走紅的手搓“等離子脈沖炮”安全嗎？

一根長(zhǎng)管圍繞在“等離子炮”腔體外面，本質(zhì)上和這門等離子炮的激發(fā)沒(méi)有任何直接的關(guān)系，它所能達(dá)到的目的就是利用管子的長(zhǎng)度，盡量的延長(zhǎng)混合可燃?xì)怏w的燃燒路徑，讓人能夠直觀的看到一小團(tuán)火球通過(guò)管道沖向燃燒室的過(guò)程，這就給人一種“蓄能”的感覺(jué)。直至最后火球到燃燒室內(nèi)引燃燃燒室內(nèi)的氣體大規(guī)模的爆燃，男人們的情緒就被一下子推到最高點(diǎn)。

• 丁烷氣體危險(xiǎn)：這玩意兒遇高溫、碰撞可會(huì)引發(fā)爆炸。如果你是想在密閉空間發(fā)射，那絕對(duì)是個(gè)冒險(xiǎn)行為，氣體泄漏可能會(huì)引發(fā)大火！

• “炸膛”風(fēng)險(xiǎn)：發(fā)射的后坐力甚至可能把水管堵塞，發(fā)生爆炸，受傷的風(fēng)險(xiǎn)可不小。

走紅的手搓“等離子脈沖炮”安全嗎

火焰在管道中穿梭，看起來(lái)就像一團(tuán)能量球緩緩積蓄，最后進(jìn)入燃燒室引爆。實(shí)際上，這完全是火焰?zhèn)鞑パ訒r(shí)效應(yīng)?！叭紵睅缀跏俏覀兯腥硕家姷竭^(guò)的一個(gè)現(xiàn)象。但是如果細(xì)致的說(shuō)燃燒，很多人就會(huì)因?yàn)橐姷锰喽雎浴叭紵边^(guò)程中的細(xì)節(jié)。就會(huì)自然而然的說(shuō)“燒起來(lái)了”，或者“著火了”。但對(duì)于燃燒來(lái)說(shuō)是需要三要素的——燃料、氧化劑、溫度。這叫做“火三角”。

那么我們回去看管道中的火球就會(huì)發(fā)現(xiàn)這是滿足火三角的燃燒傳遞過(guò)程。當(dāng)在管道中注入可燃?xì)怏w例如打火機(jī)氣（丁烷）后，管道內(nèi)就開始彌漫著很多燃料，它們是氣體狀態(tài)，很容易和管道中殘存的空氣混合，這就構(gòu)成了火三角的兩個(gè)邊：燃料（丁烷氣體）和氧化劑（空氣中的氧氣），僅僅需要一個(gè)小火源把溫度提高就可以構(gòu)成“火三角”了，這時(shí)候用電子點(diǎn)火器打出一道高溫電弧，瞬間把局部氣體溫度抬高到燃燒條件——火三角被觸發(fā)！

不過(guò)事情到這里咱們先別這樣理解，有可能僅僅是電弧引發(fā)了電弧路徑上的可燃?xì)怏w和氧化劑反應(yīng)，并不代表燃燒是可以自持的。

首先是大家都會(huì)想到的一個(gè)問(wèn)題——充入氣體的濃度。在“火三角”里，燃料和氧化劑同等重要。只有當(dāng)可燃?xì)怏w與空氣的比例處于一個(gè)合適的區(qū)間時(shí)，燃燒才有可能持續(xù)進(jìn)行。這個(gè)區(qū)間在燃燒學(xué)里被稱為可燃極限，即下限（LFL）和上限（UFL）。如果燃料濃度過(guò)低，火焰缺少足夠的可燃分子，哪怕有氧氣和點(diǎn)火源，也只能形成短暫的微弱火光，很快就熄滅；如果燃料濃度過(guò)高，反過(guò)來(lái)又會(huì)造成氧氣不足，燃燒反應(yīng)無(wú)法繼續(xù)。

舉個(gè)例子，丁烷在空氣中的體積分?jǐn)?shù)必須維持在大約1.8%—8.4%之間，點(diǎn)燃后的火焰才能自持。如果混合比例落在這個(gè)區(qū)間之外，就算電弧可以把局部的分子點(diǎn)燃，火焰也會(huì)因?yàn)槿毖趸蛉剂喜蛔愣⒖滔?。這就是為什么很多人在嘗試“等離子炮”時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明明點(diǎn)火了，卻只是“閃一下”的現(xiàn)象。

