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( 二 )
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图9/18气流通过火箭推进器的喷管喷出 来源：aerospaceweb
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图10/18火箭推进器拉瓦尔喷管很好的平衡了气流在喷管中 ， 亚音速和超音速状态下加速时看似不可调和的矛盾 。 如图在喷管的喉管（管中间最细的部分）左侧为气流进口 ， 充分燃烧的工质在排出时在喉管处从亚音速被加速到1马赫 。 在过了喉管之后 ， 管口豁然开朗 ， 已经达到音速的气流就很快被加速到了7-8马赫的超音速状态 。 （速度分布如图中蓝线）
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图11/18拉瓦尔喷管模型图气流温度和气流压强也从非常高的状态 ， 在经历过加速之后变小 。 （温度和压强在管内的分布如图中红线和蓝线 。 ）这个过程也就一个能量守恒原理 ， 燃烧后废气的内能转化成了超音速流的动能 。
可以用以下公式计算出气流的速度：
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图12/18举个例子：气流进入喷嘴的气压为p= 7.0 MPa ， 并在临界压力为p e = 0.1 MPa时排出管口 。 当临界温度为T = 3500 K ， 等熵膨胀系数为γ = 1.22 ， 摩尔质量为M=22 kg / kmol时 。 由上述方程 ， 可得出排气速度v e = 2802 m / s或2.80 km / s 。
这下有了这么高速的气流 ， 就不愁火箭上不了天了！
拉瓦尔喷管的三种膨胀模式
然而拉瓦尔一笑 ， 事情并没有这么简单 。 拉瓦尔喷管喷出的超音速气流的压强是不一样的 ， 所以我们所看到的火焰的姿态也不一样 。 可以将气流的行为划分为三种：过度膨胀 ， 理想膨胀 ， 膨胀不足 。
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图13/18拉瓦尔喷管的三种膨胀方式 ， 从左至右分别为过度膨胀 ， 理想膨胀和膨胀不足 来源：aerospaceweb理想情况下管出口处的气流气压应该降低到和大气压强一样的程度 。 也就是气流喷出来不会再发生进一步膨胀或者压缩 ， 所有的内能都转换成了气流动能（对应上图中间的情况） 。 这种情况也是最高效的 ， 但是这种情况只能通过调节管的形态 ， 在某一特定的海拔下存在（不同海拔气压是不同的） 。
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图14/18火箭升空时的尾焰 来源：Giphy当气流气压低于出口大气压 ， 称为膨胀不足 。 这种情况下 ， 气流离开喷嘴后还会继续向外扩张 ， 没有完全把内能转化成动能 。 离开喷嘴继续膨胀的气流不会再给喷嘴提供反作用力了 ， 因此效率很低 。 这时候可以通过延长喷嘴来提升效率 。
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图15/18来源：shutterstock当气流气压低于出口大气压 ， 称为过度膨胀 。 外界大气压高 ， 容易使膨胀气流还没来得及从管口出来 ， 就被大气压从喷嘴壁上剥离开来 。 这样的就会浪费掉还没来得及提供反作用力的气流 ， 所以效率也低 。 这时可以通过缩短喷嘴来提升效率 。 但实际上在大气中大部分喷管都会过度膨胀 ， 并产生非常好看的钻石形状的马赫环 。
于是想到 ， 多级火箭在不同高度还要脱掉不同级别的外壳 。 除了减少多余的负载重量之外 ， 是不是还为了选择合适形状的拉瓦尔管 ， 以保持推进器在特定海拔高度的高效推进呢？
中国航天事业 ， 起步于上个世纪中期（1956年） ， 到现在已历经60余年 。 今年是中国航天非凡的一年 ， 有北斗卫星三代成功组网 ， 有预计7月到8月即将发射的火星探测器 ， 有预计10月份实施的嫦娥5号无人月面取样返回 ， 还有中国空间站也将在今年开始逐步搭建 。
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图17/18嫦娥n号们结语
【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】胖五的技能我是学不来 。 没有推进器 ， 要想活动自如 ， 那咱还是得管住嘴 ， 迈开腿 。 不过不要方 ， 等我先把眼前的手抓羊肉吃了 ， 再减 。
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图18/18
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