航天，让流体的魔法走进千家万户_风闻

航天创新，到底会如何影响日常生活？

作者 | 隔壁王叔叔

每次航天发射，现场的照片和视频都会引发观众极大的震撼。在一片赞叹中，总是会听到这样的声音：「看起来可真像个煤气炉啊。」

确实，从视觉效果上来说，火箭发动机明亮的尾焰确实有点像煤气炉的火苗，毕竟，有的火箭发动机用的就是煤气（甲烷）和氧气（液氧）。

但是，要问什么家电最像火箭，煤气炉可能并不是最佳选择。毕竟，煤气炉它没法上天啊。这不只是句玩笑话。同样的燃料，一个可以爆炒鱿鱼，一个可以探索宇宙，区别在于火箭是一个复杂的系统工程，里面有太多不显山露水，但是技术难度极高的设备。这个复杂系统工程还带来了不确定性的增加，如何让火箭变得可靠，也是个大难题。

01

5、4、3、2、1，

洗干净没有

在家里，有那么一件电器，让人时常体验航天总指挥的心情。这件电器，也是很多人认为在所有家电中与火箭最像的一个，同时，他被家庭成员接纳的过程也是最坎坷的。

它就是，洗碗机。

如果会说话，相信很多家用洗碗机都会声泪俱下地讲述一部「事业开拓史」。当添置洗碗机列入家庭预算申报会时，经常会得到家里长辈的一致反对。反对的比例甚至高过了买一台游戏机，毕竟，谁还不是个洗碗专家了？

洗碗机费水、洗碗机费电、洗碗机伤餐具，面对「预算审批委员会」这三大质疑，都是比较容易用数据和实验逐个击破的。手洗餐具对水和能源的消耗量取决于个人手艺，但是一项经过同行评议的科研论文显示，洗碗机在省水方面胜过最精打细算的人类。

「怎么会呢？你听洗碗机里哗啦啦的水声就没断过。」当长辈们了解到洗碗机里的水是可以反复循环使用的时候，就明白了洗碗机省水并不是在吹牛，毕竟在水槽里手洗餐具，水龙头开得再小，流走了也就没了。

唯一难以用数据服众的，就是清洁效果。当洗碗机预算终于被批下来，安装完之后，每次使用，都会迎来长辈们审视的目光。头几个月，大部分时候，洗碗机都能完成自己的任务，看着亮晶晶的杯碟，长辈们赞许地点点头。信任的积累是一点一点的，信任的丧失却是稀里哗啦的。当某一次揭开盖子，洗碗机里赫然躺着一个没洗干净的盘子的时候：「我说什么来着？还是得手洗！」

于是，每次你都要像航天总指挥一样，紧盯着洗碗机上的倒计时，一定要抢在长辈之前打开薛定谔的门，如果不巧有那么几个没洗干净的餐具，赶紧转移现场。

02

你永远可以

相信航天科技

最近，方太进行了一场探厂直播，全面展示了「全能洗碗专家」方太洗碗机研发与生产中的技术创新。在这场直播中，我们看到了方太的工程师介绍了与中科院力学研究所联合发布的高能气泡洗技术，给洗碗机加入了航天科技的元素。你的下一台洗碗机，在航天科技的加持下，相信可以经得起长辈审视的目光，因为你永远可以相信航天科技。

纳维-斯托克斯方程

方太，真的在洗碗机里用上了航天同源科技？要了解航天是如何加持洗碗之前，我们先得去学习一个人类未解之谜。

洗碗机是怎么把餐具清洗干净的？大部分人并不知道，因为安全设计保证在洗碗机工作的时候你拉开它的门，一切清洗工作就停了下来，好像是怕你窥探秘密似的。其实，洗碗机的工作方式和手洗餐具完全不同，洗碗机里没有海绵擦，也没有钢丝球，它完全依靠各种喷头喷射的水流来「攻击」污物，在洗涤剂和加温的辅助下，水完成了对餐具的清洗。说起来就一句话，然而要从原理上解释清楚这一切的话，我们需要到当今科学的最前沿去。

03

万物皆流体

洗碗机喷头里的水会怎么流？这是一个问题。

两千多年前，古希腊哲学家赫拉克利特说：「τὰ πάντα ῥεῖ」这句希腊语是我粘贴的，意思是「万物皆流体」。

一百多年前，法国科学家纳维和英国科学家斯托克斯两个人写下了一组方程，人称纳维-斯托克斯方程，简称 N-S 方程。这是一组在数理上极其优美的方程，大道至简。啥意思呢？它描述了流体怎么变化，不管是空气、水或者其他什么流体，知道它现在啥样，通过这个方程，就能求出未来会怎么变化。

