為什麼火箭發動機都是小蠻腰？

關於火箭發動機為什麼都是小蠻腰，我們可以追溯到120多年前，那時萊特兄弟還沒造出飛機，更別提火箭了。

而其原理，我們可從最簡單的日常生活說起——

「小蠻腰」的結構原理

芊芊「楊柳腰」——火箭發動機的「喉部」

拿水管沖洗地面時，相信很多人有過這樣的衝動：把水管口捏細一些，再細一些，以便讓水流射得更遠。

這個道理大家都懂，更何況是那些頂尖聰明的火箭發動機設計師呢。

你說不對！

火箭發動機的出口不是逐漸縮小，而是像喇叭一樣的大敞口。這麼來看的話，火箭發動機的噴口跟我們的日常經驗是相違背的。

然而事實是，不違背！

原因如下：

我們以為，上圖就是火箭發動機噴管的全部，但其實，它只是其中的一部分。整個火箭發動機噴管，其剖面圖大概是下圖這樣的：

可以看到，上圖的發動機噴管，中間有一個最窄的地方，那就是火箭發動機「小蠻腰」的位置。

如上圖所示，箭頭所指的地方，叫做火箭發動機的「喉部」，為什麼喉部最細？原因前文已經說了，這類似於你用水管沖刷地面，然後將出水口捏細，以便得到速度更快的水流是一樣的。

火箭發動機噴管結構示意圖

喉部的左面是漸縮段，顧名思義，就是逐漸縮小，並在喉部時達到最小。到這裡，火箭發動機的原理跟我們的日常經驗是相同的。

婀娜「豐腴臀」——火箭發動機的漸擴段

了解了「喉部」的構造原理，我們最大的問題是，為什麼不在喉部結束，而是又來一個像大喇叭一樣的漸擴段？

此事得從1890年說起，那時，瓦特的蒸汽機早已普及（1781年，瓦特獲得蒸汽機的發明專利），於是，人們想的是如何用高壓的蒸汽快速衝擊葉輪，從而得到效率更高的汽輪機。

顯然，蒸汽的速度越快，蒸汽含有的動能越大，從而汽輪機的效率也就越高。可如何提高蒸汽的衝擊速度呢？不難，跟你將水管的出口捏細一樣——縮小蒸汽噴口。

多數人的想法是，蒸汽噴口越小，蒸汽的速度越快。然而，那時的人們繼續做實驗後，卻驚訝地發現，當蒸汽噴口小到一定程度，那麼蒸汽的速度就不會再變了，此時的蒸汽速度恰好等於1馬赫，也就是1倍音速，這就是壅塞現象。

關於壅塞現象的數學解釋，需要一大堆流體力學的公式來證明，這些公式誰看誰懷疑人生，我們也就不去觸碰了。

總之你只要知道這一點就行，即：我們不能通過無限制地縮小出口，以便讓流體的速度超過1馬赫。

M代表馬赫數

如上圖所示，當喉部的流體速度小於1馬赫時，我們還可以將喉部繼續變細（橫截面變小），從而增加喉部處的流體速度。

但是……

當喉部流體的速度等於1馬赫時，此時，無論我們再怎麼縮小喉部，或者繼續增加燃燒室的壓力，喉部處的速度還是1馬赫，不會再提高了，這就是壅塞現象。

走投無路時，有一個人出現了，他就是瑞典工程師和發明家拉瓦爾。1890年，拉瓦爾設計了一個噴嘴，可將蒸汽的噴射速度增加到超音速。他是怎麼做的呢？很簡單，將噴嘴延伸，變成大喇叭狀，也就是上文說的「漸擴段」。

後人將他設計的這種噴管叫做拉瓦爾噴管，又叫漸縮漸闊噴管。

最初，這種噴管用在汽輪機上，後來用到火箭發動機上。

疑問一：

1馬赫等於1倍音速，這是不是說，無論我們再怎麼增加燃燒室（漸縮段）的溫度和壓力，火箭發動機喉部的燃氣速度都不會超過1倍音速？可是這不合常理呀，因為我們都知道，音速約等於每秒343米，如果火箭的燃氣以這個速度排放，還怎麼上天？

回答一：

音速跟密度、溫度、壓力密切相關。密度越大，音速的值就越大，比如聲音在金剛石中以12000米/秒的速度傳播。溫度越大，音速的值越大。零下25攝氏度時，音速約等於316米每秒，而在35攝氏度時，音速約等於352米每秒。

同理，壓力越大，音速的值越大。

而火箭燃燒室裡面是非常極端的環境，幾百個大氣壓，還有數千攝氏度高溫，此時，這個極端環境下的音速就不再是340米每秒了，而是高達1700米每秒左右。

也就是說，在發動機喉部高溫高壓的燃氣中，假如聲音此時的傳播速度是1600米每秒，那麼喉部的燃氣速度最大也將是1600米每秒。

疑問二：

為什麼火箭發動機在喉部處增加一個大喇叭後，燃氣的噴射速度不會降低，反而會進一步提升到數倍音速？

回答二：

咱們用一張圖來回答。這張圖看似複雜，但其實很好理解。

圖片作者：ЮК

上圖中，頂部紅色的線代表絕對溫度T，中間綠色的線代表壓力P，仔細觀察這兩根線的走向，就會發現，壓力P和溫度T在燃燒室最高，位於喉部時，降低，位於大喇叭（漸擴段）時，進一步降低。

既然在大喇叭處，燃氣的壓力和溫度都在降低，那麼這些能量跑哪去了？

顯然，能量不會無緣無故消失，它們都轉變成燃氣的動能了。因此，上圖藍色的那根線V，它在燃燒室最小，喉部時達到1馬赫，出了喉部後，速度得以繼續提高。

綜上，就是火箭發動機大都是「小蠻腰」的原因。

出品：科普中國

製作：寒木釣萌

監製：中國科學院計算機網路信息中心

「科普中國」是中國科協攜同社會各方利用信息化手段開展科學傳播的科學權威品牌。

本文由科普中國融合創作出品，轉載請註明出處。

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