無休止的爆炸可能可以將超高音速飛行器送入太空

圖解： 這是一張由斜爆震波發(fā)動機提供動力的超高聲速飛機的概念圖。圖源：Daniel A. Rosato, NASA

無止境的爆炸可能是超高音速飛行和太空飛機的關(guān)鍵，這些飛機可以順利的從地球飛入軌道。目前，研究人員已經(jīng)在實驗室里模擬了可能使這些飛機產(chǎn)生爆炸的現(xiàn)象。

這些爆炸不是我們所理解的簡單的爆炸，而是一種特別強大的爆炸，其向外移動的速度超過了音速。去年震撼黎巴嫩貝魯特港的大爆炸就是一種類似的引爆，它們所能產(chǎn)生的巨大能量造成的輻射面積相當(dāng)廣的破壞。

科學(xué)家們長期以來的一個夢想就是建造一個能夠使用這種能量所進行飛行的飛機引擎；這種飛船理論上可以在一小時內(nèi)從紐約飛到倫敦。但引爆是一件非常難以控制的，通常持續(xù)不到一微秒，所以還沒有科學(xué)家能夠使其成為現(xiàn)實。

目前，美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的一個團隊創(chuàng)造了一個實驗裝置，使他們能夠在一個固定的位置持續(xù)引爆幾秒鐘，研究人員認(rèn)為這是朝著未來高超音速推進系統(tǒng)邁出的重要一步。

"美國中佛羅里達(dá)大學(xué)機械和航空航天工程副教授、也是這項研究論文的主要作者Kareem Ahmed，發(fā)表在《美國國家科學(xué)院院刊》上的一篇關(guān)于說："我們在這里要做的是控制這種引爆。

"我們想把它凍結(jié)在太空中，并利用這種能量。Ahmed告訴《生活科學(xué)》，"與其像你在黎巴嫩看到的那樣讓它摧毀建筑物，現(xiàn)在我想利用它，用它生產(chǎn)推力。"如果我們能做到這一點，我們就可以超速旅行。"

這一突破是建立在幾十年來對一種被稱為斜爆波發(fā)動機（ODWE）的理論推進系統(tǒng)的研究上。這個概念的工作原理是將空氣和燃料的混合物以高超音速（超過五倍音速）輸送到一個斜面上，從而產(chǎn)生一個沖擊波。這個沖擊波將迅速加熱燃料——也就是空氣混合物并使其爆炸，將廢氣從發(fā)動機的后面高速噴出。其結(jié)果是產(chǎn)生大量的推力。

當(dāng)空氣和燃料的混合物以這種方式引爆時，所產(chǎn)生的燃燒是非常有效的，因為接近100%的燃料被燃燒。爆炸還產(chǎn)生了大量的壓力，這意味著發(fā)動機可以產(chǎn)生比其他方法更多的推力。研究人員說，從理論上講，這種引爆所產(chǎn)生的能量應(yīng)該能夠以高達(dá)17倍的音速推動飛機，這可能快到足以讓航天器簡單地飛出大氣層，而不是需要搭上火箭。

但技術(shù)上的挑戰(zhàn)在于如何維持足夠長的引爆時間，為這種飛行提供動力，但以前的實驗證明最高也就幾毫秒。艾哈邁德說，主要的困難在于防止爆炸向燃料源的上游移動，在那里它可能會造成嚴(yán)重的損害，或者進一步向下游移動，在那里它將會熄滅。

"一直存在著這樣的問題：如果你把它保持在一毫秒左右，你只是暫時保持嗎？Ahmed說。"你不知道你是否已經(jīng)穩(wěn)定下來了。"

為了測試他們是否能夠改進以前的記錄，Ahmed和他的同事們建造了一個大約2.5英尺長（0.76米）的系列腔體，在將空氣和氫氣加速到高超音速并向一個斜坡發(fā)射之前，將其混合并加熱。

通過仔平衡空氣與燃料混合物的比例、氣體流動的速度和坡道的角度，實驗團隊能夠產(chǎn)生一個固定位置約3秒的爆炸。Ahmed說，這已經(jīng)足夠確認(rèn)爆炸穩(wěn)定發(fā)生在一個固定的位置，而不是向上或向下游移動，這是朝著實現(xiàn)現(xiàn)實生活中的ODWE邁出的第一個重要步驟。

德克薩斯大學(xué)阿靈頓分校的機械和航空航天工程教授Frank Lu說，展示穩(wěn)定的引爆是一項重大成就。為了開發(fā)一個實用的發(fā)動機，研究人員現(xiàn)在必須解決如何在一定的速度和高度范圍內(nèi)運行，并處理由燃料和空氣不均勻混合等因素引起的燃燒不穩(wěn)定。

"我認(rèn)為調(diào)查人員做得很好，并期待著進一步的結(jié)果，"Lu告訴《生活科學(xué)》。

Ahmed解釋說，研究人員只進行了幾秒鐘的實驗，主要是因為爆炸的強度迅速侵蝕了試驗室的玻璃側(cè)面。他說，他們在最初的測試中不得不使用玻璃，以便他們能夠?qū)ΡㄟM行光學(xué)測量，但是如果他們用金屬邊代替，他們應(yīng)該能夠運行更長時間的爆炸。

而且有希望的是，Ahmed說，測試裝置的結(jié)構(gòu)與全尺寸ODWE的設(shè)計沒有什么不同。研究人員現(xiàn)在面臨的主要挑戰(zhàn)是研究他們?nèi)绾文軌蚋淖內(nèi)剂匣旌稀⒖諝馑俣群托苯沁@三個關(guān)鍵成分，同時仍然保持爆炸的穩(wěn)定性。

Ahmed說：“現(xiàn)在，我們已經(jīng)證明它是可行的，單更多的是一個工程問題——探索如何在更大的操作領(lǐng)域內(nèi)維持它?！?/p>

BY:Edd Gent

FY:秋白

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處