冷靜！天舟九號(hào)發(fā)射，驚現(xiàn)水母云，但這樣是效率低的表現(xiàn)

一個(gè)這樣的視頻：

大家就又自嗨起來(lái)了。

這是剛剛“天舟九號(hào)”發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征七號(hào)火箭的發(fā)射視頻片段，我們看到了水母云。早上拉屎的時(shí)候給了個(gè)回復(fù)：

W君說(shuō)“羽流過(guò)膨脹，其實(shí)這樣的視覺(jué)效果好看，但效率并不高”。

有人還得問(wèn)，要怎么提高效率……

那么今天咱們就來(lái)聊聊這種現(xiàn)象到底是怎么產(chǎn)生的，以及W君為什么說(shuō)效率不高，在文末再去回答這位廣東網(wǎng)友的靈魂發(fā)問(wèn)。

先看現(xiàn)場(chǎng)視頻：

在視頻中我們可以看到級(jí)間分離和再點(diǎn)火的過(guò)程，之前連續(xù)的火箭羽流出現(xiàn)間斷，然后嘭的一下又繼續(xù)釋放出來(lái)，只不過(guò)第二次釋放出來(lái)的羽流顯然要比爆炸前的羽流要淡了很多。

其實(shí)再往前的視頻是這樣的：

這是遙測(cè)攝像機(jī)逐漸跟蹤到發(fā)射中的長(zhǎng)征七號(hào)的視頻，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這臺(tái)遙測(cè)相機(jī)在不斷的調(diào)整角度-變焦-調(diào)整角度-變焦，逐步的把火箭的羽流在畫(huà)面中放大，而且我們還會(huì)在視頻的末端發(fā)現(xiàn)這條羽流在一瞬間忽然就變亮了。

這些不刻意去觀察的異象如果不單獨(dú)的指出似乎很少有人注意到。

別驚奇，要冷靜！這些都是一個(gè)正常的運(yùn)載火箭發(fā)射所能展現(xiàn)出的正常現(xiàn)象，并無(wú)太多新奇的地方。從1970年1月10日我們第一次發(fā)射長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭開(kāi)始到今天我們發(fā)射的長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭都是這樣的并沒(méi)有什么好驚奇的地方。

從這種視頻上能看到的并不是火箭技術(shù)的進(jìn)步，而是視頻遙測(cè)技術(shù)的不斷提高。

回到主題，為什么說(shuō)這樣的“水母云”尾流效率低呢？

我們看火箭在發(fā)射架上的尾焰，你會(huì)發(fā)現(xiàn)大多數(shù)時(shí)候這些尾焰是聚攏狀態(tài)，而一枚火箭飛到高空，我們就可以看到尾焰呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)：

這里就有火箭發(fā)動(dòng)機(jī)上的一個(gè)難題了。

目前我們的大部分火箭發(fā)動(dòng)機(jī)采取的都是拉瓦爾噴管

呈現(xiàn)出來(lái)的效果就是一個(gè)反曲線包圍的漸開(kāi)噴管效果。

這是一個(gè)很反直覺(jué)的設(shè)計(jì)

看上圖當(dāng)燃?xì)鈴淖髠?cè)進(jìn)入拉瓦爾噴管的時(shí)候，燃?xì)獾乃俣仁莵喴羲俚模S著拉瓦爾噴管的截面一點(diǎn)點(diǎn)的收縮，燃?xì)獗粔嚎s速度加快，很快到了拉瓦爾噴管的喉部燃?xì)獾乃俣冗_(dá)到音速產(chǎn)生激波，然后過(guò)了喉部后由于壓力快速釋放（速度增加，壓力降低），燃?xì)鈿饬鞯乃俣染瓦M(jìn)一步加快達(dá)到超音速。

之所以可以達(dá)到這個(gè)效果，主要是拉瓦爾噴管喉部后的擴(kuò)張段有一個(gè)“拘束效應(yīng)”，可以兜著氣流完成尾焰的“塑形”，那么問(wèn)題來(lái)了，什么樣的氣流速度可以讓火箭有最大的效率呢？其實(shí)很簡(jiǎn)單燃?xì)鈮毫?外部氣壓。

上面三個(gè)對(duì)比圖：第一個(gè)是燃?xì)鈮毫π∮谕獠繗鈮旱模覀兛梢钥吹饺細(xì)庠跊](méi)有完全經(jīng)過(guò)拉瓦爾噴管的時(shí)候燃?xì)獾倪吘壘秃屠郀枃姽艿膬?nèi)壁脫離了。這實(shí)際上就是在火箭發(fā)射臺(tái)上的燃?xì)庑Ч獠看髿鈮毫Υ笥趪姵龅娜細(xì)鈮毫Α８咚偃細(xì)庵皇且揽孔约旱膽T性向后噴出，但在噴出過(guò)程中有一部分被外界大氣壓憋回去了。簡(jiǎn)單的說(shuō)這種情況就是在當(dāng)前工況下拉瓦爾噴管的長(zhǎng)度太長(zhǎng)了。

