|
美媒1945上有一篇关于旋转爆震发动机的安利文，提出了一个观点，旋转爆震发动机才是未来战斗机理想的动力，它从零速度启动到高超音速无缝切换，比目前任何一种发动机都要优秀！那么果真如美媒所认为的那样吗？ 旋转爆震发动机：到底是怎样一种动力美媒1945上的这篇文章表示，爆震发动机的提出和研发已经很久了，但一直没有进入实用阶段，但近些年来在旋转爆震上的突破，有希望让这种动力成为下一代战斗机的动力！ 爆震发动机，和普通发动机到底有什么不一样？ 爆震发动机最早可以追溯至1950年代密歇根大学航空航天工程名誉教授 Arthur Nicholls的爆震发动机理论，这种发动机的原理是与常规的燃烧不一样，在爆震发动机燃烧室内发生的过程是爆炸。 燃烧和爆炸都是氧化剂和燃料发生了反应，但两种化学反应的速度却不一样，普通的燃烧是一个缓慢的过程，而在喷气式发动机燃烧室内的燃烧则比较快，但燃料颗粒间传播速度仍然低于音速，从一般意义上来看，燃烧室的尺度基本只有几十厘米的尺度，即使小于音速也是瞬间完成的。 但爆炸却不是这个概念，因为爆炸的爆轰波速度是超音速的，比如燃气爆炸的爆轰波速度可以轻松超过1400米/秒，大约是音速的4倍以上，因此在爆震发动机内的“燃烧”过程传播过程相当快。 这也引出了两个完全不同的概念，等压燃烧和等容燃烧，喷气式或者火箭发动机的燃烧室内都是属于等压燃烧，什么概念呢？它会自动维持一定的压力，如果燃烧室压力太高，那么就会从尾喷口排出以维持大致恒定的压力。 因此火箭发动机会有一个收缩的喉部，以维持较高的压力，这会让亚音速燃烧的燃烧室仍然可以排出超音速的气流，这个从扩散的发动机尾喷管的马赫环就可以看出，各位注意下加力起飞的喷气式发动机尾焰即可看到。 而爆震燃烧则是等容燃烧，即使在开放空间内爆轰波仍然会以超音速传递，压力并不会在开放空间中降低，因此可以近似看成是等容燃烧（爆炸），速度天生就是超音速的，因此它要比常规的喷气式发动机和火箭发动机要优秀的多！ 并且火箭的燃烧和爆震燃烧的燃料混合比完全不一样，我们以常见的氧乙炔火焰的混合比为例，一般气割时的高温蓝白色火焰的氧气与乙炔气体混合比大于1.2，也就是乙炔浓度大约为46%左右（请注意，此时还是富氧燃烧，乙炔浓度是不足的），但爆炸浓度范围却在2.3%-72.3%之间。 简单地理解就是维持爆震发动机工作的乙炔消耗比例最低可低至维持火箭式燃烧浓度的5%，当然实际可能会大一些，但爆炸过程要比燃烧过程的燃料要节省得多这是肯定的事实。这个原理也让爆震发动机更“省油”。 旋转爆震：比多管爆震要更优秀 如此优秀的爆震发动机，为什么还不普及呢？原因其实也很简单，爆震发动机的燃料效率虽然很高，但推重比太差，这个参数受到爆震发动机的“爆炸”频率影响，而一般的脉冲爆震发动机点火速度受到爆震循环过程的影响。 爆震发动机其实和活塞式发动机有些类似，两者都是爆炸驱动的发动机，比如一台家用轿车级4缸活塞式发动机的极限转速大约是4000转/分左右，按四冲程发动机2转一次一个爆炸循环，那么总共有2000次爆炸过程，按四个气缸，每个气缸工作500次，一分钟60秒，每秒8次多一点！ 也就是说像活塞式发动机这种有强迫吸气和排气过程的发动机，爆炸频率极限大约是8HZ，当然赛车级别会更高，就算它增加2.5倍也只有20次，而脉冲爆震发动机的门槛是80HZ，越高推重比越大，内燃机有气缸强迫吸气排气，而脉冲爆震发动机则是自然吸气排气。因此爆震发动机最麻烦的就是提高频率，不过也不是没有办法，有如下几个办法可以解决：
多管爆震就是单管爆震频率不够，那么多凑几根爆震管，以达到更高爆震频率的可能，目前已经用多管爆震可以达到80HZ的频率，但很可惜的是这只是达到了爆震发动机的门槛而已，虽然有飞行器已经使用多管爆震发动机作为动力并且经过飞行测试，但推重比仍然不足。 另一种就是旋转爆震发动机，多管爆震虽然增加管子可以提高频率，但每根管子都是死重，而且需要高频点火，而旋转爆震则是一个环形燃烧室，使用爆轰波的环形传播在环形燃烧室内出现螺旋形的起爆过程，它这个频率受到环形燃烧室的结构设计影响，频率要比多管爆震发动机要高很多。 