德·拉伐尔渐缩渐扩喷管如何工作
火箭喷管中间窄、两端宽。跟着燃气从高压进气口进入,穿过使其达到音速的狭窄喉部,再从逐渐变宽的钟形段以高速超音速射流喷出的全过程。
发生的顺序
燃气进入
→
收敛段
→
喉部
→
扩张段
→
高速射流
火箭喷管中间窄、两端宽。跟着燃气从高压进气口进入,穿过使其达到音速的狭窄喉部,再从逐渐变宽的钟形段以高速超音速射流喷出的全过程。
德·拉伐尔喷管是一段经过精心成型的管道,先收窄再变宽——也就是经典的钟形火箭喷管。它分成两段的形状让高压燃气膨胀到极高的速度,因此排气携带的动量便成为推力。
从外面看,喷管只是一只钟。真正关键的是管道沿气流方向的变化:在哪里收窄、哪里最窄、哪里变宽。剖面图能让这些变化一目了然。
来自燃烧室的燃气在进气室中以高压汇集。这份压力正是喷管即将转化为速度的能量。
随着通道朝喉部收窄,燃气被挤进更小的截面,因而加速。等它接近喉部时,已经流动得很快。
喉部是最小的截面。燃气在此达到音速。正是这个音速状态,使随后的变宽段能够继续加速它,而不是让它减速。
过了喉部,通道变宽。由于气流已经处于音速,变宽此时会让它加速。燃气在钟形段中膨胀、加速到超音速。
燃气最终以高速射流喷出。排气越快,携带的动量越大,发动机产生的推力也就越大。
狭窄的喉部让燃气达到音速。过了这一点,变宽的通道会让气流加速而不是减速,两种形状配合,才能得到高速排气。
它是通道的最小截面,燃气在此达到音速。正是这一条件让扩张段能够继续加速燃气,而不是让它减速。
钟形就是扩张段。它弯曲的形状引导燃气膨胀加速,使排气尽可能快地喷出,从而携带更多推力。
不一定。最佳出口尺寸取决于外界压力。为某一高度匹配的喷管,在另一高度可能效率更低,因此设计时必须权衡。
不是。漏斗在变宽时让流动变慢;而过了音速喉部,喷管恰恰相反,让流动加速,这正是它对火箭有用的原因。