帶火星探測器上天的火箭，為什麼有着葫蘆形狀的推進器？_風聞

　　小編作為一個假期長胖十幾斤的人，最近出去玩走得真是費了勁兒，吃了體重大的虧了。

　　想起來被稱作“胖五”的長征五號，這不也快要發射了嗎。而且還是走帶着火星探測器，去火星這麼遙遠的路線。你説這個胖子怎麼這麼有信心？

　　你還別説，火箭推進器就是類似於一個會噴火的葫蘆形裝置，火箭之所以能上天全靠這個葫蘆狀的法寶。

來源：新華網

　　火箭是航天器的運載工具，能夠攜帶多種實驗器材和觀測儀器上太空，是種利用噴射的工****質產生反作用力推進的飛行器。相比於普通飛機這種上天的航空器，火箭升空的速度那可是槓槓的。想要上天？小編推薦你用火箭。

來源：搜狐

　　你看火箭模型，會發現火箭的pp下面有幾個小“腳”。你要是把他拆下來看，會發現這個腳竟然還是葫蘆形狀****的。可千萬不要以為這真的是腳，這可就是火箭的推進器的拉瓦爾噴管（也作德拉瓦爾），是火箭能夠上天的關鍵。

拉瓦爾噴管 來源：wikipedia

　　01

　　低速流體的流動

　　任何生理過程和物理化學實驗都遵循能量守恆定律和質量守恆定律，流體在流動過程中也同理。

　　流體流動過程中會遵循質量守恆對應的連續性定理，同一時間內流體流進任意截面的流量和從另一截面流出的流量相等。可以得到推論：低速（小於聲速很多）理想流體（遵循理想流體狀態方程）連續不斷地流經一個粗細不一的管子時，粗的地方流的慢，細的地方流的快。這主要是為了保證流量在管道的各個截面上相等。你也可以在水龍頭上進行嘗試，小編提示：不要太過哦，否則你還得洗個澡。

細的地方流速快，粗的地方流速慢 來源：vapotherm

　　流體流動也會遵循能量守恆對應的伯努利原理，對應伯努利方程：

　　其中，P為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。由此也可以得到這樣的一個推論：低速理想流體，在速度相對大的部分靜壓力會更小一點（文丘裏效應），可以理解為流體的勢能存在和動能的相互轉化。像文氏流量計就是和它有關。

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

　　02

　　高速流體的流動

　　火箭噴管中推進氣流真實情況下是非常複雜滴，氣流的狀態能夠達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，可以將流體根據不同的馬赫數的速度劃分為：不可壓縮、亞音速、跨音速、超音速、高超音速和超高速流。

流速為不同馬赫數的流體對應的名稱 來源：wikipedia

　　真實情況下氣體密度還會改變，而且氣流是三維空間的流動，所以在理解氣流性質時可以做一些簡化。可以設想氣流是一維的絕熱等熵流動，穩定且符合理想氣體狀態方程。那麼結合能量守恆定律和質量守恆定律，經過複雜的微分方程的推導，可以得到速度與截面積變化的關係式：

　　其中 M 代表氣流的馬赫數，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麼結論呢？

　　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，面積擴大則流速下降。超音速則相反。

　　那我們知道火箭的發射基於動量守恆定律，如果能夠使有限的工質在燃燒後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？**那麼太空旅遊那就得以實現了。然而到這裏就出現問題了。根據以上結論可以看到在截面收縮的管裏的氣流，雖然能夠對低於音速的氣流進行加速，但是存在以音速為上限的限制。而對於截面擴展的管來説，雖然能夠使超音速氣流進一步加速，但是要是氣流達到超音速談何容易。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，只是準確的説應該是沙漏狀。

　　03

　　拉瓦爾噴管

　　在還沒有發明拉瓦爾噴管之前，在人們的觀念裏提升噴出蒸汽的速度，得用口徑縮小的噴嘴並增加流體壓強。所以他們以為，氣流的速度是存在上限的。直到瑞典的發明家卡爾·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張的部分。噴出的蒸汽竟然達到了前所未有的速度，這種口徑先縮小後擴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器上。

氣流通過火箭推進器的噴管噴出 來源：aerospaceweb

火箭推進器 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下加速時看似不可調和的矛盾。**如圖在噴管的喉管（管中間最細的部分）左側為氣流進口，充分燃燒的工質在排出時在喉管處從亞音速被加速到1馬赫。在過了喉管之後，管口豁然開朗，已經達到音速的氣流就很快被加速到了7-8馬赫的超音速狀態。（速度分佈如圖中藍線）

拉瓦爾噴管模型圖 來源：wikipedia

　　氣流温度和氣流壓強也從非常高的狀態，在經歷過加速之後變小。（温度和壓強在管內的分佈如圖中紅線和藍線。）這個過程也就一個能量守恆原理，燃燒後廢氣的內能轉化成了超音速流的動能。

　　可以用以下公式計算出氣流的速度：

　　舉個例子：氣流進入噴嘴的氣壓為p  = 7.0 MPa，並在臨界壓力為p e = 0.1 MPa時排出管口。當臨界温度為T = 3500 K，等熵膨脹係數為γ = 1.22，摩爾質量為M  =22 kg / kmol時。由上述方程，可得出排氣速度v e = 2802 m / s或2.80 km / s。

　　這下有了這麼高速的氣流，就不愁火箭上不了天了！

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　　拉瓦爾噴管的三種膨脹模式

　　然而拉瓦爾一笑，事情並沒有這麼簡單。拉瓦爾噴管噴出的超音速氣流的壓強是不一樣的，所以我們所看到的火焰的姿態也不一樣。可以將氣流的行為劃分為三種：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該降低到和大氣壓強一樣的程度。**也就是氣流噴出來不會再發生進一步膨脹或者壓縮，所有的內能都轉換成了氣流動能（對應上圖中間的情況）。這種情況也是最高效的，但是這種情況只能通過調節管的形態，在某一特定的海拔下存在（不同海拔氣壓是不同的）。

火箭升空時的尾焰 來源：Giphy

　　**當氣流氣壓低於出口大氣壓，稱為膨脹不足。**這種情況下，氣流離開噴嘴後還會繼續向外擴張，沒有完全把內能轉化成動能。離開噴嘴繼續膨脹的氣流不會再給噴嘴提供反作用力了，因此效率很低。這時候可以通過延長噴嘴來提升效率。

來源：shutterstock

　　**當氣流氣壓低於出口大氣壓，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。這樣的就會浪費掉還沒來得及提供反作用力的氣流，所以效率也低。這時可以通過縮短噴嘴來提升效率。但實際上在大氣中大部分噴管都會過度膨脹，併產生非常好看的鑽石形狀的馬赫環。

噴氣式戰鬥機的馬赫環

　　小編於是想到，多級火箭在不同高度還要脱掉不同級別的外殼。除了減少多餘的負載重量之外，是不是還為了選擇合適形狀的拉瓦爾管，以保持推進器在特定海拔高度的高效推進呢？

　　中國航天事業，起步於上個世紀中期（1956年），到現在已歷經60餘年。今年是中國航天非凡的一年，有北斗衞星三代成功組網，有預計7月到8月即將發射的火星探測器，有預計10月份實施的嫦娥5號無人月面取樣返回，還有中國空間站也將在今年開始逐步搭建。

嫦娥n號們 來源：騰訊網

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　　結語

　　胖五的技能小編是學不來。沒有推進器，要想活動自如，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）