冷靜！天舟九號發(fā)射，驚現(xiàn)水母云，但這樣是效率低的表現(xiàn)

一個這樣的視頻：

大家就又自嗨起來了。

這是剛剛“天舟九號”發(fā)射任務的長征七號火箭的發(fā)射視頻片段，我們看到了水母云。早上拉屎的時候給了個回復：

W君說“羽流過膨脹，其實這樣的視覺效果好看，但效率并不高”。

有人還得問，要怎么提高效率……

那么今天咱們就來聊聊這種現(xiàn)象到底是怎么產(chǎn)生的，以及W君為什么說效率不高，在文末再去回答這位廣東網(wǎng)友的靈魂發(fā)問。

先看現(xiàn)場視頻：

在視頻中我們可以看到級間分離和再點火的過程，之前連續(xù)的火箭羽流出現(xiàn)間斷，然后嘭的一下又繼續(xù)釋放出來，只不過第二次釋放出來的羽流顯然要比爆炸前的羽流要淡了很多。

其實再往前的視頻是這樣的：

這是遙測攝像機逐漸跟蹤到發(fā)射中的長征七號的視頻，我們會發(fā)現(xiàn)這臺遙測相機在不斷的調(diào)整角度-變焦-調(diào)整角度-變焦，逐步的把火箭的羽流在畫面中放大，而且我們還會在視頻的末端發(fā)現(xiàn)這條羽流在一瞬間忽然就變亮了。

這些不刻意去觀察的異象如果不單獨的指出似乎很少有人注意到。

別驚奇，要冷靜！這些都是一個正常的運載火箭發(fā)射所能展現(xiàn)出的正常現(xiàn)象，并無太多新奇的地方。從1970年1月10日我們第一次發(fā)射長征一號運載火箭開始到今天我們發(fā)射的長征七號運載火箭都是這樣的并沒有什么好驚奇的地方。

從這種視頻上能看到的并不是火箭技術的進步，而是視頻遙測技術的不斷提高。

回到主題，為什么說這樣的“水母云”尾流效率低呢？

我們看火箭在發(fā)射架上的尾焰，你會發(fā)現(xiàn)大多數(shù)時候這些尾焰是聚攏狀態(tài)，而一枚火箭飛到高空，我們就可以看到尾焰呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)：

這里就有火箭發(fā)動機上的一個難題了。

目前我們的大部分火箭發(fā)動機采取的都是拉瓦爾噴管

呈現(xiàn)出來的效果就是一個反曲線包圍的漸開噴管效果。

這是一個很反直覺的設計

看上圖當燃氣從左側進入拉瓦爾噴管的時候，燃氣的速度是亞音速的，隨著拉瓦爾噴管的截面一點點的收縮，燃氣被壓縮速度加快，很快到了拉瓦爾噴管的喉部燃氣的速度達到音速產(chǎn)生激波，然后過了喉部后由于壓力快速釋放（速度增加，壓力降低），燃氣氣流的速度就進一步加快達到超音速。

之所以可以達到這個效果，主要是拉瓦爾噴管喉部后的擴張段有一個“拘束效應”，可以兜著氣流完成尾焰的“塑形”，那么問題來了，什么樣的氣流速度可以讓火箭有最大的效率呢？其實很簡單燃氣壓力=外部氣壓。

上面三個對比圖：第一個是燃氣壓力小于外部氣壓的，我們可以看到燃氣在沒有完全經(jīng)過拉瓦爾噴管的時候燃氣的邊緣就和拉瓦爾噴管的內(nèi)壁脫離了。這實際上就是在火箭發(fā)射臺上的燃氣效果——外部大氣壓力大于噴出的燃氣壓力。高速燃氣只是依靠自己的慣性向后噴出，但在噴出過程中有一部分被外界大氣壓憋回去了。簡單的說這種情況就是在當前工況下拉瓦爾噴管的長度太長了。

中間的情況則是最理想的情況，燃氣壓力和外界大氣壓相同，這樣燃氣的做功效率是最高的，也就是說無需對抗大氣壓力。

最后的一個情況，當外界大氣壓小于燃氣壓力的時候，燃氣掙脫了拉瓦爾噴管的束縛，一離開拉瓦爾彭噴管后就迅速擴散了——這也就是大家看到的水母云的效果了。本身還可以繼續(xù)加速的燃氣就不能加速了，換句話說——在這種情況下拉瓦爾噴管的長度又太短了。

火箭方程中Ve是指噴出的燃氣速度，本來可以噴出更快的氣體，卻因為拉瓦爾噴管的長度不夠，讓Ve不能繼續(xù)提高。這也是為什么W君說“羽流過膨脹，其實這樣的視覺效果好看，但效率并不高”的原因了。

那么廣東網(wǎng)友的提問“怎么提高效率呢？”一般的來說，沒啥必要提高。大氣的壓力是一個環(huán)境變量，海平面壓力最高，隨著火箭的升高大氣的壓力會迅速下降。

因此，我們無論把火箭噴口做得多長或者多短，在整個飛行過程中都有大部分時間大氣壓力或者大于噴口壓力或者大氣壓力小于噴口壓力。也就說想靠一個一成不變的噴口長度來適應所有海拔高度的大氣壓本身就是一個不切實際的事情。

所以說，高效、低效這種話也就是說說罷了。更重要的是調(diào)整一個合適長度的拉瓦爾噴管，讓火箭在飛行的整個路程中，有盡量多的一段路程是在一個效率更高的“舒適區(qū)”就夠了，也就沒太大必要去考慮某一個始/末時間點的過膨脹或者欠膨脹問題。

在這件事上躺平也就沒什么心里不安的情緒了。

當然了，最近幾年，我國還在這方面有一些“不躺平”的進展，例如西北工業(yè)大學有一個課題叫做“應變-彎矩的半柔壁噴管大撓度變形重構”，研究的就是在不同工況需求下，改變拉瓦爾噴管的形狀讓火箭燃氣得到更大的效率釋放的課題。

通過一些活動組件來改變噴管的物理形態(tài)。這樣理論上來說噴管噴出的燃氣速度在整個飛行過程中會有更大的“舒適區(qū)”。

不過，這種研究目前還只是一個研究方向，并沒有得到真正的應用。原因也很簡單——在噴管上額外的動作機構的重量還降不下來、活動噴管的強度還沒有固定噴管的強度大，研究是可以通過改變噴管的形狀提高燃氣噴出的效果，但為了能夠改變形狀而額外加在火箭上的重量還不能平衡這項改進所帶來的效能收益。

所以……我們要看到不帶水母云更高效運行的運載火箭恐怕還要有一段路要走。

那么最后一個問題，“為什么視頻的末端發(fā)現(xiàn)這條羽流在一瞬間忽然就變亮了？”：

這次發(fā)射的時間是2025年7月15日5時34分，還未破曉，太陽還沒有從地平線下面升起來，而火箭尾焰沒有被照亮，在視頻中變亮的那一點恰恰是火箭飛過了晨昏線夾角，尾焰被陽光照亮了。這個現(xiàn)象和太陽落山了，天邊的晚霞還很亮是相同的道理。只不過視頻是以火箭為中心參照系來看的，我們恰好看到火箭飛過晨昏線而已。