小編作為一個假期長胖十幾斤的人，最近出去玩走得真是費了勁兒，吃了體重大的虧了。
想起來被稱作「胖五」的長徵五號，這不也快要發射了嗎。而且還是走帶著火星探測器，去火星這麼遙遠的路線。你說這個胖子怎麼這麼有信心？
你還別說，火箭推進器就是類似於一個會噴火的葫蘆形裝置，火箭之所以能上天全靠這個葫蘆狀的法寶。
來源：新華網
來源：搜狐
你看火箭模型，會發現火箭的pp下面有幾個小「腳」。你要是把他拆下來看，會發現這個腳竟然還是葫蘆形狀的。可千萬不要以為這真的是腳，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鍵。
拉瓦爾噴管 來源：wikipedia
01
低速流體的流動
任何生理過程和物理化學實驗都遵循能量守恆定律和質量守恆定律，流體在流動過程中也同理。
流體流動過程中會遵循質量守恆對應的連續性定理，同一時間內流體流進任意截面的流量和從另一截面流出的流量相等。可以得到推論：低速（小於聲速很多）理想流體（遵循理想流體狀態方程）連續不斷地流經一個粗細不一的管子時，粗的地方流的慢，細的地方流的快。這主要是為了保證流量在管道的各個截面上相等。你也可以在水龍頭上進行嘗試，小編提示：不要太過哦，否則你還得洗個澡。
細的地方流速快，粗的地方流速慢 來源：vapotherm
流體流動也會遵循能量守恆對應的伯努利原理，對應伯努利方程：
其中，P為流體中某點的壓強，v為流體該點的流速，ρ為流體密度，g為重力加速度，h為該點所在高度，C是一個常量。由此也可以得到這樣的一個推論：低速理想流體，在速度相對大的部分靜壓力會更小一點（文丘裡效應），可以理解為流體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。
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
高速流體的流動
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音速甚至高音速，以上得到的推論都不成立啦。1馬赫定義為1倍的音速，流體的速度可以從馬赫到20馬赫以上，可以將流體根據不同的馬赫數的速度劃分為：不可壓縮、亞音速、跨音速、超音速、高超音速和超高速流。
流速為不同馬赫數的流體對應的名稱 來源：wikipedia
真實情況下氣體密度還會改變，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狀態方程。那麼結合能量守恆定律和質量守恆定律，經過複雜的微分方程的推導，可以得到速度與截面積變化的關係式：
其中M代表氣流的馬赫數，A代表噴管截面積，v為噴射氣流速度。從上面公式我們可以得到什麼結論呢？
簡單概括一下就是亞音速（包括低速）如果管截面收縮則流速增加，面積擴大則流速下降。超音速則相反。
那我們知道火箭的發射基於動量守恆定律，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？那麼太空旅遊那就得以實現了。然而到這裡就出現問題了。根據以上結論可以看到在截面收縮的管裡的氣流，雖然能夠對低於音速的氣流進行加速，但是存在以音速為上限的限制。而對於截面擴展的管來說，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」的拉烏爾噴管，你可能就恍然大悟了，只是準確的說應該是沙漏狀。
03
拉瓦爾噴管
在還沒有發明拉瓦爾噴管之前，在人們的觀念裡提升噴出蒸汽的速度，得用口徑縮小的噴嘴並增加流體壓強。所以他們以為，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·派屈克·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）左側為氣流進口，充分燃燒的工質在排出時在喉管處從亞音速被加速到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非常高的狀態，在經歷過加速之後變小。（溫度和壓強在管內的分布如圖中紅線和藍線。）這個過程也就一個能量守恆原理，燃燒後廢氣的內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：
舉個例子：氣流進入噴嘴的氣壓為p= 7.0 MPa，並在臨界壓力為pe= 0.1 MPa時排出管口。當臨界溫度為T= 3500 K，等熵膨脹係數為γ= 1.22，摩爾質量為M=22 kg / kmol時。由上述方程，可得出排氣速度ve= 2802 m / s或2.80 km / s。
這下有了這麼高速的氣流，就不愁火箭上不了天了！
03
拉瓦爾噴管的三種膨脹模式
然而拉瓦爾一笑，事情並沒有這麼簡單。拉瓦爾噴管噴出的超音速氣流的壓強是不一樣的，所以我們所看到的火焰的姿態也不一樣。可以將氣流的行為劃分為三種：過度膨脹，理想膨脹，膨脹不足。
拉瓦爾噴管的三種膨脹方式，從左至右分別為過度膨脹，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再發生進一步膨脹或者壓縮，所有的內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，但是這種情況只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）。
點擊播放 GIF 0.0M
火箭升空時的尾焰 來源：Giphy
當氣流氣壓低於出口大氣壓，稱為膨脹不足。這種情況下，氣流離開噴嘴後還會繼續向外擴張，沒有完全把內能轉化成動能。離開噴嘴繼續膨脹的氣流不會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
當氣流氣壓低於出口大氣壓，稱為過度膨脹。外界大氣壓高，容易使膨脹氣流還沒來得及從管口出來，就被大氣壓從噴嘴壁上剝離開來。這樣的就會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過度膨脹，並產生非常好看的鑽石形狀的馬赫環。
點擊播放 GIF 0.0M
噴氣式戰鬥機的馬赫環
小編於是想到，多級火箭在不同高度還要脫掉不同級別的外殼。除了減少多餘的負載重量之外，是不是還為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，起步於上個世紀中期（1956年），到現在已歷經60餘年。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號無人月面取樣返回，還有中國空間站也將在今年開始逐步搭建。
嫦娥n號們 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）
編輯：Kun