题图：Yestone 邑石网正版图库

你曾经被哪些自己所学专业的鬼畜知识震惊过？

知友：陈二喜（4000+ 赞同，知乎编辑推荐）

说个我当初感觉很很震惊很难以接受的。

有一段下面形状的管子：

从左往右吹气，空气会加速。这是显而易见的。

而且吹得越用力，右端出来的气体速度越快，这也是容易想象的。

假如你足够能吹，右端跑出来的气体是否无限快呢？

No，不管你多能吹，从右端出来的气体最多到达音速。这时候，你再继续加大力气吹，就算把自己吹炸了，右端出口跑出来的气体速度依旧保持音速。

假如，在右端出口处再接一个管子的话：

气体在管 1 里面是加速的，加速完毕后，进入管 2 之后，速度怎么变呢？

答案是，进入管 2 之后，空气继续加速。以超音速从管 2 右端喷出。

总结：空气进入渐缩管 1 后加速，刚好到出管 1 的地方变成音速，进入渐扩管 2 后又继续加速。刚刚学这里的时候的确很震惊。

不过看到数学证明之后，觉得恍然大悟，数学证明很简单，联立质量守恒和动量守恒即可求解，证明过程放在文末。

上图中，两个管子对接起来组合成的东东叫拉法尔喷管，是瑞典工程师拉法尔在 1882 年发明的一个能够产生超音速流动的装置。

更加令人震惊的东西是：整个航空航天工业（的动力学部分），全都建立在拉法尔喷管基础之上。

1. 火箭发动机

火箭的核心动力部件就是喷管，喷管尾部产生超音速气流，把工质喷出去，获得推力。为了产生超音速气流，需要保证喷管入口端（上图当中吹气的地方）压力到达临界值。因此，就得加一个燃烧室，把燃料燃烧产生高压气体。

画圈的地方是个喷管

实物图整体像一个喷管

大型运载火箭都是很多个发动机组成

上图是实物图，可以很明显看到喷管结构。再补充一个示意图：

也就是说，火箭发动机的核心动力装置其实就是在喷管的基础上进行改造的。

2. 涡喷发动机

虽然，航空发动机是一个及其复杂的存在，但它其实也是一个喷管。

跟火箭发动机一样，为了保证喷管进口端压力足够，需要烧燃料，所以得有一个燃烧室。

燃料燃烧需要空气，为了保证燃烧够猛，需要在燃烧室前面加一个涡轮增压装置，以便于产生高压空气，供燃料燃烧。这个涡轮增压装置就是压气机。

PS：买汽车的时候，销售会告诉你这车是涡轮增压还是自然进气。跟这个是一个道理，为了保证燃烧够猛，提供更强的动力，需要提供高压空气。所以，同样排量的汽车，烧同样多的汽油，涡轮增压动力更强劲。当然了，价格也更贵一些。

既然有了压气机，那压气机转动得需要能量，能量从哪里来呢？就从燃烧过后的气体中拿出一部分来用于吹动一个涡轮转动，涡轮转动后带动压气机工作。

所以，涡喷发动机就是在喷管里加上压气机和燃烧室以及涡轮。示意图如下：

可以看出来，画黑框的地方就是个喷管。

3. （超燃 / 亚染）冲压发动机

我们可以想象一下，加入飞机飞得足够快，将会导致空气撞上发动机之后迅速减速，减速就会导致压力升得足够高。此时，即使不用压气机，也能保证喷管入口处的气体压力足够高。所以，压气机不需要了，既然压气机不需要，那涡轮也不需要了。

这种发动机叫冲压发动机。就是飞机「冲」得速度足够快，使得喷管前方空气「压」力足够高的发动机。

没有了压气机和涡轮的发动机就只剩了一个喷管了。是的，飞得超级快的飞行器外面挂的就是一个喷管。

上图是超燃冲压发动机，整体来看，左边部分渐缩管，右边部分渐扩管。说白了就是一个喷管。但跟喷管不一样的地方在于，中间最细的那一部分拉长了，这一段叫隔离区，是为了防止燃烧室的一些波动影响上游。

亚燃冲压发动机就不用考虑燃烧室的波动影响上游，所以，亚燃冲压发动机的原理图中，没有上图中的隔离区，脑补之后就可以知道，那东西就是一个喷管。

4. 超音速风洞

说完天上飞的，再来说说地面试验设备。为了测试飞行器外形能否满足飞行要求，需要做一个缩比模型放在超音速气流中吹一吹，即风洞试验。产生超音速流动的设备就是风洞。

风洞就是喷管。

为了保证喷管前方有足够的压力。需要在上游加一个高压罐，作用同发动机上的压气机。

高压罐里出来的气体进入喷管之前先升温，需要一个加热装置，作用同发动机上的燃烧室。

加热后的高压气体进入喷管，形成超音速流动。

风洞原理图如下：

上图中高压罐和喷管之间的管道上有加热装置。高压罐、管道、加热装置、喷管，这四者其实是拉长了的航空发动机。

总结：没有拉法尔喷管，就没有现代航空航天。

瞻仰一下：

空气进入渐缩管会加速，这个好理解。

不管多大力气吹，最后出口处竟然刚好一倍音速？

再接一个渐扩管不应该减速吗？为毛还要继续加速？

接下来就是数学证明时间。没事的可以散了。

上面两个式子，第一个是质量守恒，即 1 秒内吹进去的空气质量为 m，不管密度速度或者管子横截面积怎么变化，这团气体的质量永远保持 m。

第二个式子是关于动量的。力由压力提供，m 由第一个式子给出。

然后对这两个式子进行加工。

第一个式子两端求微分。

第二个式子消去时间项得到：

联立两个方程，结合音速定义，可得到：

M 为马赫数，即气流速度除以音速。马赫数小于 1，为亚音速。马赫数等于 1，为音速。马赫数大于 1，为超音速。

证明 1：向渐缩管吹气，气流会加速？

空气从你嘴里出来，是亚音速，马赫数小于 1，所以，

小于 0。

且，管子横截面积逐渐变小，所以

小于 0。

所以

大于 0，即速度是增加的。

证明 2：向渐缩管吹气，尾端出口处正好是音速？

利用反证法从逻辑上证明。

假如，空气是亚音速流动，那么就继续加速（证明 1 中的情况）

假如，空气已经变成超音速流动了，由公式可知，空气将减速。

假如，空气一直保持音速流动？由那个公式可知，面积在变，速度必须変，此情况不可能发生。

综上，空气在渐缩管中，必须一直加速，且在尾端出口处变成音速。

证明 3：空气进入渐扩管，为什么还要加速？

因为空气从第一个管子出来之后已经到达音速了，结合那个公式，可知，此时速度变化同面积变化趋势相同，渐扩管中，面积不断变大，速度也不断变大。所以，气流继续加速。

总结：在渐缩管中一直加速，到达交界处速度到达音速，进入渐扩管，速度继续增加。

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