即便點(diǎn)燃了合適濃度的混合氣體，火焰能否沿管道繼續(xù)傳播，還取決于它自身的傳播速度是否足以抵消局部的流動(dòng)損失。燃燒學(xué)上把這一特性稱為火焰?zhèn)鞑ニ俣?，在理想條件下是層流火焰速度S

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，在實(shí)際管道中則表現(xiàn)為湍流火焰速度。若管道內(nèi)存在氣體流動(dòng)，速度記作u，當(dāng)u大于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r(shí)，火焰會(huì)被“吹掉”，形成“淬滅”；只有當(dāng)S

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>u時(shí)，火焰才能穩(wěn)定前進(jìn)。這就是為什么在狹長(zhǎng)管道里，點(diǎn)火不一定能看到火球順暢傳播，很多時(shí)候火焰只在點(diǎn)火口閃爍一下就熄滅。

同時(shí)，“淬滅”不僅僅發(fā)生在被點(diǎn)燃火球里面，要知道管壁的溫度要遠(yuǎn)小于火焰溫度，會(huì)大量的吸收燃燒所產(chǎn)生的熱量。

若管道直徑過(guò)小，與火焰厚度相當(dāng)或更小時(shí)，壁面強(qiáng)烈的導(dǎo)熱作用會(huì)把火焰前緣的能量帶走，導(dǎo)致燃燒無(wú)法自持，這就是壁面淬滅。

在很多需要防火的環(huán)境中其實(shí)也是利用了壁面淬滅的原理。例如將金屬上打很多小孔做成的防火罩。既保證了空氣的流動(dòng)，又因?yàn)楸诿娲銣绲男?yīng)阻止火焰向另一側(cè)傳播。

其實(shí)利用這種原理的設(shè)計(jì)很多，早期在礦井中明火使用的戴維燈也是如此。

也是依靠?jī)?nèi)部的金屬網(wǎng)讓這種燈可以在充滿瓦斯氣體的礦井中使用而不引爆礦井中的空氣。

到了“等離子炮”這跟管子的設(shè)計(jì)中，我們要使用逆向原理，要知道管道中的火球在很細(xì)的細(xì)管或狹縫中往往無(wú)法維持的，因此選擇這跟管子就不能選得太細(xì)。

再有，我們得關(guān)注管道中火球的熱損失，點(diǎn)火把局部氣體溫度抬高，但熱量會(huì)被周圍介質(zhì)和壁面帶走；如果燃燒前緣來(lái)不及把熱量傳給未燃混合氣（即停留時(shí)間不足），燃燒便無(wú)法蔓延。管內(nèi)流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度既是敵人也是朋友：強(qiáng)湍流能加速傳質(zhì)、把燃料與氧化劑混合得更均勻，從而提高局部燃速；但過(guò)強(qiáng)的對(duì)流同時(shí)會(huì)拉長(zhǎng)未燃?xì)怏w的換熱路徑、增加局部冷卻，使得火焰前緣更容易被吹散。這里就有管道纏繞形成螺旋狀的精妙之處了。

直管中的火焰前沿是沿著最短路徑傳播的，能量損失主要依賴管壁傳熱和對(duì)流換熱；一旦氣體流速偏大或者管壁導(dǎo)熱強(qiáng)，火焰很容易被拉長(zhǎng)甚至熄滅。而把管道做成螺旋狀，就等于強(qiáng)行拉長(zhǎng)了傳播路徑，使得火焰在同樣的軸向位移中必須經(jīng)過(guò)更多的彎曲與壁面擾動(dòng)。

其實(shí)這種設(shè)計(jì)在現(xiàn)實(shí)生活中我們也可以看到成熟的應(yīng)用案例，那就是發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣歧管?，F(xiàn)代高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣系統(tǒng)往往不會(huì)采用最短直線排氣，而是刻意把各個(gè)氣缸的排氣道設(shè)計(jì)成等長(zhǎng)、彎折甚至螺旋的路徑。這么做并不是為了“看起來(lái)復(fù)雜”，而是為了控制流場(chǎng)與能量傳遞。等長(zhǎng)設(shè)計(jì)可以保證各個(gè)氣缸的排氣脈沖在匯合時(shí)盡量錯(cuò)開，從而減少干擾與回壓，使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)更順暢。彎折和螺旋結(jié)構(gòu)則通過(guò)改變流道長(zhǎng)度和幾何形狀，調(diào)整氣流的傳播時(shí)間和壓力波的相位，讓部分脈動(dòng)能量被抵消，部分能量被利用，從而提升排氣效率與動(dòng)力響應(yīng)。同時(shí)，在彎折和擴(kuò)散的過(guò)程中，氣體會(huì)被迫產(chǎn)生旋渦和剪切層，這種湍流效應(yīng)不僅促進(jìn)了氣體交換，還在一定程度上起到了降噪和熱擴(kuò)散的作用。

