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喷管的形状

2021-07-05 09:10:00
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火箭点火时那个喷出火焰的喇叭形的装置,就是喷管。它是火箭发动机推力室的一个重要装置。负责将推进剂燃烧产生的高温、高压燃气的热能转化为动能。大家平时看到的“大喇叭”其实是它的后半部分,喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉,也就是倒着的“小喇叭”。  

火箭工程师冯o布劳恩和巨大的土星五号火箭尾喷管  

窄喉之后又由小变大向外扩张至出口,也就是我们看到的“大喇叭”。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部,穿过窄喉后由后半部喷出。这一结构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化,燃气通过喉部后,在喷管中进一步的膨胀、加速,马赫数从1增加至4左右,喷管出口处的燃气喷射速度高达3500m/s以上,以获得巨大的推力。由于它是瑞典人拉瓦尔发明的,因此这种“喇叭形”的喷管被称为"拉瓦尔喷管"。

反直觉的喷管现象  

这里有一个看似违反直觉的现象:玩过水管的朋友都知道,当你把水管用手捏扁的时候,水流会变细且能喷出去更远。那么这个尾喷管为什么反而逐渐变粗呢?这样的话速度不是会降低了吗?简单来讲是这样的,水流与火箭的燃气不同。水流是不可压缩的流体,而火箭燃烧产生的高压燃气在窄喉的两侧的压强不同,温度也不同。无论再大的压强,燃气在窄喉处的速度只能达到声速,当燃气越过窄喉后,在尾喷管处膨胀降温,把内能转变为动能。因此,喷管在火箭的能量转换过程中起着非常关键的作用。


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