? ? ? ?今年春節(jié)上映的《流浪地球2》，相信不少朋友都去影院觀影體驗(yàn)了，甚至有不少朋友忍不住去二刷、三刷的，而我也被震撼的畫(huà)面帶來(lái)的壓迫感壓在電影院的椅子贊嘆不已。對(duì)于一位從事科技行業(yè)的科幻迷，當(dāng)電影中各種炫酷的裝備在眼前出現(xiàn)時(shí)，我眼睛根本閑不下來(lái)，瘋狂找各種技術(shù)細(xì)節(jié)，腦海中反復(fù)冒出這類(lèi)的念頭：哇！可垂直起降的J20！太空電梯返回大氣層還有隔熱板！這個(gè)門(mén)框機(jī)器人我們也可以搞出來(lái)！

? ? ? ?看完電影后，看到旁邊很多人想發(fā)朋友圈，嘴里不停地感嘆“牛哇牛哇！”卻又不知道寫(xiě)什么文案來(lái)顯得自己得到了升華，于是我想要不和大家分享一下我對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的了解吧。

? ? ? ?日常生活中，我們常見(jiàn)的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)有飛機(jī)上的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以及火箭上的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它們是利用牛頓第三定律以及采用高速射流進(jìn)行推進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)。其中渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過(guò)前端吸入空氣在燃燒室中和燃料混合燃燒工作，再把燃?xì)鈴暮蠖藝姽芴幣懦鲂纬筛咚偕淞饕援a(chǎn)生推進(jìn)的效果；而火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則在半封閉的燃燒室中通過(guò)加注口加入燃料以及氧化劑（液氧）進(jìn)行充分混合后引燃，燃?xì)饨?jīng)過(guò)拉瓦爾噴管收縮段增大壓力，并加速超過(guò)聲速?gòu)暮聿繃姵龅竭_(dá)擴(kuò)張段以產(chǎn)生巨大的推力。

? ? ? ?電影中行星發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)定是通過(guò)重聚變的方式產(chǎn)生能量，噴管下方是預(yù)變反應(yīng)堆，能夠產(chǎn)生極高的溫度，使硅等元素產(chǎn)生聚變，所以行星發(fā)動(dòng)機(jī)在工作時(shí)除了加入燃料（石頭）外，不需要進(jìn)氣口以及額外提供的氧化劑。由此可見(jiàn)行星發(fā)動(dòng)機(jī)在其推進(jìn)原理上也是采用類(lèi)似火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)。

? ? ? ?但是問(wèn)題又來(lái)了，為什么這個(gè)行星發(fā)動(dòng)機(jī)上沒(méi)有拉瓦爾噴管的設(shè)計(jì)呢？

? ? ? ?拉瓦爾噴管誕生于1883年，由一位名叫拉瓦爾的瑞典工程師設(shè)計(jì)提出，后來(lái)廣泛應(yīng)用于飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)上，常見(jiàn)應(yīng)用有導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和部分噴氣式飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)。拉瓦爾噴管的典型特征是“先收縮再擴(kuò)張”，先把燃燒室產(chǎn)生的燃?xì)膺M(jìn)行收縮，產(chǎn)生巨大的壓力使得燃?xì)庖詷O高的速度通過(guò)細(xì)小的噴管口，隨后進(jìn)入鐘形擴(kuò)張噴管段進(jìn)行擴(kuò)張，超聲速的燃?xì)庠谶@里朝四面八方擴(kuò)張，但受到噴管內(nèi)壁限制，最終把燃?xì)鈬娤蛘蠓?，并在鐘形噴管外產(chǎn)生一串耀眼的馬赫環(huán)。

? ? ? ?不少家里有火箭的朋友可能會(huì)留意到，明明買(mǎi)的是同一款發(fā)動(dòng)機(jī)，但是展示柜里擺的兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的擴(kuò)張比卻是不同的。比如以下這兩個(gè)blue origin的BE-3發(fā)動(dòng)機(jī)，真空版的噴管顯得特別巨大。

? ? ? ? 這一顯著區(qū)別的原因主要在于這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)所應(yīng)用的環(huán)境條件不同。在地球上，我們被空氣包圍著，雖然我們難以察覺(jué)到，但空氣其實(shí)是有力作用在我們身上的，例如在海平面高度下為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。普通的鐘型噴管，只能選取一個(gè)特定高度進(jìn)行折中設(shè)計(jì)，讓噴管出口壓力等于圍壓，燃燒室產(chǎn)生的燃?xì)怆x開(kāi)鐘形噴管后，在大氣的壓力下形成約束，順著外延集中成一根長(zhǎng)長(zhǎng)的尾焰，隨著海平面距離高度增加，空氣密度會(huì)逐漸降低，環(huán)境的大氣壓也隨之降低，噴管內(nèi)壓大于圍壓，在燃?xì)怆x開(kāi)噴管后，失去了大氣的約束，會(huì)直接擴(kuò)散開(kāi)來(lái)，最直接的影響是降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。所以我們?cè)谟^察火箭發(fā)射時(shí)，可以看到火箭的尾焰在剛離開(kāi)發(fā)射臺(tái)時(shí)是長(zhǎng)長(zhǎng)的一根，隨著火箭越飛越高，尾焰從一整根逐漸向外擴(kuò)散，就像是火箭末端拖著一把傘。

