噴嘴行業(yè)新發(fā)現(xiàn)--拉法爾噴嘴的應(yīng)用__螺旋噴嘴。最近，普渡大學(xué)的學(xué)生們用一種簡(jiǎn)單的設(shè)備，讓一個(gè)乒乓球的速度突破了音障。不過，一顆音速進(jìn)擊的乒乓球不是重點(diǎn)，重點(diǎn)是他們用的設(shè)備，叫做「拉法爾噴嘴」（de Laval nozzle），這種設(shè)備已經(jīng)有近100年的歷史。而且毫不夸張地說，這種設(shè)備讓工業(yè)革命成為可能——也是航天史上的革命。在實(shí)驗(yàn)中展示了一顆乒乓球所能制造的破壞力。只需要一點(diǎn)壓縮空氣，一點(diǎn)真空，以及一個(gè)形狀正確的噴嘴，乒乓球就能突破音障，輕松射穿4個(gè)易拉罐飛到房間的另一頭，甚至打穿一塊乒乓拍也不成問題，好想看看它擊中人手的樣子，只要?jiǎng)e拿我做實(shí)驗(yàn)就行。學(xué)生們把乒乓球卡在一段管子里，堵住管子兩頭，然后抽調(diào)里面的空氣。然后在另外一頭接上一段管子，兩段管子中間連著一個(gè)噴嘴，再往里面壓入空氣，直到兩段管子之間的屏障被氣壓壓碎，乒乓球就以音速射了出去，擊穿了空氣的音障。在計(jì)算乒乓球的速度的時(shí)候，首先是壓進(jìn)第一段管子里的空氣給予的推力和第二段管子的真空吸力，然后是兩段管子的直徑，這些都給予了乒乓球一定的加速度，但真正起到關(guān)鍵作用的，是兩段管子之間的噴嘴。
 

在工業(yè)革命時(shí)期，人們想要對(duì)氣體，比如對(duì)蒸汽加速，以驅(qū)動(dòng)引擎和渦輪。那時(shí)候，讓氣體進(jìn)入管道從而體積變小，進(jìn)而加速，已經(jīng)是一種常識(shí)。我們都見過河流從寬闊河床流向窄小河道的時(shí)候，流速會(huì)加快。但是這不是一個(gè)正比的關(guān)系，雖然氣體會(huì)在管道里加速，但當(dāng)管道細(xì)到一定程度，就阻斷了流動(dòng)。不論管道多細(xì)，壓強(qiáng)多大，加速的效果很弱，或者根本沒有。工程師試圖通過改變紋理、尺寸和讓管道一頭變細(xì)，但都不起作用。直到1888年，瑞典人拉法爾設(shè)計(jì)了一個(gè)尖嘴，這和其他人做的一樣，但是他在尖嘴后面，又加上了一端喇叭形的開口。于是氣體以從來沒有過的驚人速率噴出。工業(yè)革命時(shí)期的工程師最后發(fā)現(xiàn)，同樣的物質(zhì)，在不同的條件下會(huì)表現(xiàn)出截然不同的特性。氣流在超音速時(shí)就和普通狀態(tài)下完全不同。在次音速下，它和狹窄河道中的水流一樣。當(dāng)河道變窄，水流就加快。如果你坐在河邊計(jì)算流過的水量，然后你又跑到下游湍急處再測(cè)一次水流，你會(huì)發(fā)現(xiàn)單位時(shí)間里流過的水量是一樣的。當(dāng)河道變窄，流速變快但水的質(zhì)量流率不變的。這和流經(jīng)細(xì)管的氣體一樣，一旦氣體流速達(dá)到音速，就到了一個(gè)臨界點(diǎn)——哪怕管道變得再細(xì)，氣體也不再加速。
 

拉法爾噴嘴，也被稱作「收斂擴(kuò)散型噴管」，或者「細(xì)腰噴嘴」，這種簡(jiǎn)單的裝置，不光是「普通乒乓球」和「超音速乒乓球」的關(guān)鍵，更造成了工業(yè)革命和太空時(shí)代截然不同的面貌。你可能注意到，就算在卡通畫里的火箭，它的底部推進(jìn)器噴嘴也不是筆直的管子，而是一頭內(nèi)收，尾部擴(kuò)張的樣子，像個(gè)沙漏。這可不是隨便想出來的。拉法爾噴嘴同樣讓管道在前段越來越細(xì)，氣體不斷加速到音速。在達(dá)到音速以后，顛覆常識(shí)的智慧來了。要讓達(dá)到音速的氣體繼續(xù)加速，不是讓管道更窄，喇叭狀的開口再次讓管道變寬，使得施加在氣體上的壓強(qiáng)瞬間釋放，氣體截面積變大，繼續(xù)加速超過音速。這就和彈簧被壓倒底，然后突然釋放一樣，氣體內(nèi)部聚集的壓力都轉(zhuǎn)化成了速度，所有被釋放的能量都朝著一個(gè)方向做功——讓氣流以超音速噴射。