爆轰发动机到底有多牛?全世界研究了80年仍不放松(一)

爆轰发动机,一种被誉为本世纪最有前途的发动机之一,成为世界各国争相研究的对象。那么这种发动机到底有多牛呢?

爆轰发动机到底有多牛?全世界研究了80年仍不放松(一)

十八世纪末十九世纪初,内燃机的应用,替代了蒸汽机,带来了动力领域的巨大革命。今天我们的世界依然是内燃机在推动。而航空航天领域的爆轰发动机,同样被誉为具有革命性的变化。

我们传统的燃烧都是常压下进行的,用热力学术语说就是恒压燃烧。这种燃烧,相对来说效率低推力小,在高速推进领域具有先天的不足。而爆轰发动机选择了另外一种燃烧方式——恒容燃烧。恒容燃烧,能在燃烧室里产生巨大的压强,就像炸弹一样,一旦气体排出将产生强大的推力。理论上爆轰发动机的比冲能达到普通火箭发动机的十倍,这对于军事和航天领域来说简直是梦寐以求的。

爆轰发动机到底有多牛?全世界研究了80年仍不放松(一)

刚提到,相对于普通燃烧,爆轰发动机燃烧效率更高。普通的定压燃烧模式,燃烧效率大概达到27%,而爆轰发动机的燃烧效率理论上可以达到47%。与此同时,爆轰发动机工作燃烧产生的氮氧化物污染物要比普通燃烧的发动机少,从而减少环境污染。

西方工业体系不断提升和改进传统燃烧发动机,发展出了适用于低音速飞行的涡轮喷气发动机,正在攻克适用于超声速飞行的超燃冲压发动机,但是两种发动机都有各自的适用范围,前者适合亚声速和低倍声速飞行,而后者往往适用于超声速飞行。而爆轰发动机理论上可以适用于0-10马赫(注:1马赫相当于一倍声速,大于5马赫的飞行器就叫做高超音速飞行器),不需要在不同场合与不同发动机配合。

更厉害的是,爆轰发动机可以双模工作。不仅可以采用吸气式工作模式在大气层内飞行,也可以用火箭式工作模式在真空飞行。这种双模的工作模式,制造出的空天飞机,就不需要安装两种发动机配合了。如果爆轰发动机应用于涡轮喷气发动机中,可以减少其压气机的级数使其结构更简单。如果应用于火箭发动机,能提高将近十倍的比冲,单级入轨将不再困难。

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爆轰发动机火箭单级入轨不再是梦

世界各国都在努力研究爆轰发动机,但进展比较缓慢,目前还没有革命性的样机发明出来。早在1940年,德国科学家就进行了爆轰发动机的样机研究。但是由于技术条件的限制,这个技术方向没有引起足够的重视。到上世纪60年代末,相关研究就比较少了。但八十年代末,美国为代表的发达国家又重新启动了爆轰发动机的研究,直到今天,世界各国都在加大投入争取在这个领域取得突破。其中俄、美、日、法、中等国的研究力度比较大。

爆轰发动机到底有多牛?全世界研究了80年仍不放松(一)

应用爆轰发动机的飞机,在技术突破前还没有任何优势

爆轰发动机有三种主要模型,分别是驻定爆轰发动机、脉冲爆轰发动机和连续旋转爆轰发动机。其中第一种实现困难相关研究较少,第二种研究最多成果也最多,而第三种新近研究最热。关于这三种爆轰发动机,如果各位感兴趣,下来再详细介绍一下。

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目前关于爆轰发动机的研发,虽然有一些模型样机试验,但主要研究工作还是集中在理论研究领域,距离实用还有一些距离。目前的理论研究,也以计算模拟为主,我们国家的很多高校在这方面工作成绩突出。当然,这种大数据量的模拟计算,对于超级计算机的要求就比较高了,而我国的超级计算机领域在世界是领先的,这是我们最大的优势。

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