噴嘴行業(yè)新發(fā)現(xiàn)--拉法爾噴嘴的應用__螺旋噴嘴。最近，普渡大學的學生們用一種簡單的設備，讓一個乒乓球的速度突破了音障。不過，一顆音速進擊的乒乓球不是重點，重點是他們用的設備，叫做「拉法爾噴嘴」（de Laval nozzle），這種設備已經有近100年的歷史。而且毫不夸張地說，這種設備讓工業(yè)革命成為可能——也是航天史上的革命。在實驗中展示了一顆乒乓球所能制造的破壞力。只需要一點壓縮空氣，一點真空，以及一個形狀正確的噴嘴，乒乓球就能突破音障，輕松射穿4個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，只要別拿我做實驗就行。學生們把乒乓球卡在一段管子里，堵住管子兩頭，然后抽調里面的空氣。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。在計算乒乓球的速度的時候，首先是壓進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，但真正起到關鍵作用的，是兩段管子之間的噴嘴。
 

在工業(yè)革命時期，人們想要對氣體，比如對蒸汽加速，以驅動引擎和渦輪。那時候，讓氣體進入管道從而體積變小，進而加速，已經是一種常識。我們都見過河流從寬闊河床流向窄小河道的時候，流速會加快。但是這不是一個正比的關系，雖然氣體會在管道里加速，但當管道細到一定程度，就阻斷了流動。不論管道多細，壓強多大，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，但都不起作用。直到1888年，瑞典人拉法爾設計了一個尖嘴，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)革命時期的工程師最后發(fā)現(xiàn)，同樣的物質，在不同的條件下會表現(xiàn)出截然不同的特性。氣流在超音速時就和普通狀態(tài)下完全不同。在次音速下，它和狹窄河道中的水流一樣。當河道變窄，水流就加快。如果你坐在河邊計算流過的水量，然后你又跑到下游湍急處再測一次水流，你會發(fā)現(xiàn)單位時間里流過的水量是一樣的。當河道變窄，流速變快但水的質量流率不變的。這和流經細管的氣體一樣，一旦氣體流速達到音速，就到了一個臨界點——哪怕管道變得再細，氣體也不再加速。
 

拉法爾噴嘴，也被稱作「收斂擴散型噴管」，或者「細腰噴嘴」，這種簡單的裝置，不光是「普通乒乓球」和「超音速乒乓球」的關鍵，更造成了工業(yè)革命和太空時代截然不同的面貌。你可能注意到，就算在卡通畫里的火箭，它的底部推進器噴嘴也不是筆直的管子，而是一頭內收，尾部擴張的樣子，像個沙漏。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，氣體不斷加速到音速。在達到音速以后，顛覆常識的智慧來了。要讓達到音速的氣體繼續(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，氣體內部聚集的壓力都轉化成了速度，所有被釋放的能量都朝著一個方向做功——讓氣流以超音速噴射。