如果有兴趣可以去试试解一下这个偏微分方程，解出来的话至少可以拿个百万奖金。在 2000 年的时候，有个数学研究所给七道数学难题开出了百万美金悬赏，史称千禧年百万数学难题。其中之一就是求纳维—斯托克斯方程的「光滑解」。22 年过去了，没有人能从纳维和斯托克斯两位老先生那里拿走这笔钱。

所以，万物皆流，万物皆玄妙，大到岩浆流动塑造地球的高山峡谷，小到蚊子如何在雨滴中穿行。但凡涉及流体力学，处处皆是难题。甚至在家随便开个水龙头，都能观察到几个举世难题。比如开大水龙头，然后迅速关闭，如果你住在一些老旧小区里，就有可能会在听到一串咚咚声的同时感受到水管巨大的震颤，就像有人用锤子砸了一下，这是水锤效应，很难精确计算。如果水龙头开小一点，水流平缓而稳定地流到水槽的表面，就会在水槽中形成一个圆形的小「池塘」，水面会在某个地方突然升高，这被称作「水跃」，也是极难计算的现象。

水跃

这都算不出来，那还玩什么流体力学啊，大家还有信心坐船、坐飞机吗？工程师们永远不会等到科学完美解决了再动手，他们有的是办法。在工程实践中，流体力学虽然还没有绝对完美的解答，但是可以用模拟和实验尽量接近于完美的解答，从而变成经验。

04

航天，把流体的

魔法变成现实

把流体力学用到极致的，莫过于航天。

大家会惊叹于火箭以极高的速度飞行，在大气层中快速飞行的物体受力如何，这是复杂的流体力学问题。同样复杂的流体力学问题发生在火箭的内部。不同的推进剂以极高的压力被挤压进入燃烧室，混合，燃烧，产生尾焰，推动火箭前进。

阿波罗飞船发动机的拉瓦尔喷管

火箭喷出尾焰的部分叫喷管，它大有玄机。很多航天爱好者认为喷管是火箭上最好看的部分，因为它有着妖娆的曲线，术语叫「拉瓦尔喷管」，是由瑞典发明家古斯塔夫·德·拉瓦尔发明的，液体火箭之父戈达德第一次把它应用到了火箭上。这个喷管不一般，火箭的尾焰经过这中间细两头粗的管子时，速度就会突破音速，释放出极大的威力。

如果流体速度没那么快，这样的管子就被叫做「文丘里管」，是意大利科学家乔瓦尼·文丘里发明的，他发现，一根有粗有细的管子，流体在细的地方流速快、压力小。在炎热的夏天里，某些走廊或者墙角特别受人欢迎，因为那里的风总是比别处更大些，这些穿堂风其实就是文丘里管的现实应用。这样的效应同样可以用纳维—斯托克斯方程来描述。

如果你在花园里用透明水管给花草浇过水，可能会发现一种现象，如果管子被弯折或者压住了，在管径变窄的地方，往往会有一些气泡，同时伴随着嗡嗡声。其实，这里你看到的也是一段文丘里管，狭窄的地方流速快，压力小，如果压力小到可以让水沸腾，水就变成了水蒸气。水沸腾不是需要很高的温度吗？不尽然，压力越小，沸点越低，压力越大沸点越高。这也是为什么高原不用高压锅煮不熟饭的原因。在管子的狭窄处，压力就可以小到让水在常温下沸腾。术语叫空化效应。

05

不要小看泡泡

你可能会说这有什么了不起，气泡而已。那你可是低估了这小小的气泡。在火箭发动机里，有一个地方就会出现空化，哪里呢？发动机的泵里。泵就是压缩流体的机械，燃料泵用高速旋转的叶片把液氧或者煤油这些液体压缩到极大的压强。高速旋转，还记得文丘里管吗？速度越快，压力越小。于是在泵的叶片上，液体推进剂变成了空化泡。

这个现象最早是在船的螺旋桨上被发现的。好好的螺旋桨，那么结实，行驶一段时间，上面全是小坑。研究发现就是那些空化泡搞的鬼，这些不起眼的空化泡，在破裂的时候，居然可以产生几万摄氏度的高温和强烈的冲击波。当然，这个范围都很小，但是足以在坚固的金属上啃出坑来。这就是空化腐蚀效应。

