被稱作“胖五”的長征五號，這不快要發射了嗎。而且還是走帶著火星探測器，去火星這麽(me) 遙遠的路線。你說這個(ge) 胖子怎麽(me) 這麽(me) 有信心？

你還別說，火箭推進器就是類似於(yu) 一個(ge) 會(hui) 噴火的葫蘆形裝置，火箭之所以能上天全靠這個(ge) 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(yi) 器上太空，是種利用噴射的工質產(chan) 生反作用力推進的飛行器。相比於(yu) 普通飛機這種上天的航空器，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(hui) 發現火箭的pp下麵有幾個(ge) 小“腳”。你要是把他拆下來看，會(hui) 發現這個(ge) 腳竟然還是葫蘆形狀的。可千萬(wan) 不要以為(wei) 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(guan) 鍵。

拉瓦爾噴管 來源：wikipedia

01  速流體(ti) 的流動

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

流體(ti) 流動過程中會(hui) 遵循質量守恒對應的連續性定理，同一時間內(nei) 流體(ti) 流進任意截麵的流量和從(cong) 另一截麵流出的流量相等。可以得到推論：低速（小於(yu) 聲速很多）理想流體(ti) （遵循理想流體(ti) 狀態方程）連續不斷地流經一個(ge) 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(wei) 了保證流量在管道的各個(ge) 截麵上相等。你也可以在水龍頭上進行嚐試，小編提示：不要太過哦，否則你還得洗個(ge) 澡。

細的地方流速快，粗的地方流速慢 來源：vapotherm

流體(ti) 流動也會(hui) 遵循能量守恒對應的伯努利原理，對應伯努利方程：

其中，P為(wei) 流體(ti) 中某點的壓強，v為(wei) 流體(ti) 該點的流速，ρ為(wei) 流體(ti) 密度，g為(wei) 重力加速度，h為(wei) 該點所在高度，C是一個(ge) 常量。由此也可以得到這樣的一個(ge) 推論：低速理想流體(ti) ，在速度相對大的部分靜壓力會(hui) 更小一點（文丘裏效應），可以理解為(wei) 流體(ti) 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(guan) 。

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  速流體(ti) 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(ya) 音速甚至高音速，以上得到的推論都不成立啦。1馬赫定義(yi) 為(wei) 1倍的音速，流體(ti) 的速度可以從(cong) 0馬赫到20馬赫以上，可以將流體(ti) 根據不同的馬赫數的速度劃分為(wei) ：不可壓縮、亞(ya) 音速、跨音速、超音速、高超音速和超高速流。

流速為(wei) 不同馬赫數的流體(ti) 對應的名稱 來源：wikipedia

真實情況下氣體(ti) 密度還會(hui) 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(ti) 狀態方程。那麽(me) 結合能量守恒定律和質量守恒定律，經過複雜的微分方程的推導，可以得到速度與(yu) 截麵積變化的關(guan) 係式：

其中 M 代表氣流的馬赫數，A 代表噴管截麵積， v 為(wei) 噴射氣流速度。從(cong) 上麵公式我們(men) 可以得到什麽(me) 結論呢？

簡單概括一下就是亞(ya) 音速（包括低速）如果管截麵收縮則流速增加，麵積擴大則流速下降。超音速則相反。

那我們(men) 知道火箭的發射基於(yu) 動量守恒定律，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？那麽(me) 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麵收縮的管裏的氣流，雖然能夠對低於(yu) 音速的氣流進行加速，但是存在以音速為(wei) 上限的限製。而對於(yu) 截麵擴展的管來說，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(wu) 爾噴管，你可能就恍然大悟了，隻是準確的說應該是沙漏狀。

03  瓦爾噴管

在還沒有發明拉瓦爾噴管之前，在人們(men) 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(ti) 壓強。所以他們(men) 以為(wei) ，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·帕特裏克·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(ya) 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(ce) 為(wei) 氣流進口，充分燃燒的工質在排出時在喉管處從(cong) 亞(ya) 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。（速度分布如圖中藍線）

拉瓦爾噴管模型圖 來源：wikipedia

氣流溫度和氣流壓強也從(cong) 非常高的狀態，在經曆過加速之後變小。（溫度和壓強在管內(nei) 的分布如圖中紅線和藍線。）這個(ge) 過程也就一個(ge) 能量守恒原理，燃燒後廢氣的內(nei) 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(ju) 個(ge) 例子：氣流進入噴嘴的氣壓為(wei) p  = 7.0 MPa，並在臨(lin) 界壓力為(wei) p e = 0.1 MPa時排出管口。當臨(lin) 界溫度為(wei) T = 3500 K，等熵膨脹係數為(wei) γ = 1.22，摩爾質量為(wei) 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。

這下有了這麽(me) 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，事情並沒有這麽(me) 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(men) 所看到的火焰的姿態也不一樣。可以將氣流的行為(wei) 劃分為(wei) 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(cong) 左至右分別為(wei) 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(hui) 再發生進一步膨脹或者壓縮，所有的內(nei) 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，但是這種情況隻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(yu) 出口大氣壓，稱為(wei) 膨脹不足。這種情況下，氣流離開噴嘴後還會(hui) 繼續向外擴張，沒有完全把內(nei) 能轉化成動能。離開噴嘴繼續膨脹的氣流不會(hui) 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(yu) 出口大氣壓，稱為(wei) 過度膨脹。外界大氣壓高，容易使膨脹氣流還沒來得及從(cong) 管口出來，就被大氣壓從(cong) 噴嘴壁上剝離開來。這樣的就會(hui) 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(hui) 過度膨脹，並產(chan) 生非常好看的鑽石形狀的馬赫環。

（點擊圖片可跳轉）

噴氣式戰鬥機的馬赫環

小編於(yu) 是想到，多級火箭在不同高度還要脫掉不同級別的外殼。除了減少多餘(yu) 的負載重量之外，是不是還為(wei) 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(ye) ，起步於(yu) 上個(ge) 世紀中期（1956年），到現在已曆經60餘(yu) 年。今年是中國航天非凡的一年，有北鬥衛星三代成功組網，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號無人月麵取樣返回，還有中國空間站也將在今年開始逐步搭建。

嫦娥n號們(men)  來源：騰訊網

04  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）

關(guan) 注【深圳科普】微信公眾(zhong) 號，在對話框：
回複【最新活動】，了解近期科普活動
回複【科普行】，了解最新深圳科普行活動
回複【研學營】，了解最新科普研學營
回複【科普課堂】，了解最新科普課堂
回複【科普書(shu) 籍】，了解最新科普書(shu) 籍
回複【團體(ti) 定製】，了解最新團體(ti) 定製活動
回複【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回複【觀鳥星空体育官网入口网站】，學習(xi) 觀鳥相關(guan) 科普星空体育官网入口网站