給你講個(gè)球！火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室效率真和噴管沒關(guān)系，中國(guó)也不行

又一個(gè)被AI自動(dòng)刪除的評(píng)論出現(xiàn)在W君的dashbroad上了。看著的確會(huì)讓人大笑。

為啥刪除掉的評(píng)論，有時(shí)W君看到了也會(huì)拿出來(lái)聊聊呢？先說(shuō)下AI的規(guī)則：

這一條評(píng)論就符合第一條了“嚴(yán)重違背客觀規(guī)律，違反科學(xué)原理”，現(xiàn)在AI浪潮要熄滅了，很多人都說(shuō)AI笨，但有的時(shí)候比很多的人強(qiáng)。

這句話吧，“火箭”、“發(fā)動(dòng)機(jī)”、“斜爆震”、“噴管”、“燃燒室”、“提高效率”，哪一個(gè)單獨(dú)拿出來(lái)都是高科技，怎么就被這位爺一組合就倍顯無(wú)厘頭了呢？

最近W君迷上看鑒寶節(jié)目，知道了一個(gè)詞叫做“國(guó)寶幫”，通常是一群衣著樸素的中老年人，拿著價(jià)值幾個(gè)億的國(guó)寶級(jí)古董找人鑒定的段子。自信滿滿，但全然不顧青花瓷塑料碗上那個(gè)“適用微波爐”的字樣。

人嘛，本無(wú)二致，就像有些東西，在豪宅的紙簍里和在郊外的填埋場(chǎng)里都會(huì)被稱作垃圾一樣——換個(gè)場(chǎng)景也沒區(qū)別。出現(xiàn)在古董圈的“國(guó)寶幫”，和在軍事圈、科技圈、歷史圈里端著術(shù)語(yǔ)亂拼的人，本質(zhì)上都是同一類人。

既然提到了“懂得個(gè)球”，那咱們可以先從一個(gè)球聊起：

地面上有個(gè)球，球頂有一個(gè)質(zhì)量為m的滑塊沿著球面滑落，那么當(dāng)θ為多少度的時(shí)候滑塊對(duì)球體的壓力最小？這好像是一個(gè)初中物理題吧？

當(dāng)時(shí)很多人就會(huì)回答θ=90?，顯而易見的是當(dāng)θ=90?的時(shí)候，滑塊已經(jīng)和球體變?yōu)榱送耆珎?cè)邊接觸，以至于不會(huì)對(duì)球體造成壓力。

與其說(shuō)這是一個(gè)物理題，不如說(shuō)這是一個(gè)認(rèn)知題，很多人只會(huì)看到球所收到的壓力是由重力造成的，隨著球向下滑動(dòng)，球體所受到的壓力必然減少，到了θ=90?的時(shí)候壓力必然為0.

這就像“國(guó)寶幫”一樣，認(rèn)定了瓷質(zhì)器皿上印著藍(lán)色花紋就是“青花瓷”一樣，所以就能推定出自己手里的大碗價(jià)值連城，哪怕碗底印著“適用微波爐”。

實(shí)際上，滑塊要在球面上運(yùn)動(dòng)，需要向心力來(lái)維持曲率半徑。如果沒有額外的法向力補(bǔ)充，重力分量就得承擔(dān)這個(gè)任務(wù)。

結(jié)果一算，就會(huì)發(fā)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)真正失壓點(diǎn)在 θ≈48.2?，下降高度 R/3的位置上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)在“直覺以為的90°”之前。在重力加速的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，滑塊根本不會(huì)到達(dá)θ=90?的位置就會(huì)飛離球面了。

一些人得不出正確的結(jié)論，就在于可能是學(xué)了斜面壓力問題，但是沒有來(lái)得及學(xué)到曲線運(yùn)動(dòng)問題。

事情就是這么簡(jiǎn)單——知道幾個(gè)詞，或稍微了解了幾件事不一定能了解事情的全貌的。然而，要是論一下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)當(dāng)年W君是學(xué)這玩意的。

說(shuō)回今天的話題，為什么“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室效率真和噴管沒關(guān)系”？一樣的道理，火箭噴管是很多人聽說(shuō)過的，至少很多博主在講拉瓦爾噴管多牛多牛、氣尖噴管多厲害……這件事大家至少都有一個(gè)耳濡目染。你知道火箭噴管的基本原理，但真心不代表你能理解火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的原理啊！這兩個(gè)東西雖然離得近，但他們的的確確是兩個(gè)完全不一樣的東西。

其實(shí)，相對(duì)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管來(lái)說(shuō)，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室可以說(shuō)是小得無(wú)以復(fù)加，在整個(gè)火箭上幾乎是芝麻綠豆大小的一個(gè)部件。

不僅如此，在現(xiàn)代火箭設(shè)計(jì)中其實(shí)火箭并沒有獨(dú)立的燃燒室，在一般的設(shè)計(jì)構(gòu)型中火箭的燃燒室和拉瓦爾噴管的前半段被組合在一起，統(tǒng)稱“推力室”。簡(jiǎn)單的理解就是“燃燒室”在現(xiàn)代液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的地位有些名不正言不順的感覺了。

現(xiàn)在，咱們說(shuō)下液體火箭發(fā)動(dòng)的燃燒室：

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室的“燃燒室”部分，本質(zhì)上就是一個(gè)把推進(jìn)劑化學(xué)能轉(zhuǎn)化為高溫高壓燃?xì)獾摹盃t子”。