被空化腐蚀的泵

在船舶螺旋桨和火箭发动机的泵上，科学家都在尽力减少这种空化腐蚀现象，比如改变叶片的形状。而在其他地方，空化腐蚀，未必意味着破坏，有可能还是一种建设。比如，洗牙。

啊，张开嘴，冲牙器冲出酸爽的水流，牢牢粘在牙齿上的牙垢牙石就被冲掉了。不对，它们并不是被冲掉的，而是被空化腐蚀震掉的，冲牙器就是利用超声波产生空泡来清洁牙齿的。

如果洗碗机也利用这种空化泡冲击油污，岂不是无坚不摧了？方太的工程师们利用航天科技驯服了这些泡泡。

他们利用拉瓦尔管的结构设计改进了洗碗机喷头的内部结构，让水流的射程增加了 20%。这次，水流不仅仅是水流了，而是气液两相流，也就是里面含有大量的空化泡。在过去，类似的空化射流在工业上用来清洁「更难刷的盘子」，比如长满了藤壶和贻贝的船底。如果你有密集恐惧症，强烈建议不要搜船底的照片。这些海洋生物分泌的生物胶堪比最结实的胶水，比粘在盘子上的干米粒可难清理多了。在空化射流的冲击下，即便这些难缠的海洋生物也会很容易被清理掉。

在方太洗碗机里，工程师们精确控制空化射流的能量，结合每秒三十米的高速稳定水流和 75 摄氏度的高温，比同类产品的清洁力有了巨大的提升。尤其是那些小空泡，炸裂的时候产生了堪比子弹速度的冲击。这个过程不仅仅是一个物理过程，空泡破裂还会让水产生有氧化作用的自由基，对农残和病菌都有很好的去除效果。这水里混进了大量空化泡，在更好洁净的同时，也更省水了。

06

洗碗是个系统工程

曾经，5，4，3，2，1，开盖，你永远不知道薛定谔的洗碗机里，盘子上是不是还挂着菜叶。现在，5，4，3，2，1，满满一洗碗机亮晶晶的餐厨具在等着你。在你按下开始键之后，方太洗碗机也是在做着 5，4，3，2，1 的倒计时。5，洗涤，空化泡水柱冲洗着每一个角落。4，消毒，空泡本身对微生物就有显著的杀灭效果，配合 75 摄氏度的持续高温，洗碗的同时给餐具做了一次巴氏消毒。3，烘干，陶瓷加热器与热风配合，充分排除洗碗机内的湿气，让餐具迅速干爽。2，除渣，曾经，洗碗之后洗碗机内残渣堆积，不但容易堵塞下水管，也会造成异味和二次污染，方太在业内首创渣水强排系统，污水残渣自动清理。1，存放，曾经，多少洗碗机沦落成了碗橱，如今，方太让洗碗机变成了更好的存储空间。如果你不是高频使用，可以开启存储模式，洗碗机定时热风烘干，防止餐具和洗碗机本身返潮发霉滋生异味。

这些，说的其实是方太洗碗机里使用的具体技术，其实跟航天类似，洗碗机也是一个复杂的系统工程，甚至比火箭面临更困难的考验。因为毕竟火箭的任务是明确的，某一次要发射什么载荷岛什么轨道，在什么发射窗口，都是明确的。如果超出了设计的参数，发射可以中止、延后甚至取消。但是，当你按下开始键之前，洗碗机永远不知道你这一顿吃的是一人食的清粥小菜还是合家欢的丰盛宴席。面对如此复杂多变的任务，方太的工程师们需要借助另一项航天科技——孪生数字仿真。在真正开始建造之前，先用数字建模的方式，构建一个虚拟的洗碗机，交给它各种虚拟的任务，看它的完成情况，在这个基础上改进设计。

当然，虚拟仿真并不能完全替代真实环境下的测试。

毕竟纳维-斯托克斯方程还没有被完全解开，所以我们还没法用公式和方程精确得出流体所有状态下的变化。因此，不管是航空还是航天，工程师们必须从数字仿真模型到缩比风洞模型，再到原型机试飞实验，不断摸索各种工作状态下的运行情况。我国航天目前的载人运载火箭是长征二号 F 型，是功勋卓著的长征二号家族的成员。长征二号诞生于上世纪七十年代中期，至今已经年近半百。之所以使用这样一款年事已高的火箭，正是看中了它久经考验，超百次的发射经理让工程师们对它无比了解，所以才会充分信任。洗碗机虽然并非是担负着民族重托的国之重器，但同样需要工匠精神，作为厨电领域龙头，方太用傲人的历史销量和对前沿科技的探索证明了，它值得每个家庭托付。

*头图来源：视觉中国