新浪科技综合■带火星探测器上天的火箭，为什么有着葫芦形状的推进器？新浪科技综合2020-07-20 10:17:240阅
来源： 中科院物理所
作为一个假期长胖十几斤的人 ， 最近出去玩走得真是费了劲儿 ， 吃了体重大的亏了 。
想起来被称作“胖五”的长征五号 ， 这不也快要发射了吗 。 而且还是走带着火星探测器 ， 去火星这么遥远的路线 。 你说这个胖子怎么这么有信心？
你还别说 ， 火箭推进器就是类似于一个会喷火的葫芦形装置 ， 火箭之所以能上天全靠这个葫芦状的法宝 。
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图1/18来源：新华网火箭是航天器的运载工具 ， 能够携带多种实验器材和观测仪器上太空 ， 是种利用喷射的工质产生反作用力推进的飞行器 。 相比于普通飞机这种上天的航空器 ， 火箭升空的速度那可是杠杠的 。 想要上天？推荐你用火箭 。
你看火箭模型 ， 会发现火箭的屁屁下面有几个小“脚” 。 你要是把他拆下来看 ， 会发现这个脚竟然还是葫芦形状的 。 可千万不要以为这真的是脚 ， 这可就是火箭的推进器的拉瓦尔喷管（也作德拉瓦尔） ， 是火箭能够上天的关键 。
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图2/18拉瓦尔喷管低速流体的流动
任何生理过程和物理化学实验都遵循能量守恒定律和质量守恒定律 ， 流体在流动过程中也同理 。
流体流动过程中会遵循质量守恒对应的连续性定理 ， 同一时间内流体流进任意截面的流量和从另一截面流出的流量相等 。 可以得到推论：低速（小于声速很多）理想流体（遵循理想流体状态方程）连续不断地流经一个粗细不一的管子时 ， 粗的地方流的慢 ， 细的地方流的快 。 这主要是为了保证流量在管道的各个截面上相等 。 你也可以在水龙头上进行尝试 ， 提示：不要太过哦 ， 否则你还得洗个澡 。
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图3/18细的地方流速快 ， 粗的地方流速慢 来源：vapotherm流体流动也会遵循能量守恒对应的伯努利原理 ， 对应伯努利方程：
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图4/18其中 ， P为流体中某点的压强 ， v为流体该点的流速 ， ρ为流体密度 ， g为重力加速度 ， h为该点所在高度 ， C是一个常量 。 由此也可以得到这样的一个推论：低速理想流体 ， 在速度相对大的部分静压力会更小一点（文丘里效应） ， 可以理解为流体的势能存在和动能的相互转化 。 像文氏流量计就是和它有关 。
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图5/18文氏流量计原理 ， 流速快的地方压力小 ， 流速慢的地方压力大 高速流体的流动
火箭喷管中推进气流真实情况下是非常复杂滴 ， 气流的状态能够达到亚音速甚至高音速 ， 以上得到的推论都不成立啦 。 1马赫定义为1倍的音速 ， 流体的速度可以从0马赫到20马赫以上 ， 可以将流体根据不同的马赫数的速度划分为：不可压缩、亚音速、跨音速、超音速、高超音速和超高速流 。
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图6/18流速为不同马赫数的流体对应的名称真实情况下气体密度还会改变 ， 而且气流是三维空间的流动 ， 所以在理解气流性质时可以做一些简化 。 可以设想气流是一维的绝热等熵流动 ， 稳定且符合理想气体状态方程 。 那么结合能量守恒定律和质量守恒定律 ， 经过复杂的微分方程的推导 ， 可以得到速度与截面积变化的关系式：
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图7/18其中 M 代表气流的马赫数 ， A 代表喷管截面积 ，v 为喷射气流速度 。 从上面公式我们可以得到什么结论呢？
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图8/18简单概括一下就是亚音速（包括低速）如果管截面收缩则流速增加 ， 面积扩大则流速下降 。 超音速则相反 。
那我们知道火箭的发射基于动量守恒定律 ， 如果能够使有限的工质在燃烧后以更大的速度喷射出来 ， 火箭岂不是就能获得更高的速度呢？那么太空旅游那就得以实现了 。 然而到这里就出现问题了 。 根据以上结论可以看到在截面收缩的管里的气流 ， 虽然能够对低于音速的气流进行加速 ， 但是存在以音速为上限的限制 。 而对于截面扩展的管来说 ， 虽然能够使超音速气流进一步加速 ， 但是要是气流达到超音速谈何容易 。 不过你要是想起来题目中提到的“葫芦状”的拉乌尔喷管 ， 你可能就恍然大悟了 ， 只是准确的说应该是沙漏状 。
拉瓦尔喷管
在还没有发明拉瓦尔喷管之前 ， 在人们的观念里提升喷出蒸汽的速度 ， 得用口径缩小的喷嘴并增加流体压强 。 所以他们以为 ， 气流的速度是存在上限的 。 直到瑞典的发明家卡尔·古斯塔夫·帕特里克·德·拉瓦尔（Karl Gustaf Patrik de Laval） ， 给口径缩小的喷嘴上加了一段口径扩张的部分 。 喷出的蒸汽竟然达到了前所未有的速度 ， 这种口径先缩小后扩张的喷管就被称作了拉瓦尔喷管 ， 如今被广泛的用在了火箭推进器上 。
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