所需要做的事情就是讓燃料燃燒放熱——這句話像是廢話對(duì)吧？但是，在我們學(xué)習(xí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的時(shí)候火箭燃燒室的綜合特征其實(shí)就是一個(gè)C*，這是把所有的相關(guān)參數(shù)放在一起最終指向的這么一個(gè)特征數(shù)值。

p?很簡(jiǎn)單，就是燃燒室壓力，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們會(huì)把燃燒室的壓力均一化，只會(huì)把燃燒室內(nèi)的燃?xì)饪醋饕粓F(tuán)具有巨大壓力的氣體。由于燃燒室密閉只有一個(gè)開口通向噴管，那么這個(gè)開口的截面積就是A?了，有了壓力有了截面積實(shí)際上就是“推力”。但是，火箭是一個(gè)遵從動(dòng)量守恒定律的設(shè)備。單有推力是不夠的，還得看向后拋出多少東西，拋出的東西多少特別好計(jì)算，其實(shí)就是每秒進(jìn)入火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的燃料和氧化劑的質(zhì)量。于是除法除一下就得出了燃燒室的C*——特征速度m/s。當(dāng)然了，在理想氣體條件下，這個(gè)公式還可以寫成顯式的熱力學(xué)形式：

在這種形勢(shì)下，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，這件事就只和燃燒溫度、比熱值和燃?xì)獬?shù)有關(guān)了。所以說(shuō)，這東西是燃燒室的特征值，和噴管的設(shè)計(jì)沒有一毛錢關(guān)系。

原因很簡(jiǎn)單，如果噴管的設(shè)計(jì)改變了燃燒室的效率這件事本身就違背了能量守恒定律。

換個(gè)很多人都能秒懂的說(shuō)法——汽車輪胎的花紋、寬窄、胎壓，決定了你能不能把發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩更好地“用出去”，但它永遠(yuǎn)不會(huì)改變發(fā)動(dòng)機(jī)本身能輸出多少扭矩。

那么火箭噴管的設(shè)計(jì)影響的是啥？

火箭噴管的作用，其實(shí)就是把燃燒室里那鍋高溫高壓燃?xì)獗M可能徹底地膨脹，讓儲(chǔ)存在其中的壓力能和熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，從而形成高速射流。噴管的幾何形狀和膨脹比直接決定了推力室的推力系數(shù) CF，也就是說(shuō)，決定了燃燒室給出的那一份壓力到底能被多高效地用出來(lái)。設(shè)計(jì)得好，噴流出口壓力和環(huán)境壓力接近匹配，推力就能接近最大；設(shè)計(jì)得差，噴管會(huì)出現(xiàn)欠膨脹或過膨脹，推力打了折扣。

因?yàn)橥饨绛h(huán)境從海平面到真空變化極大，所以才有拉瓦爾噴管、膨脹比可調(diào)的氣尖噴管等復(fù)雜設(shè)計(jì)。換句話說(shuō)，燃燒室決定了發(fā)動(dòng)機(jī)能“燒”出多少能量，而噴管則決定了這股能量在不同環(huán)境下能否順暢、充分地變成推力。就像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩不取決于輪胎，但輪胎和傳動(dòng)卻決定了你能不能把這股扭矩真正高效地作用在地面上一樣，火箭噴管的意義正在于此。

還換成大家所理解的話來(lái)說(shuō)，一輛車子在正常的天氣里面開的很好，但是一到雪地里面車子就打滑，這是因?yàn)檐囂ズ偷孛娴哪Σ料禂?shù)降低了，一個(gè)正常有理智的人要做的事情是換雪地胎或者慢一些開車，這樣無(wú)論是換胎還是慢些開車本質(zhì)上都是增大車輪和路面之間的摩擦系數(shù)讓發(fā)動(dòng)機(jī)輸出的動(dòng)力能更加有效的推動(dòng)車子前進(jìn)，而不是耗費(fèi)在打空轉(zhuǎn)上。而沒有理智的人會(huì)做啥？加大油門或者尋思著換個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)？

至于斜爆震噴管……兄弟，真心的沒有這玩意。在航天發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域倒是提到了“Nozzle design of oblique detonation wave engine”

這是一個(gè)在德克薩斯大學(xué)攻讀航空航天動(dòng)力的印度博士拉胡爾·庫(kù)馬爾研究爆震波的穩(wěn)定性的時(shí)候?qū)懙恼撐模纸小缎北鸢l(fā)動(dòng)機(jī)噴管設(shè)計(jì)》。并不是說(shuō)這個(gè)噴管是斜爆震的。他們用數(shù)字風(fēng)動(dòng)模擬器做了一個(gè)氫-空氣混合物的斜爆震模擬，研究在不同入口馬赫數(shù)和楔角條件下爆震的形成與出口流場(chǎng)特性，并討論了噴管設(shè)計(jì)如何高效完成熱能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化。

當(dāng)說(shuō)不說(shuō)，2018你那發(fā)表的論文到了今天論文才被引用了5次，這哥們研究的東西夠偏門的。

所以，所謂的“我們的火箭用上了斜爆震噴管，能提高燃燒室效率”這件事相當(dāng)于給車子換了個(gè)輪，車子發(fā)動(dòng)機(jī)加了100馬力，這事情吧什么國(guó)家都做不出來(lái)，咱們雖然屢屢創(chuàng)造奇跡，但是不可能創(chuàng)造神跡！