@ 2013.07.25 , 19:05
54

史海钩沉:拉法尔喷嘴

[-]
W&F Will’s 的产品,时间好像是1886年,由汽轮机驱动的二级泵。感谢蛋友 @tymois

最近,普渡大学的学生们用一种简单的设备,让一个乒乓球的速度突破了音障。不过,一颗音速进击的乒乓球不是重点,重点是他们用的设备,叫做「拉法尔喷嘴」(de Laval nozzle),这种设备已经有近100年的历史。而且毫不夸张地说,这种设备让工业革命成为可能——也是航天史上的革命。

[-]

[-]

上面这个 GIF 展示了一颗乒乓球所能制造的破坏力。只需要一点压缩空气,一点真空,以及一个形状正确的喷嘴,乒乓球就能突破音障,轻松射穿4个易拉罐飞到房间的另一头,甚至打穿一块乒乓拍也不成问题,好想看看它击中人手的样子,只要别拿我做实验就行。学生们把乒乓球卡在一段管子里,堵住管子两头,然后抽调里面的空气。然后在另外一头接上一段管子,两段管子中间连着一个喷嘴,再往里面压入空气,直到两段管子之间的屏障被气压压碎,乒乓球就以音速射了出去,击穿了空气的音障。

在计算乒乓球的速度的时候,首先是压进第一段管子里的空气给予的推力和第二段管子的真空吸力,然后是两段管子的直径,这些都给予了乒乓球一定的加速度,但真正起到关键作用的,是两段管子之间的喷嘴。

[-]

拉法尔喷嘴,也被称作「收敛扩散型喷管」,或者「细腰喷嘴」,这种简单的装置,不光是「普通乒乓球」和「超音速乒乓球」的关键,更造成了工业革命和太空时代截然不同的面貌。你可能注意到,就算在卡通画里的火箭,它的底部推进器喷嘴也不是笔直的管子,而是一头内收,尾部扩张的样子,像个沙漏。这可不是随便想出来的。

在工业革命时期,人们想要对气体,比如对蒸汽加速,以驱动引擎和涡轮。那时候,让气体进入管道从而体积变小,进而加速,已经是一种常识。我们都见过河流从宽阔河床流向窄小河道的时候,流速会加快。但是这不是一个正比的关系,虽然气体会在管道里加速,但当管道细到一定程度,就阻断了流动。不论管道多细,压强多大,加速的效果很弱,或者根本没有。工程师试图通过改变纹理、尺寸和让管道一头变细,但都不起作用。直到1888年,瑞典人拉法尔设计了一个尖嘴,这和其他人做的一样,但是他在尖嘴后面,又加上了一端喇叭形的开口。于是气体以从来没有过的惊人速率喷出。

工业革命时期的工程师最后发现,同样的物质,在不同的条件下会表现出截然不同的特性。气流在超音速时就和普通状态下完全不同。在次音速下,它和狭窄河道中的水流一样。当河道变窄,水流就加快。如果你坐在河边计算流过的水量,然后你又跑到下游湍急处再测一次水流,你会发现单位时间里流过的水量是一样的。当河道变窄,流速变快但水的质量流率不变的。这和流经细管的气体一样,一旦气体流速达到音速,就到了一个临界点——哪怕管道变得再细,气体也不再加速。

拉法尔喷嘴同样让管道在前段越来越细,气体不断加速到音速。在达到音速以后,颠覆常识的智慧来了。要让达到音速的气体继续加速,不是让管道更窄,喇叭状的开口再次让管道变宽,使得施加在气体上的压强瞬间释放,气体截面积变大,继续加速超过音速。这就和弹簧被压倒底,然后突然释放一样,气体内部聚集的压力都转化成了速度,所有被释放的能量都朝着一个方向做功——让气流以超音速喷射。

超音速气体可以让乒乓球高速运动,击穿铝皮和木头。它也可以让德国的 V-2 火箭成为兵器,让美国早期的探测飞船去往太空。现在的喷气式飞机依旧采用这种结构设计,所有这一切,都是因为这个沙漏形状的喷嘴。

本文译自 io9,由译者 Junius 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


给这篇稿打赏,让译者更有动力
支付宝打赏 [x]
您的大名: 打赏金额:

4.6
赞一个 (19)

TOTAL COMMENTS: 54+1

[2] 1 »
  1. 九猫
    @4 years ago
    2117274

    @二级穿甲: 否则为什么不把这喇叭裤做得长长的?岂不是更有效率?

  2. 九猫
    @4 years ago
    2117272

    @二级穿甲: 解释很搞怪,也是对的。。。但是没有说明一个关键的参数:拉瓦尔喷嘴只适合在超音速气流中使用,亚音速气流中作用可以忽略不计。。。为什么呐?就是你说的让分子乱跳的力量——“激波”。在亚音速气流中很容易形成层流,比如气垫船和螺旋桨飞机向后的力量。。。但是超音速气流中因为激波的存在,气流迅速分开,变成了乱流,这时就需要用一个约束体来在适应激波角度的前提下接受被踢锅。。。

  3. 九猫
    @4 years ago
    2117262

    @海鮮販子: 所有现代火箭和飞机的喷口,全都是这样的喷口啊!

[2] 1 »

发表评论


24H最赞