今年春节上映的《流浪地球2》，相信不少朋友都去影院观影体验了，甚至有不少朋友忍不住去二刷、三刷的，而我也被震撼的画面带来的压迫感压在电影院的椅子赞叹不已。对于一位从事科技行业的科幻迷，当电影中各种炫酷的装备在眼前出现时，我眼睛根本闲不下来，疯狂找各种技术细节，脑海中反复冒出这类的念头：哇！可垂直起降的J20！太空电梯返回大气层还有隔热板！这个门框机器人我们也可以搞出来！

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看完电影后，看到旁边很多人想发朋友圈，嘴里不停地感叹“牛哇牛哇！”却又不知道写什么文案来显得自己得到了升华，于是我想要不和大家分享一下我对发动机的了解吧。

日常生活中，我们常见的航空航天发动机有飞机上的涡扇发动机以及火箭上的火箭发动机，它们是利用牛顿第三定律以及采用高速射流进行推进的发动机。其中涡扇发动机可以通过前端吸入空气在燃烧室中和燃料混合燃烧工作，再把燃气从后端喷管处排出形成高速射流以产生推进的效果；而火箭发动机则在半封闭的燃烧室中通过加注口加入燃料以及氧化剂（液氧）进行充分混合后引燃，燃气经过拉瓦尔喷管收缩段增大压力，并加速超过声速从喉部喷出到达扩张段以产生巨大的推力。

电影中行星发动机的设定是通过重聚变的方式产生能量，喷管下方是预变反应堆，能够产生极高的温度，使硅等元素产生聚变，所以行星发动机在工作时除了加入燃料（石头）外，不需要进气口以及额外提供的氧化剂。由此可见行星发动机在其推进原理上也是采用类似火箭发动机的设计。

但是问题又来了，为什么这个行星发动机上没有拉瓦尔喷管的设计呢？

拉瓦尔喷管诞生于1883年，由一位名叫拉瓦尔的瑞典工程师设计提出，后来广泛应用于飞行器的发动机上，常见应用有导弹发动机、火箭发动机和部分喷气式飞机的发动机。拉瓦尔喷管的典型特征是“先收缩再扩张”，先把燃烧室产生的燃气进行收缩，产生巨大的压力使得燃气以极高的速度通过细小的喷管口，随后进入钟形扩张喷管段进行扩张，超声速的燃气在这里朝四面八方扩张，但受到喷管内壁限制，最终把燃气喷向正后方，并在钟形喷管外产生一串耀眼的马赫环。

不少家里有火箭的朋友可能会留意到，明明买的是同一款发动机，但是展示柜里摆的两个发动机喷管的扩张比却是不同的。比如以下这两个blue origin的BE-3发动机，真空版的喷管显得特别巨大。

这一显著区别的原因主要在于这两款发动机所应用的环境条件不同。在地球上，我们被空气包围着，虽然我们难以察觉到，但空气其实是有力作用在我们身上的，例如在海平面高度下为1标准大气压。普通的钟型喷管，只能选取一个特定高度进行折中设计，让喷管出口压力等于围压，燃烧室产生的燃气离开钟形喷管后，在大气的压力下形成约束，顺着外延集中成一根长长的尾焰，随着海平面距离高度增加，空气密度会逐渐降低，环境的大气压也随之降低，喷管内压大于围压，在燃气离开喷管后，失去了大气的约束，会直接扩散开来，最直接的影响是降低了发动机的效率。所以我们在观察火箭发射时，可以看到火箭的尾焰在刚离开发射台时是长长的一根，随着火箭越飞越高，尾焰从一整根逐渐向外扩散，就像是火箭末端拖着一把伞。

真空版的发动机喷管拥有更大的扩张比，如Merlin 1D真空版的扩张比达到165:1。更大更长的钟形喷管可以避免燃气过早扩散，维持更高的效率。真空版的喷管直径有的几乎达到了箭体的直径，还有的发动机为了节省更多的空间，甚至设计成伸缩型喷管。

不得不说，人类的设计真是妙啊。

然而，行星发动机是一款安装在地上，喷管朝天上的发动机，高达10公里。如果要在这个基础上设计拉瓦尔喷管，那这个喷管的高度也将超过100公里，这高度已经是卡门线的位置了；同时行星发动机产生的不是高温燃气，而是高达数十亿度的硅元素聚变产物，极其苛刻的工作环境和极高的制作难度，以目前人类的技术水平很可能连拉瓦尔喷管的收敛段都无法做出。

