又有一条评论被AI自动屏蔽了,出现在W君的后台里,看到那场景,真是忍不住笑出声来。
为啥删除掉的评论,有时W君看到了也会拿出来聊聊呢?先说下AI的规则:
这条评论就符合第一条的说法:“严重违背客观规律,违反科学原理”。现在AI的热潮快要过去了,很多人觉得AI挺蠢的,不过有时候它比很多人还厉害。
要是单拿出“火箭”、“发动机”、“斜爆震”、“喷管”、“燃烧室”、“提高效率”这几个词,哪一个都属于高科技范畴,但放一块儿就变得难以理解了,这位爷这组合,咋看怎么感觉挺无厘头的呀?
W君最近迷上了鉴宝节目,了解到个叫“国宝帮”的名字,平常是一帮穿着朴素的中老年人,手里拿着那些价值几亿的国宝级古董来找专家鉴定。这帮人大都很自信,完全不在意青花瓷塑料碗上的“适用微波炉”字样,似乎都觉得自己很厉害。
人啊,说白了,大家都挺相似的,就像那些东西,无论是扔在豪宅垃圾桶里,还是埋在郊外的废弃场,总归都能算作废物换个地方罢了。那个“国宝帮”在古董圈里出现,也和在军事、科技、历史圈里那些爱用专业术语乱扔的人,本质上其实就是一类人。
既然提到了“懂得个球”,那咱们可以先从一个球聊起:
这确实是个挺有趣的问题呀,像个初中物理题似的。要问滑块在球面上滑到哪一角度θ的时候,受到的压力最轻,那得考虑下滑块的受力状况。简单来说,随着θ变大,滑块的重力分解成沿球面向下的分力和垂直球面法线的分力,然后你欣赏一下这些力的变化,基本就能知道压力最小的时候到底是哪儿。记得,滑块受的压力其实是它和球面接触的反作用力,你只要找出那个时刻,滑块的法向力最弱,比如压力最轻的点,就是θ的那个值啦。这题又不难,确实像个初中物理习题,不过要抓住重力分解和受力平衡的关键就行。
有不少人会说θ=90˚,这倒也不难理解嘛,一看就知道那时候滑块已经到达了球的侧面位置,和球面几乎贴着了。到了那个角度,滑块实际上已经没有向球心施加压力了,压力几乎可以说是为零,反正就是和球面平行,基本不用用力顶着球体啦。反正这答案挺直观的,很多人第一时间就会想到。
这题不算纯粹的物理题,更像是个认知考题。很多人第一反应就是看到球受的压力是重力造成的,球往下滑时,受的压力一定会减轻,到了θ=90˚那会儿,压力就肯定是零了。
就跟“国宝帮”那帮人似的,认定瓷器上的蓝色花纹就是“青花瓷”,于是就觉得自己手里的大碗价值不菲,哪怕底下写着“适用微波炉”。
实际上,要让滑块在球面上滑动,可得靠向心力来保持这个曲率半径。如果没有额外的法向力支持,重力的分力就得承担起这个责任。
算一算,你会看到,真正失压的点大概在 θ≈48.2°,也就是在高度为 R3 的位置上,远比我们直觉中的 90° 更早到。用重力加速滑动的话,滑块根本不会跑到 θ=90°那个位置就会离开球面啦。
有些人搞不清楚结论,估计是因为学过斜面压力的内容,但还没来得及接触到曲线运动这块。
事情其实挺直白的——掌握几个词,或者只略懂几件事,并不一定能把整个事情搞清楚。不过要说到火箭发动机这块,W君那会儿是专门学这个的。
回到今天的话题,为什么说“火箭发动机燃烧室的效率跟喷管没啥关系”呢?就像很多人都听过火箭喷管的事,尤其是一些博主都在吹拉瓦尔喷管如何牛逼、气尖喷管多厉害……这点至少大家都耳濡目染过。你可能知道火箭喷管的基本原理,但真心不代表你能搞懂火箭燃烧室到底是怎么运作的!这两个虽然挺接近,但其实绝对是完全不同的两样东西。
其实,要跟火箭发动机喷管比起来,火箭发动机的燃烧室简直小得不可思议,在整个火箭上它几乎就是个芝麻大小、豆腐块般的小零件。
要知道,现在的火箭其实很少有单独的燃烧室,基本上大部分设计把燃烧室和拉瓦尔喷管的前半部分合成一体,叫做“推力室”。就是说,现在液体火箭的“燃烧室”,在某种程度上有点不太像传统意义上的燃烧室了,没有那么单纯了。
