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为什么火箭发动机都是小蛮腰?

归档日期:07-03       文本归类:火箭发动机      文章编辑:爱尚语录

  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。

  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。

  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。

  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。

  了解了“喉部”的构造原理,我们最大的问题是,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。

  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。

  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。

  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?

  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。

  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。

  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?

  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。

  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。

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