所以在流浪地球的方案中，人类必须设计出一个可以保障其工作效率，同时满足可持续稳定工作的方案，这时候工程师们的目光看向了一个2023年尚未完全成熟，但已经出现许久的发动机构型——塞式构型。

1939年，在这个螺旋桨飞机还满天飞的年代，一位英国工程师加盟了Rolls-Royce公司，并在该公司一直工作到了1960年。在Rolls-Royce公司里，这位工程师设计了AJ.65轴向涡轮喷气机，参与了垂直起降（VTOL）技术的先驱研究工作，还带动了AVON（埃文）轴流式喷气式发动机的发展。这位工程师名叫Alan Arnold Griffith，材料力学相关专业的朋友们以及学习飞行器的朋友们想必会记得他。他在上世纪五十年代申请的专利首次将塞式喷管应用于火箭推进，吸引了许多航空航天公司对这个技术展开进一步的研究。

上世纪五六十年代，土星五号运载火箭闪耀登场，它在美苏太空竞赛中立下了汗马功劳，而为它带来巨大推力的一级发动机——F-1发动机更是随之家喻户晓。我想应该不少朋友见过冯·布劳恩站在土星五号旁边合影的这张图，可想而知这枚火箭有多么的庞大。

我们接下来要讲的并不是耳熟能详的F-1发动机，而是土星五号二级、三级的发动机——J-2发动机。J-2发动机的长相是属于常规构型的钟形喷管发动机，它诞生后的数十年里经历了数次改动，诞生了多个型号，如性能优越、技术更加先进的J-2S型发动机。而在这些改动的型号中，J-2T型发动机是长得“最奇怪”的一个——没有粗大而长的喷管，中间像是缺了一块，并且火焰不是从中间出来而是从外面一圈喷出来...

天生异相，必有异禀。J-2T发动机正是后来塞式发动机的先驱。

J-2发动机在执行多次任务后出现了部分问题，并引发了一些惊险事件，但始终无法撼动它仍是杰出的上面级发动机的地位。于是在美国空军、NASA、洛克达因的共同努力下，在J-2基础上大力改良而来的J-2T诞生。尽管J-2T型发动机已经开展了多次试验，并取得了塞式构型发动机的众多开创性的经验，但它迄今为止始终没有被安装在火箭上执行过运载任务。

塞式发动机构造特殊，燃气通过外围众多喷口一同喷出，冲击在中间的塞锥外壁上，延伸到远处合成一道巨大的尾焰。其喷口向内部倾斜，使其在大气层的环境中，燃气可以保持在中心；在真空环境下正好直接弥补了发动机工作产生的过度膨胀的向外扩张问题，使得发动机在任何高度都可以保持高效率工作。

实在是居家旅行必备良药。

后来洛克达因基于J-2T的经验设计了直排塞式发动机并进行了大量的试验，还验证了其矢量控制方案——通过运动连杆控制发动机尾流朝向或直接关闭单侧发动机产生偏转推力以实现方向控制。

在《流浪地球2》里，我们可以通过俯视的角度看到发动机启动的过程。我们发现行星发动机是从七个长方形的喷管两侧开始产生高亮射流的，并向着长方形中央汇集，形成一道长长的射流，这个过程和塞式构型的发动机工作画面是一致的。

在第一部《流浪地球》中，除了可以看到整个发动机在工作外，我们还看到行星发动机内的喷管可以进行单独点火，剧情中李一一通过该方法整出了“春节十二响”，以及救援队也尝试通过单独喷管喷出的火焰点燃木星和地球之间氢氧混合的气体。我们比较工作中的行星发动机以及正在试车的直排塞式构型发动机，可以更好地看出行星发动机内部的喷管部分采用了塞式构型。

由此可见，行星发动机的喷管内部结构不是借鉴了煤气灶设计，而是采用了先进的塞式构型喷管。对比相对长的常规钟形喷管发动机，塞式喷管发动机可以做得更加宽扁，降低了人类在流浪地球过程中的生产制造难度，同时还可以在地面做个宽大的平台安装发动机，我想这也是选择塞式构型的原因之一。在这里不由得赞叹流浪地球的制作组对这些细节的用心，让我们这些技术宅们大饱眼福！

在这篇文章里，我们浅扒了一下行星发动机喷管的细节，并和大家简单地讲述了它的工作原理，若有讲的不太对的地方，请各位多多指教。下一篇我们将为大家讲讲行星发动机的矢量控制以及现在航空航天常用的控制转向的技术方案，敬请期待！

对了，那这个发动机可以用到飞行器或航天器上吗？

大家可以再刷一次《流浪地球2》，留意一下就会发现去月球的飞船用的也是塞式构型发动机哦！

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