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美媒1945上有一篇關(guān)于旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的安利文，提出了一個觀點，旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機才是未來戰(zhàn)斗機理想的動力，它從零速度啟動到高超音速無縫切換，比目前任何一種發(fā)動機都要優(yōu)秀！那么果真如美媒所認為的那樣嗎？ 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機：到底是怎樣一種動力美媒1945上的這篇文章表示，爆震發(fā)動機的提出和研發(fā)已經(jīng)很久了，但一直沒有進入實用階段，但近些年來在旋轉(zhuǎn)爆震上的突破，有希望讓這種動力成為下一代戰(zhàn)斗機的動力！ 爆震發(fā)動機，和普通發(fā)動機到底有什么不一樣？ 爆震發(fā)動機最早可以追溯至1950年代密歇根大學航空航天工程名譽教授 Arthur Nicholls的爆震發(fā)動機理論，這種發(fā)動機的原理是與常規(guī)的燃燒不一樣，在爆震發(fā)動機燃燒室內(nèi)發(fā)生的過程是爆炸。 燃燒和爆炸都是氧化劑和燃料發(fā)生了反應，但兩種化學反應的速度卻不一樣，普通的燃燒是一個緩慢的過程，而在噴氣式發(fā)動機燃燒室內(nèi)的燃燒則比較快，但燃料顆粒間傳播速度仍然低于音速，從一般意義上來看，燃燒室的尺度基本只有幾十厘米的尺度，即使小于音速也是瞬間完成的。 但爆炸卻不是這個概念，因為爆炸的爆轟波速度是超音速的，比如燃氣爆炸的爆轟波速度可以輕松超過1400米/秒，大約是音速的4倍以上，因此在爆震發(fā)動機內(nèi)的“燃燒”過程傳播過程相當快。 這也引出了兩個完全不同的概念，等壓燃燒和等容燃燒，噴氣式或者火箭發(fā)動機的燃燒室內(nèi)都是屬于等壓燃燒，什么概念呢？它會自動維持一定的壓力，如果燃燒室壓力太高，那么就會從尾噴口排出以維持大致恒定的壓力。 因此火箭發(fā)動機會有一個收縮的喉部，以維持較高的壓力，這會讓亞音速燃燒的燃燒室仍然可以排出超音速的氣流，這個從擴散的發(fā)動機尾噴管的馬赫環(huán)就可以看出，各位注意下加力起飛的噴氣式發(fā)動機尾焰即可看到。 而爆震燃燒則是等容燃燒，即使在開放空間內(nèi)爆轟波仍然會以超音速傳遞，壓力并不會在開放空間中降低，因此可以近似看成是等容燃燒（爆炸），速度天生就是超音速的，因此它要比常規(guī)的噴氣式發(fā)動機和火箭發(fā)動機要優(yōu)秀的多！ 并且火箭的燃燒和爆震燃燒的燃料混合比完全不一樣，我們以常見的氧乙炔火焰的混合比為例，一般氣割時的高溫藍白色火焰的氧氣與乙炔氣體混合比大于1.2，也就是乙炔濃度大約為46%左右（請注意，此時還是富氧燃燒，乙炔濃度是不足的），但爆炸濃度范圍卻在2.3%-72.3%之間。 簡單地理解就是維持爆震發(fā)動機工作的乙炔消耗比例最低可低至維持火箭式燃燒濃度的5%，當然實際可能會大一些，但爆炸過程要比燃燒過程的燃料要節(jié)省得多這是肯定的事實。這個原理也讓爆震發(fā)動機更“省油”。 旋轉(zhuǎn)爆震：比多管爆震要更優(yōu)秀 如此優(yōu)秀的爆震發(fā)動機，為什么還不普及呢？原因其實也很簡單，爆震發(fā)動機的燃料效率雖然很高，但推重比太差，這個參數(shù)受到爆震發(fā)動機的“爆炸”頻率影響，而一般的脈沖爆震發(fā)動機點火速度受到爆震循環(huán)過程的影響。 