中間的情況則是最理想的情況，燃?xì)鈮毫屯饨绱髿鈮合嗤@樣燃?xì)獾淖龉π适亲罡叩模簿褪钦f(shuō)無(wú)需對(duì)抗大氣壓力。

最后的一個(gè)情況，當(dāng)外界大氣壓小于燃?xì)鈮毫Φ臅r(shí)候，燃?xì)鈷昝摿死郀枃姽艿氖`，一離開(kāi)拉瓦爾彭噴管后就迅速擴(kuò)散了——這也就是大家看到的水母云的效果了。本身還可以繼續(xù)加速的燃?xì)饩筒荒芗铀倭耍瑩Q句話說(shuō)——在這種情況下拉瓦爾噴管的長(zhǎng)度又太短了。

火箭方程中Ve是指噴出的燃?xì)馑俣龋緛?lái)可以噴出更快的氣體，卻因?yàn)槔郀枃姽艿拈L(zhǎng)度不夠，讓Ve不能繼續(xù)提高。這也是為什么W君說(shuō)“羽流過(guò)膨脹，其實(shí)這樣的視覺(jué)效果好看，但效率并不高”的原因了。

那么廣東網(wǎng)友的提問(wèn)“怎么提高效率呢？”一般的來(lái)說(shuō)，沒(méi)啥必要提高。大氣的壓力是一個(gè)環(huán)境變量，海平面壓力最高，隨著火箭的升高大氣的壓力會(huì)迅速下降。

因此，我們無(wú)論把火箭噴口做得多長(zhǎng)或者多短，在整個(gè)飛行過(guò)程中都有大部分時(shí)間大氣壓力或者大于噴口壓力或者大氣壓力小于噴口壓力。也就說(shuō)想靠一個(gè)一成不變的噴口長(zhǎng)度來(lái)適應(yīng)所有海拔高度的大氣壓本身就是一個(gè)不切實(shí)際的事情。

所以說(shuō)，高效、低效這種話也就是說(shuō)說(shuō)罷了。更重要的是調(diào)整一個(gè)合適長(zhǎng)度的拉瓦爾噴管，讓火箭在飛行的整個(gè)路程中，有盡量多的一段路程是在一個(gè)效率更高的“舒適區(qū)”就夠了，也就沒(méi)太大必要去考慮某一個(gè)始/末時(shí)間點(diǎn)的過(guò)膨脹或者欠膨脹問(wèn)題。

在這件事上躺平也就沒(méi)什么心里不安的情緒了。

當(dāng)然了，最近幾年，我國(guó)還在這方面有一些“不躺平”的進(jìn)展，例如西北工業(yè)大學(xué)有一個(gè)課題叫做“應(yīng)變-彎矩的半柔壁噴管大撓度變形重構(gòu)”，研究的就是在不同工況需求下，改變拉瓦爾噴管的形狀讓火箭燃?xì)獾玫礁蟮男梳尫诺恼n題。

通過(guò)一些活動(dòng)組件來(lái)改變噴管的物理形態(tài)。這樣理論上來(lái)說(shuō)噴管噴出的燃?xì)馑俣仍谡麄€(gè)飛行過(guò)程中會(huì)有更大的“舒適區(qū)”。

不過(guò)，這種研究目前還只是一個(gè)研究方向，并沒(méi)有得到真正的應(yīng)用。原因也很簡(jiǎn)單——在噴管上額外的動(dòng)作機(jī)構(gòu)的重量還降不下來(lái)、活動(dòng)噴管的強(qiáng)度還沒(méi)有固定噴管的強(qiáng)度大，研究是可以通過(guò)改變噴管的形狀提高燃?xì)鈬姵龅男Ч珵榱四軌蚋淖冃螤疃~外加在火箭上的重量還不能平衡這項(xiàng)改進(jìn)所帶來(lái)的效能收益。

所以……我們要看到不帶水母云更高效運(yùn)行的運(yùn)載火箭恐怕還要有一段路要走。

那么最后一個(gè)問(wèn)題，“為什么視頻的末端發(fā)現(xiàn)這條羽流在一瞬間忽然就變亮了？”：

這次發(fā)射的時(shí)間是2025年7月15日5時(shí)34分，還未破曉，太陽(yáng)還沒(méi)有從地平線下面升起來(lái)，而火箭尾焰沒(méi)有被照亮，在視頻中變亮的那一點(diǎn)恰恰是火箭飛過(guò)了晨昏線夾角，尾焰被陽(yáng)光照亮了。這個(gè)現(xiàn)象和太陽(yáng)落山了，天邊的晚霞還很亮是相同的道理。只不過(guò)視頻是以火箭為中心參照系來(lái)看的，我們恰好看到火箭飛過(guò)晨昏線而已。