給你講個球！火箭發動機的燃燒室效率真和噴管沒關系，中國也不行

又一個被AI自動刪除的評論出現在W君的dashbroad上了。看著的確會讓人大笑。

為啥刪除掉的評論，有時W君看到了也會拿出來聊聊呢？先說下AI的規則：

這一條評論就符合第一條了“嚴重違背客觀規律，違反科學原理”，現在AI浪潮要熄滅了，很多人都說AI笨，但有的時候比很多的人強。

這句話吧，“火箭”、“發動機”、“斜爆震”、“噴管”、“燃燒室”、“提高效率”，哪一個單獨拿出來都是高科技，怎么就被這位爺一組合就倍顯無厘頭了呢？

最近W君迷上看鑒寶節目，知道了一個詞叫做“國寶幫”，通常是一群衣著樸素的中老年人，拿著價值幾個億的國寶級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“適用微波爐”的字樣。

人嘛，本無二致，就像有些東西，在豪宅的紙簍里和在郊外的填埋場里都會被稱作垃圾一樣——換個場景也沒區別。出現在古董圈的“國寶幫”，和在軍事圈、科技圈、歷史圈里端著術語亂拼的人，本質上都是同一類人。

既然提到了“懂得個球”，那咱們可以先從一個球聊起：

地面上有個球，球頂有一個質量為m的滑塊沿著球面滑落，那么當θ為多少度的時候滑塊對球體的壓力最小？這好像是一個初中物理題吧？

當時很多人就會回答θ=90?，顯而易見的是當θ=90?的時候，滑塊已經和球體變為了完全側邊接觸，以至于不會對球體造成壓力。

與其說這是一個物理題，不如說這是一個認知題，很多人只會看到球所收到的壓力是由重力造成的，隨著球向下滑動，球體所受到的壓力必然減少，到了θ=90?的時候壓力必然為0.

這就像“國寶幫”一樣，認定了瓷質器皿上印著藍色花紋就是“青花瓷”一樣，所以就能推定出自己手里的大碗價值連城，哪怕碗底印著“適用微波爐”。

實際上，滑塊要在球面上運動，需要向心力來維持曲率半徑。如果沒有額外的法向力補充，重力分量就得承擔這個任務。

結果一算，就會發現發現真正失壓點在 θ≈48.2?，下降高度 R/3的位置上，遠遠在“直覺以為的90°”之前。在重力加速的運動狀態下，滑塊根本不會到達θ=90?的位置就會飛離球面了。

一些人得不出正確的結論，就在于可能是學了斜面壓力問題，但是沒有來得及學到曲線運動問題。

事情就是這么簡單——知道幾個詞，或稍微了解了幾件事不一定能了解事情的全貌的。然而，要是論一下火箭發動機當年W君是學這玩意的。

說回今天的話題，為什么“火箭發動機的燃燒室效率真和噴管沒關系”？一樣的道理，火箭噴管是很多人聽說過的，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動機燃燒室的原理啊！這兩個東西雖然離得近，但他們的的確確是兩個完全不一樣的東西。

其實，相對于火箭發動機噴管來說，火箭發動機的燃燒室可以說是小得無以復加，在整個火箭上幾乎是芝麻綠豆大小的一個部件。

不僅如此，在現代火箭設計中其實火箭并沒有獨立的燃燒室，在一般的設計構型中火箭的燃燒室和拉瓦爾噴管的前半段被組合在一起，統稱“推力室”。簡單的理解就是“燃燒室”在現代液體火箭發動機設計中的地位有些名不正言不順的感覺了。

現在，咱們說下液體火箭發動的燃燒室：

火箭發動機推力室的“燃燒室”部分，本質上就是一個把推進劑化學能轉化為高溫高壓燃氣的“爐子”。

所需要做的事情就是讓燃料燃燒放熱——這句話像是廢話對吧？但是，在我們學習火箭發動機的時候火箭燃燒室的綜合特征其實就是一個C*，這是把所有的相關參數放在一起最終指向的這么一個特征數值。

p?很簡單，就是燃燒室壓力，為了簡化計算，我們會把燃燒室的壓力均一化，只會把燃燒室內的燃氣看作一團具有巨大壓力的氣體。由于燃燒室密閉只有一個開口通向噴管，那么這個開口的截面積就是A?了，有了壓力有了截面積實際上就是“推力”。但是，火箭是一個遵從動量守恒定律的設備。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算，其實就是每秒進入火箭發動機燃燒室的燃料和氧化劑的質量。于是除法除一下就得出了燃燒室的C*——特征速度m/s。當然了，在理想氣體條件下，這個公式還可以寫成顯式的熱力學形式：

在這種形勢下，你就會發現，這件事就只和燃燒溫度、比熱值和燃氣常數有關了。所以說，這東西是燃燒室的特征值，和噴管的設計沒有一毛錢關系。

原因很簡單，如果噴管的設計改變了燃燒室的效率這件事本身就違背了能量守恒定律。

換個很多人都能秒懂的說法——汽車輪胎的花紋、寬窄、胎壓，決定了你能不能把發動機的扭矩更好地“用出去”，但它永遠不會改變發動機本身能輸出多少扭矩。

那么火箭噴管的設計影響的是啥？

火箭噴管的作用，其實就是把燃燒室里那鍋高溫高壓燃氣盡可能徹底地膨脹，讓儲存在其中的壓力能和熱能轉化為動能，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 CF，也就是說，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。設計得好，噴流出口壓力和環境壓力接近匹配，推力就能接近最大；設計得差，噴管會出現欠膨脹或過膨脹，推力打了折扣。

因為外界環境從海平面到真空變化極大，所以才有拉瓦爾噴管、膨脹比可調的氣尖噴管等復雜設計。換句話說，燃燒室決定了發動機能“燒”出多少能量，而噴管則決定了這股能量在不同環境下能否順暢、充分地變成推力。就像汽車發動機的扭矩不取決于輪胎，但輪胎和傳動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說，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，這是因為車胎和地面的摩擦系數降低了，一個正常有理智的人要做的事情是換雪地胎或者慢一些開車，這樣無論是換胎還是慢些開車本質上都是增大車輪和路面之間的摩擦系數讓發動機輸出的動力能更加有效的推動車子前進，而不是耗費在打空轉上。而沒有理智的人會做啥？加大油門或者尋思著換個發動機？

至于斜爆震噴管……兄弟，真心的沒有這玩意。在航天發動機領域倒是提到了“Nozzle design of oblique detonation wave engine”

這是一個在德克薩斯大學攻讀航空航天動力的印度博士拉胡爾·庫馬爾研究爆震波的穩定性的時候寫的論文，名字叫《斜爆震發動機噴管設計》。并不是說這個噴管是斜爆震的。他們用數字風動模擬器做了一個氫-空氣混合物的斜爆震模擬，研究在不同入口馬赫數和楔角條件下爆震的形成與出口流場特性，并討論了噴管設計如何高效完成熱能向動能的轉化。

當說不說，2018你那發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”這件事相當于給車子換了個輪，車子發動機加了100馬力，這事情吧什么國家都做不出來，咱們雖然屢屢創造奇跡，但是不可能創造神跡！