爆震發(fā)動機其實和活塞式發(fā)動機有些類似，兩者都是爆炸驅(qū)動的發(fā)動機，比如一臺家用轎車級4缸活塞式發(fā)動機的極限轉(zhuǎn)速大約是4000轉(zhuǎn)/分左右，按四沖程發(fā)動機2轉(zhuǎn)一次一個爆炸循環(huán)，那么總共有2000次爆炸過程，按四個氣缸，每個氣缸工作500次，一分鐘60秒，每秒8次多一點！ 也就是說像活塞式發(fā)動機這種有強迫吸氣和排氣過程的發(fā)動機，爆炸頻率極限大約是8HZ，當然賽車級別會更高，就算它增加2.5倍也只有20次，而脈沖爆震發(fā)動機的門檻是80HZ，越高推重比越大，內(nèi)燃機有氣缸強迫吸氣排氣，而脈沖爆震發(fā)動機則是自然吸氣排氣。因此爆震發(fā)動機最麻煩的就是提高頻率，不過也不是沒有辦法，有如下幾個辦法可以解決：
多管爆震就是單管爆震頻率不夠，那么多湊幾根爆震管，以達到更高爆震頻率的可能，目前已經(jīng)用多管爆震可以達到80HZ的頻率，但很可惜的是這只是達到了爆震發(fā)動機的門檻而已，雖然有飛行器已經(jīng)使用多管爆震發(fā)動機作為動力并且經(jīng)過飛行測試，但推重比仍然不足。 另一種就是旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機，多管爆震雖然增加管子可以提高頻率，但每根管子都是死重，而且需要高頻點火，而旋轉(zhuǎn)爆震則是一個環(huán)形燃燒室，使用爆轟波的環(huán)形傳播在環(huán)形燃燒室內(nèi)出現(xiàn)螺旋形的起爆過程，它這個頻率受到環(huán)形燃燒室的結(jié)構(gòu)設計影響，頻率要比多管爆震發(fā)動機要高很多。 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機的特性非常優(yōu)秀，目前已經(jīng)達到了部分商用化的要求，但應用面還局限在作為小型航空器的動力，比如無人機等，之后很有可能會延伸到巡航導彈這類武器上，未來大型、穩(wěn)定動力后才可能擴展到載人飛行器上。 另外爆震發(fā)動機的另一個方向則是與現(xiàn)代噴氣式發(fā)動機結(jié)合，比如在渦扇發(fā)動機的外涵道布置多管爆震或者旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機，大幅度提高推重比，與渦扇組合式爆震發(fā)動機也是當前研究的重要方向。 超燃沖壓、變循環(huán)火箭與旋轉(zhuǎn)爆震，到底哪種更優(yōu)秀？對于飛行器的動力，全球各國突破的重要方向是高超音速吸氣式發(fā)動機，就現(xiàn)在掌握的技術(shù)而言，除了火箭以外，主要集中在如下幾個研究方向：
這三種發(fā)動機都可以達到高超音速，但三種發(fā)動機的特點卻又是迥異的，只能從幾個維度來對比下：
從結(jié)構(gòu)復雜度來看，超燃沖壓發(fā)動機和爆震發(fā)動機的結(jié)構(gòu)都非常簡單，兩者都沒啥運動部件或者只有很少的運動部件。變循環(huán)火箭發(fā)動機（類似于英國佩刀式預冷發(fā)動機的類型）結(jié)構(gòu)是最復雜的，它包括冷卻組件、渦輪機組件、燃氣渦輪、冷卻劑壓縮機以及火箭發(fā)動機等結(jié)構(gòu)，從結(jié)構(gòu)上來看，變循環(huán)火箭發(fā)動機最復雜。 零速度啟動方面，超燃沖壓發(fā)動機無法做到，因為這種發(fā)動機需要在4~5倍音速下才能點燃，因此它的零速度啟動性能是最差的，只能和渦輪機組合的TBCC模式或者火箭組合RBCC等模式。 變循環(huán)火箭與旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機均可在一定外圍部件的輔助下零速度啟動，對于載機來說，一種發(fā)動機肯定要比多種組合式發(fā)動機要便于維護，在這個條件下，超燃沖壓發(fā)動機完敗。 