冷静！天舟九号发射，惊现水母云，但这样是效率低的表现

一个这样的视频：

大家就又自嗨起来了。

这是刚刚“天舟九号”发射任务的长征七号火箭的发射视频片段，我们看到了水母云。早上拉屎的时候给了个回复：

W君说“羽流过膨胀，其实这样的视觉效果好看，但效率并不高”。

有人还得问，要怎么提高效率……

那么今天咱们就来聊聊这种现象到底是怎么产生的，以及W君为什么说效率不高，在文末再去回答这位广东网友的灵魂发问。

先看现场视频：

在视频中我们可以看到级间分离和再点火的过程，之前连续的火箭羽流出现间断，然后嘭的一下又继续释放出来，只不过第二次释放出来的羽流显然要比爆炸前的羽流要淡了很多。

其实再往前的视频是这样的：

这是遥测摄像机逐渐跟踪到发射中的长征七号的视频，我们会发现这台遥测相机在不断的调整角度-变焦-调整角度-变焦，逐步的把火箭的羽流在画面中放大，而且我们还会在视频的末端发现这条羽流在一瞬间忽然就变亮了。

这些不刻意去观察的异象如果不单独的指出似乎很少有人注意到。

别惊奇，要冷静！这些都是一个正常的运载火箭发射所能展现出的正常现象，并无太多新奇的地方。从1970年1月10日我们第一次发射长征一号运载火箭开始到今天我们发射的长征七号运载火箭都是这样的并没有什么好惊奇的地方。

从这种视频上能看到的并不是火箭技术的进步，而是视频遥测技术的不断提高。

回到主题，为什么说这样的“水母云”尾流效率低呢？

我们看火箭在发射架上的尾焰，你会发现大多数时候这些尾焰是聚拢状态，而一枚火箭飞到高空，我们就可以看到尾焰呈现发散状态：

这里就有火箭发动机上的一个难题了。

目前我们的大部分火箭发动机采取的都是拉瓦尔喷管

呈现出来的效果就是一个反曲线包围的渐开喷管效果。

这是一个很反直觉的设计

看上图当燃气从左侧进入拉瓦尔喷管的时候，燃气的速度是亚音速的，随着拉瓦尔喷管的截面一点点的收缩，燃气被压缩速度加快，很快到了拉瓦尔喷管的喉部燃气的速度达到音速产生激波，然后过了喉部后由于压力快速释放（速度增加，压力降低），燃气气流的速度就进一步加快达到超音速。

之所以可以达到这个效果，主要是拉瓦尔喷管喉部后的扩张段有一个“拘束效应”，可以兜着气流完成尾焰的“塑形”，那么问题来了，什么样的气流速度可以让火箭有最大的效率呢？其实很简单燃气压力=外部气压。

上面三个对比图：第一个是燃气压力小于外部气压的，我们可以看到燃气在没有完全经过拉瓦尔喷管的时候燃气的边缘就和拉瓦尔喷管的内壁脱离了。这实际上就是在火箭发射台上的燃气效果——外部大气压力大于喷出的燃气压力。高速燃气只是依靠自己的惯性向后喷出，但在喷出过程中有一部分被外界大气压憋回去了。简单的说这种情况就是在当前工况下拉瓦尔喷管的长度太长了。

中间的情况则是最理想的情况，燃气压力和外界大气压相同，这样燃气的做功效率是最高的，也就是说无需对抗大气压力。

最后的一个情况，当外界大气压小于燃气压力的时候，燃气挣脱了拉瓦尔喷管的束缚，一离开拉瓦尔彭喷管后就迅速扩散了——这也就是大家看到的水母云的效果了。本身还可以继续加速的燃气就不能加速了，换句话说——在这种情况下拉瓦尔喷管的长度又太短了。

火箭方程中Ve是指喷出的燃气速度，本来可以喷出更快的气体，却因为拉瓦尔喷管的长度不够，让Ve不能继续提高。这也是为什么W君说“羽流过膨胀，其实这样的视觉效果好看，但效率并不高”的原因了。

那么广东网友的提问“怎么提高效率呢？”一般的来说，没啥必要提高。大气的压力是一个环境变量，海平面压力最高，随着火箭的升高大气的压力会迅速下降。

因此，我们无论把火箭喷口做得多长或者多短，在整个飞行过程中都有大部分时间大气压力或者大于喷口压力或者大气压力小于喷口压力。也就说想靠一个一成不变的喷口长度来适应所有海拔高度的大气压本身就是一个不切实际的事情。

所以说，高效、低效这种话也就是说说罢了。更重要的是调整一个合适长度的拉瓦尔喷管，让火箭在飞行的整个路程中，有尽量多的一段路程是在一个效率更高的“舒适区”就够了，也就没太大必要去考虑某一个始/末时间点的过膨胀或者欠膨胀问题。

在这件事上躺平也就没什么心里不安的情绪了。

当然了，最近几年，我国还在这方面有一些“不躺平”的进展，例如西北工业大学有一个课题叫做“应变-弯矩的半柔壁喷管大挠度变形重构”，研究的就是在不同工况需求下，改变拉瓦尔喷管的形状让火箭燃气得到更大的效率释放的课题。

通过一些活动组件来改变喷管的物理形态。这样理论上来说喷管喷出的燃气速度在整个飞行过程中会有更大的“舒适区”。

不过，这种研究目前还只是一个研究方向，并没有得到真正的应用。原因也很简单——在喷管上额外的动作机构的重量还降不下来、活动喷管的强度还没有固定喷管的强度大，研究是可以通过改变喷管的形状提高燃气喷出的效果，但为了能够改变形状而额外加在火箭上的重量还不能平衡这项改进所带来的效能收益。

所以……我们要看到不带水母云更高效运行的运载火箭恐怕还要有一段路要走。

那么最后一个问题，“为什么视频的末端发现这条羽流在一瞬间忽然就变亮了？”：

这次发射的时间是2025年7月15日5时34分，还未破晓，太阳还没有从地平线下面升起来，而火箭尾焰没有被照亮，在视频中变亮的那一点恰恰是火箭飞过了晨昏线夹角，尾焰被阳光照亮了。这个现象和太阳落山了，天边的晚霞还很亮是相同的道理。只不过视频是以火箭为中心参照系来看的，我们恰好看到火箭飞过晨昏线而已。