现在,咱们说下液体火箭发动的燃烧室:
火箭引擎的推力室里,那“燃烧室”实质上就是一个把推进剂的化学能变成高温高压燃气的“炉子”。
只要让燃料燃烧产生热量就行——这听起来有点废话对吧?但实际上,在研究火箭发动机的时候,燃烧室的整体性能基本上就是个C值,也就是把所有相关参数整合起来,最后得出的一个关键指标。
p₀很简单,就是燃烧室压力,为了简化计算,我们会把燃烧室的压力均一化,只会把燃烧室内的燃气看作一团具有巨大压力的气体。由于燃烧室密闭只有一个开口通向喷管,那么这个开口的截面积就是Aₜ了,有了压力有了截面积实际上就是“推力”。但是,火箭是一个遵从动量守恒定律的设备。单有推力是不够的,还得看向后抛出多少东西,抛出的东西多少特别好计算,其实就是每秒进入火箭发动机燃烧室的燃料和氧化剂的质量。于是除法除一下就得出了燃烧室的C——特征速度ms。当然了,在理想气体条件下,这个公式还可以写成显式的热力学形式:
在这种情况下,你会注意到,这事儿就跟燃烧温度、比热容和气体常数挂钩了,反正和喷管的结构设计没有一丁点关系。
原因很明白,要是喷管的设计影响到燃烧室的效率,那就等于违反能量守恒定律啦。
就是说,汽车轮胎的花纹、宽度和胎压这些,决定了你能把发动机的扭矩“用得多不多”,但它们绝对不会让发动机本身能输出的扭矩变多。
火箭喷管的设计主要影响的是推力的效率和喷气的速度,它决定了气体喷出的方向和速度,从而直接关系到火箭的推进效果和能耗。
火箭喷管的主要任务其实就是让燃烧室里的高温高压气体尽可能充分地扩展,把里面蕴含的压力和热能转变成高速喷出的气流。喷管的形状和膨胀比直接影响推力系数 CF,也就是,决定了燃烧室产生的压力能能多高效地变成推力。设计得好的话,喷流出口的压力能与外界环境压力差不多匹配,这样推力就能达到最大;如果设计不好,就会出现欠膨胀或者过膨胀的情况,推力就会打折扣。
因为外界的环境从海平面到真空变化得特别大,所以才有拉瓦尔喷管、可以调节膨胀比的气尖喷管啥的这些复杂的设计。就是说,燃烧室决定了发动机能“烧”出多少能量,而喷管则是看你能不能在不同的环境里,把这股能量顺利而充分地转变成推力。就像汽车发动机的扭矩虽然不直接靠轮胎,但轮胎和传动系统可决定你能不能把这股扭矩高效地传递到地面上一样,火箭喷管的作用也在这里。
说白了,一辆车在晴天开得挺顺溜,但一到下雪,车子就容易打滑,是因为轮胎和地面之间的摩擦变小了。聪明点的人会选择换上雪地胎,或是放慢点速度开,这本质上就是在让轮胎和地面之间的摩擦系数变大点,使发动机的动力能更有效地推动车子走,而不是白白耗费在空转。那些不太理智的人可能会干啥?往油门上一踩,或者想着换个更厉害的发动机,试图用这些办法来解决问题。
说到斜爆震喷管……兄弟,这玩意儿真没个实在存在的。在航天发动机圈子里倒是聊过“斜爆震波引擎喷管的设计”这事儿。
这篇论文是拉胡尔·库马尔,在德克萨斯大学攻读航空航天动力专业时关于爆震波稳定性做的研究,题目叫《斜爆震发动机喷管设计》。不是说这个喷管本身是斜爆震的,他团队用数字风动模拟器模拟了氢-空气混合气在不同入口马赫数和楔角条件下发生爆震的过程,重点分析了爆震的形成机制以及出口流场的特性,还探讨了如何通过喷管设计更高效地把热能转化成动能。
要说的不多呀,2018年你那篇论文到现在也才被引用了5次,这家伙研究的领域还真是挺偏的。
就是说啦,那所谓“咱们的火箭用了斜爆震喷管,能提升燃烧室的效率”这说法,有点像是给车子装了个新轮子,发动机额外增加了100马力。其实哪哪个国家都做不到这点嘛,咱们虽然屡次搞出奇迹,但也不能说是创造了神迹哈!