可以達到最高速度方面，爆震發(fā)動機可能要略差一些，據(jù)目前的資料，它的速度很可能無法超過5~7馬赫（1馬赫為1倍音速），而超燃沖壓發(fā)動機用碳氫燃料時的極限在7馬赫左右，用氫燃料則可達10馬赫以上。 變循環(huán)火箭則基本沒有限制，因為它可以工作在完全火箭模式下，它也能在大氣層外工作，這種發(fā)動機在跨大氣層工作時最有優(yōu)勢。 旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機也可以工作在火箭模式下，但由于其燃燒室結(jié)構(gòu)問題，其推重比與流量無法和變循環(huán)火箭相比，在這個條件下，變循環(huán)火箭發(fā)動機要更優(yōu)秀一些。 最后比拼的是省油性能，上文已經(jīng)說明了，等壓燃燒的火箭和常規(guī)噴氣式發(fā)動機無法和爆震燃燒的旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機相比，這種發(fā)動機是天生省油。 美媒1945上的報道其實說得很簡單，大致提及了旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機很優(yōu)秀，本文擴充了很多內(nèi)容做了大致比較，基本上可以確認一點，變循環(huán)火箭發(fā)動機可以跨越大氣層使用，非常優(yōu)秀，但結(jié)構(gòu)太復雜，超燃沖壓發(fā)動機速度不錯，就是無法零速度啟動，而且只能在大氣層內(nèi)使用，而旋轉(zhuǎn)爆震發(fā)動機則介于兩者之間，作為未來的戰(zhàn)斗機發(fā)動機，確實還是有潛力的，特別是和其他類型的渦輪風扇發(fā)動機組合時更有前途。 延伸閱讀：變循環(huán)火箭發(fā)動機到底什么原理？這種發(fā)動機有點打破常規(guī)，前面看是臺噴氣式發(fā)動機，后面看卻是臺火箭發(fā)動機！而它確實是兩種發(fā)動機的組合，基本組成大概有如下部分：可調(diào)式（火箭模式下可關(guān)閉）的進氣道、熱交換器、空氣壓縮渦輪機、預燃渦輪機、氦氣壓縮機和火箭發(fā)動機。 主要工作原理：將吸入的氣流冷卻減小體積后再經(jīng)過渦輪機壓縮進入火箭燃燒室作為氧化劑，與進入火箭發(fā)動機的燃料燃燒從尾噴管排出提供動力，需要冷卻是因為空氣壓縮后會受熱膨脹，會嚴重降低發(fā)動機進氣效率，因此冷卻空氣是這臺發(fā)動機最重要的步驟。 氦氣冷卻壓縮過程：火箭核心的預燃室渦輪泵啟動，為氦氣壓縮機提供動力，這些氦氣經(jīng)過壓縮后回到熱交換器，為進入發(fā)動機的氣流降溫； 渦輪機壓縮過程：火箭核心的預燃室渦輪泵啟動，同時為渦輪機提供動力，這對冷卻后的空氣二次壓縮，將高壓氣體注入火箭發(fā)動機的燃燒室作為氧化劑。 低空吸氣工作過程：火箭的預燃渦輪啟動，帶動渦輪機吸入空氣，同時啟動壓縮機，開始將吸入空氣冷卻后再壓縮送入火箭發(fā)動機與混入的燃料點燃從尾噴口排出，提供強大的推力 高空火箭工作過程：到30~40千米高度后，大氣層中含氧量不足以支持燃燒，發(fā)動機進氣口關(guān)閉，渦輪機停止，預燃室?guī)拥臏u輪泵全力泵入燃料和氧化劑，發(fā)動機處在純火箭模式狀態(tài)。 它是空天飛機的理想動力，不過它卻不適合作為戰(zhàn)斗機的發(fā)動機，因為這種結(jié)構(gòu)的發(fā)動機體積很難縮小，無法塞進目前的戰(zhàn)斗機中，并且必須使用低溫燃料，這個對戰(zhàn)斗機來說難度太高。 |
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