和“等離子炮”的管子相比，排氣歧管的作用是工程化的、可量化的，它的目標(biāo)是提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率與耐久性。而“等離子炮”的螺旋管設(shè)計(jì)，只是把真實(shí)的工程手段套在了一個(gè)表演性的裝置上，結(jié)果形成了“看似有理、實(shí)則裝飾”的中二效果，但如果仔細(xì)計(jì)算和測(cè)試，火球的螺旋推進(jìn)還可以做得更加酷炫。

那么為什么要兩個(gè)桶對(duì)著扣在一起呢？很多人覺(jué)得這是一個(gè)“拉瓦爾噴管”的模仿，但實(shí)際上這點(diǎn)燃燒產(chǎn)生的氣體流速，根本達(dá)不到真正噴管所需的量級(jí)。拉瓦爾噴管的作用在于利用收縮—擴(kuò)張的幾何結(jié)構(gòu)，將高溫高壓氣體加速到超音速甚至更高，依靠連續(xù)的能量轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)推力。而“等離子炮”的所謂“爆炸”僅僅是低壓爆燃，壓力上升幅度有限，氣體流速遠(yuǎn)未到臨界馬赫數(shù)，更談不上通過(guò)喉部加速到超音速。

兩個(gè)桶扣合在一起的真正作用，是形成一個(gè)臨時(shí)的燃燒腔+空氣炮結(jié)構(gòu)。前一部分作為燃燒室，完成氣體的混合點(diǎn)火與膨脹；后一部分則像是空腔炮筒，把這股熱膨脹產(chǎn)生的空氣團(tuán)推出去。最終的效果并不是高速噴流，而是一個(gè)短時(shí)的氣體脈沖，把腔體內(nèi)空氣整體推出，形成近距離的沖擊。

其實(shí)就是一個(gè)彈性空氣炮被取代掉了后面的蒙皮，用可以“爆燃”的燃燒室提供高壓氣體的結(jié)構(gòu)了。

那么空氣炮的原理是怎樣的呢？

通常，空氣炮的腔體開口會(huì)有一個(gè)遮擋環(huán)，這個(gè)遮擋環(huán)并不是匯聚腔體內(nèi)的氣壓。而是遮斷開口四周的空氣和開口中噴出的空氣之間的聯(lián)系。

如果沒(méi)有遮擋環(huán)，腔體內(nèi)噴出的高速空氣會(huì)與周邊靜止空氣直接摻混，能量很快被擴(kuò)散掉，渦環(huán)的卷吸作用也會(huì)被破壞。遮擋環(huán)把桶口“框”了出來(lái)，讓腔體內(nèi)部噴出的氣流首先與自身形成回卷渦，而不是立刻被周邊大氣稀釋。這樣，空氣團(tuán)就能卷成一個(gè)穩(wěn)定的環(huán)形渦流結(jié)構(gòu)，帶著動(dòng)量向前推進(jìn)。

換句話說(shuō)，這背后還是伯努利原理在起作用。噴出口附近的高速氣流，因速度大而靜壓低，與周圍相對(duì)靜止空氣之間形成壓差，再加上邊緣處的強(qiáng)烈剪切，空氣被卷入形成回流，進(jìn)而演化成穩(wěn)定的渦環(huán)。遮擋環(huán)的作用，就是人為地穩(wěn)定這一過(guò)程，避免高速氣流過(guò)早與外界混合，使得低壓區(qū)得以維持，從而保證渦環(huán)生成。這也就是為什么從空氣炮中能吹出很有“質(zhì)感”的空氣彈的主要原因了。

但和彈性蒙皮鼓動(dòng)的空氣炮不同的是，手搓等離子炮并不具備在空氣炮腔室內(nèi)迅速的鼓動(dòng)一大塊空氣高速壓縮的能力。畢竟這只是兩個(gè)首尾相接的瓶子而已。在燃燒室內(nèi)燃燒所膨脹出來(lái)的氣體也只能依靠礦泉水桶的小口傳遞。

