進(jìn)入噴嘴的氣壓為p??= 7.0 MPa，并在臨界壓力為p?e?= 0.1 MPa時(shí)排出管口。當(dāng)臨界溫度為T?= 3500 K，等熵膨脹系數(shù)為γ?= 1.22，摩爾質(zhì)量為M??=22 kg / kmol時(shí)。由上述方程，可得出排氣速度v?e?= 2802 m / s或2.80 km / s。

這下有了這么高速的氣流，就不愁火箭上不了天了！

03??拉瓦爾噴管的三種膨脹模

然而拉瓦爾一笑，事情并沒有這么簡單。拉瓦爾噴管噴出的超音速氣流的壓強(qiáng)是不一樣的，所以我們所看到的火焰的姿態(tài)也不一樣?？梢詫饬鞯男袨閯澐譃槿N：過度膨脹，理想膨脹，膨脹不足。

拉瓦爾噴管的三種膨脹方式，從左至右分別為過度膨脹，理想膨脹和膨脹不足 來源：aerospaceweb

理想情況下管出口處的氣流氣壓應(yīng)該降低到和大氣壓強(qiáng)一樣的程度。也就是氣流噴出來不會(huì)再發(fā)生進(jìn)一步膨脹或者壓縮，所有的內(nèi)能都轉(zhuǎn)換成了氣流動(dòng)能（對(duì)應(yīng)上圖中間的情況）。這種情況也是最高效的，但是這種情況只能通過調(diào)節(jié)管的形態(tài)，在某一特定的海拔下存在（不同海拔氣壓是不同的）。

火箭升空時(shí)的尾焰 來源：Giphy

當(dāng)氣流氣壓低于出口大氣壓，稱為膨脹不足。這種情況下，氣流離開噴嘴后還會(huì)繼續(xù)向外擴(kuò)張，沒有完全把內(nèi)能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能。離開噴嘴繼續(xù)膨脹的氣流不會(huì)再給噴嘴提供反作用力了，因此效率很低。這時(shí)候可以通過延長噴嘴來提升效率。

來源：shutterstock

當(dāng)氣流氣壓低于出口大氣壓，稱為過度膨脹。外界大氣壓高，容易使膨脹氣流還沒來得及從管口出來，就被大氣壓從噴嘴壁上剝離開來。這樣的就會(huì)浪費(fèi)掉還沒來得及提供反作用力的氣流，所以效率也低。這時(shí)可以通過縮短噴嘴來提升效率。但實(shí)際上在大氣中大部分噴管都會(huì)過度膨脹，并產(chǎn)生非常好看的鉆石形狀的馬赫環(huán)。

（點(diǎn)擊圖片可跳轉(zhuǎn)）

噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)的馬赫環(huán)

小編于是想到，多級(jí)火箭在不同高度還要脫掉不同級(jí)別的外殼。除了減少多余的負(fù)載重量之外，是不是還為了選擇合適形狀的拉瓦爾管，以保持推進(jìn)器在特定海拔高度的高效推進(jìn)呢？

中國航天事業(yè)，起步于上個(gè)世紀(jì)中期（1956年），到現(xiàn)在已歷經(jīng)60余年。今年是中國航天非凡的一年，有北斗衛(wèi)星三代成功組網(wǎng)，有預(yù)計(jì)7月到8月即將發(fā)射的火星探測器，有預(yù)計(jì)10月份實(shí)施的嫦娥5號(hào)無人月面取樣返回，還有中國空間站也將在今年開始逐步搭建。

嫦娥n號(hào)們?來源：騰訊網(wǎng)

04??結(jié)語

胖五的技能小編是學(xué)不來。沒有推進(jìn)器，要想活動(dòng)自如，那咱還是得管住嘴，邁開腿。不過不要方，等小編先把眼前的手抓羊肉吃了，再減。（熟悉的場景）

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