? ? ? 真空版的發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擁有更大的擴(kuò)張比，如Merlin 1D真空版的擴(kuò)張比達(dá)到165:1。更大更長(zhǎng)的鐘形噴管可以避免燃?xì)膺^(guò)早擴(kuò)散，維持更高的效率。真空版的噴管直徑有的幾乎達(dá)到了箭體的直徑，還有的發(fā)動(dòng)機(jī)為了節(jié)省更多的空間，甚至設(shè)計(jì)成伸縮型噴管。

? ? ? ?不得不說(shuō)，人類(lèi)的設(shè)計(jì)真是妙啊。

? ? ? ?然而，行星發(fā)動(dòng)機(jī)是一款安裝在地上，噴管朝天上的發(fā)動(dòng)機(jī)，高達(dá)10公里。如果要在這個(gè)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)拉瓦爾噴管，那這個(gè)噴管的高度也將超過(guò)100公里，這高度已經(jīng)是卡門(mén)線的位置了；同時(shí)行星發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的不是高溫燃?xì)?，而是高達(dá)數(shù)十億度的硅元素聚變產(chǎn)物，極其苛刻的工作環(huán)境和極高的制作難度，以目前人類(lèi)的技術(shù)水平很可能連拉瓦爾噴管的收斂段都無(wú)法做出。

? ? ???所以在流浪地球的方案中，人類(lèi)必須設(shè)計(jì)出一個(gè)可以保障其工作效率，同時(shí)滿(mǎn)足可持續(xù)穩(wěn)定工作的方案，這時(shí)候工程師們的目光看向了一個(gè)2023年尚未完全成熟，但已經(jīng)出現(xiàn)許久的發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型——塞式構(gòu)型。

? ? ? ?1939年，在這個(gè)螺旋槳飛機(jī)還滿(mǎn)天飛的年代，一位英國(guó)工程師加盟了Rolls-Royce公司，并在該公司一直工作到了1960年。在Rolls-Royce公司里，這位工程師設(shè)計(jì)了AJ.65軸向渦輪噴氣機(jī)，參與了垂直起降（VTOL）技術(shù)的先驅(qū)研究工作，還帶動(dòng)了AVON（埃文）軸流式噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。這位工程師名叫Alan Arnold Griffith，材料力學(xué)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的朋友們以及學(xué)習(xí)飛行器的朋友們想必會(huì)記得他。他在上世紀(jì)五十年代申請(qǐng)的專(zhuān)利首次將塞式噴管應(yīng)用于火箭推進(jìn)，吸引了許多航空航天公司對(duì)這個(gè)技術(shù)展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

? ? ? ?上世紀(jì)五六十年代，土星五號(hào)運(yùn)載火箭閃耀登場(chǎng)，它在美蘇太空競(jìng)賽中立下了汗馬功勞，而為它帶來(lái)巨大推力的一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)——F-1發(fā)動(dòng)機(jī)更是隨之家喻戶(hù)曉。我想應(yīng)該不少朋友見(jiàn)過(guò)馮·布勞恩站在土星五號(hào)旁邊合影的這張圖，可想而知這枚火箭有多么的龐大。

? ? ?? 我們接下來(lái)要講的并不是耳熟能詳?shù)腇-1發(fā)動(dòng)機(jī)，而是土星五號(hào)二級(jí)、三級(jí)的發(fā)動(dòng)機(jī)——J-2發(fā)動(dòng)機(jī)。J-2發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)相是屬于常規(guī)構(gòu)型的鐘形噴管發(fā)動(dòng)機(jī)，它誕生后的數(shù)十年里經(jīng)歷了數(shù)次改動(dòng)，誕生了多個(gè)型號(hào)，如性能優(yōu)越、技術(shù)更加先進(jìn)的J-2S型發(fā)動(dòng)機(jī)。而在這些改動(dòng)的型號(hào)中，J-2T型發(fā)動(dòng)機(jī)是長(zhǎng)得“最奇怪”的一個(gè)——沒(méi)有粗大而長(zhǎng)的噴管，中間像是缺了一塊，并且火焰不是從中間出來(lái)而是從外面一圈噴出來(lái)...

