喷口越细射速越高，可火箭发动机为何都是大喇叭？

出品：科普中国

制作：寒木钓萌

监制：中国科学院计算机网络信息中心

火箭发动机之所以是小蛮腰，其起源可以追溯到120多年前，那时莱特兄弟还没造出飞机，更别提火箭了。

而其原理，我们可从你身边说起。

拿水管冲洗地面时，相信很多人有过这样的冲动：把水管口捏细一些，再细一些，以便让水流射得更远。

这个道理正常人都懂，更何况是那些顶尖聪明的火箭发动机设计师呢。

你说不对！

火箭发动机的出口不是逐渐缩小，而是像喇叭一样的大敞口。这么来看的话，火箭发动机的喷口跟我们的日常经验是相违背的。

不违背！原因如下：

我们以为，上图就是火箭发动机喷管的全部，但其实，它只是其中的一部分。

整个火箭发动机喷管，其剖面图大概是下图这样的：

可以看到，上图的发动机喷管，中间有一个最窄的地方，那就是火箭发动机“小蛮腰”的位置。

如上图所示，箭头所指的地方，叫做火箭发动机的“喉部”，为什么喉部最细？原因前文已经说了，这类似于你用水管冲刷地面，然后将出水口捏细，以便得到速度更快的水流是一样的。

火箭发动机喷管结构示意图

喉部的左面是渐缩段，顾名思义，就是逐渐缩小，并在喉部时达到最小。到这里，火箭发动机的原理跟我们的日常经验是相同的。

最大的问题是，为什么不在喉部结束，而是又来一个像大喇叭一样的渐扩段？

此事得从1890年说起，那时，瓦特的蒸汽机早已普及（1781年，瓦特获得蒸汽机的发明专利），于是，人们想的是如何用高压的蒸汽快速冲击叶轮，从而得到效率更高的汽轮机。

显然，蒸汽的速度越快，蒸汽含有的动能越大，从而汽轮机的效率也就越高。可如何提高蒸汽的冲击速度呢？不难，跟你将水管的出口捏细一样——缩小蒸汽喷口。

多数人的想法是，蒸汽喷口越小，蒸汽的速度越快。然而，那时的人们继续做实验后，却惊讶地发现，当蒸汽喷口小到一定程度，那么蒸汽的速度就不会再变了，此时的蒸汽速度恰好等于1马赫，也就是1倍音速，这就是壅塞现象。

关于壅塞现象的数学解释，需要一大堆流体力学的公式来证明，这些公式谁看谁怀疑人生，我们也就不去触碰了。

总之你只要知道这一点就行，即：我们不能通过无限制地缩小出口，以便让流体的速度超过1马赫。

M代表马赫数。

如上图所示，当喉部的流体速度小于1马赫时，我们还可以将喉部继续变细（横截面变小），从而增加喉部处的流体速度。

但是……

当喉部流体的速度等于1马赫时，此时，无论我们再怎么缩小喉部，或者继续增加燃烧室的压力，喉部处的速度还是1马赫，不会再提高了，这就是壅塞现象。

走投无路时，有一个人出现了。

他就是瑞典工程师和发明家拉瓦尔。1890年，拉瓦尔设计了一个喷嘴，可将蒸汽的喷射速度增加到超音速。他是怎么做的呢？很简单，将喷嘴延伸，变成大喇叭状，也就是上文说的“渐扩段”。

后人将他设计的这种喷管叫做拉瓦尔喷管，又叫渐缩渐阔喷管。最初，这种喷管用在汽轮机上，后来用到火箭发动机上。

疑问一：

1马赫等于1倍音速，这是不是说，无论我们再怎么增加燃烧室（渐缩段）的温度和压力，火箭发动机喉部的燃气速度都不会超过1倍音速？可是这不合常理呀，因为我们都知道，音速约等于每秒343米，如果火箭的燃气以这个速度排放，还怎么上天？

解答：

音速跟密度、温度、压力密切相关。

密度越大，音速的值就越大，比如声音在金刚石中以12000米/秒的速度传播。

温度越大，音速的值越大。零下25摄氏度时，音速约等于316米每秒，而在35摄氏度时，音速约等于352米每秒。

同理，压力越大，音速的值越大。

而火箭燃烧室里面是非常极端的环境，几百个大气压，还有数千摄氏度高温，此时，这个极端环境下的音速就不再是340米每秒了，而是高达1700米每秒左右。

也就是说，在发动机喉部高温高压的燃气中，假如声音此时的传播速度是1600米每秒，那么喉部的燃气速度最大也将是1600米每秒。

疑问二：

为什么火箭发动机在喉部处增加一个大喇叭后，燃气的喷射速度不会降低，反而会进一步提升到数倍音速？

回答：

咱们用一张图来回答。这张图看似复杂，但其实很好理解。

图片作者：ЮК

上图中，顶部红色的线代表绝对温度T，中间绿色的线代表压力P，仔细观察这两根线的走向，就会发现，压力P和温度T在燃烧室最高，位于喉部时，降低，位于大喇叭（渐扩段）时，进一步降低。

既然在大喇叭处，燃气的压力和温度都在降低，那么这些能量跑哪去了？显然，能量不会无缘无故消失，它们都转变成燃气的动能了。因此，上图蓝色的那根线V，它在燃烧室最小，喉部时达到1马赫，出了喉部后，速度得以继续提高。

综上，就是火箭发动机大都是“小蛮腰”的原因。

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