關于火箭發動機為什么都是小蠻腰，我們可以追溯到120多年前，那時萊特兄弟還沒造出飛機，更別提火箭了。 

　　而其原理，我們可從最簡單的日常生活說起—— 

　　  

　　“小蠻腰”的結構原理 

　　?芊芊“楊柳腰”——火箭發動機的“喉部” 

　　 

　　  

　　拿水管沖洗地面時，相信很多人有過這樣的沖動：把水管口捏細一些，再細一些，以便讓水流射得更遠。 

　　這個道理大家都懂，更何況是那些頂尖聰明的火箭發動機設計師呢。 

　　你說不對！ 

　　火箭發動機的出口不是逐漸縮小，而是像喇叭一樣的大敞口。這么來看的話，火箭發動機的噴口跟我們的日常經驗是相違背的。 

　　然而事實是，不違背！ 

　　原因如下： 

　　 

　　  

　　我們以為，上圖就是火箭發動機噴管的全部，但其實，它只是其中的一部分。整個火箭發動機噴管，其剖面圖大概是下圖這樣的： 

　　 

　　  

　　可以看到，上圖的發動機噴管，中間有一個最窄的地方，那就是火箭發動機“小蠻腰”的位置。 

　　 

　　  

　　如上圖所示，箭頭所指的地方，叫做火箭發動機的“喉部”，為什么喉部最細？原因前文已經說了，這類似于你用水管沖刷地面，然后將出水口捏細，以便得到速度更快的水流是一樣的。 

　　  

火箭發動機噴管結構示意圖 

　　喉部的左面是漸縮段，顧名思義，就是逐漸縮小，并在喉部時達到最小。到這里，火箭發動機的原理跟我們的日常經驗是相同的。 

　　  

　　婀娜“豐腴臀”——火箭發動機的漸擴段 

　　了解了“喉部”的構造原理，我們最大的問題是，為什么不在喉部結束，而是又來一個像大喇叭一樣的漸擴段？ 

　　此事得從1890年說起，那時，瓦特的蒸汽機早已普及（1781年，瓦特獲得蒸汽機的發明專利），于是，人們想的是如何用高壓的蒸汽快速沖擊葉輪，從而得到效率更高的汽輪機。 

　　顯然，蒸汽的速度越快，蒸汽含有的動能越大，從而汽輪機的效率也就越高。可如何提高蒸汽的沖擊速度呢？不難，跟你將水管的出口捏細一樣——縮小蒸汽噴口。 

　　多數人的想法是，蒸汽噴口越小，蒸汽的速度越快。然而，那時的人們繼續做實驗后，卻驚訝地發現，當蒸汽噴口小到一定程度，那么蒸汽的速度就不會再變了，此時的蒸汽速度恰好等于1馬赫，也就是1倍音速，這就是壅塞現象。 

　　關于壅塞現象的數學解釋，需要一大堆流體力學的公式來證明，這些公式誰看誰懷疑人生，我們也就不去觸碰了。 

　　總之你只要知道這一點就行，即：我們不能通過無限制地縮小出口，以便讓流體的速度超過1馬赫。 

　　  

 M代表馬赫數

　　如上圖所示，當喉部的流體速度小于1馬赫時，我們還可以將喉部繼續變細（橫截面變小），從而增加喉部處的流體速度。 

　　但是…… 

　　 

　　當喉部流體的速度等于1馬赫時，此時，無論我們再怎么縮小喉部，或者繼續增加燃燒室的壓力，喉部處的速度還是1馬赫，不會再提高了，這就是壅塞現象。 

　　走投無路時，有一個人出現了，他就是瑞典工程師和發明家拉瓦爾。1890年，拉瓦爾設計了一個噴嘴，可將蒸汽的噴射速度增加到超音速。他是怎么做的呢？很簡單，將噴嘴延伸，變成大喇叭狀，也就是上文說的“漸擴段”。 

　　 

　　 后人將他設計的這種噴管叫做拉瓦爾噴管，又叫漸縮漸闊噴管。最初，這種噴管用在汽輪機上，后來用到火箭發動機上。 

　　  

　　疑問一： 

　　1馬赫等于1倍音速，這是不是說，無論我們再怎么增加燃燒室（漸縮段）的溫度和壓力，火箭發動機喉部的燃氣速度都不會超過1倍音速？可是這不合常理呀，因為我們都知道，音速約等于每秒343米，如果火箭的燃氣以這個速度排放，還怎么上天？ 

　　 

　　回答一： 

　　音速跟密度、溫度、壓力密切相關。密度越大，音速的值就越大，比如聲音在金剛石中以12000米/秒的速度傳播。溫度越大，音速的值越大。零下25攝氏度時，音速約等于316米每秒，而在35攝氏度時，音速約等于352米每秒。 

　　同理，壓力越大，音速的值越大。 

　　而火箭燃燒室里面是非常極端的環境，幾百個大氣壓，還有數千攝氏度高溫，此時，這個極端環境下的音速就不再是340米每秒了，而是高達1700米每秒左右。 

　　也就是說，在發動機喉部高溫高壓的燃氣中，假如聲音此時的傳播速度是1600米每秒，那么喉部的燃氣速度最大也將是1600米每秒。 

　　  

　　疑問二： 

　　為什么火箭發動機在喉部處增加一個大喇叭后，燃氣的噴射速度不會降低，反而會進一步提升到數倍音速？ 

　　回答二： 

　　咱們用一張圖來回答。這張圖看似復雜，但其實很好理解。 

　　  

圖片作者：ЮК

　　上圖中，頂部紅色的線代表絕對溫度T，中間綠色的線代表壓力P，仔細觀察這兩根線的走向，就會發現，壓力P和溫度T在燃燒室最高，位于喉部時，降低，位于大喇叭（漸擴段）時，進一步降低。 

　　 

　　既然在大喇叭處，燃氣的壓力和溫度都在降低，那么這些能量跑哪去了？ 

　　顯然，能量不會無緣無故消失，它們都轉變成燃氣的動能了。因此，上圖藍色的那根線V，它在燃燒室最小，喉部時達到1馬赫，出了喉部后，速度得以繼續提高。 

　　 

　　綜上，就是火箭發動機大都是“小蠻腰”的原因。 

為什么火箭發動機都是小蠻腰？

圖文簡介

關于火箭發動機為什么都是小蠻腰，我們可以追溯到120多年前，那時萊特兄弟還沒造出飛機，更別提火箭了。其原理類似于用水管沖刷地面，然后將出水口捏細，以便得到速度更快的水流是一樣的。