引爆未来的航空！工程师提出一种新型爆震火箭

动力和可控之间的权衡？

摘要：火箭发射成本中最大的一笔支出就是推进剂的费用。为此，华盛顿大学的研究人员最近开发了一种新型发射机制：旋转爆震发动机的数学模型。旋转爆震发动机采用不同的方式燃烧推进剂。它由同心圆柱体组成。推进剂在圆柱体之间的间隙中流动，点燃后迅速释放热量形成冲击波，产生强烈的气体脉冲，有着高温和高压，其移动速度比声速还快。但这类设计最大的缺点就是其不可预测性。

在如今这个太空探索的时代，“成本效益”是很重要的。通过降低每次发射所需的有关成本，航天局和私人航空航天公司(又被叫做“新空间”)能够确保人类更多地进入太空。

（图解：火箭发射。图源：wikipedia）

对于发射成本而言，最大的一笔支出就是推进剂的费用。简单来说，脱离地球引力需要很多火箭燃料!

为了解决这一问题，华盛顿大学的研究人员最近开发了一种新型发射机制——旋转爆震发动机(RDE)的数学模型。

它的轻量化设计使得燃料效率更高，同时制造过程也没有那么复杂。然而，这种设计却带来一个极大的不足，那就是很高的难以预测性，以至于当前不能马上投入使用。

期刊《物理评论E》(《Physical Review E》)最近发表了他们的研究，标题为：《锁模旋转爆震波：实验和模型方程》。

该研究团队由华盛顿大学航空航天专业博士生詹姆斯?科赫（James Koch）领导，成员还包括华盛顿大学航空航天专业教授黑坂满（Mitsuru Kurosaka）和卡尔?诺伦（Carl Knowlen）以及华盛顿大学应用数学专业教授J?内森?库茨（J. Nathan Kutz）。

在传统的火箭发动机中，推进剂在燃烧室中燃烧，然后通过喷管从尾部排出，从而产生推力。

（图解：火箭的推力是压力作用在燃烧室和喷管，由于反作用力产生的结果。图源：wikipedia）

（图解：由于燃烧室无反压力，发动机牺牲了部分推力。图源：wikipedia）

而旋转爆震发动机的工作原理与传统的并不相同。科赫在华盛顿大学新闻发布会上介绍道：

“旋转爆震发动机采用不同的方式来燃烧推进剂。它由同心圆柱体组成。推进剂在圆柱体气缸之间的空隙中流动，点燃后迅速释放的热量会形成冲击波。这种强烈气体脉冲伴随着更高的压力和温度，且移动速度比声速还快。”

由来自华盛顿大学的团队开发的实验性旋转爆震发动机。 (詹姆斯?科赫(James Koch) /华盛顿大学)

然后他们用高速摄像机记录了燃烧过程(每次仅需0.5秒)。摄像机以每秒24万帧的速度记录了每次点火，研究团队可以借此以慢动作观察燃烧反应的展开。

科赫表示，他与他的同事都认为这种发动机运作良好。

“这个燃烧过程实际上是一种爆炸，但在最开始的启动阶段之后，我们看到了一些稳定的燃烧脉冲形成，它们继续消耗着可用的推进剂。这就产生了高压和高温，推动发动机尾部的废气高速排出，从而产生推力。”

（图解：空气从旋转爆震发动机的进口进入，通过隔离器时与连续、循环注入并在爆震环处被点燃的燃料混合。爆震波阵面概念图用红色表示。图源：aviationweek）

随后，研究人员开发了一个数学模型来模拟他们在实验中所观察到的情况。这一模型是同类模型中的第一个，研究团队通过它首次确定了旋转爆震发动机是否稳定。

虽然这个模型还没有准备好供其他工程师使用，但它可以让其他研究团队来评估特定的旋转爆震发动机的性能。

正如前文所说，该发动机的设计有一个缺点，那就是它的不可预测性。一方面，燃烧-驱动冲击的过程会自然导致冲击被燃烧室压缩，从而产生推力。

另一方面，爆炸一旦开始，整个过程猛烈且不受控制。对于火箭来说，这一点是完全不被允许的。

文章来源：《航空学报》 网址: http://www.hkxbzz.cn/zonghexinwen/2022/0123/2160.html