這樣一來(lái)，氣團(tuán)的質(zhì)量和速度都受到限制，渦環(huán)雖然可以形成，但動(dòng)量遠(yuǎn)不如真正的空氣炮那樣集中。換句話說(shuō)，它更像是“燃燒推動(dòng)空氣”，而不是“空氣壓縮成彈”。

這時(shí)，飲水機(jī)桶就成了一個(gè)意外合適的材料。它本身的桶壁足夠堅(jiān)固，可以承受燃燒瞬間的壓力波動(dòng)，不至于被撕裂。同時(shí)，透明材質(zhì)讓內(nèi)部火焰的傳播路徑清晰可見，滿足了“中二感”的視覺(jué)需求。更關(guān)鍵的是，飲水機(jī)桶內(nèi)壁并不是光滑的，而是帶有一圈圈的凸起筋條。這些筋條會(huì)在燃燒膨脹過(guò)程中制造擾動(dòng)，打破層流狀態(tài)，使氣體混合更劇烈，火焰更容易蔓延，看上去就像火球在“爬行”一樣；同時(shí)在燃燒室中產(chǎn)生高壓充入空氣炮腔室的時(shí)候也會(huì)形成湍流。

這樣本身在一瞬間內(nèi)就可以加強(qiáng)和放大氣體噴出的效果。不過(guò)，這一點(diǎn)也是手搓等離子炮還可以改進(jìn)的地方。燃燒室繼續(xù)用飲水機(jī)水桶問(wèn)題不大，但空氣炮腔體利用更光滑的材料本質(zhì)上是更好。我們只需要在兩者的接口位置放一個(gè)空氣阻尼裝置就可以放大這部分能量利用率。

比如在開口位置加一個(gè)薄膜隔離層，哪怕是一個(gè)安全套這樣的柔性膜片。當(dāng)燃燒室發(fā)生爆燃時(shí)，柔膜會(huì)被瞬間膨脹頂起，就相當(dāng)于傳統(tǒng)空氣炮里“手拉皮腔”的自動(dòng)化版本。區(qū)別在于，這里不是靠人手拍擊空氣，而是利用燃燒能量直接驅(qū)動(dòng)膜片，把空氣整體推出去。這樣既能保持空氣炮特有的“空氣彈”結(jié)構(gòu)，又能把燃燒釋放的能量更有效地轉(zhuǎn)移到空氣團(tuán)上。

最后，我們還得回答一個(gè)直觀問(wèn)題：為什么空氣能帶著能量傳播？畢竟空氣是流體，看起來(lái)應(yīng)該立刻擴(kuò)散掉才對(duì)。但事實(shí)上，當(dāng)燃燒膨脹把空氣炮腔體里的空氣推出去時(shí)，桶口的剪切作用會(huì)把氣流卷成一個(gè)環(huán)形渦流。這個(gè)渦環(huán)就像一個(gè)“空氣甜甜圈”，它不斷把周圍的空氣裹挾進(jìn)來(lái)，并且在環(huán)內(nèi)維持一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。正是這種結(jié)構(gòu)，讓動(dòng)量集中在渦環(huán)里，而不是立刻被四散消耗。

因此，火球看上去就像一個(gè)整體被拋射出去，甚至能在幾米外保持沖擊力。這和我們吐出的煙圈可以飛出很遠(yuǎn)是同一個(gè)道理：空氣并不是均勻擴(kuò)散，而是被組織成了一個(gè)自維持的流體結(jié)構(gòu)，能在傳播過(guò)程中保持能量和形態(tài)。

從工程角度看，這樣的手搓“等離子炮”效率很低，噴出的氣團(tuán)很快會(huì)因粘性耗散而衰減，無(wú)法真正轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)距離的有效沖擊。但從視覺(jué)效果上，它確實(shí)給人一種能量凝聚、火球飛出的強(qiáng)烈錯(cuò)覺(jué)，也正是這種錯(cuò)覺(jué)，滿足了“手搓等離子炮”的全部情緒價(jià)值。

其實(shí)，在很多很好玩的自制玩具中有很多中二的情節(jié)，但是不妨礙我們從中找到一些很有意思的工程系、物理學(xué)、光學(xué)、化學(xué)知識(shí)點(diǎn)，想必，這也是“手搓”的價(jià)值所在了。