? ? ? ? 天生異相，必有異稟。J-2T發(fā)動(dòng)機(jī)正是后來(lái)塞式發(fā)動(dòng)機(jī)的先驅(qū)。

? ? ? ?J-2發(fā)動(dòng)機(jī)在執(zhí)行多次任務(wù)后出現(xiàn)了部分問(wèn)題，并引發(fā)了一些驚險(xiǎn)事件，但始終無(wú)法撼動(dòng)它仍是杰出的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的地位。于是在美國(guó)空軍、NASA、洛克達(dá)因的共同努力下，在J-2基礎(chǔ)上大力改良而來(lái)的J-2T誕生。盡管J-2T型發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)開(kāi)展了多次試驗(yàn)，并取得了塞式構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)的眾多開(kāi)創(chuàng)性的經(jīng)驗(yàn)，但它迄今為止始終沒(méi)有被安裝在火箭上執(zhí)行過(guò)運(yùn)載任務(wù)。

? ? ? ?塞式發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造特殊，燃?xì)馔ㄟ^(guò)外圍眾多噴口一同噴出，沖擊在中間的塞錐外壁上，延伸到遠(yuǎn)處合成一道巨大的尾焰。其噴口向內(nèi)部?jī)A斜，使其在大氣層的環(huán)境中，燃?xì)饪梢员３衷谥行?；在真空環(huán)境下正好直接彌補(bǔ)了發(fā)動(dòng)機(jī)工作產(chǎn)生的過(guò)度膨脹的向外擴(kuò)張問(wèn)題，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在任何高度都可以保持高效率工作。

? ? ? ?實(shí)在是居家旅行必備良藥。

? ? ? ?后來(lái)洛克達(dá)因基于J-2T的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)了直排塞式發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)，還驗(yàn)證了其矢量控制方案——通過(guò)運(yùn)動(dòng)連桿控制發(fā)動(dòng)機(jī)尾流朝向或直接關(guān)閉單側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)推力以實(shí)現(xiàn)方向控制。

? ? ? ?在《流浪地球2》里，我們可以通過(guò)俯視的角度看到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程。我們發(fā)現(xiàn)行星發(fā)動(dòng)機(jī)是從七個(gè)長(zhǎng)方形的噴管兩側(cè)開(kāi)始產(chǎn)生高亮射流的，并向著長(zhǎng)方形中央?yún)R集，形成一道長(zhǎng)長(zhǎng)的射流，這個(gè)過(guò)程和塞式構(gòu)型的發(fā)動(dòng)機(jī)工作畫(huà)面是一致的。

? ? ? ? 在第一部《流浪地球》中，除了可以看到整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)在工作外，我們還看到行星發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的噴管可以進(jìn)行單獨(dú)點(diǎn)火，劇情中李一一通過(guò)該方法整出了“春節(jié)十二響”，以及救援隊(duì)也嘗試通過(guò)單獨(dú)噴管?chē)姵龅幕鹧纥c(diǎn)燃木星和地球之間氫氧混合的氣體。我們比較工作中的行星發(fā)動(dòng)機(jī)以及正在試車(chē)的直排塞式構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)，可以更好地看出行星發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的噴管部分采用了塞式構(gòu)型。

? ? ? ? 由此可見(jiàn)，行星發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管內(nèi)部結(jié)構(gòu)不是借鑒了煤氣灶設(shè)計(jì)，而是采用了先進(jìn)的塞式構(gòu)型噴管。對(duì)比相對(duì)長(zhǎng)的常規(guī)鐘形噴管發(fā)動(dòng)機(jī)，塞式噴管發(fā)動(dòng)機(jī)可以做得更加寬扁，降低了人類(lèi)在流浪地球過(guò)程中的生產(chǎn)制造難度，同時(shí)還可以在地面做個(gè)寬大的平臺(tái)安裝發(fā)動(dòng)機(jī)，我想這也是選擇塞式構(gòu)型的原因之一。在這里不由得贊嘆流浪地球的制作組對(duì)這些細(xì)節(jié)的用心，讓我們這些技術(shù)宅們大飽眼福！

? ? ? ? ?在這篇文章里，我們淺扒了一下行星發(fā)動(dòng)機(jī)噴管的細(xì)節(jié)，并和大家簡(jiǎn)單地講述了它的工作原理，若有講的不太對(duì)的地方，請(qǐng)各位多多指教。下一篇我們將為大家講講行星發(fā)動(dòng)機(jī)的矢量控制以及現(xiàn)在航空航天常用的控制轉(zhuǎn)向的技術(shù)方案，敬請(qǐng)期待！

對(duì)了，那這個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)可以用到飛行器或航天器上嗎？

? ? ? ?大家可以再刷一次《流浪地球2》，留意一下就會(huì)發(fā)現(xiàn)去月球的飛船用的也是塞式構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)哦！