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出品：科普中国
制作：韩木雕猛
出品单位：中国科学院计算机网络信息中心
至于火箭发动机为什么这么小船舶柴油机配件，我们可以追溯到120多年前，当时莱特兄弟还没有造出飞机，更不用说火箭了。
至于它的原理，我们可以从最简单的日常生活开始——
“小腰”的结构原理
茜茜“柳腰”——火箭发动机的“喉咙”
在用水管冲洗地面时，相信很多人都有过把水管口捏细一点再细一点，让水流得更远的冲动。
这个道理谁都知道，更不用说那些顶尖、聪明的火箭发动机设计师了。
您错了！
火箭发动机的出口不是逐渐变细，而是像喇叭一样打开。 这样看来，火箭发动机的喷管与我们日常的经验相反。
然而事实是，并不违反！
原因如下：
我们认为上图是整个火箭发动机喷管，但实际上，它只是其中的一部分。 整个火箭发动机喷管的横截面大致如下图：
可以看到，上图中的发动机喷管中间最窄的地方，就是火箭发动机的“小腰”位置。
如上图所示，箭头所指的地方被称为火箭发动机的“喉咙”。 为什么喉咙最细？ 原因上面已经说过了。 类似于用水管冲洗地面，然后捏住出水口以获得更快的水流。
火箭发动机喷管结构示意图
喉咙的左侧是逐渐变细的部分。 顾名思义，它逐渐变窄，并在喉咙处达到最低点。 至此，火箭发动机的原理就和我们日常的经验是一样的了。
曼妙的“丰满臀部”——火箭发动机逐渐膨胀的截面
了解了“喉咙”的结构原理后，我们最大的问题是，为什么不是终止于喉咙，而是有另一个像大喇叭一样逐渐扩大的部分？
这件事可以追溯到1890年，当时瓦特的蒸汽机已经普及（1781年，瓦特获得了蒸汽机的发明专利）。 因此，人们思考如何利用高压蒸汽快速冲击叶轮，以获得效率更高的蒸汽机。 汽轮机。
显然，蒸汽的速度越快火箭发动机原理图，蒸汽所含的动能就越大，因而汽轮机的效率就越高。 但如何提高蒸汽的冲击速度呢？ 这并不难，就像捏住水管的出口——缩小蒸汽口一样。
大多数人认为蒸汽喷嘴越小，蒸汽速度越快。 然而，当时的人们继续进行实验后，惊讶地发现，当蒸汽喷嘴小到一定程度时，蒸汽的速度不会发生变化。 此时蒸汽的速度正好等于1马赫，也就是音速的1倍。 ，这就是拥塞现象。
拥堵现象的数学解释需要大量的流体力学公式来证明。 如果有人在生活中看到这些公式并怀疑它们，我们不会碰它们。
简而言之火箭发动机原理图，您需要知道的是，我们无法通过无限缩小出口来使流体流速超过 1 马赫。
M代表马赫数
如上图所示，当喉部的流体速度小于1马赫时，我们还可以继续细化喉部（横截面变小），从而提高喉部的流体速度。
但……
当喉部流体的速度等于1马赫时，此时，无论我们如何收缩喉部或继续增加燃烧室中的压力船舶自动化设备维修，喉部的速度仍然是1马赫，不会再增加。 这就是拥堵现象。
就在他绝望的时候，一个男人出现了。 他就是瑞典工程师、发明家拉瓦尔。 1890年，拉瓦尔设计了一种喷嘴，将蒸汽的喷射速度提高到超音速。 他是怎么做到的呢？ 很简单，把喷嘴延长成大喇叭形状，就是上面说的“渐扩段”。
后人称他设计的喷管为拉瓦尔喷管，也称锥形喷管。
最初，这种喷嘴用于蒸汽涡轮机，后来用于火箭发动机。
问题一：
1马赫等于1倍音速。 这是否意味着无论我们将燃烧室（锥形段）的温度和压力提高多少，火箭发动机喉部的气体速度都不会超过1倍音速？ 但这是不合理的，因为我们都知道声速约为每秒343米。 如果火箭的气体以这样的速度排出，它怎么能到达天空呢？
答案1：
声速与密度、温度和压力密切相关。 密度越大，声速值越大。 例如，声音在钻石中的传播速度为12000米/秒。 温度越高，声速值越大。 在-25摄氏度时，声速约等于每秒316米，在35摄氏度时，声速约等于每秒352米。
同理，压力越大，声速的值就越大。
火箭燃烧室是一个非常极端的环境，有数百个大气压和数千摄氏度的温度。 此时，这种极端环境下的音速不再是每秒340米，而是高达每秒1700米左右。 。
也就是说，在发动机喉部的高温高压气体中，如果此时声音的传播速度为每秒1600米，那么喉部的最大气体速度将为每秒1600米。
问题二：
为什么火箭发动机喉部加装大喇叭后，气体喷射速度不但没有降低，反而进一步提高到数倍音速？
答案2：
我们用一张图来回答吧。 这张图看似复杂，其实很容易理解。
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