旋转爆震发动机的特性非常优秀，目前已经达到了部分商用化的要求，但应用面还局限在作为小型航空器的动力，比如无人机等，之后很有可能会延伸到巡航导弹这类武器上，未来大型、稳定动力后才可能扩展到载人飞行器上。 另外爆震发动机的另一个方向则是与现代喷气式发动机结合，比如在涡扇发动机的外涵道布置多管爆震或者旋转爆震发动机，大幅度提高推重比，与涡扇组合式爆震发动机也是当前研究的重要方向。 超燃冲压、变循环火箭与旋转爆震，到底哪种更优秀？对于飞行器的动力，全球各国突破的重要方向是高超音速吸气式发动机，就现在掌握的技术而言，除了火箭以外，主要集中在如下几个研究方向：
这三种发动机都可以达到高超音速，但三种发动机的特点却又是迥异的，只能从几个维度来对比下：
从结构复杂度来看，超燃冲压发动机和爆震发动机的结构都非常简单，两者都没啥运动部件或者只有很少的运动部件。变循环火箭发动机（类似于英国佩刀式预冷发动机的类型）结构是最复杂的，它包括冷却组件、涡轮机组件、燃气涡轮、冷却剂压缩机以及火箭发动机等结构，从结构上来看，变循环火箭发动机最复杂。 零速度启动方面，超燃冲压发动机无法做到，因为这种发动机需要在4~5倍音速下才能点燃，因此它的零速度启动性能是最差的，只能和涡轮机组合的TBCC模式或者火箭组合RBCC等模式。 变循环火箭与旋转爆震发动机均可在一定外围部件的辅助下零速度启动，对于载机来说，一种发动机肯定要比多种组合式发动机要便于维护，在这个条件下，超燃冲压发动机完败。 可以达到最高速度方面，爆震发动机可能要略差一些，据目前的资料，它的速度很可能无法超过5~7马赫（1马赫为1倍音速），而超燃冲压发动机用碳氢燃料时的极限在7马赫左右，用氢燃料则可达10马赫以上。 变循环火箭则基本没有限制，因为它可以工作在完全火箭模式下，它也能在大气层外工作，这种发动机在跨大气层工作时最有优势。 旋转爆震发动机也可以工作在火箭模式下，但由于其燃烧室结构问题，其推重比与流量无法和变循环火箭相比，在这个条件下，变循环火箭发动机要更优秀一些。 最后比拼的是省油性能，上文已经说明了，等压燃烧的火箭和常规喷气式发动机无法和爆震燃烧的旋转爆震发动机相比，这种发动机是天生省油。 美媒1945上的报道其实说得很简单，大致提及了旋转爆震发动机很优秀，本文扩充了很多内容做了大致比较，基本上可以确认一点，变循环火箭发动机可以跨越大气层使用，非常优秀，但结构太复杂，超燃冲压发动机速度不错，就是无法零速度启动，而且只能在大气层内使用，而旋转爆震发动机则介于两者之间，作为未来的战斗机发动机，确实还是有潜力的，特别是和其他类型的涡轮风扇发动机组合时更有前途。 延伸阅读：变循环火箭发动机到底什么原理？这种发动机有点打破常规，前面看是台喷气式发动机，后面看却是台火箭发动机！而它确实是两种发动机的组合，基本组成大概有如下部分：可调式（火箭模式下可关闭）的进气道、热交换器、空气压缩涡轮机、预燃涡轮机、氦气压缩机和火箭发动机。 主要工作原理：将吸入的气流冷却减小体积后再经过涡轮机压缩进入火箭燃烧室作为氧化剂，与进入火箭发动机的燃料燃烧从尾喷管排出提供动力，需要冷却是因为空气压缩后会受热膨胀，会严重降低发动机进气效率，因此冷却空气是这台发动机最重要的步骤。 氦气冷却压缩过程：火箭核心的预燃室涡轮泵启动，为氦气压缩机提供动力，这些氦气经过压缩后回到热交换器，为进入发动机的气流降温； 涡轮机压缩过程：火箭核心的预燃室涡轮泵启动，同时为涡轮机提供动力，这对冷却后的空气二次压缩，将高压气体注入火箭发动机的燃烧室作为氧化剂。 低空吸气工作过程：火箭的预燃涡轮启动，带动涡轮机吸入空气，同时启动压缩机，开始将吸入空气冷却后再压缩送入火箭发动机与混入的燃料点燃从尾喷口排出，提供强大的推力 高空火箭工作过程：到30~40千米高度后，大气层中含氧量不足以支持燃烧，发动机进气口关闭，涡轮机停止，预燃室带动的涡轮泵全力泵入燃料和氧化剂，发动机处在纯火箭模式状态。 它是空天飞机的理想动力，不过它却不适合作为战斗机的发动机，因为这种结构的发动机体积很难缩小，无法塞进目前的战斗机中，并且必须使用低温燃料，这个对战斗机来说难度太高。 |
|
|
