8月16日，我国成功发射“墨子号”量子卫星，开启保密通信新时代。我们先来看看运载卫星的火箭上一个非常重要的部件——拉瓦尔喷管。

什么是拉瓦尔喷嘴？好奇怪的名字啊，我们先来了解一下这个概念。

拉瓦尔喷嘴是一种截面面积先逐渐收缩，再逐渐扩大的喷嘴。

这个概念很好理解，拉瓦尔喷嘴是一种收窄-发散喷嘴，外形像沙漏，很容易让人联想到可口可乐的瓶子。

可口可乐瓶

拉瓦尔喷嘴又称为“细腰喷嘴”，用Dita Von Teese的腰来解释拉瓦尔喷嘴或许更为合适。

蒂塔·万提斯

为什么叫拉瓦尔喷管呢？

原来，拉瓦尔喷嘴已有一百多年的历史，是由瑞典工程师古斯塔夫·德·拉瓦尔（Gustaf de Laval，1845-1913）发明的，因此以发明者的名字命名为“拉瓦尔喷嘴”。

古斯塔夫·德·拉瓦尔 1875

在工业革命期间，人们的常识是，如果人们想加速气体，他们会让气体进入管道，使其体积减小，从而加速。

就好比河流从宽阔的河床流向狭窄的河道，流速会加快。但这并不是正比关系，虽然气体在管道中会加速，但当管道变窄到一定程度，流动就会受阻，无论管道有多细，压力有多高，加速效果都很微弱，甚至不存在。

直到1888年，瑞典人拉瓦尔才设计出尖形喷管，和别人做的是一样的，但他在尖形喷管后面加了一个喇叭状的开口，由于气体的截面积增大，气体以前所未有的速度喷出。

拉瓦尔喷管最早应用于高速蒸汽轮机，后来这种喷管被广泛应用于喷气发动机、火箭发动机等，拉瓦尔喷管是推力室的重要组成部分。

蒸汽机

拉瓦尔喷管由两根锥形管组成，前半部分为收缩部，后半部分为扩张部。

喷管的收缩口由大到小向着中部收缩至窄喉，再向外由小到大扩展，喷管内的气体由收缩处入口处的亚音速气流逐渐加速为超音速气流。

我们先来分析一下拉瓦尔喷管的原理，如图所示：

在燃烧室压力作用下，火箭发动机内气流经喷管向后运动，进入喷管收缩部A1。此时气体运动遵循“流体在管内运动时，截面小处流速大，截面大处流速小”的原则，因此气流会继续加速。

当高速气流到达喉道（临界段）B时，流速等于音速，当流体通过狭窄的喉道时，已经超过了音速。

此时跨音速流体运动时不再遵循“截面小处流速大，截面大处流速小”的规律，而是恰恰相反：截面越大，流速越快。

在膨胀段A2，气流速度进一步加速到2-3公里/秒，相当于音速的7-8倍，从而获得超音速气流，产生巨大的推力。

A1：C＜Ma

B：C=Ma

A2：C＞Ma

当气体通过拉瓦尔喷管时，低速气体会先减速再加速，而超音速气体则相反，拉瓦尔喷管实际上起着“流速放大器”的作用。

火箭体内的燃气在高压下流入喷管的收缩部，经过狭窄的喉部，从扩张部逸出。这种结构由于喷管截面积的变化，可以改变气流的速度，使气流由亚音速变为音速，最后加速到跨音速。因此人们也把这种喇叭状的喷管称为跨音速喷管。

由于这一特性，Larva喷管被广泛应用于需要获得超音速气流的发动机上，例如火箭、战斗机等发动机的喷管。

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